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深部岩体三维地应力测量新方法、新原理
及其相关问题研究
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| 侯明勋 |
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| STUDIES ON NEW METHOD AND PRINCIPLE OF THREE DIMENSIONAL CRUSTAL STRESS MEASUREMENT IN DEEP BOREHOLE AND RELATED ISSUES |
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摘要 首先，对地应力场的基本分布规律以及工程地应力的测量方法和技术进行了全面的归纳与总结，在系统分析前人研究成果的基础上，提出了一种新的地应力测量方法——钻孔局部壁面应力全解除法；然后，通过理论研究、数值模拟分析和相关的试验研究，初步证实了本文提出的地应力测量新方法、新原理的正确性和可行性；最后，研究了岩体初始地应力场的有限元数值模拟分析方法。具体研究工作主要有以下几个方面：
(1) 总结了工程岩体地应力的测量方法和技术，回顾和分析了目前在大陆科学钻探计划中深部地壳应力量测方法的研究现状，简要评述了传统地应力测量方法在深部岩体应力测量中应用的可行性，指出了研究深部岩体初始地应力测量新方法、新原理以及研制全新的地应力测井仪器的必要性。
(2) 基于线弹性岩石力学理论提出了一种测定深部岩体地应力的新方法——钻孔局部壁面应力全解除法。该方法理论基础可靠，在应力测量过程中不需要套钻，在确定地应力张量时也不需要做任何假定，从而克服了现有的钻孔应力测量方法之不足。从理论上讲，该方法将不受测量深度的限制，具有普遍适应性，它将为地应力测量，尤其是深部地应力测量提供新的方法和途径。
(3) 把岩石视为均质、线弹性、各向同性的连续介质，对应力解除法地应力测量中影响测量结果的相关因素进行了讨论，研究了测量误差的分析方法以及误差的参数敏感性等问题。
(4) 采用有限元方法对钻孔局部壁面应力全解除法进行了数值模拟分析，研究了应力解除过程中所要解除卸载的岩芯直径与解除深度之间的定量变化关系。分析了钻孔局部壁面应力切割环形槽对竖直钻孔的局部影响区域，研究了应变花在钻孔侧壁上的布置排列方式。
(5) 基于钻孔局部壁面应力全解除法地应力测量新原理，提出了研制全新的地应力测井设备的系统设计思想。通过室内试验，对侧壁取芯方法及钻进参数的选用进行了较为全面的研究，论证了在现有技术条件下研制全新的地应力测井设备的可行性，完成了井下动力头的初步设计工作。
(6) 以国内某大型水利水电工程实测空间地应力资料为基础，采用有限元方法对岩体初始地应力场进行了数值模拟研究。对无界元及其在初始地应力场分析中的应用进行了讨论，无界元作为有限元分析中的特殊单元，在引入初始地应力场有限元分析模型之后，其计算结果明显优于常规的有限元分析结果，从而为初始地应力场分析提供了一种新途径。
(7) 鉴于等参元逆变换在实际应用中的重要性，最后研究了基于等参元解析性质的等参逆变换算法的计算机实现方法。结合MATLAB符号工具箱的计算功能和Visual C++编程效率高的特点，编制了一套计算程序，给出了比较简便的计算机实现方法，从而避开了直接求解高次方程给程序编制带来的麻烦，便于在实际工程中推广应用。
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| 关键词 ：
岩石力学,
深部地应力测量,
三维地应力测量,
钻孔局部壁面应力全解除法,
数值模拟,
地应力场分析,
无界元
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收稿日期: 2004-10-18
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