岩石力学作业

1、地应力测试方法1 地应力及其测试的必要性地应力，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是指存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。地应力是蓄存在岩体内部的一种内应力，不是岩体的一种固有特性，而是岩体存在的一种力学状态。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。主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成，重力应力和构造应力是地应力的主要来源。地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。而重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因

2、，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。因此，岩石中的原地应力是由主动施加的力和积蓄的残余应变两者引起的。 地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩石工程设计和决策科学化的必要前提条件。由于地应力的多变性和复杂性 ，其大小和方向不可能通过数学计算或者模型分析的方法来获得，要了解某个地区的地应力状态，唯一的方法就是进行地应力测试。地应力测试，就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测试通常是通过多个点的量测来完成的。地应力测试是一项综合

3、性的测试，可以说任何一种单一的方法都不能很好地完成，往往需要几种方法结合起来对比使用，才可以保证结果的可靠性。地应力测试在矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践中起着至关重要的作用，对地应力的研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。2  地应力测量技术的发展概况 美国进行地应力测量的时间较早，美国人劳伦斯于1932年在胡佛大坝泄水隧洞中首次成功进行了原岩应力测量。1962年，美国又相继研制出了USBM钻孔变形计，它是由美国人欧贝特研制出的，其依据是孔径变形法，这种方法是测量钻孔直径变化的测量方法

4、。20世纪60年代末，水压致裂法的相继提出，使美国地应力测量技术空前提高，该方法是由海姆森和费尔赫斯提出的，即垂直钻一个孔，将其封隔，然后向孔内注入高压液体，通常是水，然后通过孔壁的膨胀和裂缝来判断地应力的方向以及大小。它最初是起源于石油的开发工作，为了增加石油产量，向储油的岩层加压，使其出现裂缝，导出石油，但是为了不让其通道闭合，就往里填充材料，这个方法逐渐完善后就产生了现在的水压致裂法，该测量方法在美国的20世纪中后期得到了广泛的传播与推广，水压致裂法有测量深度比以往的所有地应力测量方法测得深度都要深，达到5000米，空前未有的深度，而且它不需要过于精密的仪器，测试周期短、方法简便易懂、操

5、作简单等优点，是目前世界上最受常用的地应力测量方法，对研究地矿深度的构造应力场有非常重要的意义。南非是世界上钻石储量最多的地区，因而它们的地应力测量和发展与采矿业是密不可分的，南非是世界上测量地应力最早的国家也是最有成效的国家之一，因而它们的钻石开采越来越顺利。南非有一个叫南非科学与工业研究委员会力学工程研究所，20世纪50年代末期，研制出了孔径变型仪，它有两种型号，即Mark 1和Mark2，这两种型号的孔径应变仪就是由利曼及这个研究所的岩石力学部研发出来的，主要用来矿山岩爆和研究应力场的状态的监测。1966年南非学者利曼根据弹性力学理论提出了含圆柱形孔的无限介质体在无限远处三维应力场作用下

6、孔周围应力场的解析解，推动了地应力测量技术的发展和进步。20世纪的70年代，南非科学家提出了孔壁应变测量地应力的方法，首次研制出了S CIR三轴孔壁应变法，实现了从二维测量向三维测量的跨越，实现了之前从未有过的单孔径全地应力测量，可以获得某个点的三维的地应力测量数据，现在这种方法己经在全世界得到推广，推动了地应力测量技术的发展和进步。瑞典是世界上最早进行地应力测量的国家之一，早在1951年瑞典人哈斯特进行大量的磁致伸缩效应，成功了运用这种效应研制出了铝合金钻孔应力计，并与套孔应力解除法相结合，对斯堪的纳维亚半岛的矿区进行了测量，在主应力的垂直应力与水平应力之间，水平应力竟然大于垂直应力，从而对

7、传统的观念产生质疑，推翻了地应力以垂直应力为主的禁锢，也打破了地应力是静水压力的假说，使得地应测量技术又得到进一步的发展。瑞典电力局于20世纪60年代研制出叫二维孔底应变计的新型应变计。20年后，又研制出深钻孔水下三维孔壁应力解除测量仪器，测量的孔深有500多米，90年代初又研制出无电缆遥控自动记录深孔钻孔应变计，地应力测量技术又达到一个更高层的水平。澳大利亚的第一个地应力测量是开始于新南威尔士的一个雪山电站，是由沃罗特尼基和亚历山大在1957年初实验成功的，他们采用的方法是扁千斤顶法，对于澳大利亚整个国家来说，这个方法使澳大利亚的地应力测量技术掀开了序幕。沃罗特尼基是澳大利亚联邦科学与工业研

8、究组织的一名研究成员，这个组织是澳大利亚CST公司的前身，沃罗特尼基和组织的其他成员研制出了一种叫空心包体应变计的新型测量地应力的仪器，这种仪器比同时期的其他测量方法更方便更准确，现在己经得到广泛的推广使用。为了使这个测量仪器的功能更加完善，空心包体应变计的岩体应力场的解析解被邓肯破解，1980年空心包体应变计测量方法得到更完善、可靠。彭德和米尔斯在研制了一种叫ANZ的应变计之后，通过这种应变计对矿区的测量，测绘出了矿区的汇编图，并总结出锚杆支护工程的成功因素之一在于对地应力的准确测量。在一个煤矿中，地应力测量地点很多，有时几乎几十个，所以可以通过这些测量地点来绘制地应力的分布图，然后规划巷道

9、的支护，有利于矿区的稳定性发展和系统的规划布置。前苏联开展地应力测量的时间比一般国家较晚一些，为了对大地的构造进行深度研究和对地球动力学进行解析，前苏联地理或者物理方法进行地应力测量，而且这种方法使用较为通用。作为前苏联黑色冶金工业部的矿业研究所的研究成员费洛赫于在20世纪的60年代初，对乌拉尔矿区进行了地应力测量，采用的测量方法是他们新型研究出的全应力解除法和半应力解除法，并对此矿区进行了成功了测量。20世纪70年代，前苏联的研究院物理研究所发表一本有关于地壳、地球应力状态的书，该书中记载和收集了有关这个国家的矿区和水电等方面的大量的实测资料，研究学者格佐夫斯基根据这些实测资料和地震机制解析

10、解的资料绘制出了该国家的应力场图。在20世纪的80年代后期，加卢什等前苏联物理研究者在顿巴斯煤田进行了地应力测量，采用的方法是套孔应力解除法，推进了前苏联地应力测量技术的发展。英国对地应力测量的研究也属于世界前列，起步于20世纪的50年代。英国研究学者进行地应力测量的主要方法是应力解除法和扁千斤顶法，过了20多年，英结出一个重要的规律:地应力的水平方向上分布着地应力的最小和最大主应力，最大主应力约在西北一东南方向，而垂直方向上分布的是地应力的中间应力。 日本的地应力测量工作展开的比其他国家要早很多，20世纪的30年代，日本开展地应力测量工作是为了矿山的开采和地下工程的需要。起初所采用的方法是仅

11、能测量围岩巷道表面的应力恢复法，这种测量方法比较简便，它只能测量岩石的表面，直接能测量出地应力的大小，如果知道地应力的主应力时，这种方法更为简单。因为应力恢复法是一种无需知道岩石的弹性特定、受岩石内的非均质的影响较小的一维应力测量方法，它有操作简单、费用较少等优点ls 0 20年之后，日本为了研究岩石内部应力，开始使用应力解除法等向岩石打钻的方法进行岩石内部应力的测量研究。葡萄牙进行地应力测量的工作也比较早，罗洽对扁千斤顶进行了改进，跟其一起研究的还有土木工程研究所，后来他们又一起研制出了实心空心包体应变计，之后没多久就研制出空腔包体应变计。罗洽等人在地应力研究方面取得的显著的成绩，因此参加了

12、里斯本的国际岩石力学大会和国际地应力测量研讨会，因此，他们显著的发明传给了世界各国，因此，这两次大会推进了世界范围内的地应力测量技术的发展。除了这些国家之外，还有很多国家进行了地应力的实测和研究工作，推进自己国家矿业和水利等方面的进步，比如法国、芬兰、赞比亚、挪威、新西兰等国家，都开始了对地应力有关方面的探索，并取得初步的成绩。我国对地应力钻研开始于20世纪40年代初，最早是李四光教授把地应力致力于地质力学中的内容来钻研。自50年代后期，随着三峡工程、长江大桥等大型工程的规划和设计任务的提出，在著名地质学家李四光和陈宗基教授倡导下，正式开始了地应力测量和理论研究。我国的原岩应力的测量开始于20

13、世纪的60年代初期，测量深度最高达到30米，同时这个时期也开始利用千斤顶法测得矿山酮室的围岩表面的应力状态。同时在李四光教授指引下，地质研究所成员成功研制出了压磁应力计，之后在河北的隆尧县建立了中国第一个观测站，随之又在我国各地等21个地方成功建立了观测站，形成了一个中国地应力观测网。1972年，郭增建、王妙月等人组织成立了地震源机制研究小组，对我国和邻区发生的地震进行震源解析，结出了我国大地构造主要以水平方向为主的理论。70年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，从而迈出了我国深钻孔地应力测

14、量的第一步。 我国的地应力测量技术和设备从无到有，经过近40余年的发展，己经取得了长足的进步，但与国际先进水平相比尚有一定的差距。研究新的测量方法和测试技术解决目前地应力测量中存在的各种问题和不足，仍然是一个重大的研究课题。3  地应力测试方法及其原理3.1 地应力测试方法分类 近半个世纪以来，特别是近30年来，随着地应力测量工作的不断开展，各种测量方法和测量仪器也不断发展起来。就世界范围而言，目前主要测量方法有数十种之多，而对测量方法的分类并没有统一的标准。目前各国采用和正在研究的测定地应力的方法主要有：应力解除法，水压致裂法，钻孔锯法，非弹性应变恢复法等。利用从钻孔中采

15、取的岩芯实验室测量方法有：变形率分析，Kaiser效应法，微分应变曲线分析等。近年来发展的有超声波检测原岩应力的方法等。 根据测量手段的不同，将地应力测量方法分为五大类，即：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。根据测量原理可分为三大类： 第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法、 应变恢复法、应变解除法及水压致裂法等； 第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法，如声发射法、X射线法； 第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。按测试空间分为钻

16、孔内测试及洞内测试和洞内钻孔测试。钻孔中的测试又分为孔径变形法和孔壁应变法。按照测量数据特点，地应力测量方法可分为绝对地应力测量和相对地应力测量。绝对地应力是要获得地壳应力原有的应力值，也就是岩层主应力的大小和方向；相对地应力是获得工程开挖前后岩体应力所发生的相对变化值或者规律。根据国内外多数人的观点，依据测量基本原理的不同，将测量方法分为间接测量和直接测量法两大类。直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的互相关系，通过计算获得原岩应力值，在计算过程中不涉及不同物理量的换算，不需要知道不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。

17、扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法。其中，水压致裂法在目前的应用最为广泛，声发射法次之。间接测量法不是直接测量应力值，而是借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式，计算岩体中的应力值。因此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。套孔应力解除法和其它应力或应变解除方法以及地球物理方法等是间接法中较常用的。其中,套孔应力解除法是目前国内外

18、最普遍采用的发展较为成熟的一种地应力测量方法。3.1 应力恢复法应力恢复法是基于向壁面内部解除以水平方向的槽的同时，随之壁面附近的应力被解除，应力状态也得到恢复的原理。在侧墙的表面或者壁面上找一完整的部位，预先在解除槽的上下部位安装两个测量元件，然后进行槽的解除。在进行率定试验时，向槽内埋设压力枕，对岩体进行施压，使岩体的应力达到应变没有解除前的状态，等岩体的应力状态完全恢复，这时测得的压力枕的大小就是岩体原来受到的应力。通过应力恢复后测量的应力和应变就可根据弹性力学推算出测试点的应力状态。 如图所示，当洞室里侧墙表面围岩应力的主应力为，水平方向为时，就能通过应力恢复法计算得到。应力恢复法中应

19、用最广泛的是扁千斤顶法，扁千斤顶是由两块薄钢板沿周边焊接在一起而形成的，在周边处有一个油压入口和一个出气阀，扁千斤顶的测量示意图如图1所示：图1 扁千斤顶应力测量示意图 扁千斤顶法的测量步骤如下所示： （1）在准备测量应力的岩石表面安装两个测量柱，并用微米表测量二柱之间的距离； （2）在与两个测量柱对称的中间位置向岩体内开挖一个垂直于测量柱连线的扁槽，槽的大小、形状和厚度需要和扁千斤顶一致，一般槽的厚度为520mm，由盘锯切割而成。由于扁槽的开挖造成局部应力释放并引起测量柱之间的距离变化，测量并记录这一变化； （3）将扁千斤顶完全塞入槽内，必要时需注浆将扁千斤顶和岩石胶结在一起，然后将电动或手

20、动液压泵向其加压。随着压力的增加，测量柱之间的增大。当测量柱之间的距离恢复到扁槽开挖之前的大小时，停止加压，记录下此时扁千斤顶中的压力，该压力称为平衡压力或者补偿压力，等于扁槽开挖前表面岩体中垂直于扁千斤顶方向，也即平行于两测量柱连线方向的应力。对于普通千斤顶，特别是面积较小的扁千斤顶，由于周边焊接圈的影响，由液压泵施加到扁千斤顶中的压力高于扁千斤顶作用于岩体上的压力，为此，在测量之前，需先在实验室中对扁千斤顶进行标定。扁千斤顶法早期表面应力恢复法的的代表，是一种一维应力测量方法，一个扁千斤顶的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的应力分量，为了确定该测点的六个应力分量就必须要在该点处沿着不同

21、的方向切割六个扁槽，而这是不可能实现的。因为扁槽的相互重叠将造成不同方向测量结果的互相干扰，使之变得毫无意义。由于扁千斤顶测量只能在巷道、洞室或者其他开挖体表面附近的岩体中进行，因而其测量的是一种受开挖扰动的次生应力场，而非原岩应力场。同时，扁千斤顶的测量原理是基于岩石完全是线弹性的假设，对于非线性岩体，其加载和卸载路径的应力应变关系是不同的，由扁千斤顶测得的平衡应力并不等于扁槽开挖前岩体中的应力。此外，由于开挖的影响，各种开挖体表面的岩体会受到不同程度的损坏，这些都会造成测量结果的误差。扁千斤顶法在20世纪50年代应用较为广泛，现在已很少用于地应力测量，但在矿山中仍被作为监测矿柱和围岩应力变

22、化的一种方法3.2 水压致裂法20世纪50年代由哈伯特、威利斯在理论上进行论证了水水压致裂法，60年代由夏德格、凯利、费尔赫斯特等加以完善，海姆森等分析了压裂液渗入的影响,并作大量野外和室内实验工作。 由于操作简便,且无须知道岩石的弹性参量，水压致裂法得到广泛应用。 根据弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔收到无穷远处二维应力场的作用时，距离钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态，在这些部位，钻孔周边的应力为： 其中的和分别为钻孔周边的切向应力和径向应力；为周边一点与轴的夹角。当时，取得极小值，此时如果采用图中的水压致裂系统将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水，当水压超过岩石抗拉强

23、度与之和之和之和，在处，也即所在方位将发生孔壁开裂，设钻孔壁发生初始开裂时的水压为，则如果继续向封隔段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此时已经接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记为，则应和原岩应力平衡，亦即。由上述可知，只要测出岩石的抗拉强度，即可由和求出和，这样和的大小和方向就全都确定了。在钻孔中存在裂隙水的情况下，如果封隔段处的裂隙水压力为，则有要求出和，需要知道封隔段的岩石抗拉强度，这往往是很困难的。为了克服这一困难，在水压致裂试验中增加一个环节，即在初始裂隙产生之后，将水压卸除，使得裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙

24、重新打开时的压力为，则这样由上式求解时，不需要知道岩石的抗拉强度参数。因此，水压致裂法测量原岩应力将不设计岩石的物理力学性质，而完全由测量和记录的压力值来决定。由以上可知，水压致裂法对地应力测量的测试原理基于三个基本假设：（1）地壳岩石是线性均匀、各向同性的弹性体；（2）岩石为多孔介质时，流体在孔隙内的流动符合达西定律；（3）主应力方向中有一个应力方向与钻孔的轴向平行。向封闭的钻孔内注入高压水，当压力达到最大值后，钻孔井壁会发生破裂导致井内压力下降，为维持裂隙保持张开状态，孔内压力最终会达到恒定值，不再注入后，孔内压力迅速下降，裂隙发生愈合，之后压力降低速度变慢，其临界值为瞬时关闭压力，完全卸

25、压后再重新注液，得到裂隙的重张压力以及瞬时关闭压力，最后通过由仪器记录裂缝的方向。水压致裂法的仪器如图所示：水压致裂法的测量步骤为：（1）打孔到准备测量应力的部位，将钻井中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径与所选用的封隔器的直径相一致，封隔器一般是充压膨胀式的，充压可以液体，也可用气体。（2）向两个封隔器的隔离段注射高压水，不断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力；然后继续施加水压以扩张裂隙，当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高水压系统，保持水压恒定，此时的应力称为关闭压力，记为，最后卸压，使裂隙闭合。给封隔器加压和给封闭段注射高压水可共用一个液压回路，一般情况下，利用钻杆作为液压通道，

26、先给封隔器加压，然后关闭封隔器进口，经过转换开关，将管路接通至钻孔密封段加压，也可采用双回路，即给封隔器加压和水压致裂的回路是相互独立的，水压致裂的液压通道是钻杆，而封隔器加压通道为高压软管。在整个加压过程中，同时记录压力-时间曲线图和流量-时间曲线图，使用适当的方法从压力-时间曲线图中可以确定和；从流量-时间曲线图中可以判断裂隙扩展的深度。（3）重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力，和随后的恒定关闭压力为。这种卸压-加载的过程重复两三次，以提高测试数据的准确性。和同样由压力-时间曲线和流量-时间曲线确定。（4）将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。（5）

27、测量水压致裂列些和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小，测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。前三种方法代价昂贵，操作复杂，使用印模器则比较简单实用，印模器的结构和形状与封隔器相似，在其外面包裹一层可塑性橡皮或者类似材料，将印模器连同加压管路一起送人井下的水压致裂部位，然后将印模加压膨胀，以便使钻孔上的所有节理裂隙均印在印模器上，此印痕可保持足够的时间，以便提至井上之后记录下来，印模器装有定向系统，以确定裂隙的方位。在一般情况下，水压致裂裂隙为一组径向相对的纵向裂隙，很容易辨认出来。水压致裂法最突出的优点是能够测量深部应力，已见报道的最大测量深度为5km，这是其他方法

28、所不能做到的，因此这种方法可用来测量深部地壳的构造应力场，同时，对于某些工程，例如露天边坡工程，由于没有现成的地下巷道、隧道等可用来接近应力测量点，或者在地下工程的前期阶段，需要估计该过程区域的地应力场，也只有使用水压致裂法才是最经济实用的。否则，如果使用其他更为精确的方法例如应力解除法，则需要首先打几百米深的导洞才能接近测点，那么经济上将是十分昂贵的。因此对于一些重要的地下工程，在工程前期阶段使用水压致裂法估计应力场，在工程施工过程中或者工程完成后，再使用应力解除法比较精确地测量某些测点的应力大小和方向，就能为工程设计、施工和维护提供比较准确可靠的地应力场数据。传统的水压致裂法应力测量理论和

29、方法是建立在弹性力学平面应变理论的基础之上的，它的前提是原地应力场中的两个主应力方向构成一个平面，而第三个主应力是与这两个主应力垂直的。利用一个铅直井孔进行水压致裂应力测量得到两个水平主应力的大小和方向，而垂向主应力的值是由岩石的密度按静岩压力计算得出。传统水压致裂法采用最大单轴张应力的破裂准则，没有考虑轴向应力迄和径向应力该对孔壁四周围岩的约束效应。切向应力傀随液压不断增大，由压应力转变为张应力状态，再由张应力逐渐增大达到围岩抗拉强度，井壁四周围岩沿剪切方向产生破裂。因此，钻孔压裂段井壁上只能产生平行于井孔轴向的纵向破裂缝。这时压裂段的液压就达到破裂压力。传统水压致裂法地应力测量方法存在的不

30、足是：只能确定钻孔横截面上的二维应力状态，地应力场的一个主应力方向与井孔轴向平行的情况很少。在利用水压致裂法进行三维地应力测量时，需要在三个不同方向的井孔中分别进行测量，在测量过程中破裂处的井壁围岩，是在张一张一压或张一压一压的三维应力状态下破裂的，并不符合最大单轴张应力破裂准则的应力条件。实际应用中存在的两大主要问题：（1）在复杂地质构造或在山区峡谷等复杂地貌条件下，钻孔方向一般并非主应力方向，如果不假定主应力方向那么测试结果对实际生产用处不大；（2）传统水压致裂法确定的钻孔横截面上最大和最小的应力值中，最大应力精度差，最小应力精度高，因此测试结果的整体精度达不到要求精度。一些学者就三维地应

31、力测量解释进行了卓有成效的探讨，在不同方向的3个或3个以上钻孔内，采用完整岩石段的常规压裂实验，来测量三维地应力状态的三孔交汇水压致裂法来解决第一个问题。三维地应力测量理论采用最小主应力破坏准则进行水压致裂法三维地应力测量，其理论模型可以客观地反映水压致裂过程中诱发破裂产生的力学机制。根据线弹性理论，当钻孔内承受液体压力时，孔壁上某一点(钻孔极系坐标系下极角为)的最小主应力可以表示为原地应力张量、内水压力和的函数。当原地应力张量和钻孔空间方位为定值时，则孔壁上的最小主应力表现为随极角变化的正弦曲线。在水压致裂应力测试过程中，随着向密闭的试验段持续泵进流体，最小主应力随内水压力的增加而不断减小，

32、直至由压应力变为拉张应力。当钻孔孔壁某一方位角处的首先达到该处的岩石抗张强度时，则形成诱发破裂，此时的流体压力为（即破裂压力），记录了破裂方位。采用最小主应力破坏准则进行水压致裂三维地应力测量时，该方法在理论上是可行的，还可以避免由于采用最小切向应力准则可能带来的误差。由于传统水压致裂法测量关闭压力比较准确，且不对地应力方向和孔隙水压力作任何假设，通过该方法获得的测量结果是接近真实的，此外由于测量钻孔的方向和深度不受限制，适用于岩石比较破碎、完整性较差和原生裂隙比较发育的岩体。传统水压致裂法与三维地应力各有优点，相比较而言，传统水压致裂法发展得比较成熟，虽然适用条件要求比较苛刻，但是精度比较高

33、，三维地应力方法是最近发展起来的适用条件比较广泛的一种新理论，虽然适用范围比较广，但是缺乏严密的理论依据，测量精度比较差。水压致裂法从测量理论上来说是一种地应力近似估算方法，其测量精度本身就受到限制，比较适用于其他方法难于完成的深孔地应力测量。声发射法1953年，德国学者Kaiser在研究多晶金属材料的声发射特性时，受单向拉伸的金属材料，只有当应力达到其先期最大应力值时才会有明显的声发射现象，而当应力未达到历史最高水平，很少有声发射产生，这一现象为Kaiser效应。1963年，Goodman证实了岩石也具有Kaiser效应，为测量地应力提供了一个新方法，国内外众多岩石力学学者、研究人员应用岩石

34、声发射进行了大量的地应力测量研究试验，取得了显著的成果。Yoshikawa和Mogi等通过试验研究了岩石声发射现象与岩石受荷载历史关系，提出了岩石内裂纹延伸和扩张的非粘性活动。Li. C.等根据大量试验确证了岩石Kaiser效应，同时提出了岩石声发射试验评价岩石损伤状况的方法，展望了岩石声发射技术在岩土工程中的应用前景。声发射法是在Kaiser效应的基础上来测定地应力的一种方法，也称之为Kaiser效应法，其原理是材料受到外载荷作用之后，材料内部会将储存的应变就会释放出来，材料释放形式为弹性波，在应变释放的过程中就会发出声响，就可以测量材料内部的应力值，称之为声发射。当测量岩体破裂时，每一次的

35、裂缝扩张，就引起能量的一次释放，产生一次声发射。此时的传感器就接收到一次声发射信号，产生一个声发射波，这就叫一次声发射事件。通常，通过对仪器输出波形的处理之后才能得到声发射表征参数，也就是通过对声发射事件大小和发生频率有关的参数及一个单一事件或者一组事件的频谱有关的参数进行描述得到，最常用的参数为：累计活动:在一定的时间范围内声发射发生的次数；声发射率:在单位时间内声发射事件的次数；声发射幅度:在观测时间的任意时间某一次声发射的最大振幅；声发射能量:任意时间声发射事件振幅的平方；声发射累计能:在一定时间内所有声发射时间的声发射能量之和；声发射能率:观测单位时间内所有事件的声发射能量之和。而所谓

36、的Kaiser效应就是多晶金属的内部从最高应力瞬间释放后，然后又重新对其进行加载，当没有达到先前最高应力时，会产生很小的声发射，当达到或者超过先前最高应力时，就会产生大量的声发射，这种能够记忆岩石所承受过的最大应力的效应就叫做Kaiser效应52，从声发射较少的部位到声发射较大的部位过度点叫Kaiser效应点，如图所示。试验时，在6米深度的原岩应力区取岩芯，在每一个方向取1525个岩芯，之后将岩芯制作成圆筒状，并且在每个试件都要磨出一个放探头的平面，由于试件的两端可能会产生应力集中或者摩擦等会影响到接受信号，需在试件端部加两层聚氯乙烯和橡胶皮片。测试装备包括压力试验机、前置放大器、输入鉴别器、

37、函数记录仪等。试验步骤如下：（1）在试件的上下部位分别安装一个传感器，并将试件放在试验机上加压，检测系统如图所示；（2）然后从传感器中的电信号通过放大、鉴别之后的信号就被送入定区检测单元；（3）定区检测单元发出的信号直接送入计数控制单元；（4）计数控制单元将采样时间间隔内发出声发射模拟量和数字量分别送到记录仪、显示器中显示或者打印；试件1, 2一上、下压头；3, 4一传感器A, B； 5, 6一前置发大器A, B；7, 8一输入鉴别单元A,B； 9一定区检测单元；10一计数控制单元A； 11一计数控制单元B；12一压机油路压力传感器；13一压力电信号转换仪器；14一三笔函数记录仪；15一试件声

38、发射法不仅可以通过测定获得地应力的大小，还可以对岩心进行定向来获取原地应力方向，常规的声发射方法能较好的对地层表面的地应力进行测量。劳动量小，可以保持研究岩体的完整性，在同一地点或者多区进行多次测量。但声发射法不适合地层深处的探测，因为当在岩芯在3000米以上的深度取得时，利用常规声发射方法对岩芯进行实验时，往往在还没有达到Kaiser点时，岩芯就己发生破坏，同时伴有声音发出，此时采集到的信号就不是声发射Kaiser效应的发出的信息，所以无法用这种方法对深部地层进行测量。由于声发射需要弹性波作介质，因而就多适用在强度较高的脆性岩体中，因而具有多孔隙、低强度的岩石以及塑性岩体也不具有明显的Kai

39、ser效应，因此测量松软的岩体不适采用声发射法。使用范围比较局限，对于较松软的岩体则不适用，精度比较低。应力解除法应力解除法的基本原理是当测定岩体中的某点的地应力时，就应人为地把该点岩体与周围岩体相分离，该岩体就会发生弹性变形，此时，该点岩体上的应力就会被解除。同时，此单元体的几何尺寸将逐渐得到恢复。用一定的测量仪器，测定此弹性恢复的应变值或变形值，并且假设岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，且加载和卸载时应力和应变关系是相同的，并具有等同的函数值，于是就可以借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。应力解除法是发展时间最长，技术上比较成熟的地应力测量方法，能够客观地反映岩体内部地应力的

40、状况，测量精度比较高，可靠性比较高，适用于现有矿山的巷道和洞室里。但这种方法测量地点是很有局限性的，在运用技术上也存在一些困难。应力解除法按照应变或者变形可分为孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法。应力解除法下面的分支中的每一种方法，其基本原理是建立在应力解除法的基础上因在测量的部位或者运用测量元件上的不同得到的。其中孔壁应变法可单孔准确测量岩体的三维地应力，但要求岩体完整性好且测量元件受温度、空气湿度等各方面影响较大；孔径变形法因测量元件不与孔壁接触，因此可以排除孔壁变形法存在的缺点，该方法具有适应性强、灵敏度高、周期短等优点；孔底应变法对岩体的完整性要求低、测试成功率高但在我国的影响度较低，

41、且适合测量二维应力；孔壁应变法是将应变片粘贴在孔壁上，通过应力解除前后孔壁变形来计算地应力的一种方法。根据测量时运用的应变计不同，将孔壁应变法又分为两种：第一种是一般的钻孔三向应变计，它是将电阻应变片直接粘贴在孔壁上。这种方法测量精度高，但步骤复杂，成功率较低；第二种是空腔包体式应变计，它是将应变片粘贴在预先制定好的塑胶筒内，粘贴之后，外面再浇注一层环氧树脂做成应变计。采用这种应变计能达到一次钻孔的一次测量就可以确定岩体三维地应力状态，这种应变计具有能在岩性较差的裂隙较多的地质环境中测量的优点，同时还具有操作简单、测量成功率较高等优点，深受广泛应用。基于改方法在世界各国都己发展较成熟。孔径变形

42、法孔径变形法是通过测量应力解除过程中钻孔直径的变化而计算出垂直于钻孔轴线的平面内的应力状态，并可通过三个互不平行钻孔的测量确定一点的三维应力状态。 测量孔径变形的仪器很多，其中最著名的是美国矿山局的孔径变形计，是于20世纪60年代研制出来的，其结构如图所示，其探测头是六个圆头活塞，两个径向相对的活塞测量一个直径方向的变形，被测的三个直径方向互相间隔60°。每个活塞由一个悬臂梁式的弹簧施加压力，以使其和孔壁保持接触，在悬臂弹簧的正反面各贴一支电阻应变片。应力解除前将变形计挤压进钻孔中，以便两个活塞头之间有0.5mm左右的预压变形，并使变形计能够固定在测点部位。应力解除时，钻孔直径膨胀，

43、预压变形得到释放，悬臂弹簧的弯曲变形发生变化，这一变化由电阻应变片探测并通过仪器记录下来。弹簧正反两面变形相反，一面是拉伸，一面是压缩，两支应变片的读书相加，使测量精度提高一倍。径向相对的两个悬臂弹簧上的四支应变片组成一个惠斯通电桥的全桥电路，自身解决了温度补偿的问题，也大大有利于提高测量结果的准确度。通过标定试验可以确定两个活塞头之间的径向变形和悬臂弹簧上的应变片所测读书之间的关系。孔径应变计的适用孔径为3640mm，增加或减少活塞中的垫片，可以改变其适用孔径的大小。 根据应力解除过程中测得的孔径变形可以计算得到原岩应力场。设钻孔位于三维无限体中，钻孔的局部坐标系为，钻孔轴线和轴相平行，则孔

44、径变形和局部坐标系下的三维应力分量之间的关系为， 式中，为钻孔直径，为孔径方向和之间的夹角，从轴逆时针旋转到孔径方向为正；为岩石的弹性模量，为岩石的泊松比。 、和可通过三维应力场的转轴公式转换成整体坐标系下的方程，一个钻孔中只有三个孔径方向是独立的，即一个钻孔测量只能得到三个独立方程，而三个方程中的六个未知数是不可能求解的，因此一个钻孔的孔径变形测量不能确定一点的三维应力状态。两个互不平行的钻孔测量也只能得到五个独立方程，故而只有通过相交于一点的三个互不平行钻孔的孔径变形测量才能求得一点的三维应力状态。测量时可设地球坐标系为整体坐标系，每一个钻孔设一个局部坐标系，只要三个局部坐标系和整体坐标系

45、的方向关系已知，三个局部坐标系下的测量值均可通过转轴公式转换为整体坐标系下的表达式，从而解处整体坐标系下的六个应力分量。 如果只进行一个钻孔的孔径变形测量，则可通过以下公式求出垂直于钻孔轴线的平面内的应力状态，式中，为互相间隔60°的三个孔径方向的变形值；为和之间的夹角，从逆时针到为正。垂直钻孔轴线的平面内的孔径变形和应力状态示意图 为了求得原岩应力值，需要知道岩石的弹性模量和泊松比。在一般的岩石力学研究中，均取圆柱形或者立方体岩石试样进行压缩试验，测定弹性模量和泊松比的值，即通过对套孔岩芯加围压，并通过孔径变形计测量围岩-孔径变形曲线，由此确定弹性模量值，这就保证了这是真正测点的岩

46、石弹性模量和泊松比值，计算公式为： 式中，为围压值，为所测得的由围压引起的平均径向变形值，、分别为套孔岩芯的外径和内径。 为了求得泊松比，可在套孔岩芯上贴轴向应变片，测得的轴向应变和径向应变之比即为岩石的泊松比值。孔径变形法要求在能获得完整岩芯的岩体中进行，且需要三个钻孔才能获得一点的三维应力分量。但是这种方法具有适应性强、灵敏度高、周期短等优点。孔底应变法在岩体的测点处先钻一个平底钻孔，并在孔底处粘贴一应变传感器，钻出岩芯将可使孔底的平面完全卸载，如图4.6所示，之后通过获得卸载的平面后的恢复应变以及岩石的弹性常量方可求出孔底处的平面的应力状态。该方法的进行只需要一个很小的岩芯，因此对于有裂

47、隙的岩石也可采用这种方法。在进入测试现场之前的准备工作，除了一些测量设施和设备外；应对测量仪器进行安全测定。测试步骤如下：（1）准备好一台钻机，并进行测试地点的选择；（2）开动钻机进行平底钻，钻到测量部位停止；（3）在孔底处粘贴一应变片，作为应变传感器；（4）再以平底钻时的孔径继续钻进，钻到预定的深度就停止；（5）每隔十分钟向钻孔中冲水，连续进行三次，这三次的读数值之差不超过，就认为是稳定的，就可以开钻解除应力；（6）在解除的过程中，每钻进2cm，读一下钢环的值并且记录，进行到30cm时，若之前的长度内连续两次前后测量读数不超过，就认为是稳定的，于是停止钻进；（7）取出钻具和岩芯。（8）在室内

48、测定岩芯的弹性模量和泊松比，就可套用公式将主应力的大小和方向算出。孔底应变法不需要很长的套孔岩芯，对岩体的完整性要求不高，对于破碎的岩体也适用，大量实验也证明测试成功率比较高，但也存在很多的缺点，当应变片粘贴在孔底时只能获得平面应力，不能直接得到三维应力，必须通过在三个互不平行的方向进行测量才能获得三维应力状态。孔壁应变法 在三维应力场作用下，一个无限体中的钻孔表面及周围的应力状态可以由现代弹性理论给出精确解。通过应力解除测量钻孔表面的应变即可求出钻孔表面的应力进而精确地计算出原岩应力的状态，据此原理研制出了孔壁应变计。 当钻孔受到无穷远处的三维应力场作用时，孔边的围岩应力分布如下图所示 孔壁

49、为平面应力状态，只有三个应力分量，因此钻孔孔壁同一截面上的三个不同母线位置粘帖应变花(45°型，总共不少于三个应变花9个应变片)，当应力解除后，孔壁产生相应的应变。每组应变花的测量结果可得到4个方程，三组应变花共有12个方程，其中至少有6个独立方程，据此可以求解出原岩应力的6个分量。 空腔包体应变计法 地应力的测量技术随着一代代前辈在工程实践中的发展，伴随着地应力测量仪器也被一次次的革新，但这一次次的发展与革新不是偶然的。在20世纪60年代中期之前，地应力的测量水平只处于最初的平面地应力测量阶段，也就是对一点在某一剖面上的应力状态的分析。但在这之后，随着各个学科的进步，三维地应力测量

50、技术逐渐发展起来。1963年以后，世界各国出现了各种各样的钻孔三向应变计，在1976年的澳大利亚联邦科学和工业研究组织资源开发研究CSIRO型空心包体式钻孔三向应变计。该方法测量简单，成功率高，能适应地质条件比较差的岩体，而且试验周期也比较短，己被世界各国广泛采用。我国于20世纪的80年代对空腔包体应变测量进行研究，之后在地质力学研究所等一大批学者的努力下研制成功了YH3B-4型空心包体应变计，最终以KX-81，KX-2003，CKX-97， CKX-O1型空心包体等展示于世，并在工程实践中得到了广泛的应用。2001年广东惠州抽水蓄能电站的地下厂房以及饮水系统浅埋段运用空心包体式应变计进行钻孔

51、地应力测量，取得满意成果。空腔包体应变计的最深测量深度可以达到365米，以己经突破了套芯应力解除法应力测量在国内的最深纪录。在2004年，邱贤德等研究学者把空腔包体应变计和完全温度补偿技术以及自动化实时记录系统结合起来取得了卓越的成果，为分析工程的设计以及施工提供了重要的依据。在一般的地应力测量方法中，需要进行对钻孔三个方向进行测量，而钻孔孔壁测量法只需对钻孔进行一次测量便可获得岩体三个方向的地应力状态。目前，孔壁应变法的的应变计有两种形式:一是普通的钻孔三向应变计，其就是把测量元件电阻丝应变片直接粘贴到钻孔孔壁上，这种方法要求被测岩体的完整性比较好，测量精度高，但操作复杂，测量成功率低。二是

52、空心包体式钻孔三向应变计，这种方法是把应变片粘贴到预制的环氧树脂薄筒上，然后再在其外层浇注一层薄薄的环氧树脂制作成应变计，在测量时，为了把应变计与岩壁贴合，在应变计与钻孔岩壁之间充填环氧树脂进行粘接，这种方法操作简单，即使是完整性比较差的岩体也可以进行测量，成功率也很高，己被广泛应用。空腔包体应变计的制作材料是环氧树脂，应变片的布置比传统的布置结构有所优化，除了传统的3组由三个应变片组成的应变从外，又单独设计了三个应变片，总共12个应变片，一次测量能得到12个观测值方程。因此现在空腔包体应变计的制作过程首先先浇注一个35mm空心圆筒，然后在规定的位置把应变片贴好，也就是在同一圆周粘贴三组应变花

53、，这三组应变花之间相隔120°，每一组应变花由四个应变片组成，四个应变片相隔45°，之后在外面浇注一层环氧树脂己达到36mm。空腔包体应变计安装时，空腔包体应变计与钻孔孔壁之间的粘接剂是灌注其内腔的环氧树脂，使用时，环氧树脂由一个带锥形头的柱塞将其挤出，让其流入应变计与孔壁之间的环形槽中，直至环形槽充满，等环氧树脂固化之后，可将应变计牢固的粘贴孔壁上，这是一份十分细致的工作，对树脂和固化剂的配比较严格，如果配比不合适，影响传感器的稳定性，温度控制不好就会导致空腔包体应变计制作的失败。图4.3和图4.4为传感器中应变器的布置方式，在传感器中有3组直角应变花，且在同一圆周等分分布，每组应变花由4片应变片组成。由于空腔包体只是钻孔应力解除法应用中的其中一个应变计，应变计的不同，测量方法就会不一样，可以说是在钻孔应力解除法的基础上有所改进或者研究的另一个方向，其测量的基本原理和钻孔应力解除的是很相似的。应力解除过程如图4. 5 0（1）打大孔：在选中的岩层中，用钻机在水平方向进行钻孔，当孔打到预期测量地点时停止。其中钻孔的方向一般向上倾斜3-5度，以方便清洗孔内污垢容易流出。（2）打锥形孔：换锥形钻头，并在孔底打锥形孔，其作用是起到一个定位以及保证后期要打的小孔与大孔同心。（3）打小孔：换一个36mm小钻头，把该钻孔探到孔底处，并在外部的钻杆处做一