地应力测量方法综述

地应力测量方法综述

摘 要：通过分析大量有关地应力测量的相关研究资料，系统地概括了地应力测量的发展历程及研究现状，对地应力测量方法进行了归类分析，明确了各种方法的基本原理及优缺点，认为现有地应力测试手段均具有一定的适用条件，地应力的精确测量是一项综合性的测量，同时总结了地应力测量时需要注意的关键问题，最后对地应力测量的发展前景作了简单探讨。

关键词：地应力 测量方法 适用条件 发展前景

中图分类号：p618.13 文献标识码：a 文章编号：1672-3791（2013）02（c）-0150-04

地应力（in-situ stress），又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用。地应力的测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提，所以选择合理有效的地应力测量方法意义重大。 1 国内外地应力测量的研究概况

人们最初对地应力概念的认识以及地应力测量技术的发展都源于早期的矿山工程建设，最早的原位地应力测量起始于20世纪30年代。1932年，美国人劳伦斯（lieurace）在胡佛坝（hooverdam）

下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量。进入20世纪60年代中期之后，随着岩石力学、数值分析、工程测试技术等学科的诞生和发展，地应力测量理论和测试技术也得到了创新和发展，这时出现了三维地应力测量技术，即通过一个单孔的测量就可以求得岩体中某一点的三维地应力状态，使钻孔应力测量技术进入了快速发展阶段，其中以澳大利亚联邦科学和工业研究组织（csiro）研制的csiro型空心包体应变计应用最为广泛。60年代末，美国人费尔赫斯特和海姆森提出了水压致裂法，成为和应力解除法并驾齐驱的两大地应力测量方法；水压致裂法的突出优点是能够测量地壳深部的地应力。1977年美国人haimson在深5.1 km处进行了水力压裂地应力测量，并对此作了大量理论和实验研究。

我国的地应力研究是在李四光教授的倡导下开展起来的。20世纪40年代，他就把地应力作为地质力学的一部分进行了研究。我国的地应力测量技术和设备的研制工作起步较晚，起始于20世纪50年代末期，而地应力实测工作从20世纪60年代初开始，到目前为止已经取得了大量的测量数据。进入20世纪80年代以后，空心包体应变计进入我国，随后地质力学研究所、长沙矿冶研究所和长江科学院等都研制了自己的空心包体应变计，例如：kx-81，kx-2003，ckx-97，ckx-01型空心包体等在现场得到了广泛的应用。80年代以后，地壳应力研究所率先在国内开展了水力压裂地应力测

量的研究工作，并于1980年10月在河北易县首次成功进行了水力压裂法地应力测量。近年来提出了一种钻孔局部壁面应力全解除法（葛修润，侯名勋，2004）。胡斌，章光等在套孔应力解除的基础上提出了一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计，提高了测量元件的分辨率（0.000 l rnrn，精度达到0.2%）。 2 地应力测量的主要方法

经过几十年的发展世界上已经有几十种地应力的测量方法，相关仪器也达到200种以上，其中最为常用的是应力恢复法、空芯包体应力解除法和水压致裂法。 2.1 应力恢复法

应力恢复法即应力补偿方法是最早使用的地应力测试技术，其中扁千斤顶法应用最广。其测量地应力的过程是，将扁千斤顶放入围岩的开槽中，通过加压使的槽两侧两个测点的距离恢复开槽前的状态，此时的压力即为开槽前的围岩应力，布置示意图如1所示。主要优点：读数直观，直接获得应力值，不需要通过弹性模量、泊松比等换算，测试技术易于掌握。主要缺点：（1）扁槽只能获得一个方向的应力，而实际的应力为6个应力分量，无法在同一地点开6个槽进行测量；（2）仅能测得围岩表面应力，测量深度极大，其所获得的应力并非原岩应力，而是地下工程开挖后的应力重分布的二次应力。 2.2 应力解除法

应力解除法的原理是，岩块从具有一定应力环境的岩体中取出后，岩石发生弹性变形，测量出接触后岩块的弹性变形，通过岩石力学实验测定弹性模量，有胡克定律即可计算得到解除前岩体中的应力大小及方向。操作过程是，将特制传感器安装在已施工好的待测岩体钻孔中的同心小孔内，同心套取岩心，岩心应力解除发生弹性变形，通过仪器记录应变，在实验室测量解除岩块的弹性模量，计算获得应力矢量（包括大小和方向）。目前根据测试的应变或变形，应力解除法大体上可分为孔壁、孔径、孔底应变法。 孔底应变法假设岩石是各向同性、均匀介质、连续体、线弹性体，通过监测6个孔壁上不同方向的应变值间接获得三维地应力。应变元件直接贴到孔壁中的测试仪器有csir型三轴应变计。空心包体是将应变元件贴到薄筒壁中，再用胶将薄筒和孔壁粘结，常见的有澳大利亚研制的csiro型空心包体应变计，其测量地应力步骤如图2所示。主要优点是：通过一个钻孔即可准确获得三维地应力的6个值，并且钻孔可以多次利用，多次测量，准确度高。主要缺点是：要求岩石完整，仪器安装段完成岩心应在50 cm左右，并且穿层钻孔很难测试成功；仪器安装过程复杂，操作难度大，测量技术难以掌握，成功率偏低；测量结果受温度影响大，离散度高。 2.3 水压致裂法

水压致裂法的基本假设是岩石是各向同性、均匀介质、连续体、线弹性体，此外还要假设钻孔方向是一个主应力方向，从而将问题

转换为测量平面内另外两个主应力的问题，其测量系统如图3所示。根据抗拉破坏准则，钻孔在高压水压力作用下在垂直于最小主应力方向出现裂缝，因此测量结果仅是垂直于钻孔横截面上的二维应力。钻孔垂直式，通常假设钻孔轴线方向的应力等于上覆岩层的重力。主要优点是：测试周期短，不需要复杂的力学参数实验及换算，操作较为简便，易于掌握，是目前唯一一种可以远距离测量深部地应力方法。主要缺点是：水压致裂法是一种平面应力测量方法，其基本假设中的钻孔轴线是一个主应力方向多数情况不成立；水压致裂段岩体完整性要求高，不能含有原生裂隙。 2.4 其他方法 2.4.1 地球物理法

地球物理法包括光弹性应力测定法、波速法、x射线法、声发射法等。

光弹性应力测定法是用光弹性学原理测定岩体表面或在钻孔中的应力变化，这种方法的灵敏度低。

波速法是利用超声波或地震波在岩石中的传播速度的变化来测量应力。岩石受到应力作用时会影响到波的传播速度。但是，波速法测定应力在理论上存在问题，波速与应力张量之间不存在明确关系，这种方法目前应用还不广泛。

x射线法测定岩石的应力是测量接近抛光的定向石英晶片样品原子间的间距d，把所得的原子间距d与无应变的石英原子间距相

比较可以计算出应力。这种方法的明显困难是如何将其用于测量岩体中的应力，而不是测量表面的应力。 2.4.2 地质构造信息法

现在的地应力状态与现存的地址构造有密切关系，通过观察这些构造，可以获得主应力方向，而且只有最新的地质构造才能提供比较可靠的地应力信息。它可以与现场原岩应力实测结果相比较，证实其可靠性。主应力方向可由大规模的断层、褶曲走向判断。在小范围内，可根据节理、裂隙的方向判断。 2.4.3 钻孔破坏信息法

大量的实践表明，钻孔的破坏主要由集中在孔壁的压剪裂纹形成，其方向垂直于最小主应力。目前测量钻孔破坏的仪器主要是四臂测斜仪，此外也可用六臂测斜仪或钻孔电视等仪器。由于钻孔费用极高，所以这种方法只能用于为其他目的而打的钻孔中。同时，此法只能提供地应力的方向，而不能确定其大小。 2.4.4 井下应力测绘法

观测资料表明，在大偏应力场中，煤层顶板中产生的水平应力将会引起低角度剪切裂纹产生。如果顶板岩层暴露在外面，则在井下很容易测绘。在矩形巷道中，当主应力方向近似水平和垂直时，裂纹走向将垂直于最小水平主应力的方向。当矩形巷道与最大水平主应力呈一定角度时，在掘进工作面一侧将产生严重的应力集中现象，巷道一侧出现“槽沟破坏”。当巷道与最大水平主应力方向平

行时，巷道受力状况最好。 3 地应力测量时需注意的问题 3.1 测量孔位和深度的确定

在地表进行地应力测量时通常要考虑地形地貌、测控周围的断裂分布、岩性、人工活动、地表风化等因素，尽量选择在地势平坦的地区，对于峡谷区，应考虑测量深度超过非构造应力影响范围达到构造应力影响区域。同时钻孔位置的选择应以对测量地区的总体了解为基础选择典型区域。

井下及坑道地应力测量同样要选择合适的测量空位，综合考虑地质构造和工程扰动影响，确保测量结果不受或少受工程应力的影响，钻孔的深度应达到硐室开挖影响区外，同时还要结合测量方法的特点进行测试位置选择和深度确定，如空心包体应力解除法一般不能在穿层钻孔中进行。

3.2 地形地貌对地应力测量状态的影响

我国学者谭成轩等对地形地貌对地应力的影响进行了大量的研究，依据实测数据、实验室三维模拟实验提出了构造应力面的概念，即由三维空间不同地点非构造应力影响消失的深度点构成的曲面。在构造应力面之上，非构造应力和构造应力同时存在，而在构造应力面之下，仅构造应力存在。 3.3 断裂对地应力测量状态的影响

断裂发育的复杂程度与地应力状态的变化密切相关，断裂越发

育，地应力状态的变化幅度越大，在断裂极为发育的地区，应力方向极为分散，应力大小变化异常，并且断裂对地应力的影响范围与断裂的规模成正比。断裂及其附近应力量值的变化较为复杂，既有应力增大的，也有降低的，这主要与断裂带附近应力随时间的变化有关。

4 地应力测量的前景展望

地应力的测量是一项综合性的测量，可以说任何一种单一的方法都不能很好地保证测量精度，在将来可能更加倾向于采用多种方法联合测量，实现不同观测方法之间的优势互补，才可以保证结果的可靠性。 参考文献

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