地应力测量方法研究综述

1、第29卷第2期2008年4月华 北 水 利 水 电 学 院 学 报Journa l o f N orth Ch i na Institute ofW ate r Conse rvancy and H ydro electr i c Pow er V o l 29N o 2A pr .2008收稿日期:2008-01-19作者简介:景 锋(1974 ,男,山西永济人,工程师,主要从事岩石力学、安全监测及地应力测试等方面的研究.文章编号:1002-5634(200802-0071-05地应力测量方法研究综述景 锋1,梁合成2,边智华1,刘元坤1(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点试验室,湖北武

2、汉430070;2.中国地质大学工程学院,湖北武汉430071摘 要:对于深埋岩石工程,岩体的地应力状态直接关系到工程和区域的稳定性.通过收集大量的国内外有关地应力的研究资料,回顾了地应力测量的发展历程,总结了各种地应力测量方法的适用范围,基于今后岩石工程所呈现的新特点和新问题,探讨了地应力测量的发展趋势.关键词:地应力;测量方法;适用范围;发民趋势中图分类号:TD 311 文献标识码:A地应力不仅是决定区域稳定性的重要因素,而且是地下或地面开挖岩土工程变形和破坏的作用力.地应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1.随着我国西部大开发的持续推进

3、,将兴建一大批高海拔、超埋深、高温差的大型地下工程,地应力对工程的稳定性影响越来越大,如岩爆、瓦斯突出、围压大变形、顶板垮落、底板突水等一系列地质灾害都与地应力有关.因此,地应力测量与研究已成科研人员和工程界最关心的问题之一2.1 国内外地应力测量的研究历程世界第1次地应力实测是美国1932年对哈佛大坝的泄水隧道表面应力的解除法测量3.但是直到20世纪50年代,哈斯特利用压磁应力计在瑞典拉伊斯瓦尔铅矿和斯堪的纳维亚半岛4个矿区进行了大规模地应力测量,并首次发表了近地表地层中的实测水平应力高于垂直应力的成果,此后地应力测量才迅速在欧洲、北美洲、南澳洲和亚洲开展,仅在1960 1974年间,在0.

4、53.0m 的钻孔中就完成了3万多次的地应力测量.B r own &H oek(1978统计了全球实测地应力随埋深的分布规律4100H +0.3 H + h 2 v 1500H+0.5, v =0.027H (1式中: v , H , h 分别为垂直应力、最大和最小水平主应力(MPa;H 为埋深(m .Bro w n&H oek 研究表明,地壳浅部垂直应力基本等于岩层自重,而水平地应力普遍大于垂直应力,并随埋深增加,应力呈向静水压力状态过渡的趋势,静水压力假设只是地应力状态的一个特例,简化了对地应力成因和分布规律的认识.20世纪60年代中期前,地应力测量还处于平面应力水平,方法

5、有:扁千斤顶法、光弹应力计法、应变计法、孔径变形计法、孔底应变计法等,测深多在几十米内.文献5完善了水压致裂法地应力测量原理和技术,使美国率先进入了实用阶段.60年代中期,南非科学和工业研究委员会(CS I R 研制成功了三轴孔壁应变计,可在单点获得三维地应力,澳大利亚联邦科学和工业研究组织(CS I R O 研制出了CSI RO 型三轴空心包体应变计.80年代,瑞典国家电力局研制了水下钻孔三向应变计,配有井下采集,测深达500多m.随着震源机制分析逐步成熟,60年代建立了世界地震台网.Zoback(1992年根据大量实测资料编制了首张世界应力图(W SM .我国地应力测量与研究起于20世纪5

6、0年代末,李四光和陈宗基为主要创始人,首次于1962 1964年在三峡平善坝址获得了岩体表面应力实测结果.1964年在大冶铁矿进行了国内首次应力解除法测量.到了70年代后,我国地应力测量快速发展,1980年10月在河北易县首次成功进行了水压致裂法地应力测量,现测量深度已突破2000m.1984年引进并改进了瑞典的深钻孔水下三向应变计,使其最大测量深达530m.之后,空心包体应变计研制成功.再后相继对我国以前的地震记录进行了初步的震源机制分析和对我国大陆构造应力环境进行了系统研究6.2 地应力测量方法7-21地应力测试方法有上百种,不同的划分标准有不同的划分结果,从测量原理上可分为地应力直接测量

7、法和地应力间接测量法.直接测法通过扰动岩石的初始条件,以产生应变、变形、裂隙张开等;间接地应力测量是基于对与地应力有关现象分析.根据地应力测量时的操作特点,又可分为钻孔应力测量、利用岩芯地应力测量、岩石表面应力测量、地质构造分析等几类方法,见表1.表1 根据操作特点的地应力测量方法分类序号分类地应力测量方法1钻孔应力测量法HF法应力解除法HTPF法钻孔崩落法2利用岩芯测量法应变恢复法岩芯饼化K a i ser法3岩石表面测量法扁千斤顶法表面解除法4地质构造分析法震源机制分析法断层滑移法5其他方法应力场反演2.1 水压致裂法水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封隔一小段钻孔,然后向封隔段注入高压流

8、体,从而确定原位地应力的一种方法.水压致裂法的2种方法试验设备相同,都有封隔器、印模器,使用高压泵泵入高压液体使围岩产生新裂隙或使原生裂隙重张.2.1.1 常规水压致裂法(HF法HF法是从射井方法移植而来,假定钻孔轴向为1个主应力方向,岩石均质、各向同性、连续、线弹性,采用抗拉破坏准则,在垂直于最小主应力方向出现对称裂缝,其仅能测得垂直于钻孔横截面上的二维应力.在构造作用弱和地形平坦区,垂直孔所测结果可代表2个水平主应力,垂直应力约等于上覆岩体自重,裂缝方位为最大水平主应力方位.HF法测试周期短,不需要岩石力学参数参与计算,适合工程初勘阶段,不需试验洞,可进行大深度测量,是目前惟一一种可直接进

9、行深部地应力测定的方法.通过对HF法的改进,德国大陆科学深钻计划(KTB在主孔6000m和9000m处已成功获得了地应力资料.H F法是一种平面应力测量方法,为获得三维应力,Y M izutaI和M Kuriyaga w aE提出3孔交汇地应力测量,我国长江科学院和地壳所也进行了大量的测试.但研究表明,当钻孔轴向偏离主应力方向 15 ,其结果就有疑问,要精确获得三维地应力较困难.为此,文献7基于最小主应力破坏准则,对3孔交汇H F法测试理论进行了完善,其有助于提高测量结果的计算精度,但还有待足够的测量数据来验证.2.1.2 原生裂隙水压致裂法(HTPF法HTPF法是H F法的发展,其要求在含有

10、原生节理和裂隙的钻孔段进行裂隙重张试验以确定原位应力.HTPF法假定裂隙面是平的,且面上应力一致.对于深孔三维地应力直接测量,HTPF法可进行大尺度的地壳地应力测试,很有发展前途.HTPF法同H F法相比,假设少,不需考虑岩石破坏准则和孔隙水压力,在单孔中便可获得三维地应力.但用HTPF法测试费时,且裂隙产状和位置的确定误差都可降低计算精度.2.2 套钻孔应力解除法套钻孔应力解除法根据解除方式和传感器的安装部位分为探孔应力解除法、孔底应变解除法和孔壁切割解除法.探孔应力解除法根据传感器的类型可分为孔壁应变法和孔径变形法.2.2.1 孔壁应变法孔壁应变法基于岩石各向同性、均质、连续、线弹性的假设

11、,通过孔壁6个以上不同方向的应变值来计算岩体的三维地应力.孔壁应变法又可分为直接粘贴方法和包体方法.CSI R型三轴应变计就是将应变元件直接贴到孔壁中.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,典型的如澳大利亚CSI RO型空心包体应变计和长江科学院的CKY- 空心包体应变计(如图1所示.还有一种实心圆柱式包体技术,由于受包体材料和岩石物理力学性质差异影响大,已基本不用.孔壁应变法最大的优点是单孔单点可准确测量岩体的三维地应力,缺点是:对岩石的完整性要求高,岩芯解除长度大于4060c m,并且在岩芯易饼化时测试很难成功;存在应变元件的粘贴、防潮、全72 华 北 水 利 水 电

12、学 院 学 报 2008年4月过程测量和定向等问题;受温度变化、岩性差异影响大,测量结果离散性大 .1 电缆;2 安装杆;3 安装定向销钉;4 密封圈;5 补偿室;6 盛胶囊;7 应变丛;8 销钉;9 活塞;10 出胶孔;11 导向器;12 钻孔图1 CKY - 型空心包体式3向应变计结构图目前国内空心包体最大测试深度是长江科学院在惠州抽水蓄能水电站创下的530m 记录.2.2.2 孔径变形法孔径变形法基本上分为直接测量孔径变形或通过测量环向变形反算径向变形2种方式,常用的有USB M 型钻孔变形计和钢环式应变计等.测试过程与孔壁应变法相同,都先把探头安装到小孔内,再进行解除,克服了空心包体材

13、料与岩体的差异带来的影响,2种方法都通过感应元件的触头与钻孔孔壁紧密接触来测量孔径变形.因感应元件不与孔壁解除,方便标定,变形计的线性、重复性、稳定性好,防水性强,灵敏度较高,且测量周期短,可重复使用.2.2.3 孔底应变法孔底应变法可分为平底和锥体2种,在底面贴上3个以上的应变片进行测量,不需要先钻小导孔,对岩芯的完整性要求不高,仅5c m 长即可,适合破碎岩体以及高应力岩芯易饼化区,测试成功率高,周期短,我国曾进行过大量的测试,但目前应用已较少,在国外却得到了广泛应用.孔底应变法的缺点是仅能获得平面应力,且孔底必须打磨平滑或磨成锥体,在水下测试成功率低,若想获得三维地应力结果,通常需在3个

14、以上不同方向钻孔中进行测试.2.3 应力恢复法应力恢复法有时也被称为应力补偿方法,应用最广泛的是扁千斤顶法.扁千斤顶法最初主要是在土木工程中作为监测应力变化的一种手段,它的主要缺点是:在测量时,由于一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的应力分量,要确定测点的6个应力分量就必须沿测点不同方向切割6个扁槽,这样可能会使扁槽之间相互干扰而使得测量的结果失去意义;该法仅局限于地下巷道、洞室表面的应力测量,受开挖扰动影响大;测试结果的可靠性受测量时的环境条件影响较大,因而在一定程度上限制了它在实际工程中的应用.目前该法已很少被用于地应力测量,但在矿山中仍被作为监测矿柱和围岩应力变化的一种方法.

15、2.4 钻孔崩落法钻孔崩落是孔壁岩石在高应力作用下发生破坏脱落掉块的现象,最初仅能获得钻孔横截面上的最大主应力方向.它借助于地球物理测井、深部岩体的变形破坏机理和室内试验研究结果,根据崩落形状要素及岩石的内聚力和内摩擦角可估算应力大小.该法最大水平主应力方向测试较精确,但应力量值计算精度还需进一步的提高;当钻孔不存在崩落时,就不能获得相关的地应力信息;另若岩石各向异性或非均质性突出,也会给地应力量值和方位的确定带来很大误差.2.5 震源机制分析法震源机制分析法是了解地下深处应力状态的最主要方法.当震源体积相对于所研究区域很小时,可将其近似看成是点源,根据一组震源机制解或地震矩张量确定该组地震所

16、在区域的平均构造应力场的主应力方向和应力比.震源机制解通常给出地震断层面及与地震断层面正交的辅助面的空间位置,多数情况只能给出这一对垂直面的空间位置.现在实际中还发展了多震源机制解法.但震源实际过程复杂,难用沿平面的纯剪切错动描述.目前,已用测定震源的地震矩张量来代替双力偶模型的震源机制解答,也可用求多个地震的平均地震矩张量的主轴方向来推断地震所在地区的主应力方向.常用震源模型建立在线弹性理论基础上,其导出的地震引起的位移场、应变场和应力场本质上都是以某个不为零的初值作为参考状态,理论上只能确定震源区地震引起的应力变化、大区域的空间构造应力方向以及3个主应力的相对大小,而不能得到绝对值.但地震

17、波从震源发出后,在传播途径中可携带传播介质受应力作用的信息.因此,有利用地震波研究传播介质的应力状态的可能性.2.6 凯塞效应法(Kaiser 法1950年德国学者凯塞(Ka iser发现,受过应力作用的岩石被再次加载时,在未达到上次加载应力前,岩石基本没有声发射,在达到并超过上次加载的应力后,声发射显著增加.从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点被称为K aiser 点,Ka ise 点所对应的应力即为材料在历史上受到的最高应力.古德曼(Good m an在20世纪60年代初通过实验验证了岩石材料具有Ka iser 效应.若利用岩芯地下定位或古地磁法确定岩芯方位,确定不同方向岩芯的最大应力

18、值,可得三维应力状态.K aiser 法地应力测量可73第29卷第2期景 锋等: 地应力测量方法研究综述方便测量其他方法很难到的深度.K aiser法存在记忆的多期性和记忆衰退问题,且试验围压对结果影响大.当钻孔很深时,岩芯定位多采用古地磁法,但岩芯从被磁化到现在,岩芯的方位在地下可能发生变化.2.7 应变恢复法应变恢复法包括非弹性应变恢复法和差应变曲线分析法.尽管非弹性应变恢复法测定原位应力由沃伊特(Vo i g ht1968年提出,但首次成功应用则是由图菲尔(Teufe l在1982年首次完成的当岩芯从周围岩体分离之后会因应力释放而产生变形,认为变形由瞬时弹性变形和非弹性恢复变形组成.假定

19、非弹性恢复应变和总的恢复应变成正比,主非弹性恢复的方向和原岩石主应力方向相一致,并已知岩石的本构关系,就可以确定原位应力的大小和方向.应变恢复法在岩芯中存在温度变化、岩芯失水崩解、孔隙压力变化、岩石各向异性、应变恢复时间长、岩芯定位精度差等影响时,测量精度差.实际中会碰到应力恢复法测得的应力方位与解除法不符,这主要与应变恢复法仅能测得部分小应变有关.但随着测试精度的提高,以及大测深的优势,应变恢复法也是深部和非常深部岩体的一种有效的地应力测量方法.2.8 其他方法此外还有原子磁性共振法、放射性同位素法、地质资料分析法、地球物理探测法、岩芯微裂隙统计法等,这些方法局限于探测大范围内的地壳应力状态

20、,还不能够为工程建设提供可靠的地应力资料.但对于不同研究程度和工程设计阶段,可对岩体的地应力状态进行评估.3 地应力测量的发展趋势随着深部岩体工程出现的新特征,如:岩体处于高应力、高地温、高孔隙水压力环境中,岩体结构特征呈埋深越大,岩块越小,小结构面越多的趋势;深部岩体的非线性、非连续性与非协调性突出等.传统连续介质力学在部分情况下已无法解释,相应的测试技术和理论需进一步完善.对于一般工程目的的局部地应力测量,由于测深相对浅,传统的套钻孔应力解除法和H F法经过多年发展,可满足需要.而深部构造应力场的测试与研究,是地球物理学和地球动力学的基本课题,又是难题.目前深部地应力直接测量的惟一方法是H

21、 F法,国外改进的设备已可测9000m,而我国目前最大测深约2000m.根据国际上对深钻、超深钻的划分标准(3000m以下为中浅钻,5000m以上为超深钻,我国还停留在中浅钻孔地应力测试水平.因此,需对我国传统水压致裂设备进行升级,研制新型耐高温、高压的封隔器以及深孔成像技术,并从理论上考虑岩体的非线性、孔隙弹性效应和相应的破裂准则.在目前的地应力测量水平下,对于具体的研究对象,应根据实际情况采取多种方法.如当钻孔超过2000m后,钻孔崩落的可能性大,此时应结合钻孔崩落法和其他如应变恢复法、K aiser法等.因此,利用2种或2种以上方法综合确定原地应力是深部地应力测量最现实的手段和一个发展趋

22、势.参 考 文 献1于学馥,郑颖人,刘怀恒,等.地下工程围岩稳定分析M.北京:煤炭工业出版社,1983.2周宏伟,谢和平,左建平.深部高地应力下岩石力学行为研究进展J.力学进展,2005,35(1:91-99.3许忠淮.地应力研究现状与展望J.学科发展与研究,1990(5:27-34.4E T BROW N,E HOEK.T echnical no te trends i n re l ation-s h i ps bet ween measured i n-sit u stress and depthJ.J.R ock M ech.M i n.Sc.i&G eomech.,1978,

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29、and Study JI N G Feng 1,LI ANG H e -cheng 2,B I A N Zh-i hua 1,L I U Yuan -kun1(1.K ey L aboratory o fG eo techn ica lM echanics and Eng ineer i ng ofM i n istry o fW ater R esources ,Y angtze R i ver Scientific R esearch Institute ,W uhan 430010,Ch i na ;2.Institute of Eng i neer i ng ,Ch i na U n i versity o fG eosciences ,W uhan 430071,