地應(yīng)力測(cè)量方法

地應(yīng)力測(cè)量方法目前，我所地應(yīng)力測(cè)量主要采用四種方法進(jìn)行，分別為基于鉆孔的深孔套芯解除法、深孔水壓致裂法和基于巖芯的差應(yīng)變法、滯彈性恢復(fù)法。其中套芯法測(cè)試精度最高，水壓致裂法次之，但套芯法測(cè)試周期長(zhǎng)，建議根據(jù)項(xiàng)目需求選擇合適地段進(jìn)行測(cè)試。幾種測(cè)試方法可以聯(lián)合使用，綜合比對(duì)各種方法的測(cè)試結(jié)果，最終確定測(cè)試鉆孔的地應(yīng)力狀態(tài)及規(guī)律。一、實(shí)驗(yàn)參數(shù)①深孔套芯解除法應(yīng)變、彈性模量②深孔水壓致裂法應(yīng)力③巖芯的差應(yīng)變法聲波波速、應(yīng)力④巖芯的滯彈性恢復(fù)法應(yīng)變、時(shí)間二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及技術(shù)參數(shù)①深孔套芯解除法2006型-深孔套芯地應(yīng)力測(cè)量?jī)x是中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制的深孔專(zhuān)用地應(yīng)力測(cè)量?jī)x（實(shí)物見(jiàn)圖2和圖3），包括井下專(zhuān)用空心包體探頭和井下應(yīng)變記錄儀，另外還有配套的井下專(zhuān)用安裝工具，在青藏鐵路沿線、南水北調(diào)西線和西氣東輸?shù)葒?guó)家重大工程中得到應(yīng)用。圖2中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所2006型-深孔套芯地應(yīng)力測(cè)量?jī)xabc圖3井下應(yīng)變記錄儀（深孔型外殼為無(wú)磁不銹鋼）a.井下應(yīng)變記錄儀操作面板；b.36Ф全應(yīng)力測(cè)量探頭;c.井下應(yīng)變記錄儀分解圖KB-2006-J型井下專(zhuān)用空心包體探頭，是我所獲地質(zhì)部科技成果一等獎(jiǎng)的KX－81型空心包體全應(yīng)力計(jì)的基礎(chǔ)上改進(jìn)發(fā)展的全應(yīng)力測(cè)量探頭，12個(gè)120Ω箔式應(yīng)變片（三組90°、0°、±45°應(yīng)變花，呈徑向120°排列），一次測(cè)量即可獲圖5差應(yīng)變測(cè)試巖芯圖6差應(yīng)變測(cè)試成果主要儀器和設(shè)備：（1）試驗(yàn)壓力容器；（2）加載設(shè)備：德國(guó)產(chǎn)-200壓力試驗(yàn)機(jī)；（3）記錄設(shè)備：數(shù)字16通道電阻應(yīng)變儀；（4）多通道數(shù)字記錄儀；（5）多通道高精度超聲波儀；（6）美制立式2G－755R超導(dǎo)磁力儀；（7）美制TD－48熱退磁爐。主要技術(shù)指標(biāo)：（1）精度：0.1MPa；（2）分辯度：0.01MPa；（3）壓力表量程:100MPa；（4）高壓泵供電電壓：10KW；（5）數(shù)采采集速率：100次/秒；（6）軟件操作平臺(tái)：Windows98/2000/XP系統(tǒng)；（7）軟件特性:曲線顯示/文件存貯/σ-t曲線生成等功能;（8）單體積重量：小于60Kg;（9）工作環(huán)境：0℃-100℃（10）巖芯加工精度：小于0.02mm。④巖芯的滯彈性恢復(fù)法試驗(yàn)涉及的儀器設(shè)備主要有數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)接收機(jī)、保溫設(shè)備、應(yīng)變傳感器及其輔助設(shè)備，如下圖為我所自行研制的滯彈性地應(yīng)力測(cè)試儀及試驗(yàn)照片。圖7地質(zhì)力學(xué)所36L滯彈性地應(yīng)力測(cè)試儀及試驗(yàn)照片三、質(zhì)量控制①深孔套芯解除法1）地應(yīng)力測(cè)量工藝控制測(cè)量步驟與套芯法基本相同，分如下9個(gè)步驟：施工大孔→磨平孔底→打小孔→清孔→儀器參數(shù)和定時(shí)參數(shù)設(shè)定→安裝孔底探頭→套芯→地表率定→數(shù)據(jù)回訪。安裝和套芯過(guò)程需要鉆機(jī)密切配合，需要配備特種鉆具，建議鉆孔和測(cè)試工作由同一家單位或合作過(guò)的兩家單位實(shí)施，測(cè)量要求如下：隨鉆孔進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)試段應(yīng)避開(kāi)裂隙，在巖石較完整的孔段進(jìn)行，測(cè)試段要求有300-400mm長(zhǎng)完整巖芯。鉆孔直徑建議開(kāi)孔段Ф91，穿過(guò)基巖風(fēng)化帶，套管插入完整基巖1～2米，套管底部用水泥密封，后變徑為Ф76。測(cè)量小孔Ф28mm，深度400～500mm。建議測(cè)點(diǎn)間隔10～20米，每孔5～10點(diǎn)，最少每孔測(cè)5點(diǎn)。主要是考慮到要實(shí)測(cè)地應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律、測(cè)點(diǎn)的代表性、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算的需要。鉆機(jī)必須絕對(duì)服從測(cè)試人員的指揮。2)地應(yīng)力測(cè)量步驟控制在井下空心包體環(huán)氧樹(shù)脂三軸應(yīng)變法的應(yīng)力解除過(guò)程如下（如圖8）：打大孔：在用鉆機(jī)向圍巖鉆進(jìn)應(yīng)力解除孔，鉆孔深度以巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的范圍為準(zhǔn)，終孔點(diǎn)應(yīng)不受環(huán)境圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響。鉆頭直徑取76mm。磨平鉆孔孔底，消除殘余巖芯和巖塊、巖粉，巖芯管后帶取粉筒。換錐形鉆頭做錐形孔底：以保證后面的小孔與大孔同軸心。圖8井下空心包體應(yīng)變法應(yīng)力解除過(guò)程示意圖1．施工鉆孔；2．磨平孔底；3．孔底磨錐槽；4．施工小孔；5．安裝地應(yīng)力探頭；6．套芯解除；7．套芯結(jié)束；8．取巖芯和應(yīng)變儀打小孔：采用特制的液壓鉆具，換上φ36mm的小鉆頭，打50cm深的一段小鉆孔。鉆具不同深度上開(kāi)有瀉水孔，通過(guò)水壓的變化，判斷小孔的深度空心包體安裝：用砂紙將空心包體外側(cè)圓柱面打毛；按比例配制好粘結(jié)劑（A，B兩種液態(tài)材料按1:3），在空心包體的空腔內(nèi)倒入適量的粘結(jié)劑，固定好銷(xiāo)釘，將包體安裝在定向器上。用鉆桿慢慢地將其送入大孔中，不斷地接長(zhǎng)鉆桿，并記下長(zhǎng)度，在剩余長(zhǎng)度為5m左右時(shí)要特別注意慢推，以保證包體能夠完好地進(jìn)到小孔中。前端近入小孔20cm左右，應(yīng)注意包體筒體部分緩慢推入，探頭和安裝器脫鉤，包體成功地安裝于小孔中。應(yīng)變初始數(shù)據(jù)：一般在安裝包體20小時(shí)左右，環(huán)氧樹(shù)脂固化。將安裝器小心地從鉆孔中提出，安裝器中電子羅盤(pán)記下探頭安裝角，所顯示數(shù)字為應(yīng)力計(jì)的安裝角。套芯地應(yīng)力解除與應(yīng)變測(cè)試：在井下應(yīng)變儀到達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)，應(yīng)變儀將自動(dòng)啟動(dòng)，開(kāi)始測(cè)量，此時(shí)應(yīng)按預(yù)定深度開(kāi)始緩慢鉆進(jìn)，進(jìn)行套芯解除，套芯解除至一定深度后，應(yīng)變計(jì)讀數(shù)趨于穩(wěn)定。每隔10秒讀數(shù)一次，連續(xù)記錄10小時(shí)以上，達(dá)到預(yù)定深度后，不再解除。將包含包體的巖芯折斷并取出，并對(duì)巖芯的巖性進(jìn)行描述。每個(gè)測(cè)孔第一測(cè)點(diǎn)完成后，在孔底重新錐形孔底，再打小孔，重復(fù)以上步驟，進(jìn)行第二測(cè)點(diǎn)的測(cè)試。3）套芯法地應(yīng)力測(cè)量工作周期單段測(cè)試工作周期為48小時(shí)（單段：就是應(yīng)力解除一次所用的時(shí)間）。②深孔水壓致裂法1）水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量原理水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量原理就是利用水壓致裂裝置將一對(duì)封隔器把鉆孔的一段巖壁密封，向封隔段內(nèi)施加壓力，進(jìn)而使所壓部位撐裂，形成沿是大水平主應(yīng)力方向的裂縫，測(cè)出相應(yīng)力學(xué)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算，獲得所測(cè)部位的地應(yīng)力狀態(tài)，具體原理見(jiàn)圖9。圖9水壓致裂應(yīng)力測(cè)量原理圖水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，以測(cè)量地點(diǎn)為依托，并以三個(gè)假設(shè)為前提的。三個(gè)假設(shè)分別為：(1)巖石是線彈性和各向同性的；(2)巖石是完整的，壓裂液體對(duì)巖石來(lái)說(shuō)是非滲透的；(3)巖層中有一個(gè)主應(yīng)力分量的方向和孔軸平行。在上述理論和假設(shè)前提下，水壓致裂的力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)平面應(yīng)變問(wèn)題，如圖9所示。根據(jù)彈性力學(xué)原理，在作用有兩向主應(yīng)力σ1和σ2的無(wú)限大平板內(nèi)，有一半徑為a的圓孔，則圓孔外任何一點(diǎn)M處的應(yīng)力為：(1)圖9水壓致裂應(yīng)力測(cè)量的力學(xué)模型式中σr為M點(diǎn)的徑向應(yīng)力，σθ為切向應(yīng)力，τrθ為剪應(yīng)力，為M點(diǎn)到圓孔中心的距離；θ為σ１方向起反時(shí)針量測(cè)的角度。當(dāng)r=a時(shí)，即為圓孔壁上的應(yīng)力狀態(tài)：(2)由式(2)可得出如圖9(2)所示的孔壁A、B兩點(diǎn)及其對(duì)稱(chēng)處(A′、B′)的應(yīng)力集中分別為：(3)(4)液壓大于孔壁上巖石所能承受的應(yīng)力時(shí)，將在最小切向應(yīng)力的位置上，即A點(diǎn)及其對(duì)稱(chēng)點(diǎn)A′處產(chǎn)生張破裂。并且破裂將沿著垂直于最小主應(yīng)力的方向擴(kuò)展。此時(shí)把孔壁產(chǎn)生破裂的外加液壓Pb稱(chēng)為臨界破裂壓力。臨界破裂壓力等于孔壁破裂處的應(yīng)力集中加上巖石的抗張強(qiáng)度Thf，即：(5)若考慮巖石中所存在的孔隙壓力，將有效應(yīng)力換成區(qū)域主應(yīng)力，則式(5)將變?yōu)椋?6)此處的、分別為原地應(yīng)力場(chǎng)中的最小和最大水平主應(yīng)力。在垂直鉆孔中測(cè)量地應(yīng)力時(shí)，常將最大、最小水下主應(yīng)力分別寫(xiě)為和，即，。當(dāng)壓裂段的巖石被壓破時(shí)，可用下列公式表示：(7)孔壁破裂后，若繼續(xù)注液增壓，裂縫將向縱深處擴(kuò)展。若馬上停止注液增壓，并保持壓裂回路密閉，裂縫將停止延伸。由于地應(yīng)力場(chǎng)的作用，裂縫將迅速趨于閉合。通常把裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)的平衡壓力稱(chēng)為瞬時(shí)關(guān)閉壓力，它等于垂直裂縫面的最小水平主應(yīng)力，即：(8)如果再次對(duì)封隔段增壓，使裂縫重新張開(kāi)時(shí)，即可得到裂縫重新張開(kāi)的壓力。由于此時(shí)的巖石已經(jīng)破裂，抗張強(qiáng)度，這時(shí)即可把(3.7)式改寫(xiě)成：(9)用(7)式減(9)式即可得到巖石的原地抗張強(qiáng)度：(10)根據(jù)(7)、(8)、(9)式又可得到求取最大水平主應(yīng)力的公式：(11)垂直應(yīng)力可根據(jù)上覆巖石的重量來(lái)計(jì)算：(12)式中為巖石密度，為重力加速度，為深度。以上是水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的基本原理及有關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。2）現(xiàn)場(chǎng)鉆桿式測(cè)試體系的工藝流程控制：SY-2007鉆桿式深孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試體系的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試示意圖，見(jiàn)圖10。選擇試驗(yàn)段根據(jù)巖芯編錄選擇完整巖芯所處的深度位置作為測(cè)試段，在鉆孔條件允許的情況下應(yīng)盡可能多選測(cè)試段。檢驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)在正式壓裂前，要對(duì)測(cè)試所使用的封隔器及壓裂系統(tǒng)進(jìn)行檢漏試驗(yàn)，一般試驗(yàn)壓力不低于40MPa。另外，還要對(duì)封隔器、印模器所使用的低壓卸壓閥進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，開(kāi)啟壓力根據(jù)測(cè)試段深度而定。密封測(cè)試段首先用鉆桿將一對(duì)可膨脹的橡膠封隔器放置到測(cè)試段所在的深度，然后通過(guò)地面的加壓系統(tǒng)，給兩個(gè)1m長(zhǎng)的封隔器同時(shí)增壓，使其膨脹并與孔壁緊密接觸，即可將壓裂段隔離，形成一個(gè)密閉空間(即壓裂試驗(yàn)段)。測(cè)試段壓裂試驗(yàn)利用高壓泵通過(guò)高壓管和鉆桿向壓裂試驗(yàn)段注高壓水，壓裂段內(nèi)的巖石在足夠大的水壓作用下，將會(huì)在最小切向應(yīng)力的位置開(kāi)裂（即沿最大水平主應(yīng)力的方向開(kāi)裂）,記臨界開(kāi)裂壓力值為Pb。圖10SY-2007鉆桿式深孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試體系示意圖巖石開(kāi)裂后壓力將急劇下降，當(dāng)裂隙擴(kuò)展到3～4倍鉆孔直徑處，關(guān)閉高壓泵。在巖體應(yīng)力的作用下，裂縫趨于閉合，裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)的壓力稱(chēng)為關(guān)閉壓力，記為Ps。此后卸壓使裂隙閉合，然后再注高壓水使裂隙重新張開(kāi)，記裂隙重張時(shí)的壓力為Pr。接著再關(guān)泵，記錄Ps值。此過(guò)程重復(fù)3～5次，以確定Pr和Ps的統(tǒng)計(jì)值。根據(jù)Pr和Ps值，就可計(jì)算出測(cè)試段水平面內(nèi)兩個(gè)主應(yīng)力的值。印模試驗(yàn)水壓致裂試驗(yàn)完成后，將封隔器卸壓后提升至地面，并從鉆桿上卸下；然后將印模定向系統(tǒng)裝（包括印模器和定向器）上鉆桿并送至井下，使印模器對(duì)準(zhǔn)壓裂裂縫的位置。通過(guò)給印模器加壓膨脹將鉆孔裂隙印刻到印模器上，其定向器可確定裂縫在井下的方位，該方位就是最大水平主應(yīng)力的方位。通過(guò)上述試驗(yàn)工藝流程，測(cè)試段水平面內(nèi)兩個(gè)主應(yīng)力的大小和方位就全部確定了。3）水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量工作周期1000米以?xún)?nèi)的單孔測(cè)試工作周期為24小時(shí)，1000～2000米的單孔測(cè)試工作周期為3天，2000～2500米的單孔測(cè)試工作周期為7天。③巖芯的差應(yīng)變法1）測(cè)試原理控制差應(yīng)變分析法地應(yīng)力測(cè)量是利用從井下采取的新鮮巖芯通過(guò)加壓試驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量的方法。地應(yīng)力測(cè)量原理是利用巖石應(yīng)力解除后松弛應(yīng)變，巖石的膨脹而出現(xiàn)微裂隙，裂隙的空間分布形態(tài)與原巖應(yīng)力的方向有關(guān)，裂隙的數(shù)量和發(fā)育強(qiáng)度與原巖應(yīng)力大小成正比。通常巖石壓縮變形是由巖石固體顆粒變形和空隙變形兩部分組成，空隙變形又由與巖石天然孔隙變形和與巖石受力釋放后所產(chǎn)生的次生裂隙變形及孔隙變形組成，只有后部分變形才包含巖石先前的受力信息，如何分離出巖石受力釋放后所產(chǎn)生的次生裂隙變形及孔隙變形是差應(yīng)變法地應(yīng)力測(cè)量的關(guān)鍵。如果將巖石樣品置于壓力容器中逐步加壓，在加壓過(guò)程中裂隙逐步閉合，將引起巖石應(yīng)變率的改變，當(dāng)巖石表面壓力大于原巖應(yīng)力時(shí)，微裂隙將閉合，測(cè)量裂隙閉合前后巖石的應(yīng)變率變化，與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可確定不同壓力下不同方向的裂隙應(yīng)變差，用最小二乘法回歸計(jì)算其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變橢球形狀，將不同壓力下主應(yīng)變軸投影到吳氏網(wǎng)上，其差應(yīng)變主軸極密較穩(wěn)定，不隨圍壓變化而變動(dòng)。根據(jù)差應(yīng)變橢球的形狀可確定三個(gè)主應(yīng)變比值和空間方位。如果已知巖石圍壓與差應(yīng)變的比值，即巖石差應(yīng)變彈性模量，或已知鉛直應(yīng)力的大小，就可以計(jì)算出該處地應(yīng)力大小和方位角。2）測(cè)試條件為保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性，必須保證儀器有足夠高的分辨率和足夠高的試樣加工精度。保證試驗(yàn)條件一致，包括試驗(yàn)環(huán)境條件和探頭。試驗(yàn)多通道應(yīng)變儀分辨率：1με。試樣研磨加工精度：直徑0.001mm，不平整度0.01mm。隔離絕緣層：環(huán)氧樹(shù)脂或硫化硅橡膠。壓力傳感器分辨率：0.1MPa。高壓容器：耐壓200MPa。加溫溫度限制：小于350℃3）巖芯的古地磁定向此項(xiàng)試驗(yàn)由地質(zhì)力學(xué)所古地磁實(shí)驗(yàn)室加工標(biāo)準(zhǔn)古地磁樣品。全部樣品的系統(tǒng)剩磁測(cè)試是在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所古地磁實(shí)驗(yàn)室美制立式2G-755R超導(dǎo)磁力儀上進(jìn)行的，樣品的系統(tǒng)熱退磁處理是使用美制TD-48熱退磁爐完成。熱退磁溫度間隔為40℃4）試驗(yàn)流程a.從現(xiàn)場(chǎng)取回定向巖芯，記錄該巖芯相應(yīng)的位置和深度。b.將巖芯加工成邊長(zhǎng)為長(zhǎng)徑比1:1的圓柱體試樣，加工過(guò)程中不允許出現(xiàn)新的裂隙。c.將3支特制的相互成45o的4軸應(yīng)變花粘貼在三個(gè)相互垂直的端面上(見(jiàn)圖11)，在巖心上畫(huà)上標(biāo)線。d.將試樣和補(bǔ)償塊一起放入一個(gè)壓力容器中，并加靜水壓至100～140MPa，加壓大小取決于原來(lái)巖芯所在的深度．按0.1MPa/min的增壓速率增加，在加壓過(guò)程中裂隙逐步閉合。記錄加壓過(guò)程中應(yīng)變片的應(yīng)力-應(yīng)變值，描繪出應(yīng)變片的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。e.以上步驟加壓和卸壓重復(fù)3次以上。f.對(duì)每一應(yīng)力—應(yīng)變曲線進(jìn)行微分分析。g.由多個(gè)方向的裂隙閉合應(yīng)變率可求得三個(gè)主裂隙應(yīng)變的方向，它們對(duì)應(yīng)著三個(gè)主應(yīng)力的方向。由于試樣是確定了原始方向的，那么試樣所在點(diǎn)的三個(gè)主應(yīng)力方向也即已知了，主應(yīng)力的大小可由瞬時(shí)關(guān)閉壓力值來(lái)確定。在每一應(yīng)變片所在方向，地應(yīng)力大小對(duì)應(yīng)于應(yīng)力—應(yīng)變曲線的過(guò)渡段。6）巖芯差應(yīng)變法地應(yīng)力測(cè)量工作周期古地磁單孔巖芯定向?qū)嶒?yàn)的工作周期為14天；單孔巖芯差應(yīng)變測(cè)試工作周期為7天；合計(jì)為21天。④巖芯的滯彈性恢復(fù)法圖11差應(yīng)變分析法應(yīng)變片粘貼位置及編號(hào)利用巖芯的滯彈性恢復(fù)理論，記錄剛?cè)〕龅膸r芯滯彈性應(yīng)變松弛曲線，分析帶彈性應(yīng)變松弛與初始應(yīng)力的關(guān)系，進(jìn)而獲得主應(yīng)力及其方向，并將其測(cè)試結(jié)果與其它測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比。1）試驗(yàn)質(zhì)量控制滯彈性應(yīng)變恢復(fù)的工作原理就是在解除應(yīng)變穩(wěn)定后，仍然可觀測(cè)到一個(gè)微小的應(yīng)變?cè)黾?，這種應(yīng)變?cè)黾涌梢匝永m(xù)數(shù)百個(gè)小時(shí)，被稱(chēng)為滯彈性應(yīng)變松弛，通過(guò)測(cè)試能夠?qū)r芯取出后數(shù)百個(gè)小時(shí)內(nèi)的應(yīng)變恢復(fù)量記錄下來(lái)，并進(jìn)行計(jì)算、分析得出巖芯所處位置的主應(yīng)力方向和大小。巖芯測(cè)試必需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，測(cè)量時(shí)，要把巖芯和測(cè)量裝置一起放入保溫裝置中，保水、保溫，以保證測(cè)量結(jié)果的可靠性。2）工作周期滯彈性應(yīng)變恢復(fù)的工作周期一般為40天。四、深孔綜合地球物理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)另外，我所自行研制ZH-2002型深孔綜合觀測(cè)儀，觀測(cè)內(nèi)容包