巖體初始應力狀態(tài)的現(xiàn)場量測方法

1、第三節(jié) 巖體初始應力狀態(tài)的現(xiàn)場量測方法一、巖體應力現(xiàn)場量測方法概述1.目的： （1）了解巖體中存在的應力大小和方向 （2）為分析巖體的工程受力狀態(tài)以及為支護及巖體加固提供依據(jù) （3）預報巖體失穩(wěn)破壞以及預報巖爆的有力工具2. 2. 方法分類方法分類(表6-1)二、水壓致裂法二、水壓致裂法（一）方法原理及技術（一）方法原理及技術 要點：要點：通過液壓泵向鉆孔內擬定量測深度加液壓將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點壓力及開裂方位，然后根據(jù)測得的壓裂過程中泵壓表的讀數(shù)，計算測點附近巖體中地應力大小和方向。壓裂點上下用止水封隔器密封，其結構如圖6-6所示。水壓致裂過程中泵壓變化及其特征壓力示于圖6-7

2、。P0PbPsPs0P0Pb0Ps圖 6-7 壓裂過程泵壓變化及特征壓力圖 6-6 止水、壓裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0 各特征壓力的物理意義各特征壓力的物理意義P0-巖體內孔隙水壓力或地下水壓力Pb-注入鉆孔內液壓將孔壁壓裂的初始壓裂壓力Ps-液體進入巖體內連續(xù)的將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開裂壓力Ps0-關泵后壓力表上保持的壓力，稱為關閉壓力。如圍巖滲透性大，該壓力將逐漸衰減Pb0-停泵后重新開泵將裂縫壓開的壓力，稱為開啟壓力（二）基本理論和計算公式（二）基本理論和計算公式當孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時，設孔周邊兩個水平地應力分別為 和 ，孔壁還受有水壓Pb.如圖6-8。h1h2圖 6-8

3、孔壁開裂力學模型a鉆孔周圍巖體內應力鉆孔周圍巖體內應力 (Kirsch.G-基爾斯解)2cos)31)(21)1)(212cos)341)(21)1)(214421222221442221322321raraprarararaprahhbhhhhbhhr在孔壁上r=a，有：2cos)(2)(2121hhbhhPbrP當 時有最大拉應力最大拉應力：bhhP1230按最大拉應力理論，有(6-15)0T(6-16)將(6-15)代入(6-16)得孔壁開裂應力條件孔壁開裂應力條件0213TPbhh(6-18)即孔壁開裂在與孔壁開裂在與 垂直垂直, 的面的面上上0h2式中：T0-巖體的抗強度若巖體中有孔

4、隙水壓力Pw，（6-18）式變成：wbhhPTP0213(6-19)由圖6-11知水泵重新加壓使裂縫重新開裂的壓力Pb0，則上式變成：wbhhPP 0213(6-20)19和20兩式對比得： Pb Pb0=T0(6-21)在關閉壓力Pb0點上，孔壁已經(jīng)開裂，則T0=0,穩(wěn)定開裂壓力由P0下降到Ps0。此時，ps0等于與裂縫垂直的應力，即：02shP 求得主應力及巖體抗拉強度求得主應力及巖體抗拉強度（三）地應力剖面計算方法02100023TpTpppbhhbbsh0TppvssHpp)(1(ppvsshpp)(1(（四）地應力計算舉例（四）地應力計算舉例（1 1）垂向地應力計算）垂向地應力計算

5、宋芳屯油田井深與密度的函數(shù)關系：宋芳屯油田井深與密度的函數(shù)關系：1.001.502.002.503.0005001000150020002500300035004000井深（H）密度（） 芳深901井密度與深度關系曲線 Hh5100 . 5e2756. 2)(宋芳屯油田上覆巖壓計算公式：宋芳屯油田上覆巖壓計算公式：)00005. 02667. 2(01. 0d)2667. 20001. 0(001. 0d)(001. 0200HHhghhghHHv（2 2）水平地應力）水平地應力由壓裂曲線讀取地應力計算參數(shù)由壓裂曲線讀取地應力計算參數(shù)： 升35-21井P34(2)(1458.31468.2)壓

6、裂曲線破裂壓力：破裂壓力：P Pb b = 24.5Mpa = 24.5Mpa瞬時停泵壓力瞬時停泵壓力: : P Ps0s0 =10.0MPa =10.0MPa，裂縫重張壓力裂縫重張壓力: : P Pb0b0 =20.0MPa =20.0MPa 確定最小水平地應力確定最小水平地應力: : 由瞬時停泵壓力值我們可以直接求得最小水平地應力。瞬由瞬時停泵壓力值我們可以直接求得最小水平地應力。瞬時停泵地面壓力加上井內壓裂液的液柱壓力便可推算出井下壓時停泵地面壓力加上井內壓裂液的液柱壓力便可推算出井下壓力，它應等于作用在已壓開的垂直裂縫上并保持裂縫張開狀態(tài)力，它應等于作用在已壓開的垂直裂縫上并保持裂縫張

7、開狀態(tài)所需的壓力，又恰好和最小水平地應力相平衡。所需的壓力，又恰好和最小水平地應力相平衡。 因此用升因此用升35-2135-21井壓裂數(shù)據(jù)計算的最小水平主應力為井壓裂數(shù)據(jù)計算的最小水平主應力為24.624.6MPaMPa. .。確定最大水平地應力確定最大水平地應力: : 由計算公式（由計算公式（2-212-21）可求最大水平地應力，升）可求最大水平地應力，升43-3143-31井壓裂井壓裂段的最大水平地應力為段的最大水平地應力為24.624.6MPaMPa。wbhhPTP0213（2 2）水平構造應力系數(shù)）水平構造應力系數(shù)構造應力系數(shù)的確定：構造應力系數(shù)的確定： 將地應力代入構造應力系數(shù)計算公

8、式，可以計將地應力代入構造應力系數(shù)計算公式，可以計算構造應力系數(shù)，該構造應力系數(shù)為：算構造應力系數(shù)，該構造應力系數(shù)為：該構造水平地應力計算公式：該構造水平地應力計算公式：（3 3）水平地應力計算公式）水平地應力計算公式ppvssHpp)(32. 01(ppvsshpp)(26. 01(n 缺陷：主應力方向不準缺陷：主應力方向不準（四）水壓致裂法的特點（四）水壓致裂法的特點n 設備簡單設備簡單 操作方便操作方便 測值直觀測值直觀 適應性強適應性強 受到重視和推廣受到重視和推廣三、應力解除法三、應力解除法 1. 1. 基本原理：基本原理： 當需要測定巖體中某點的應力狀態(tài)時，人為的將該處巖體單元和周

9、圍的巖體分離，此時，巖體單元上所受的拉力將被解解除除。同時，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復彈性恢復。應用一定的儀器，測定彈性恢復測定彈性恢復的應變值或變形值，并且認為巖體是連續(xù)、均質和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答計算計算巖體單元所受的應力應力狀態(tài)。切斷聯(lián)系解除應力應變恢復測試應變計算應力流程流程要點要點2. 2. 應力解除法分類應力解除法分類 按測試深度表面應力解除淺孔應力解除深孔應力解除按測試應變或變形孔徑變形測試孔壁應變測試孔底應力解除法孔壁 應力解除法測1個平面3個方向上的應變1平面3方向上的徑位移3平面9個方向應變原理要點原理要點 向巖體中的測點先鉆進一個平底鉆孔

10、，在孔底中心處粘貼應變傳感器；套孔鉆出巖芯，使孔底平面完全卸載，應變傳感器測得孔底平面中心恢復應變；在室內測得巖石的彈性常數(shù)；計算孔底中心處的平面應力狀態(tài)。由于孔底應力解除法只需要鉆進一段不長的巖芯，所以對較破碎的巖體也能應用。（1 1）巖體孔底應力解除法）巖體孔底應力解除法在孔底平在孔底平面粘貼面粘貼3 3應變片應變片應變花應變花一個平面一個平面有有3 3個獨立個獨立的應力分的應力分量量工作步驟工作步驟應變觀測系統(tǒng)應變觀測系統(tǒng)（2 2）套孔應力解除法）套孔應力解除法原理要點原理要點 對巖體中某點進行應力量測時，先向該點鉆進一定深度的超前小孔，在此小孔中埋設鉆孔傳感器，再通過鉆取一段同心的管狀

11、巖芯而使應力解除，根據(jù)恢復應變及巖石的彈性常數(shù)，即可求得該點的應力狀態(tài)?？讖阶冃螠y試，孔壁應力解除法，均屬于套孔應力解除法。前者測試套孔應力解除后的孔徑變化；后者測試套孔應力解除后的孔壁應變。其操作步驟和原理基本相同表面應力解除法表面應力解除法直角應變花等邊三角形應變花應力解除槽應力解除槽鉆孔的深鉆孔的深度必須超度必須超過開挖過開挖 影影響區(qū)，才響區(qū)，才能測到巖能測到巖體內的原體內的原始應力，始應力，否則測出否則測出的是二次的是二次應力。應力。工作步驟套孔應力解除工作步驟 套孔應力解除使用的傳感器 孔徑變形測試采用位移傳感器；孔壁應力解除采用應變傳感器。，孔徑變形測試傳感器布置傳感器布置孔壁應

12、力解除法傳感器布置孔壁應力解除法傳感器布置計算公式計算公式 應力解除法，由測試數(shù)據(jù)換算成應力，根據(jù)測試參數(shù)的不同可以分為兩類：(1)由應變換算成應力；(2)徑向位移換算成應力。換算的基本理論和方法都在彈性力學中學過，這僅以(2)為例。由孔徑變形測試換算初始應力，在大多數(shù)試驗場合下，往往進行簡化計算例如假定鉆孔方向和 一致，并認為 ，則303Ed12cos)1)(2)(22121（6-24）式中： -鉆孔直徑變化值 -鉆孔直徑 -量測方向和水平軸的夾角 -巖石彈性模量與泊松比d,E在實際計算中，由于考慮到應力解除是逐步向深處進行的，實際上不是平面變形而是平面應力，則有)()(21)(429045

13、245090012E 分別為在0度，45度和90度三個方向上同時測定的孔徑變化。90,450,空間原始應力測試空間原始應力測試測試空間原始應力 ，孔壁應變法只須1鉆孔，孔底應變法和孔徑變形法需要3個鉆孔四、應力恢復法四、應力恢復法 應力恢復法是用來直接測定巖體應力大小的一種測試方法，目前此法僅用于巖體表層，應力。當己知某巖體中的主應力方向時，采用本法比較方便。 如圖6-18，當洞室某側墻上的表層圍巖應力的主應力 方向各為垂直于水平方向時，就可用到應力恢復法測得 的大小。21,1圖6-18 應力恢復法原理圖基本原理：基本原理： 在側墻上沿測點o，先沿水平方向開一個解除槽，則在槽的上下附近，圍巖應

14、力得到部分解除，應力狀態(tài)重新分布。在槽的中心線OA上的應力狀態(tài)，根據(jù)H.N.穆斯海里什維里理論，把槽看作一條縫，得到： 3224612222411) 1(133) 1(142xx（627）式中 OA線上某點B上的應力分量 B點離槽中心O的距離的倒數(shù)。yx11, 當在槽中埋設壓力枕，并由壓力枕對槽加壓，若施加壓力為p，則在OA線上B點產(chǎn)生的應力分量為 324232242) 1(132) 1(142yx（628） 當壓力枕所施加的力 時，這時B點的總應力分量為 1p121221yyyxxx1p1可見當壓力枕所施加的力 時，則巖體中的應力狀態(tài)已完全恢復，所求的應力 即由P值而得知，這就是應力恢復法的

15、基本原理。 實驗過程實驗過程1. 在選定的試驗點上，沿解除槽的中垂線上安裝好量測元件（見圖6-19）2.記錄量測元件應變計的讀數(shù)。3.開鑿解除鑿，巖體產(chǎn)生變形并記錄應變計上的讀數(shù)。4.在開挖好的解除鑿中埋設壓力枕，并用水泥砂漿充填空隙。5.待充填水泥漿達到一定強度后，即將壓力枕聯(lián)接油泵，通過壓力枕對巖體施壓。隨著壓力枕所施加的力p的增加，巖體變形逐漸恢復。逐點記錄壓力p與恢復變形的關系。6.假設巖體為理想彈性體，則當應變計回復到初 始讀數(shù)時，此時壓力枕對巖體所施加的壓力p即為所求巖體的主應力。如圖6-20所示，ODE為壓力枕加荷曲線，壓力枕不僅加壓到初始讀數(shù)（D點），即恢復了彈性變形 ， 而 且繼續(xù)加壓到E點，得