地應力解除法地應力測量原理及技術之空心包體地應力測量原理

圖1   一點的應力狀態（六個應力分量） 

現場測量原始地應力，就是通過現場測試確定巖體的三維應力狀態。巖體中一點的應力狀態可由選定坐標系中的六個分量（s x ,s y ,s z ,t xy ,t yz ,t zx ) 來表示，一般情況下，地應力的六個應力分量是非零的，處于相對靜止的平衡狀態，無法直接得知。因此，任何一種實測方法都是通過擾動（通常的方法是打鉆孔），打破原有狀態，在從一種平衡狀態到新的平衡狀態的過程中，通過對應力效應的間接測量來實現。

力或應力物理效應是產生應變和位移。可以通過應變和位移傳感器將巖體應變和位移的變化記錄下來，取得測量數據。根據巖石的本構關系即應力-應變關系，建立相應的力學計算模型，由觀測到的應變或位移，就能計算出地應力的六個分量或者三個主應力的大小和方向。

由此可見，現場地應力測量過程，本質上是應變或位移的測量過程。只要具備精巧、完備測量儀器和測試技術，就可保障應變和位移獲得，而地應力結果的準確獲得不僅要靠實測應變數據的可靠，還有賴于力學模型，以及由此推演的地應力分量的解算公式是否正確。因為地應力值要根據實測應變值，通過巖石的本構關系計算求得。

應力解除技術，是改變巖體應力狀態，使巖體產生應變響應的簡捷方法。所謂鉆孔應力解除技術，就是將一段巖石通過取芯（套芯技術）從周圍巖體施加給它的應力場內隔離開來的方法。

設地下某一點的應力為s x ,s y ,s z ,t xy ,t yz ,t zx ，主應力大小為s 1，s 2，s 3 ，與大地坐標系 XYZ 關系用 9 個方向余弦或 9 個夾角值可以*確定。但在實測中，鉆孔與巖層、與大地坐標總會呈某一角度（仰角或俯角）。設 xyz 為鉆孔坐標系，在該坐標系下的地應力是實測地應力。由此，只要有了兩套坐標系的相對關系和實測地應力的的全部分量，通過坐標變換就可得到 XYZ 坐標下的應力分量，并由此求得主應力的大小和方向。由空心包體應變計所測量應力解除過程中應變數據計算地應力的公式為：

式中：ε θ ,ε z ,γ θz 分別是空心包體應變計所測周向應變、軸向應變和剪切應變值。

K 系數計算公式

式中： R1為空心包體內半徑；

R2為安裝小孔半徑；

G1 ,G2 分別為空心包體材料環氧樹脂和巖石的剪切模量；

ν 1，ν 2 分別為空心包體材料環氧樹脂和巖石的泊松比；

ρ 為電阻應變片在空心包體中的徑向距離