地应力及其测试技术

1、 地应力及其测试技术1、引言岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的因素。在漫长的地质年代里，地壳始终处于不断运动、变化之中，由此引起构造应力。引起岩体的应力除了构造应力，还有上覆岩体的自重应力、气温变化引起的温度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、固结作用、脱水作用所引起的应力等。这些在人类工程活动之前存在于岩体中的应力，就称为地应力或天然应力。由于岩体中的地应力分布是及其复杂的，特别是岩体遭受地质构造运动之后应力状态更为复杂，分布规律千变万化。因此目前对于岩体中地应力的大小以及其分布规律的研究尚缺乏完整系统的理论成果。尽管近年来很多学者对于地应力的现场测量和理论研究都做了

2、大量的工作，并取得一定的进展。但是，要达到能够确切掌握岩体中的初始应力大小及其分布规律，目前还有较大的距离。虽然目前仍难以对岩体中地应力的大小及其分布规律达到确切的掌握，但是地应力状态与岩体稳定性的关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。在高地应力区所进行的岩体开挖，常常会引起一系列与开挖卸载回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象。在高地应力的脆性岩体开挖时,甚至能发生岩爆现象。这些不利现象都极大程度上影响着施工和运营安全，因此，岩体地应力状态对工程建设有着重要的意义。2、地应力的组成及其特点2.1地应力的组成地应力的组成成分是地应力的来源，它主要来自五

3、个方面，即岩体自重、地质构造运动、地形势、剥蚀作用和封闭应力。自重应力是地心对岩体的引力。地质构造运动引起的应力，包括古构造运动应力和新构造运动应力。前者是地质史上由于构造运动残留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力；后者是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。地形势与剥蚀作用引起的应力仅限于局部的应力场受到影响，例如，高山峡谷或者深切河谷底部的应力往往比较集中；地表剥蚀会使该处地应力的铅垂应力分量降低较多，而水平应力基本保持不变等等。封闭应力是地壳经受高温高压引起岩石变形时，由于岩石颗粒的晶体之间发生摩擦，部分变形受到阻碍而将应力积聚封闭于岩石之中，

4、并处于平衡状态，即使卸载，其变形往往不能完全恢复，故称封闭应力。2.1.1自重应力在地壳的原始应力场中，自重应力场是其重要组成部分。在20世纪20年代，德国科学家海姆就提出地壳一定深度的自重应力场解析解，且被广泛应用。海姆理论应用弹性理论方法，并假设岩体为均质各向同性体，对于没有受到构造作用，产状较为平缓的岩层，在深度为H处的垂直自重应力可按下式计算：g=yHz式中G自重应力垂直分量；zy岩石容重；半无限体中的任一微分单元体上的正应力G、G、G显然都是主应力，而且水xyz平方向两个应力与应变彼此相等，即，G=G，=xyxy若假设半无限体中任一单元体上都不产生侧向变形，即=0 xy贝U有-(G+

5、G)=0EEyz式中，E、分别为岩石的弹性模量与泊松比。又由于G=G，所以上式可化为xy若令k=-L则有1g=g=Kgxyz式中，K即为侧压力系数，在实验条件下所测定的泊松比为0.20.3,此时侧压力系数为0.250.4。2.1.2构造应力构造应力是地质运动引起的，在构造运动结束之后，残留于岩体之中。在岩石圈的一定深度范围内，岩体构造应力随深度不断增大.在工程涉及的深度范围内，这种随深度的变化梯度往往大于自重应力水平分量的变化梯度，因此，工程中构造应力随深度的变化是不能忽略的。但是，由于构造应力的复杂性，目前仍难以提出构造应力的理论解。2.1.3其它应力除了自重应力和构造应力，地应力场还受地形

6、、地貌、气温等因素的影响。首先为温度应力，它随着距离地表深度增加，地温地热使得岩体性质改变，并产生附加应力。除此之外，地形、地貌，地壳剥蚀等因素也在一定程度上影响着地应力场。2.2地应力场的特点一般情况下，地应力场是一个三向不等压的空间应力场，其中主应力大小和方向是随空间和时间的变化而变化。特别是随时间变化更为明显。2.2.2垂直地应力的特征一般情况下，在深度252700范围内，很多地区垂直地应力v大致等于平均密度为2.7g/cm3计算出来的上覆岩体的自重。但是，在某些目前正在进行的构造运动的地区,V可能显著大于上覆岩体自重的结果。初始应力场的垂直应力分量并非与地表垂直，多数有10左右的偏角。

7、而且，垂直应力常常是主应力之一。但是，与单纯的自重应力场不同的是，V大都是最小主应力，少数为最大或中间主应力。2.2.2水平地应力的特征岩体中水平地应力的分布和变化规律是一个比较复杂的问题。根据已有实测结果分析，岩体中水平地应力主要受地区现代构造应力场的控制，同时还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸载作用、现代构造断裂运动、应力调整和释放以及岩体力学性质等因素的影响。岩体中的水平地应力可以概括为以下特点。水平应力以压应力为主，很少出现拉应力，且拉应力多具有局部性质。水平应力一般大于垂直应力。两个水平应力和通常不等。一般来说，/的值随地区h,maxh,minh,minh,max不同而变化。起范围为

8、0.20.8。最大与最小水平应力随深度增加而增大，但是变化的梯度在不同地区不一样。在单薄的山体、山谷附近以及未受构造变动的岩体中，水平应力均小于垂直应力。2.2.2水平地应力与垂直应力的比值的特征地应力场中，水平应力与垂直应力之比定义为比值系数，用九表示。世界各地的测量结果表明，绝大多数情况下，平均水平应力与垂直应力的比值为1.510.6。应力比值随深度的增大而减小。对于不同地区，九值略有差异，但其变化范围基本上介于下述不等式所圈定的范围内：0.3+100ZX0.5+1500Z式中，Z为实测应力的深度，以m为单位。根据国内外应力测试资料得出，距地表一定深度后，值逐渐趋于1,即水平应力与垂直应力

9、相等，且都接近自重应力。由此可知，较大深度时，应力状态接近于静水压力状态，这也是海姆早就指出的情况。他指出，在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的质量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。3地应力的测量在工程设计时，岩体中地应力大小以及其分布状态，是不可缺少的重要资料之一。但是由于地应力不易计算，所以最好的办法是现场测量。此外，即使在工程建成后的使用阶段，为了监测岩体中应力的变化和活动情况以及对理论计算进行校核，也需对地应力进行测量因此，地应力的测量一直是一个重要的工作。由于地应力是一个非可测的物理量，它只能通过测量应力变化而引起的诸如位移、应变或电阻、电感、波速等可测物理量的变化值，然后通过

10、某种假设反算出其应力值。目前国内外主要用的地应力测量方法有：水压致裂法、扁千斤顶法和钻孔套心钻孔应力解除法等3种方法。本文将着重介绍水压致裂法。水压致裂法是20世纪70年代发展起来的一种地应力测量方法，该方法是国际岩石力学学会试验方法委员会颁布的确定岩石应力推荐方法之一，是目前国际上能较好地直接进行深孔应力测量的先进方法。该方法无需知道岩石的力学参数就可获得地层中现今地应力的多种参量，并具有操作简便、可进行连续或重复测试、测量速度快、测量值可靠等特点，近年来得到了广泛应用,并取得大量的成果。3.1测量原理水箱水压致裂法地应力测量利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度封隔一段钻孔，然后泵入

11、液体对该段钻孔施压，根据压裂过程曲线的压力特征值计算地应力。如左图所示。水压致裂法原地应力测量是以弹性力学为基础，并以F面3个假设为前提：(a)有圆孔的无限大平板受到应力1和6作用岩石是线弹性和各向同性的；岩石是完整的，压裂液体对岩石来说是非渗透的；(b)圆孔壁上的应力集中岩层中有一个主应力的方向和孔轴平行。在上述理论和假设前提下，水压致裂的力学模型可简化为一个平面应力问题，如下图所示。当钻孔存在孔隙压力时，可以将主应力分解为有效应力（即岩石晶粒格架承受的应力）和孔隙压力（即岩石孔隙中的液体压力），即TOC o 1-5 h zG=O+ph,maxh,max0G=O+ph,minh,min0O=

12、O+pvv0式中：O和o分别代表最大和最小水平主应力；O代表垂直主应力；h,maxh,minvh,max和O，分别为最大和最小有效水平应力；O,为垂直有效应力；p为孔隙压力。h,minv0地壳中某一点的应力状态，一般来说可用三个主应力分量Oh,max、Oh,min和O”来表Z示o在上图中，相当于有两个主应力O和O，作用在有一半径为a的圆孔的无限大平板12上，根据弹性力学分析，当r=a时，即圆孔壁上的应力状态o=0ro=（o+o）2（0-o）cos20TOC o 1-5 h z91212T0=由上式可知，上图（b）所示的孔壁A、B两点，及其对称处的应力集中分别为o=o=3ooAA21o=o=3o

13、oBB12假设o=o、o=o。当泵入高压后，在钻孔内壁作用有内水压力pc，则拉裂时A破1h,max2h,min坏的条件为3oop=oTOC o 1-5 h zh,minh,maxc1t式中，Ot为岩石的抗拉强度。在孔壁拉裂隙形成以后，如果要继续维持拉裂隙张开而又不进一步扩展，则水压需要满足以下条件：O=ph,mins式中，ps为为稳定裂隙而不张开需维持的水压。联立上面两式，可解得水平天然应力为o=o+3oph,maxth,minc1O=ph,min式中，p和p都是试验测得的，b是孔壁岩石的抗拉强度，可由试验确定。因此，通c1St过水压拉裂试验可以求出b和b的值。h,maxh,min3.2水压致

14、裂法步骤水压致裂地应力测量首先用橡胶封隔器封隔选定测量段，再向封隔段内注入高压水，直到将孔壁岩石压裂。它是在成岩良好的坚硬岩层中进行的，并假定：岩石是均匀的，脆性和各向同性的线弹性体；钻孔与三个主应力之一平行(三主应力方向之一接近垂直向，故一般取垂直孔)；当岩石为多孔介质是，注入流体按达西定律在岩石孔隙中流动。先对钻孔岩心作分析，选择岩体完整性好的孔段作为测量段，用一对可膨胀的橡胶封隔器将测量段封隔起来，然后通过耐高压的钻杆向测量段连续注入高压水，并不断增压直到测量段岩石压裂产生裂缝。此后进行多次破裂缝的重张循环试验，以取得可靠的应力参数。在每个压裂、重张过程中，连续记录压力随时间的变化曲线，

15、根据压力随时间的变化曲线可计算出各钻孔横截面上的应力。试验过程如下：封隔测量段：把一对封隔器用送进杆安放到需要测量的孔段位置，启动高压油泵，使封隔器膨胀。岩石破裂：转换油路开关，再开动高压油泵，向测量段连续注入高压水，使测量段内的液体压力不断增大。当测量段孔壁上的切向有效张应力等于或大于岩石的抗张强度时，就会在孔壁上产生裂缝。关泵：当破裂形成后，继续施加水压以扩张裂隙，当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高压油泵，保持压力恒定，这时，便得到了破裂面处于临界闭合时的平衡力，也就是垂直于破裂面的主应力，即瞬时闭合压力。卸压:在测量出瞬时闭合压力之后，即进行卸压，地面泵压降为零。此后，在压裂段孔内，不再

16、承受外加的液压作用，上述水压所形成的破裂面处于完全闭合状态。上述四个步骤是水压致裂法地应力测量的基本操作程序。每个测量段都要进行34次循环操作，以便取得合理的压裂参数以研究岩石破裂和裂缝延伸的过程。印模：钻孔横截面上主应力的方向，即水压破裂面的方向确定是采用一套自动定向印模器，直接将孔壁上的破裂痕迹印模下来。据此，便可得到裂缝破裂的形态和方向。3.3水压致裂法的优点与其他应力测量方法比较，钻孔水压致裂法具有以下优点。测量深度较深。资料整理时不需要岩石弹性参数参与计算，可以避免因岩石弹性参数取值不准确引起的误差。岩壁受力范围较广，可以避免“点”应力状态的局限性和地质条件不均匀性的影响。操作简单，

17、测试周期短。4、结论本文论述了地应力的特点及其测试技术。主要阐述了以下几点内容：地应力是由构造应力、岩体自重应力以及温度变化引起的温度应力等组成的。其中，构造应力是地应力的主要组成部分，它在很大程度上决定着水平应力与垂直应力的比值。自重应力地应力的重要组成部分，它跟上覆岩体的质量成正比。地应力场是一个三向不等压的空间应力场，其中，垂直应力常常是主应力之一，而且大都是最小主应力，少数为最大或中间主应力。岩体中水平地应力主要受地区现代构造应力场的控制，且一般大于垂直应力。地应力场中，水平应力与垂直应力的比值在1.510.6之间。应力比值随深度的增大而减小。在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的质量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。由于地应力不易计算，获取地应力场情况的最好办法是现场测量。目前