高等岩石力学-地应力测量.ppt

1、1,辽宁科技大学,高等岩石力学,Adwanced Rock Mechanics,2,第三章 地应力及其测量,3,3.1 地应力成因及基本规律,4,地应力：存在于地层中的未受工程扰动的天然应力。也称岩体初始应力、原岩应力或绝对应力。,一、基本概念,5,二、地应力认识的历史,人们认识地应力还只是近百年的事，1912年瑞士地质学家海姆在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量。,海姆假设,6,二、地应力认识的历史,1926年，苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设，认为地壳

2、中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应力)是泊松效应的结果，其值应为H乘以一个修正系数（侧压力系数）。他根据弹性力学理论，认为：,金尼克假设,7,二、地应力认识的历史,朗金认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应力) 应为H乘以一个修正系数（侧压力系数）。他根据松散介质理论，认为：,朗金假设,8,二、地应力认识的历史,地质学家李四光 本世纪20年代，我国地质学家李四光指出，“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量” 。,9,二、地应力认识的历史,哈斯特地应力实测 20世纪50年代，哈斯特最先在斯堪的纳维亚半

3、岛开展了地应力测量工作。 哈斯特发现存在于地壳上部的最大水平主应力一般为垂直应力的12倍，其至更多；在某些地表处测得的最大水平应力高达7MPa，从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。,10,三、地应力的成因,(1)、大陆板块边界受压引起的应力场,11,三、地应力的成因,(2)、地幔热对流引起的应力场,12,三、地应力的成因,(3)、由地心引力引起的应力场 (4)、地温梯度引起的应力场,13,三、地应力的成因,(5)、岩浆侵入引起的应力场,14,三、地应力的成因,(6)、地质构造产生的应力场,15,三、地应力的成因,(7)、地表剥蚀产生的应力场,16,三、地应力分布的基本规

4、律,1、地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场，三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的。 整体而言，地应力的变化是不大的。如我国的华北地区，地应力场的主导方向为北西到近于东西的主压应力。,17,三、地应力分布的基本规律,2、实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量,垂直应力 随深度线性增加。平均密度约为27KN/m3,18,三、地应力分布的基本规律,3、水平应力普遍大于垂直应力, h,max与v之比值一般为0.55.5，在很多情况下比值大于2。,4、平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，且趋近于1。,19

5、,深度不大的情况下，h,avv的值相当分散。随着深度 增加，该值的 变化范围逐步 缩小，并向1 附近集中，这 说明在地壳深 部有可能出现 静水压力状态 的情况。,三、地应力分布的基本规律,20,四、地应力测量方法分类,根据测量手段：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。 根据测量原理：应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、x射线法、重力法。 根据测量基本原理：直接测量法和间接测量法两大类。,21,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相互关系，通过计算获得原岩应力值。 扁千斤顶法、水压致裂法

6、、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法，其中水压致裂法目前的应用最为广泛，声发射法次之。,四、地应力测量方法分类,22,间接测量法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，弹性波传播速度等，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。 套孔应力解除法是目前国内外应用最普遍、发展较成熟的一种地应力间接测量方法。,四、地应力测量方法分类,23,第3.1节结束，谢谢！,24,3.2 地应力的直接测量法,25,一、水压致裂法,水压致裂法在20世纪50年代被广泛应用于油田钻井中制造

7、人工裂隙来提高石油的产量。 哈伯特和威利斯在实践中发现了岩体致裂水压和原岩应力之间的关系，这一发现被费尔赫斯特和海姆森应用于地应力测量。,26,一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场(1，2)的作用，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态，钻孔周围岩体的应力可由弹性力学理论求得。,一、水压致裂法,27,钻孔周围岩体内应力 (Kirsch.G-基尔斯解),一、水压致裂法,28,钻孔周边（r=R)的应力：,钻孔周边应力的最小值（0时）：,一、水压致裂法,29,水压致裂系统是将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水。,一、水压致裂法,30,水压超过321和岩石抗拉强度t之和后，在0处，也

8、即l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Pi，则有:,一、水压致裂法,31,如果继续向封闭段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记为Ps，Ps应和原岩应力2相平衡，即:,只要测出t、Pi、Ps，1和2的大小和方向即可全部确定,一、水压致裂法,32,钻孔中存在裂隙水时，如封隔段处的裂隙水压力为P0，则:,前式计算需知道封隔段岩石的抗拉强度，往往很困难。为此在水压致裂试验中增加一个环节，开始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开时的压力为Pr，则有:

9、,一、水压致裂法,33,水压致裂应力 测量系统示意图 1记录仪；2、高压泵；3流量计；4压力计；5高压钢管；6高压胶管；7压力表；8泵；9封隔器；10压裂段,一、水压致裂法,34,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可以确定Pi、Ps值；从流量时间曲线图可以判断裂隙扩展的深度。,一、水压致裂法,35,测量水压致裂裂隙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便，实用。,一、水压致裂法,36,测量方法评述,水压致裂法只能确定垂直于钻孔

10、平面内的最大和最小主应力的大小和方向，从原理上讲是一种二维应力测量方法。 水压致裂法认为开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，即平行于最大主应力方向，这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设，水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中。,一、水压致裂法,37,测量方法评述,水压致裂法的突出优点是能测量深部应力，已见报道的最大测深为5000m，这是其他方法所不能做到的。因此这种方法可用来测量深部地壳的构造应力场。,一、水压致裂法,38,二、声发射法,材料在受到外荷载作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响，称为声发射。 1950年，德国人凯泽(JKaiser)发现多晶金属的应力从其历史最高

11、水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象叫做凯泽效应。,39,从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯泽点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。 很多人通过试验证明，许多岩石如花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、安山岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰岩、砾岩等也具有显著的凯泽效应。,二、声发射法,40,二、声发射法,41,根据凯泽效应定义，用声发射法测得的是取样点的先存最大应力，而非现今地应力。 但也有一些人对此持相反意见，并提出了“视凯泽效应”的概念，认为声发射可获得两个凯泽点，一个对应于引

12、起岩石饱和残余应变的应力，它与现今应力场一致，比历史最高应力值低因此称为视凯泽点，在视凯泽点之后，还可获得另一个真正的凯泽点，它对应于历史最高应力。,二、声发射法,42,由于声发射与弹性波传播有关，所以高强度的脆性岩石有较明显的声发射凯泽效应出现，而多孔隙低强度及塑性岩体的凯泽效应不明显，所以不能用声发射法测定比较软弱疏松岩体中的应力。,二、声发射法,43,第3.2节结束，谢谢！,44,3.3 地应力的间接测量法,45,一、全应力解除的技术要求,全应力解除法是使测点岩体完全脱离地应力作用的方法。 通常采用套钻的方法实现套孔岩芯的完全应力解除，因而也称套孔应力解除法。 套孔应力解除法有：孔径变形

13、法、孔底应变法和孔壁应变法（空心包体应变法）和实心包体应变法等。,46,第一步：从岩体表面，一般是从地下巷道、隧道、峒室或其他开挖体的表面向岩 体内部打大孔，直至需要测量岩体应力的部位。,一、全应力解除的技术要求,47,大孔直径为下一步即将打的用于安装探头的小孔直径的3倍以上，小孔直径一般为3638mm，因此大孔直径一般为130150mm。 大孔深度为巷道、隧道或已开挖峒室跨度的2.5倍以上，从而保证测点是未受岩体开挖扰动的原岩应力区，峒室的跨度越大所需的大孔深度也就越大。,一、全应力解除的技术要求,48,测量应尽可能选择在跨度较小的开挖空间中进行，避免将测点安排在叉道口或其他开挖扰动大的地点

14、。 为便于安装测试探头，大孔要保持一定的同心度，在钻进过程中需有导向装置。 大孔钻完后需将孔底磨乎，并打出锥形孔，以利下一步钻同心小孔，清洗钻孔和使探头顺利进入小孔。,一、全应力解除的技术要求,49,第二步：从大孔底打同心小孔，供安装探头用，小孔直径由所选用的探头直径决定，一般为3638mm，小孔深度一般为孔径的10倍左右，从而保证小孔中央部位处于平面应变状态。小孔打完后 需放水冲洗小孔，保 证小孔中没有钻屑和 其他杂物，为此，钻 孔需上倾13。,一、全应力解除的技术要求,50,第三步；用一套专用装置将测量探头，如孔径变形计、孔壁应变计等安装(固定或胶结)到小孔中央部位。,一、全应力解除的技术

15、要求,51,第四步：用第一步打大孔用的薄壁钻头继续延深大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除，由于应力解除引起的小孔变形或应变由包括测试探头在内的量测系统测定并通过记录仪器记录下来，根 据测得的小孔变 形或应变通过有 关公式即可求出 小孔周围的原岩 应力状态。,一、全应力解除的技术要求,52,测试地点打大孔,RQD统计,一、全应力解除的技术要求,53,从大孔底打同心小孔,小孔钻头，直径37mm,一、全应力解除的技术要求,54,在小孔中央位置安装测量探头,一、全应力解除的技术要求,55,用薄壁钻头延伸大孔，使小孔周围岩芯实现应力解除,现场监测,一、全应力解除的技术要求,56,将岩芯与探头一并取回，

16、进行围压率定和温度标定试验。,取芯,恒温箱,一、全应力解除的技术要求,57,二、孔径变形法,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。,58,二、孔径变形法,1、孔径变形和二维应力分量之间的关系：,59,二、孔径变形法,2、垂直钻孔轴线平面的应力状态求解 若进行一个钻孔的孔径变形测量，则可求得垂直于钻孔轴线平面的应力状态：,60,二、孔径变形法,假如钻孔轴线和一个主应力方向重合，且该方向主应力值也已知，如假定自重应力是一个主应力，且钻孔为垂直方向，那么一个钻孔的孔径变形测量也就能确定该点的三

17、维应力状态。,61,二、孔径变形法,3、测点岩石弹性模量和泊松比测试计算 孔径变形值求原岩应力值，需知岩石的弹性模量和泊松比，一般取圆柱形试样进行压缩试验测定，而对于套孔应力解除试验，更好的方法量通过对套孔岩芯加围压，并通过孔径变形计测量围压孔径变形曲线，由此确定弹性模量值这就保证了是真正测点的岩石弹性模量和泊松比值。,62,二、孔径变形法,4、USBM孔径变形计 孔径测量变形最著名的是USBM(美国矿山局)孔径变形计。USBM孔径变形计是奥伯特和梅里尔等人于60年代研制出来的。,63,三、孔底应变法,1956年，莫尔首次报告了孔底应变测量技术。他将电阻应变片粘贴在一个磨平的孔底，然后使用延深

18、这个钻孔的办法，使粘贴应变片的岩石实现应力解除，再将从孔底取出的带有应变片的这段岩芯拿到实验室去做加载试验，从而发现原先存在于孔底表面的应力。,64,三、孔底应变法,1、CSIR门塞式孔底应变计 主体是一个橡胶质的圆柱体，其端部粘贴着三支电阻应变片，相互间隔45，组成一个直角应变花，橡胶圆柱外面有一个硬塑料制的外壳，应变片的导线通过插头连接到应变测量仪器。该应变计适用于直径大于36mm的钻孔。,65,三、孔底应变法,2、CSIR门塞式孔底应变计计算公式： 测得的三个应变值0、45、90，则孔底平面上在未套孔前的应力状态：,66,三、孔底应变法,孔底平面上经过开挖扰动的次生应力场与原岩应力场的六个应力分量的关系：,a、b、c、d系数无理论解，通过试验或数值分析获得。古德曼给出的值,67,四、孔壁应变法,1、钻孔围岩应力分布公式,68,四、孔壁应变法,69,四、孔壁应变法,2、孔壁应变和二维应力分量的关系 孔壁为平面应力状态，只有、z、z三个应力分量，每个电阻应变花4支应变片,所测应变值应力的关系式为：,70,四、孔壁应变法,3、CSIR三轴孔壁应变计的主体是三个测量活塞，直径约为1.