巖石力學作業(yè)

1、地應力測試方法1 地應力及其測試的必要性地應力，又稱原巖應力，也稱巖體初始應力或絕對應力，是指存在于地層中的未受工程擾動的天然應力，是在漫長的地質年代里，由于地質構造運動等原因產(chǎn)生的。地應力是蓄存在巖體內部的一種內應力，不是巖體的一種固有特性，而是巖體存在的一種力學狀態(tài)。在一定時間和一定地區(qū)內，地殼中的應力狀態(tài)是各種起源應力的總和。主要由重力應力、構造應力、孔隙壓力、熱應力和殘余應力等耦合而成，重力應力和構造應力是地應力的主要來源。地應力的形成主要與地球的各種動力運動過程有關，另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其他物理化學變化等也可引起相應的應力場。而重力作用和構造運動是引起地應力的主要原因

2、，其中尤以水平方向的構造運動對地應力的形成影響最大。因此，巖石中的原地應力是由主動施加的力和積蓄的殘余應變兩者引起的。地應力是引起采礦、水利水電、土木建筑、鐵道、公路、軍事和其他各種地下或露天巖石開挖工程變形和破壞的根本作用力，是確定工程巖體力學屬性，進行圍巖穩(wěn)定性分析，實現(xiàn)巖石工程設計和決策科學化的必要前提條件。由于地應力的多變性和復雜性 ，其大小和方向不可能通過數(shù)學計算或者模型分析的方法來獲得，要了解某個地區(qū)的地應力狀態(tài)，唯一的方法就是進行地應力測試。地應力測試，就是確定擬開挖巖體及其周圍區(qū)域的未受擾動的三維應力狀態(tài)，這種測試通常是通過多個點的量測來完成的。地應力測試是一項綜合性的測試，可

3、以說任何一種單一的方法都不能很好地完成，往往需要幾種方法結合起來對比使用，才可以保證結果的可靠性。地應力測試在礦山開采、地下工程和能源開發(fā)等生產(chǎn)實踐中起著至關重要的作用，對地應力的研究是當前國際采礦界上的一個前沿性課題，近幾十年來，世界上許多國家均開展了地應力的測量及應用研究工作,取得了眾多的成果。2 地應力測量技術的發(fā)展概況美國進行地應力測量的時間較早，美國人勞倫斯于1932年在胡佛大壩泄水隧洞中首次成功進行了原巖應力測量。1962年，美國又相繼研制出了USBM鉆孔變形計，它是由美國人歐貝特研制出的，其依據(jù)是孔徑變形法，這種方法是測量鉆孔直徑變化的測量方法。20世紀60年代末，水壓致裂法的相

4、繼提出，使美國地應力測量技術空前提高，該方法是由海姆森和費爾赫斯提出的，即垂直鉆一個孔，將其封隔，然后向孔內注入高壓液體，通常是水，然后通過孔壁的膨脹和裂縫來判斷地應力的方向以及大小。它最初是起源于石油的開發(fā)工作，為了增加石油產(chǎn)量，向儲油的巖層加壓，使其出現(xiàn)裂縫，導出石油，但是為了不讓其通道閉合，就往里填充材料，這個方法逐漸完善后就產(chǎn)生了現(xiàn)在的水壓致裂法，該測量方法在美國的20世紀中后期得到了廣泛的傳播與推廣，水壓致裂法有測量深度比以往的所有地應力測量方法測得深度都要深，達到5000米，空前未有的深度，而且它不需要過于精密的儀器，測試周期短、方法簡便易懂、操作簡單等優(yōu)點，是目前世界上最受常用的

5、地應力測量方法，對研究地礦深度的構造應力場有非常重要的意義。南非是世界上鉆石儲量最多的地區(qū)，因而它們的地應力測量和發(fā)展與采礦業(yè)是密不可分的，南非是世界上測量地應力最早的國家也是最有成效的國家之一，因而它們的鉆石開采越來越順利。南非有一個叫南非科學與工業(yè)研究委員會力學工程研究所，20世紀50年代末期，研制出了孔徑變型儀，它有兩種型號，即Mark 1和Mark2，這兩種型號的孔徑應變儀就是由利曼及這個研究所的巖石力學部研發(fā)出來的，主要用來礦山巖爆和研究應力場的狀態(tài)的監(jiān)測。1966年南非學者利曼根據(jù)彈性力學理論提出了含圓柱形孔的無限介質體在無限遠處三維應力場作用下孔周圍應力場的解析解，推動了地應力測

6、量技術的發(fā)展和進步。20世紀的70年代，南非科學家提出了孔壁應變測量地應力的方法，首次研制出了S CIR三軸孔壁應變法，實現(xiàn)了從二維測量向三維測量的跨越，實現(xiàn)了之前從未有過的單孔徑全地應力測量，可以獲得某個點的三維的地應力測量數(shù)據(jù)，現(xiàn)在這種方法己經(jīng)在全世界得到推廣，推動了地應力測量技術的發(fā)展和進步。瑞典是世界上最早進行地應力測量的國家之一，早在1951年瑞典人哈斯特進行大量的磁致伸縮效應，成功了運用這種效應研制出了鋁合金鉆孔應力計，并與套孔應力解除法相結合，對斯堪的納維亞半島的礦區(qū)進行了測量，在主應力的垂直應力與水平應力之間，水平應力竟然大于垂直應力，從而對傳統(tǒng)的觀念產(chǎn)生質疑，推翻了地應力以垂

7、直應力為主的禁錮，也打破了地應力是靜水壓力的假說，使得地應測量技術又得到進一步的發(fā)展。瑞典電力局于20世紀60年代研制出叫二維孔底應變計的新型應變計。20年后，又研制出深鉆孔水下三維孔壁應力解除測量儀器，測量的孔深有500多米，90年代初又研制出無電纜遙控自動記錄深孔鉆孔應變計，地應力測量技術又達到一個更高層的水平。澳大利亞的第一個地應力測量是開始于新南威爾士的一個雪山電站，是由沃羅特尼基和亞歷山大在1957年初實驗成功的，他們采用的方法是扁千斤頂法，對于澳大利亞整個國家來說，這個方法使澳大利亞的地應力測量技術掀開了序幕。沃羅特尼基是澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織的一名研究成員，這個組織是澳大

8、利亞CST公司的前身，沃羅特尼基和組織的其他成員研制出了一種叫空心包體應變計的新型測量地應力的儀器，這種儀器比同時期的其他測量方法更方便更準確，現(xiàn)在己經(jīng)得到廣泛的推廣使用。為了使這個測量儀器的功能更加完善，空心包體應變計的巖體應力場的解析解被鄧肯破解，1980年空心包體應變計測量方法得到更完善、可靠。彭德和米爾斯在研制了一種叫ANZ的應變計之后，通過這種應變計對礦區(qū)的測量，測繪出了礦區(qū)的匯編圖，并總結出錨桿支護工程的成功因素之一在于對地應力的準確測量。在一個煤礦中，地應力測量地點很多，有時幾乎幾十個，所以可以通過這些測量地點來繪制地應力的分布圖，然后規(guī)劃巷道的支護，有利于礦區(qū)的穩(wěn)定性發(fā)展和系統(tǒng)

9、的規(guī)劃布置。前蘇聯(lián)開展地應力測量的時間比一般國家較晚一些，為了對大地的構造進行深度研究和對地球動力學進行解析，前蘇聯(lián)地理或者物理方法進行地應力測量，而且這種方法使用較為通用。作為前蘇聯(lián)黑色冶金工業(yè)部的礦業(yè)研究所的研究成員費洛赫于在20世紀的60年代初，對烏拉爾礦區(qū)進行了地應力測量，采用的測量方法是他們新型研究出的全應力解除法和半應力解除法，并對此礦區(qū)進行了成功了測量。20世紀70年代，前蘇聯(lián)的研究院物理研究所發(fā)表一本有關于地殼、地球應力狀態(tài)的書，該書中記載和收集了有關這個國家的礦區(qū)和水電等方面的大量的實測資料，研究學者格佐夫斯基根據(jù)這些實測資料和地震機制解析解的資料繪制出了該國家的應力場圖。在

10、20世紀的80年代后期，加盧什等前蘇聯(lián)物理研究者在頓巴斯煤田進行了地應力測量，采用的方法是套孔應力解除法，推進了前蘇聯(lián)地應力測量技術的發(fā)展。英國對地應力測量的研究也屬于世界前列，起步于20世紀的50年代。英國研究學者進行地應力測量的主要方法是應力解除法和扁千斤頂法，過了20多年，英結出一個重要的規(guī)律:地應力的水平方向上分布著地應力的最小和最大主應力，最大主應力約在西北一東南方向，而垂直方向上分布的是地應力的中間應力。 日本的地應力測量工作展開的比其他國家要早很多，20世紀的30年代，日本開展地應力測量工作是為了礦山的開采和地下工程的需要。起初所采用的方法是僅能測量圍巖巷道表面的應力恢復法，這種

11、測量方法比較簡便，它只能測量巖石的表面，直接能測量出地應力的大小，如果知道地應力的主應力時，這種方法更為簡單。因為應力恢復法是一種無需知道巖石的彈性特定、受巖石內的非均質的影響較小的一維應力測量方法，它有操作簡單、費用較少等優(yōu)點ls 0 20年之后，日本為了研究巖石內部應力，開始使用應力解除法等向巖石打鉆的方法進行巖石內部應力的測量研究。葡萄牙進行地應力測量的工作也比較早，羅洽對扁千斤頂進行了改進，跟其一起研究的還有土木工程研究所，后來他們又一起研制出了實心空心包體應變計，之后沒多久就研制出空腔包體應變計。羅洽等人在地應力研究方面取得的顯著的成績，因此參加了里斯本的國際巖石力學大會和國際地應力

12、測量研討會，因此，他們顯著的發(fā)明傳給了世界各國，因此，這兩次大會推進了世界范圍內的地應力測量技術的發(fā)展。除了這些國家之外，還有很多國家進行了地應力的實測和研究工作，推進自己國家礦業(yè)和水利等方面的進步，比如法國、芬蘭、贊比亞、挪威、新西蘭等國家，都開始了對地應力有關方面的探索，并取得初步的成績。我國對地應力鉆研開始于20世紀40年代初，最早是李四光教授把地應力致力于地質力學中的內容來鉆研。自50年代后期，隨著三峽工程、長江大橋等大型工程的規(guī)劃和設計任務的提出，在著名地質學家李四光和陳宗基教授倡導下，正式開始了地應力測量和理論研究。我國的原巖應力的測量開始于20世紀的60年代初期，測量深度最高達到

13、30米，同時這個時期也開始利用千斤頂法測得礦山酮室的圍巖表面的應力狀態(tài)。同時在李四光教授指引下，地質研究所成員成功研制出了壓磁應力計，之后在河北的隆堯縣建立了中國第一個觀測站，隨之又在我國各地等21個地方成功建立了觀測站，形成了一個中國地應力觀測網(wǎng)。1972年，郭增建、王妙月等人組織成立了地震源機制研究小組，對我國和鄰區(qū)發(fā)生的地震進行震源解析，結出了我國大地構造主要以水平方向為主的理論。70年80年代以后，地殼應力研究所率先在國內開展了水力壓裂地應力測量的研究工作，并于1980年10月在河北易縣首次成功進行了水力壓裂法地應力測量，從而邁出了我國深鉆孔地應力測量的第一步。我國的地應力測量技術和設

14、備從無到有，經(jīng)過近40余年的發(fā)展，己經(jīng)取得了長足的進步，但與國際先進水平相比尚有一定的差距。研究新的測量方法和測試技術解決目前地應力測量中存在的各種問題和不足，仍然是一個重大的研究課題。3 地應力測試方法及其原理3.1 地應力測試方法分類 近半個世紀以來，特別是近30年來，隨著地應力測量工作的不斷開展，各種測量方法和測量儀器也不斷發(fā)展起來。就世界范圍而言，目前主要測量方法有數(shù)十種之多，而對測量方法的分類并沒有統(tǒng)一的標準。目前各國采用和正在研究的測定地應力的方法主要有：應力解除法，水壓致裂法，鉆孔鋸法，非彈性應變恢復法等。利用從鉆孔中采取的巖芯實驗室測量方法有：變形率分析，Kaiser效應法，微

15、分應變曲線分析等。近年來發(fā)展的有超聲波檢測原巖應力的方法等。根據(jù)測量手段的不同，將地應力測量方法分為五大類，即：構造法、變形法、電磁法、地震法、放射性法。根據(jù)測量原理可分為三大類：第一類是以測定巖體中的應變、變形為依據(jù)的力學法，如應力恢復法、應力解除法、應變恢復法、應變解除法及水壓致裂法等；第二類是以測量巖體中聲發(fā)射、聲波傳播規(guī)律、電阻率或其他物理量的變化為依據(jù)的地球物理方法，如聲發(fā)射法、X射線法；第三類是根據(jù)地質構造和井下巖體破壞狀況提供的信息確定應力方向。按測試空間分為鉆孔內測試及洞內測試和洞內鉆孔測試。鉆孔中的測試又分為孔徑變形法和孔壁應變法。按照測量數(shù)據(jù)特點，地應力測量方法可分為絕對地

16、應力測量和相對地應力測量。絕對地應力是要獲得地殼應力原有的應力值，也就是巖層主應力的大小和方向；相對地應力是獲得工程開挖前后巖體應力所發(fā)生的相對變化值或者規(guī)律。根據(jù)國內外多數(shù)人的觀點，依據(jù)測量基本原理的不同，將測量方法分為間接測量和直接測量法兩大類。直接測量法是由測量儀器直接測量和記錄各種應力量，如補償應力、恢復應力、平衡應力，并由這些應力量和原巖應力的互相關系，通過計算獲得原巖應力值，在計算過程中不涉及不同物理量的換算，不需要知道不需要知道巖石的物理力學性質和應力應變關系。扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應力計法和聲發(fā)射法均屬直接測量法。其中，水壓致裂法在目前的應用最為廣泛，聲發(fā)射法次之。間

17、接測量法不是直接測量應力值，而是借助某些傳感元件或某些介質，測量和記錄巖體中某些與應力有關的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應變，巖體的密度、滲透性、吸水性、電阻、電容的變化，彈性波傳播速度的變化等，然后由測得的間接物理量的變化，通過已知的公式，計算巖體中的應力值。因此，在間接測量法中，為了計算應力值，首先必須確定巖體的某些物理力學性質以及所測物理量和應力的相互關系。套孔應力解除法和其它應力或應變解除方法以及地球物理方法等是間接法中較常用的。其中,套孔應力解除法是目前國內外最普遍采用的發(fā)展較為成熟的一種地應力測量方法。3.1 應力恢復法應力恢復法是基于向壁面內部解除以水平方向的槽的同時，隨之

18、壁面附近的應力被解除，應力狀態(tài)也得到恢復的原理。在側墻的表面或者壁面上找一完整的部位，預先在解除槽的上下部位安裝兩個測量元件，然后進行槽的解除。在進行率定試驗時，向槽內埋設壓力枕，對巖體進行施壓，使巖體的應力達到應變沒有解除前的狀態(tài)，等巖體的應力狀態(tài)完全恢復，這時測得的壓力枕的大小就是巖體原來受到的應力。通過應力恢復后測量的應力和應變就可根據(jù)彈性力學推算出測試點的應力狀態(tài)。 如圖所示，當洞室里側墻表面圍巖應力的主應力為，水平方向為時，就能通過應力恢復法計算得到。應力恢復法中應用最廣泛的是扁千斤頂法，扁千斤頂是由兩塊薄鋼板沿周邊焊接在一起而形成的，在周邊處有一個油壓入口和一個出氣閥，扁千斤頂?shù)臏y

19、量示意圖如圖1所示：圖1 扁千斤頂應力測量示意圖 扁千斤頂法的測量步驟如下所示： （1）在準備測量應力的巖石表面安裝兩個測量柱，并用微米表測量二柱之間的距離； （2）在與兩個測量柱對稱的中間位置向巖體內開挖一個垂直于測量柱連線的扁槽，槽的大小、形狀和厚度需要和扁千斤頂一致，一般槽的厚度為520mm，由盤鋸切割而成。由于扁槽的開挖造成局部應力釋放并引起測量柱之間的距離變化，測量并記錄這一變化； （3）將扁千斤頂完全塞入槽內，必要時需注漿將扁千斤頂和巖石膠結在一起，然后將電動或手動液壓泵向其加壓。隨著壓力的增加，測量柱之間的增大。當測量柱之間的距離恢復到扁槽開挖之前的大小時，停止加壓，記錄下此時扁

20、千斤頂中的壓力，該壓力稱為平衡壓力或者補償壓力，等于扁槽開挖前表面巖體中垂直于扁千斤頂方向，也即平行于兩測量柱連線方向的應力。對于普通千斤頂，特別是面積較小的扁千斤頂，由于周邊焊接圈的影響，由液壓泵施加到扁千斤頂中的壓力高于扁千斤頂作用于巖體上的壓力，為此，在測量之前，需先在實驗室中對扁千斤頂進行標定。扁千斤頂法早期表面應力恢復法的的代表，是一種一維應力測量方法，一個扁千斤頂?shù)臏y量只能確定測點處垂直于扁千斤頂方向的應力分量，為了確定該測點的六個應力分量就必須要在該點處沿著不同的方向切割六個扁槽，而這是不可能實現(xiàn)的。因為扁槽的相互重疊將造成不同方向測量結果的互相干擾，使之變得毫無意義。由于扁千斤

21、頂測量只能在巷道、洞室或者其他開挖體表面附近的巖體中進行，因而其測量的是一種受開挖擾動的次生應力場，而非原巖應力場。同時，扁千斤頂?shù)臏y量原理是基于巖石完全是線彈性的假設，對于非線性巖體，其加載和卸載路徑的應力應變關系是不同的，由扁千斤頂測得的平衡應力并不等于扁槽開挖前巖體中的應力。此外，由于開挖的影響，各種開挖體表面的巖體會受到不同程度的損壞，這些都會造成測量結果的誤差。扁千斤頂法在20世紀50年代應用較為廣泛，現(xiàn)在已很少用于地應力測量，但在礦山中仍被作為監(jiān)測礦柱和圍巖應力變化的一種方法3.2 水壓致裂法20世紀50年代由哈伯特、威利斯在理論上進行論證了水水壓致裂法，60年代由夏德格、凱利、費

22、爾赫斯特等加以完善，海姆森等分析了壓裂液滲入的影響,并作大量野外和室內實驗工作。 由于操作簡便,且無須知道巖石的彈性參量，水壓致裂法得到廣泛應用。 根據(jù)彈性力學理論可知，當一個位于無限體中的鉆孔收到無窮遠處二維應力場的作用時，距離鉆孔端部一定距離的部位處于平面應變狀態(tài)，在這些部位，鉆孔周邊的應力為： 其中的和分別為鉆孔周邊的切向應力和徑向應力；為周邊一點與軸的夾角。當時，取得極小值，此時如果采用圖中的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來，并向該段鉆孔注入高壓水，當水壓超過巖石抗拉強度與之和之和之和，在處，也即所在方位將發(fā)生孔壁開裂，設鉆孔壁發(fā)生初始開裂時的水壓為，則如果繼續(xù)向封隔段注入高壓水，使裂隙

23、進一步擴展，當裂隙深度達到3倍鉆孔直徑時，此時已經(jīng)接近原巖應力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定，將該恒定壓力記為，則應和原巖應力平衡，亦即。由上述可知，只要測出巖石的抗拉強度，即可由和求出和，這樣和的大小和方向就全都確定了。在鉆孔中存在裂隙水的情況下，如果封隔段處的裂隙水壓力為，則有要求出和，需要知道封隔段的巖石抗拉強度，這往往是很困難的。為了克服這一困難，在水壓致裂試驗中增加一個環(huán)節(jié)，即在初始裂隙產(chǎn)生之后，將水壓卸除，使得裂隙閉合，然后再重新向封隔段加壓，使裂隙重新打開，記裂隙重新打開時的壓力為，則這樣由上式求解時，不需要知道巖石的抗拉強度參數(shù)。因此，水壓致裂法測量原巖應力將不設計巖石的物理力學

24、性質，而完全由測量和記錄的壓力值來決定。由以上可知，水壓致裂法對地應力測量的測試原理基于三個基本假設：（1）地殼巖石是線性均勻、各向同性的彈性體；（2）巖石為多孔介質時，流體在孔隙內的流動符合達西定律；（3）主應力方向中有一個應力方向與鉆孔的軸向平行。向封閉的鉆孔內注入高壓水，當壓力達到最大值后，鉆孔井壁會發(fā)生破裂導致井內壓力下降，為維持裂隙保持張開狀態(tài)，孔內壓力最終會達到恒定值，不再注入后，孔內壓力迅速下降，裂隙發(fā)生愈合，之后壓力降低速度變慢，其臨界值為瞬時關閉壓力，完全卸壓后再重新注液，得到裂隙的重張壓力以及瞬時關閉壓力，最后通過由儀器記錄裂縫的方向。水壓致裂法的儀器如圖所示：水壓致裂法的

25、測量步驟為：（1）打孔到準備測量應力的部位，將鉆井中待加壓段用封隔器密封起來，鉆孔直徑與所選用的封隔器的直徑相一致，封隔器一般是充壓膨脹式的，充壓可以液體，也可用氣體。（2）向兩個封隔器的隔離段注射高壓水，不斷加大水壓，直至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力；然后繼續(xù)施加水壓以擴張裂隙，當裂隙擴張至3倍直徑深度時，關閉高水壓系統(tǒng)，保持水壓恒定，此時的應力稱為關閉壓力，記為，最后卸壓，使裂隙閉合。給封隔器加壓和給封閉段注射高壓水可共用一個液壓回路，一般情況下，利用鉆桿作為液壓通道，先給封隔器加壓，然后關閉封隔器進口，經(jīng)過轉換開關，將管路接通至鉆孔密封段加壓，也可采用雙回路，即給封隔器加壓和水壓致裂的

26、回路是相互獨立的，水壓致裂的液壓通道是鉆桿，而封隔器加壓通道為高壓軟管。在整個加壓過程中，同時記錄壓力-時間曲線圖和流量-時間曲線圖，使用適當?shù)姆椒◤膲毫?時間曲線圖中可以確定和；從流量-時間曲線圖中可以判斷裂隙擴展的深度。（3）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開并記下裂隙重開時的壓力，和隨后的恒定關閉壓力為。這種卸壓-加載的過程重復兩三次，以提高測試數(shù)據(jù)的準確性。和同樣由壓力-時間曲線和流量-時間曲線確定。（4）將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設備從鉆孔中取出。（5）測量水壓致裂列些和鉆孔試驗段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小，測量可以采用井下攝影機、井下電視、井下光學望遠鏡或印模器。

27、前三種方法代價昂貴，操作復雜，使用印模器則比較簡單實用，印模器的結構和形狀與封隔器相似，在其外面包裹一層可塑性橡皮或者類似材料，將印模器連同加壓管路一起送人井下的水壓致裂部位，然后將印模加壓膨脹，以便使鉆孔上的所有節(jié)理裂隙均印在印模器上，此印痕可保持足夠的時間，以便提至井上之后記錄下來，印模器裝有定向系統(tǒng)，以確定裂隙的方位。在一般情況下，水壓致裂裂隙為一組徑向相對的縱向裂隙，很容易辨認出來。水壓致裂法最突出的優(yōu)點是能夠測量深部應力，已見報道的最大測量深度為5km，這是其他方法所不能做到的，因此這種方法可用來測量深部地殼的構造應力場，同時，對于某些工程，例如露天邊坡工程，由于沒有現(xiàn)成的地下巷道、

28、隧道等可用來接近應力測量點，或者在地下工程的前期階段，需要估計該過程區(qū)域的地應力場，也只有使用水壓致裂法才是最經(jīng)濟實用的。否則，如果使用其他更為精確的方法例如應力解除法，則需要首先打幾百米深的導洞才能接近測點，那么經(jīng)濟上將是十分昂貴的。因此對于一些重要的地下工程，在工程前期階段使用水壓致裂法估計應力場，在工程施工過程中或者工程完成后，再使用應力解除法比較精確地測量某些測點的應力大小和方向，就能為工程設計、施工和維護提供比較準確可靠的地應力場數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的水壓致裂法應力測量理論和方法是建立在彈性力學平面應變理論的基礎之上的，它的前提是原地應力場中的兩個主應力方向構成一個平面，而第三個主應力是與這兩

29、個主應力垂直的。利用一個鉛直井孔進行水壓致裂應力測量得到兩個水平主應力的大小和方向，而垂向主應力的值是由巖石的密度按靜巖壓力計算得出。傳統(tǒng)水壓致裂法采用最大單軸張應力的破裂準則，沒有考慮軸向應力迄和徑向應力該對孔壁四周圍巖的約束效應。切向應力傀隨液壓不斷增大，由壓應力轉變?yōu)閺垜顟B(tài)，再由張應力逐漸增大達到圍巖抗拉強度，井壁四周圍巖沿剪切方向產(chǎn)生破裂。因此，鉆孔壓裂段井壁上只能產(chǎn)生平行于井孔軸向的縱向破裂縫。這時壓裂段的液壓就達到破裂壓力。傳統(tǒng)水壓致裂法地應力測量方法存在的不足是：只能確定鉆孔橫截面上的二維應力狀態(tài)，地應力場的一個主應力方向與井孔軸向平行的情況很少。在利用水壓致裂法進行三維地應

30、力測量時，需要在三個不同方向的井孔中分別進行測量，在測量過程中破裂處的井壁圍巖，是在張一張一壓或張一壓一壓的三維應力狀態(tài)下破裂的，并不符合最大單軸張應力破裂準則的應力條件。實際應用中存在的兩大主要問題：（1）在復雜地質構造或在山區(qū)峽谷等復雜地貌條件下，鉆孔方向一般并非主應力方向，如果不假定主應力方向那么測試結果對實際生產(chǎn)用處不大；（2）傳統(tǒng)水壓致裂法確定的鉆孔橫截面上最大和最小的應力值中，最大應力精度差，最小應力精度高，因此測試結果的整體精度達不到要求精度。一些學者就三維地應力測量解釋進行了卓有成效的探討，在不同方向的3個或3個以上鉆孔內，采用完整巖石段的常規(guī)壓裂實驗，來測量三維地應力狀態(tài)的三

31、孔交匯水壓致裂法來解決第一個問題。三維地應力測量理論采用最小主應力破壞準則進行水壓致裂法三維地應力測量，其理論模型可以客觀地反映水壓致裂過程中誘發(fā)破裂產(chǎn)生的力學機制。根據(jù)線彈性理論，當鉆孔內承受液體壓力時，孔壁上某一點(鉆孔極系坐標系下極角為)的最小主應力可以表示為原地應力張量、內水壓力和的函數(shù)。當原地應力張量和鉆孔空間方位為定值時，則孔壁上的最小主應力表現(xiàn)為隨極角變化的正弦曲線。在水壓致裂應力測試過程中，隨著向密閉的試驗段持續(xù)泵進流體，最小主應力隨內水壓力的增加而不斷減小，直至由壓應力變?yōu)槔瓘垜?。當鉆孔孔壁某一方位角處的首先達到該處的巖石抗張強度時，則形成誘發(fā)破裂，此時的流體壓力為（即破裂

32、壓力），記錄了破裂方位。采用最小主應力破壞準則進行水壓致裂三維地應力測量時，該方法在理論上是可行的，還可以避免由于采用最小切向應力準則可能帶來的誤差。由于傳統(tǒng)水壓致裂法測量關閉壓力比較準確，且不對地應力方向和孔隙水壓力作任何假設，通過該方法獲得的測量結果是接近真實的，此外由于測量鉆孔的方向和深度不受限制，適用于巖石比較破碎、完整性較差和原生裂隙比較發(fā)育的巖體。傳統(tǒng)水壓致裂法與三維地應力各有優(yōu)點，相比較而言，傳統(tǒng)水壓致裂法發(fā)展得比較成熟，雖然適用條件要求比較苛刻，但是精度比較高，三維地應力方法是最近發(fā)展起來的適用條件比較廣泛的一種新理論，雖然適用范圍比較廣，但是缺乏嚴密的理論依據(jù)，測量精度比較差

33、。水壓致裂法從測量理論上來說是一種地應力近似估算方法，其測量精度本身就受到限制，比較適用于其他方法難于完成的深孔地應力測量。聲發(fā)射法1953年，德國學者Kaiser在研究多晶金屬材料的聲發(fā)射特性時，受單向拉伸的金屬材料，只有當應力達到其先期最大應力值時才會有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，而當應力未達到歷史最高水平，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，這一現(xiàn)象為Kaiser效應。1963年，Goodman證實了巖石也具有Kaiser效應，為測量地應力提供了一個新方法，國內外眾多巖石力學學者、研究人員應用巖石聲發(fā)射進行了大量的地應力測量研究試驗，取得了顯著的成果。Yoshikawa和Mogi等通過試驗研究了巖石聲發(fā)射現(xiàn)象與巖石

34、受荷載歷史關系，提出了巖石內裂紋延伸和擴張的非粘性活動。Li. C.等根據(jù)大量試驗確證了巖石Kaiser效應，同時提出了巖石聲發(fā)射試驗評價巖石損傷狀況的方法，展望了巖石聲發(fā)射技術在巖土工程中的應用前景。聲發(fā)射法是在Kaiser效應的基礎上來測定地應力的一種方法，也稱之為Kaiser效應法，其原理是材料受到外載荷作用之后，材料內部會將儲存的應變就會釋放出來，材料釋放形式為彈性波，在應變釋放的過程中就會發(fā)出聲響，就可以測量材料內部的應力值，稱之為聲發(fā)射。當測量巖體破裂時，每一次的裂縫擴張，就引起能量的一次釋放，產(chǎn)生一次聲發(fā)射。此時的傳感器就接收到一次聲發(fā)射信號，產(chǎn)生一個聲發(fā)射波，這就叫一次聲發(fā)射事

35、件。通常，通過對儀器輸出波形的處理之后才能得到聲發(fā)射表征參數(shù)，也就是通過對聲發(fā)射事件大小和發(fā)生頻率有關的參數(shù)及一個單一事件或者一組事件的頻譜有關的參數(shù)進行描述得到，最常用的參數(shù)為：累計活動:在一定的時間范圍內聲發(fā)射發(fā)生的次數(shù)；聲發(fā)射率:在單位時間內聲發(fā)射事件的次數(shù)；聲發(fā)射幅度:在觀測時間的任意時間某一次聲發(fā)射的最大振幅；聲發(fā)射能量:任意時間聲發(fā)射事件振幅的平方；聲發(fā)射累計能:在一定時間內所有聲發(fā)射時間的聲發(fā)射能量之和；聲發(fā)射能率:觀測單位時間內所有事件的聲發(fā)射能量之和。而所謂的Kaiser效應就是多晶金屬的內部從最高應力瞬間釋放后，然后又重新對其進行加載，當沒有達到先前最高應力時，會產(chǎn)生很小的

36、聲發(fā)射，當達到或者超過先前最高應力時，就會產(chǎn)生大量的聲發(fā)射，這種能夠記憶巖石所承受過的最大應力的效應就叫做Kaiser效應52，從聲發(fā)射較少的部位到聲發(fā)射較大的部位過度點叫Kaiser效應點，如圖所示。試驗時，在6米深度的原巖應力區(qū)取巖芯，在每一個方向取1525個巖芯，之后將巖芯制作成圓筒狀，并且在每個試件都要磨出一個放探頭的平面，由于試件的兩端可能會產(chǎn)生應力集中或者摩擦等會影響到接受信號，需在試件端部加兩層聚氯乙烯和橡膠皮片。測試裝備包括壓力試驗機、前置放大器、輸入鑒別器、函數(shù)記錄儀等。試驗步驟如下：（1）在試件的上下部位分別安裝一個傳感器，并將試件放在試驗機上加壓，檢測系統(tǒng)如圖所示；（2）

37、然后從傳感器中的電信號通過放大、鑒別之后的信號就被送入定區(qū)檢測單元；（3）定區(qū)檢測單元發(fā)出的信號直接送入計數(shù)控制單元；（4）計數(shù)控制單元將采樣時間間隔內發(fā)出聲發(fā)射模擬量和數(shù)字量分別送到記錄儀、顯示器中顯示或者打?。辉嚰?, 2一上、下壓頭；3, 4一傳感器A, B； 5, 6一前置發(fā)大器A, B；7, 8一輸入鑒別單元A,B； 9一定區(qū)檢測單元；10一計數(shù)控制單元A； 11一計數(shù)控制單元B；12一壓機油路壓力傳感器；13一壓力電信號轉換儀器；14一三筆函數(shù)記錄儀；15一試件聲發(fā)射法不僅可以通過測定獲得地應力的大小，還可以對巖心進行定向來獲取原地應力方向，常規(guī)的聲發(fā)射方法能較好的對地層表面的地應

38、力進行測量。勞動量小，可以保持研究巖體的完整性，在同一地點或者多區(qū)進行多次測量。但聲發(fā)射法不適合地層深處的探測，因為當在巖芯在3000米以上的深度取得時，利用常規(guī)聲發(fā)射方法對巖芯進行實驗時，往往在還沒有達到Kaiser點時，巖芯就己發(fā)生破壞，同時伴有聲音發(fā)出，此時采集到的信號就不是聲發(fā)射Kaiser效應的發(fā)出的信息，所以無法用這種方法對深部地層進行測量。由于聲發(fā)射需要彈性波作介質，因而就多適用在強度較高的脆性巖體中，因而具有多孔隙、低強度的巖石以及塑性巖體也不具有明顯的Kaiser效應，因此測量松軟的巖體不適采用聲發(fā)射法。使用范圍比較局限，對于較松軟的巖體則不適用，精度比較低。應力解除法應力解

39、除法的基本原理是當測定巖體中的某點的地應力時，就應人為地把該點巖體與周圍巖體相分離，該巖體就會發(fā)生彈性變形，此時，該點巖體上的應力就會被解除。同時，此單元體的幾何尺寸將逐漸得到恢復。用一定的測量儀器，測定此彈性恢復的應變值或變形值，并且假設巖體是連續(xù)、均質和各向同性的彈性體，且加載和卸載時應力和應變關系是相同的，并具有等同的函數(shù)值，于是就可以借助彈性理論的解答來計算巖體單元所受的應力狀態(tài)。應力解除法是發(fā)展時間最長，技術上比較成熟的地應力測量方法，能夠客觀地反映巖體內部地應力的狀況，測量精度比較高，可靠性比較高，適用于現(xiàn)有礦山的巷道和洞室里。但這種方法測量地點是很有局限性的，在運用技術上也存在一

40、些困難。應力解除法按照應變或者變形可分為孔徑變形法、孔底應變法、孔壁應變法。應力解除法下面的分支中的每一種方法，其基本原理是建立在應力解除法的基礎上因在測量的部位或者運用測量元件上的不同得到的。其中孔壁應變法可單孔準確測量巖體的三維地應力，但要求巖體完整性好且測量元件受溫度、空氣濕度等各方面影響較大；孔徑變形法因測量元件不與孔壁接觸，因此可以排除孔壁變形法存在的缺點，該方法具有適應性強、靈敏度高、周期短等優(yōu)點；孔底應變法對巖體的完整性要求低、測試成功率高但在我國的影響度較低，且適合測量二維應力；孔壁應變法是將應變片粘貼在孔壁上，通過應力解除前后孔壁變形來計算地應力的一種方法。根據(jù)測量時運用的應

41、變計不同，將孔壁應變法又分為兩種：第一種是一般的鉆孔三向應變計，它是將電阻應變片直接粘貼在孔壁上。這種方法測量精度高，但步驟復雜，成功率較低；第二種是空腔包體式應變計，它是將應變片粘貼在預先制定好的塑膠筒內，粘貼之后，外面再澆注一層環(huán)氧樹脂做成應變計。采用這種應變計能達到一次鉆孔的一次測量就可以確定巖體三維地應力狀態(tài)，這種應變計具有能在巖性較差的裂隙較多的地質環(huán)境中測量的優(yōu)點，同時還具有操作簡單、測量成功率較高等優(yōu)點，深受廣泛應用?；诟姆椒ㄔ谑澜绺鲊技喊l(fā)展較成熟。孔徑變形法孔徑變形法是通過測量應力解除過程中鉆孔直徑的變化而計算出垂直于鉆孔軸線的平面內的應力狀態(tài)，并可通過三個互不平行鉆孔的測

42、量確定一點的三維應力狀態(tài)。 測量孔徑變形的儀器很多，其中最著名的是美國礦山局的孔徑變形計，是于20世紀60年代研制出來的，其結構如圖所示，其探測頭是六個圓頭活塞，兩個徑向相對的活塞測量一個直徑方向的變形，被測的三個直徑方向互相間隔60。每個活塞由一個懸臂梁式的彈簧施加壓力，以使其和孔壁保持接觸，在懸臂彈簧的正反面各貼一支電阻應變片。應力解除前將變形計擠壓進鉆孔中，以便兩個活塞頭之間有0.5mm左右的預壓變形，并使變形計能夠固定在測點部位。應力解除時，鉆孔直徑膨脹，預壓變形得到釋放，懸臂彈簧的彎曲變形發(fā)生變化，這一變化由電阻應變片探測并通過儀器記錄下來。彈簧正反兩面變形相反，一面是拉伸，一面是壓

43、縮，兩支應變片的讀書相加，使測量精度提高一倍。徑向相對的兩個懸臂彈簧上的四支應變片組成一個惠斯通電橋的全橋電路，自身解決了溫度補償?shù)膯栴}，也大大有利于提高測量結果的準確度。通過標定試驗可以確定兩個活塞頭之間的徑向變形和懸臂彈簧上的應變片所測讀書之間的關系。孔徑應變計的適用孔徑為3640mm，增加或減少活塞中的墊片，可以改變其適用孔徑的大小。 根據(jù)應力解除過程中測得的孔徑變形可以計算得到原巖應力場。設鉆孔位于三維無限體中，鉆孔的局部坐標系為，鉆孔軸線和軸相平行，則孔徑變形和局部坐標系下的三維應力分量之間的關系為， 式中，為鉆孔直徑，為孔徑方向和之間的夾角，從軸逆時針旋轉到孔徑方向為正；為巖石的彈

44、性模量，為巖石的泊松比。 、和可通過三維應力場的轉軸公式轉換成整體坐標系下的方程，一個鉆孔中只有三個孔徑方向是獨立的，即一個鉆孔測量只能得到三個獨立方程，而三個方程中的六個未知數(shù)是不可能求解的，因此一個鉆孔的孔徑變形測量不能確定一點的三維應力狀態(tài)。兩個互不平行的鉆孔測量也只能得到五個獨立方程，故而只有通過相交于一點的三個互不平行鉆孔的孔徑變形測量才能求得一點的三維應力狀態(tài)。測量時可設地球坐標系為整體坐標系，每一個鉆孔設一個局部坐標系，只要三個局部坐標系和整體坐標系的方向關系已知，三個局部坐標系下的測量值均可通過轉軸公式轉換為整體坐標系下的表達式，從而解處整體坐標系下的六個應力分量。 如果只進行

45、一個鉆孔的孔徑變形測量，則可通過以下公式求出垂直于鉆孔軸線的平面內的應力狀態(tài)，式中，為互相間隔60的三個孔徑方向的變形值；為和之間的夾角，從逆時針到為正。垂直鉆孔軸線的平面內的孔徑變形和應力狀態(tài)示意圖 為了求得原巖應力值，需要知道巖石的彈性模量和泊松比。在一般的巖石力學研究中，均取圓柱形或者立方體巖石試樣進行壓縮試驗，測定彈性模量和泊松比的值，即通過對套孔巖芯加圍壓，并通過孔徑變形計測量圍巖-孔徑變形曲線，由此確定彈性模量值，這就保證了這是真正測點的巖石彈性模量和泊松比值，計算公式為： 式中，為圍壓值，為所測得的由圍壓引起的平均徑向變形值，、分別為套孔巖芯的外徑和內徑。 為了求得泊松比，可在套

46、孔巖芯上貼軸向應變片，測得的軸向應變和徑向應變之比即為巖石的泊松比值。孔徑變形法要求在能獲得完整巖芯的巖體中進行，且需要三個鉆孔才能獲得一點的三維應力分量。但是這種方法具有適應性強、靈敏度高、周期短等優(yōu)點?？椎讘兎ㄔ趲r體的測點處先鉆一個平底鉆孔，并在孔底處粘貼一應變傳感器，鉆出巖芯將可使孔底的平面完全卸載，如圖4.6所示，之后通過獲得卸載的平面后的恢復應變以及巖石的彈性常量方可求出孔底處的平面的應力狀態(tài)。該方法的進行只需要一個很小的巖芯，因此對于有裂隙的巖石也可采用這種方法。在進入測試現(xiàn)場之前的準備工作，除了一些測量設施和設備外；應對測量儀器進行安全測定。測試步驟如下：（1）準備好一臺鉆機，

47、并進行測試地點的選擇；（2）開動鉆機進行平底鉆，鉆到測量部位停止；（3）在孔底處粘貼一應變片，作為應變傳感器；（4）再以平底鉆時的孔徑繼續(xù)鉆進，鉆到預定的深度就停止；（5）每隔十分鐘向鉆孔中沖水，連續(xù)進行三次，這三次的讀數(shù)值之差不超過，就認為是穩(wěn)定的，就可以開鉆解除應力；（6）在解除的過程中，每鉆進2cm，讀一下鋼環(huán)的值并且記錄，進行到30cm時，若之前的長度內連續(xù)兩次前后測量讀數(shù)不超過，就認為是穩(wěn)定的，于是停止鉆進；（7）取出鉆具和巖芯。（8）在室內測定巖芯的彈性模量和泊松比，就可套用公式將主應力的大小和方向算出?？椎讘兎ú恍枰荛L的套孔巖芯，對巖體的完整性要求不高，對于破碎的巖體也適用，

48、大量實驗也證明測試成功率比較高，但也存在很多的缺點，當應變片粘貼在孔底時只能獲得平面應力，不能直接得到三維應力，必須通過在三個互不平行的方向進行測量才能獲得三維應力狀態(tài)?？妆趹兎?在三維應力場作用下，一個無限體中的鉆孔表面及周圍的應力狀態(tài)可以由現(xiàn)代彈性理論給出精確解。通過應力解除測量鉆孔表面的應變即可求出鉆孔表面的應力進而精確地計算出原巖應力的狀態(tài)，據(jù)此原理研制出了孔壁應變計。 當鉆孔受到無窮遠處的三維應力場作用時，孔邊的圍巖應力分布如下圖所示 孔壁為平面應力狀態(tài)，只有三個應力分量，因此鉆孔孔壁同一截面上的三個不同母線位置粘帖應變花(45型，總共不少于三個應變花9個應變片)，當應力解除后，孔

49、壁產(chǎn)生相應的應變。每組應變花的測量結果可得到4個方程，三組應變花共有12個方程，其中至少有6個獨立方程，據(jù)此可以求解出原巖應力的6個分量。 空腔包體應變計法 地應力的測量技術隨著一代代前輩在工程實踐中的發(fā)展，伴隨著地應力測量儀器也被一次次的革新，但這一次次的發(fā)展與革新不是偶然的。在20世紀60年代中期之前，地應力的測量水平只處于最初的平面地應力測量階段，也就是對一點在某一剖面上的應力狀態(tài)的分析。但在這之后，隨著各個學科的進步，三維地應力測量技術逐漸發(fā)展起來。1963年以后，世界各國出現(xiàn)了各種各樣的鉆孔三向應變計，在1976年的澳大利亞聯(lián)邦科學和工業(yè)研究組織資源開發(fā)研究CSIRO型空心包體式鉆孔

50、三向應變計。該方法測量簡單，成功率高，能適應地質條件比較差的巖體，而且試驗周期也比較短，己被世界各國廣泛采用。我國于20世紀的80年代對空腔包體應變測量進行研究，之后在地質力學研究所等一大批學者的努力下研制成功了YH3B-4型空心包體應變計，最終以KX-81，KX-2003，CKX-97， CKX-O1型空心包體等展示于世，并在工程實踐中得到了廣泛的應用。2001年廣東惠州抽水蓄能電站的地下廠房以及飲水系統(tǒng)淺埋段運用空心包體式應變計進行鉆孔地應力測量，取得滿意成果?？涨话w應變計的最深測量深度可以達到365米，以己經(jīng)突破了套芯應力解除法應力測量在國內的最深紀錄。在2004年，邱賢德等研究學者把

51、空腔包體應變計和完全溫度補償技術以及自動化實時記錄系統(tǒng)結合起來取得了卓越的成果，為分析工程的設計以及施工提供了重要的依據(jù)。在一般的地應力測量方法中，需要進行對鉆孔三個方向進行測量，而鉆孔孔壁測量法只需對鉆孔進行一次測量便可獲得巖體三個方向的地應力狀態(tài)。目前，孔壁應變法的的應變計有兩種形式:一是普通的鉆孔三向應變計，其就是把測量元件電阻絲應變片直接粘貼到鉆孔孔壁上，這種方法要求被測巖體的完整性比較好，測量精度高，但操作復雜，測量成功率低。二是空心包體式鉆孔三向應變計，這種方法是把應變片粘貼到預制的環(huán)氧樹脂薄筒上，然后再在其外層澆注一層薄薄的環(huán)氧樹脂制作成應變計，在測量時，為了把應變計與巖壁貼合，

52、在應變計與鉆孔巖壁之間充填環(huán)氧樹脂進行粘接，這種方法操作簡單，即使是完整性比較差的巖體也可以進行測量，成功率也很高，己被廣泛應用?？涨话w應變計的制作材料是環(huán)氧樹脂，應變片的布置比傳統(tǒng)的布置結構有所優(yōu)化，除了傳統(tǒng)的3組由三個應變片組成的應變從外，又單獨設計了三個應變片，總共12個應變片，一次測量能得到12個觀測值方程。因此現(xiàn)在空腔包體應變計的制作過程首先先澆注一個35mm空心圓筒，然后在規(guī)定的位置把應變片貼好，也就是在同一圓周粘貼三組應變花，這三組應變花之間相隔120，每一組應變花由四個應變片組成，四個應變片相隔45，之后在外面澆注一層環(huán)氧樹脂己達到36mm?？涨话w應變計安裝時，空腔包體應變

53、計與鉆孔孔壁之間的粘接劑是灌注其內腔的環(huán)氧樹脂，使用時，環(huán)氧樹脂由一個帶錐形頭的柱塞將其擠出，讓其流入應變計與孔壁之間的環(huán)形槽中，直至環(huán)形槽充滿，等環(huán)氧樹脂固化之后，可將應變計牢固的粘貼孔壁上，這是一份十分細致的工作，對樹脂和固化劑的配比較嚴格，如果配比不合適，影響傳感器的穩(wěn)定性，溫度控制不好就會導致空腔包體應變計制作的失敗。圖4.3和圖4.4為傳感器中應變器的布置方式，在傳感器中有3組直角應變花，且在同一圓周等分分布，每組應變花由4片應變片組成。由于空腔包體只是鉆孔應力解除法應用中的其中一個應變計，應變計的不同，測量方法就會不一樣，可以說是在鉆孔應力解除法的基礎上有所改進或者研究的另一個方向，其測量的基本原理和鉆孔應力解除的是很相似的。應力解除過程如圖4. 5 0（1）打大孔：在選中的巖層中，用鉆機在水平方向進行鉆孔，當孔打到預期測量地點時停止。其中鉆孔的方向一般向上傾斜3-5度，以方便清洗孔內污垢容易流出。（2）打錐形孔：換錐形鉆頭，并在孔底打錐形孔，其作用是起到一個定位以及保證后期要打的小孔與大孔同心。（3）打小孔：換一個36mm小鉆頭，把該鉆孔探到孔底處，并在外部的鉆桿處做一標記，并進行打小孔