岩体初始应力状态的现场量测方法

1、第三节 岩体初始应力状态的现场量测方法一、岩体应力现场量测方法概述1.目的： （1）了解岩体中存在的应力大小和方向 （2）为分析岩体的工程受力状态以及为支护及岩体加固提供依据 （3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具2. 2. 方法分类方法分类(表6-1)二、水压致裂法二、水压致裂法（一）方法原理及技术（一）方法原理及技术 要点：要点：通过液压泵向钻孔内拟定量测深度加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。压裂点上下用止水封隔器密封，其结构如图6-6所示。水压致裂过程中泵压变化及其特征压力示于图6-7

2、。P0PbPsPs0P0Pb0Ps图 6-7 压裂过程泵压变化及特征压力图 6-6 止水、压裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0 各特征压力的物理意义各特征压力的物理意义P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开裂压力Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩渗透性大，该压力将逐渐衰减Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力（二）基本理论和计算公式（二）基本理论和计算公式当孔壁出现垂直裂缝时，设孔周边两个水平地应力分别为 和 ，孔壁还受有水压Pb.如图6-8。h1h2图 6-8

3、孔壁开裂力学模型a钻孔周围岩体内应力钻孔周围岩体内应力 (Kirsch.G-基尔斯解)2cos)31)(21)1)(212cos)341)(21)1)(214421222221442221322321raraprarararaprahhbhhhhbhhr在孔壁上r=a，有：2cos)(2)(2121hhbhhPbrP当 时有最大拉应力最大拉应力：bhhP1230按最大拉应力理论，有(6-15)0T(6-16)将(6-15)代入(6-16)得孔壁开裂应力条件孔壁开裂应力条件0213TPbhh(6-18)即孔壁开裂在与孔壁开裂在与 垂直垂直, 的面的面上上0h2式中：T0-岩体的抗强度若岩体中有孔

4、隙水压力Pw，（6-18）式变成：wbhhPTP0213(6-19)由图6-11知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pb0，则上式变成：wbhhPP 0213(6-20)19和20两式对比得： Pb Pb0=T0(6-21)在关闭压力Pb0点上，孔壁已经开裂，则T0=0,稳定开裂压力由P0下降到Ps0。此时，ps0等于与裂缝垂直的应力，即：02shP 求得主应力及岩体抗拉强度求得主应力及岩体抗拉强度（三）地应力剖面计算方法02100023TpTpppbhhbbsh0TppvssHpp)(1(ppvsshpp)(1(（四）地应力计算举例（四）地应力计算举例（1 1）垂向地应力计算）垂向地应力计算

5、宋芳屯油田井深与密度的函数关系：宋芳屯油田井深与密度的函数关系：1.001.502.002.503.0005001000150020002500300035004000井深（H）密度（） 芳深901井密度与深度关系曲线 Hh5100 . 5e2756. 2)(宋芳屯油田上覆岩压计算公式：宋芳屯油田上覆岩压计算公式：)00005. 02667. 2(01. 0d)2667. 20001. 0(001. 0d)(001. 0200HHhghhghHHv（2 2）水平地应力）水平地应力由压裂曲线读取地应力计算参数由压裂曲线读取地应力计算参数： 升35-21井P34(2)(1458.31468.2)压

6、裂曲线破裂压力：破裂压力：P Pb b = 24.5Mpa = 24.5Mpa瞬时停泵压力瞬时停泵压力: : P Ps0s0 =10.0MPa =10.0MPa，裂缝重张压力裂缝重张压力: : P Pb0b0 =20.0MPa =20.0MPa 确定最小水平地应力确定最小水平地应力: : 由瞬时停泵压力值我们可以直接求得最小水平地应力。瞬由瞬时停泵压力值我们可以直接求得最小水平地应力。瞬时停泵地面压力加上井内压裂液的液柱压力便可推算出井下压时停泵地面压力加上井内压裂液的液柱压力便可推算出井下压力，它应等于作用在已压开的垂直裂缝上并保持裂缝张开状态力，它应等于作用在已压开的垂直裂缝上并保持裂缝张

7、开状态所需的压力，又恰好和最小水平地应力相平衡。所需的压力，又恰好和最小水平地应力相平衡。 因此用升因此用升35-2135-21井压裂数据计算的最小水平主应力为井压裂数据计算的最小水平主应力为24.624.6MPaMPa. .。确定最大水平地应力确定最大水平地应力: : 由计算公式（由计算公式（2-212-21）可求最大水平地应力，升）可求最大水平地应力，升43-3143-31井压裂井压裂段的最大水平地应力为段的最大水平地应力为24.624.6MPaMPa。wbhhPTP0213（2 2）水平构造应力系数）水平构造应力系数构造应力系数的确定：构造应力系数的确定： 将地应力代入构造应力系数计算公

8、式，可以计将地应力代入构造应力系数计算公式，可以计算构造应力系数，该构造应力系数为：算构造应力系数，该构造应力系数为：该构造水平地应力计算公式：该构造水平地应力计算公式：（3 3）水平地应力计算公式）水平地应力计算公式ppvssHpp)(32. 01(ppvsshpp)(26. 01(n 缺陷：主应力方向不准缺陷：主应力方向不准（四）水压致裂法的特点（四）水压致裂法的特点n 设备简单设备简单 操作方便操作方便 测值直观测值直观 适应性强适应性强 受到重视和推广受到重视和推广三、应力解除法三、应力解除法 1. 1. 基本原理：基本原理： 当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为的将该处岩体单元和周

9、围的岩体分离，此时，岩体单元上所受的拉力将被解解除除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复弹性恢复。应用一定的仪器，测定弹性恢复测定弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答计算计算岩体单元所受的应力应力状态。切断联系解除应力应变恢复测试应变计算应力流程流程要点要点2. 2. 应力解除法分类应力解除法分类 按测试深度表面应力解除浅孔应力解除深孔应力解除按测试应变或变形孔径变形测试孔壁应变测试孔底应力解除法孔壁 应力解除法测1个平面3个方向上的应变1平面3方向上的径位移3平面9个方向应变原理要点原理要点 向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔

10、，在孔底中心处粘贴应变传感器；套孔钻出岩芯，使孔底平面完全卸载，应变传感器测得孔底平面中心恢复应变；在室内测得岩石的弹性常数；计算孔底中心处的平面应力状态。由于孔底应力解除法只需要钻进一段不长的岩芯，所以对较破碎的岩体也能应用。（1 1）岩体孔底应力解除法）岩体孔底应力解除法在孔底平在孔底平面粘贴面粘贴3 3应变片应变片应变花应变花一个平面一个平面有有3 3个独立个独立的应力分的应力分量量工作步骤工作步骤应变观测系统应变观测系统（2 2）套孔应力解除法）套孔应力解除法原理要点原理要点 对岩体中某点进行应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状

11、岩芯而使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。孔径变形测试，孔壁应力解除法，均属于套孔应力解除法。前者测试套孔应力解除后的孔径变化；后者测试套孔应力解除后的孔壁应变。其操作步骤和原理基本相同表面应力解除法表面应力解除法直角应变花等边三角形应变花应力解除槽应力解除槽钻孔的深钻孔的深度必须超度必须超过开挖过开挖 影影响区，才响区，才能测到岩能测到岩体内的原体内的原始应力，始应力，否则测出否则测出的是二次的是二次应力。应力。工作步骤套孔应力解除工作步骤 套孔应力解除使用的传感器 孔径变形测试采用位移传感器；孔壁应力解除采用应变传感器。，孔径变形测试传感器布置传感器布置孔壁应

12、力解除法传感器布置孔壁应力解除法传感器布置计算公式计算公式 应力解除法，由测试数据换算成应力，根据测试参数的不同可以分为两类：(1)由应变换算成应力；(2)径向位移换算成应力。换算的基本理论和方法都在弹性力学中学过，这仅以(2)为例。由孔径变形测试换算初始应力，在大多数试验场合下，往往进行简化计算例如假定钻孔方向和 一致，并认为 ，则303Ed12cos)1)(2)(22121（6-24）式中： -钻孔直径变化值 -钻孔直径 -量测方向和水平轴的夹角 -岩石弹性模量与泊松比d,E在实际计算中，由于考虑到应力解除是逐步向深处进行的，实际上不是平面变形而是平面应力，则有)()(21)(429045

13、245090012E 分别为在0度，45度和90度三个方向上同时测定的孔径变化。90,450,空间原始应力测试空间原始应力测试测试空间原始应力 ，孔壁应变法只须1钻孔，孔底应变法和孔径变形法需要3个钻孔四、应力恢复法四、应力恢复法 应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前此法仅用于岩体表层，应力。当己知某岩体中的主应力方向时，采用本法比较方便。 如图6-18，当洞室某侧墙上的表层围岩应力的主应力 方向各为垂直于水平方向时，就可用到应力恢复法测得 的大小。21,1图6-18 应力恢复法原理图基本原理：基本原理： 在侧墙上沿测点o，先沿水平方向开一个解除槽，则在槽的上下附近，围岩应

14、力得到部分解除，应力状态重新分布。在槽的中心线OA上的应力状态，根据H.N.穆斯海里什维里理论，把槽看作一条缝，得到： 3224612222411) 1(133) 1(142xx（627）式中 OA线上某点B上的应力分量 B点离槽中心O的距离的倒数。yx11, 当在槽中埋设压力枕，并由压力枕对槽加压，若施加压力为p，则在OA线上B点产生的应力分量为 324232242) 1(132) 1(142yx（628） 当压力枕所施加的力 时，这时B点的总应力分量为 1p121221yyyxxx1p1可见当压力枕所施加的力 时，则岩体中的应力状态已完全恢复，所求的应力 即由P值而得知，这就是应力恢复法的

15、基本原理。 实验过程实验过程1. 在选定的试验点上，沿解除槽的中垂线上安装好量测元件（见图6-19）2.记录量测元件应变计的读数。3.开凿解除凿，岩体产生变形并记录应变计上的读数。4.在开挖好的解除凿中埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙。5.待充填水泥浆达到一定强度后，即将压力枕联接油泵，通过压力枕对岩体施压。随着压力枕所施加的力p的增加，岩体变形逐渐恢复。逐点记录压力p与恢复变形的关系。6.假设岩体为理想弹性体，则当应变计回复到初 始读数时，此时压力枕对岩体所施加的压力p即为所求岩体的主应力。如图6-20所示，ODE为压力枕加荷曲线，压力枕不仅加压到初始读数（D点），即恢复了弹性变形 ， 而 且继续加压到E点，得