岩体地应力及其测量方法综述-1

1、岩体地应力及其测量方法综述论文导读：产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一局部来不及释放，仍保存一局部应力数量，而水平应力却释放很少，根本上保存为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。应力解除法是岩体应力测量中应用较广的方法。(2)对于地表剥蚀作用对初始地应力反演的影

2、响问题，假设不能考虑剥蚀作用，仅考虑自重和构造作用进行回归分析，但重力因子也会大于1，此时，不宜用所有测点去拟合地应力场，用于各部位的分析计算，而应当进行边坡和坝肩分析，宜用近地表测值反演。关键词：地应力，剥蚀作用，应力解除法，重力因子1 地应力的成因及其分类地应力一般是质地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，或称初始应力，主要是在重力和构造运动综合作用下形成的应力，有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆浸入等作用下形成的应力【1】。1.1 地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心

3、引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成局部。1.2 地应力的分类地应力按不同起源分为：自重应力、构造应力、剩余应力和变异应力。值得注意的是剩余应力与剩余构造应力是完全不同的：剩余应力不具有方向性，常是x=y；而剩余应力引起的高水平应力具方向性，x与y相差较大【2】。2 岩体地应力的影响因素地壳深层岩体地应力分布复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响，但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。水平初始应力随深度的变化并不存在线性增大的

4、变化关系，在地壳浅部与深部的变化规律是不同的。在众多的地应力分布影响因素中，地质构造历史、岩性和河谷切割地貌是主要因素。2.1岩体自重的影响岩体应力的大小等于其上覆岩体自重，研究说明【3】：在地球深部的岩体的地应力分布根本一致。但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑，在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动。以重力因子表示反演重度与实测重度的比值，在初始应力场的反演中，重力因子往往大于 1，即反演所得岩体重度大于实测重度，这一现象未得到合理解释，常引起研究者和工程师的困惑。易达、陈胜宏【4】运用有限元数学模型回归分析法，考虑自重、剥蚀和构

5、造作用，通过算例进行了分析，得出地表剥蚀作用是导致重力因子大于 1的主要原因。2.2地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一局部来不及释放，仍保存一局部应力数量，而水平应力却释放很少，根本上保存为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。2.3构造运动对地应力的影响在地壳深层岩体，其地应力分布要复杂很多，此时由于构造运动引起的地应力对地应力的大小起决定性的控制作用。研究说明：岩体的应力状态，一般其铅垂应力分量是

6、由其上覆岩体自重产生的，而水平应力分量那么主要由构造应力所控制，其大小比铅垂应力要大得多。2.4岩体的物理力学性质的影响从能量的角度看，地应力其实是一个能量的积聚和释放的过程。因为岩石中地应力的大小必然受到岩石强度的限制，可以说，在相同的地质构造中。地应力的大小是岩性因素的函数，弹性强度较大的岩体有利于地应力的积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位,而塑性岩体因容易变形而不利于应力的积累。2.5水、温度对地应力的影响地下水对岩体地应力的大小具有显著的影响，岩体中包含有节理、裂隙等不连通层面，这些裂隙面里又往往含有水，地下水的存在使岩石孔隙中产生孔隙水压力，这些孔隙水压力与岩石骨架的应力共同组成

7、岩体的地应力。温度对地应力的影响主要表达在地温梯度和岩体局部受温度的影响两个方面。由于地温梯度而产生的地温应力，岩体的温度应力场为静压力场，可以与自重应力场进行代数迭加；如果岩体局部寒热不均，就会产生收缩和膨胀，导致岩体内部产生应力。综上所述，岩体中的地应力场是一个具有三维空间的复杂应力场，它的大小和分布规律受到多种因素的影响，这也对地应力场的测量带来了很大的影响和不确定因素。3. 岩体地应力测量应注意的问题3.1测量孔位和深度确实定地应力测量孔位的选定应考虑地形地貌、测孔周围的断裂分布、岩性、人工活动、地表风化等因素 【6】。地应力测量孔位应尽可能选在地形相对平缓地段，为配合重大工程建设需要

8、,测量孔位应尽量较均匀分布在研究区具有代表性的构造部位，以便对研究区应力分布有总体了解，并与模拟实验结果相互验证。研究区测孔应尽量选同一岩性，这样可防止测值之间的岩性校正，便于比照分析。对于峡谷区，在测量之前应作一定的前期分析，大致确定所测地段非构造应力的影响深度，以确定测孔钻探深度，防止测量未超过非构造应力影响范围而影响研究区区域应力场分析。3.2 地形地貌对地应力测量状态的影响分析关于地形地貌对地应力的影响，国内外许多科学家已作了大量研究。谭成轩等 【7】学者在前人研究的根底上，依据实测资料，运用大量室内三维模拟分析讨论了地形地貌对地应力大小的影响，并提出构造应力面的概念。沟谷宽度影响非构

9、造应力集中范围大小和形状，而不影响构造应力面的深度；山体高度不仅影响非构造应力集中范围大小和形状，还影响构造应力面的深度。水平侧压力和山体高度是影响构造应力面深度的主要因素。当水平侧压力随深度变化梯度与重力梯度相等时，在沟谷底部构造应力面深度近似等于山体高度。当水平侧压力随深度变化梯度增大构造应力面深度与其呈线性增加，同时在沟谷或坡角非构造应力集中强度加强。3.3 断裂对地应力测量状态的影响分析断裂发育的复杂程度与地应力状态的变化密切相关，高建理等，李方全等学者研究认为：断裂越发育，地应力状态的变化幅度越大，在断裂极为发育的地区，应力方向极为分散，应力大小变化异常，并且断裂对地应力的影响范围与

10、断裂的规模成正比。与区域主应力方位相比，断裂附近的主应力方位往往发生不同程度的变化，变化幅度从几度到近90。加拿大地下研究实验室(URL)通过穿越两个逆断层竖井现场实验，测定最大水平主应力方位在断裂上下相差近90。苏生瑞等研究认为：断裂及其附近应力量值的变化较为复杂，既有应力增大的，也有降低的，这主要与断裂带附近应力随时间的变化有关。4. 岩体地应力的测量方法岩体地应力是岩体工程最根本也是最重要的工程荷载，它是进行岩体工程问题数值计算的初始条件之一，也是分析工程岩体破坏和位移特征的根本因素。一般由地质学、地震学、测量学方法可以求得现代地应力场的方向和近似应力值。仪器直接量测方法如水力压裂法、应

11、力恢复法、应力解除等，还有套孔应力解除法和其他的应力或应变解除法以及地球物理方法等是间接测量地应力的方法中较常用的。4.1 声发射Kaisr效应测量地应力利用岩石声发射的Kaiser 效应法实测现代地应力场，与传统的应力解除法、水力压裂法相比，具有速度快、本钱低、限制少等优点，便于大量测试，以寻求区域性地应力变化规律。因此，该法是一种很有前途的测量地应力方法。但是Kaiser效应测量地应力还存在许多的问题尚待进行深入的研究，其中与生产实际联系最为密切的最关键问题是地应力的方向如何确定。以往人们使用Kaiser效应测量原岩应力需要180的范围内进行全方位测试。因此试样数量多，测试工作量大，费用高

12、；同时，由于多周期构造运动的作用，使岩体的构造发生了变化，也使区域内的构造应力或原岩应力的大小、方向发生了量和质的变化。而以往所进行的Kaiser效应测定原岩应力均在水平或垂直方向取样，故可能所取得试样中无一是真正处在主应力方向上的。由此测试所得的结果就应是地应力场的一个分力，与真正的原岩应力值就会有一定的差异，甚至相去甚远。正是这些原因，大大影响了Kaiser效应测量原岩应力这一种方法在实际中的运用，不能充分发挥其简单、经济、便于多点测量以寻求区域地应力变化规律的优点。现在，国内外都在试图将声发射技术推向新的实用化阶段。主要表现为，通过实地的定向取芯技术，在室内测定三维应力，即三个主应力的大

13、小及其方向，并进一步提高主应力数值的测定精度。4.2 水压致裂法测量地应力水压致裂法是利用两个相隔数米的可膨胀的橡胶封隔器放在深度，封隔一段井眼，然后通过泵入流体对该段井眼增压，同时记录流体压力随时间变化的关系曲线。这种方法的理论根底是假定岩体是线弹性的，各向同性的，非渗透性的，岩体的一个主应力方向与井眼轴平行。由此可对记录曲线进行分析计算，得到与井眼轴相垂直的平面内的两个主应力值的大小，并可通过裂缝的方位求出这两个主应力的方位。当井眼为垂直井眼时，沿井眼轴方向的主应力值按照上覆岩层的重量计算。水压致裂法是广泛应用的一种最有效的原地应力测量方法。这种方法可以直接测量地应力，且测量的结果为一较大

14、范围的应力平均值，它可以在数千米的井中测量，并取得与声发射法的比照资料。水压致裂法与其它方法相比，存在一个较大的缺陷，就是主应力方向确定不十分准确。但该方法最大优点是：在无需知道岩体的力学参数下，就可获得地层中现今地应力的多种参量，并具有设备简单、操作方便，可在任意深度进行连续或重复测试，测量速度快、测值直观、测值代表性大等优点。因此这一方法越来越受到重视和推广，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。4.3 应力解除法应力解除法是岩体应力测量中应用较广的方法。它的根本原理是：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为地将该处的岩体单元与周围岩体别离，此时，岩体单元上所受的应力将被解除

15、。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。利用仪器测定这种弹性恢复的应变值或变形值，假定岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，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。具有初始应力的岩体用人为的方法解除其地应力，使岩体变形恢复，再通过某种手段测出岩体恢复的变形，然后按弹性理论计算出岩体3个主应力的大小、方向和倾角。应力解除法测量地应力的方法有：孔底应变计、孔径应变计、孔壁应变计、空心包体应力计等方法，其中孔底应变计、孔径应变计只能测出二维应力，假设用它测三维应力，那么需要打交于一点互不平行的三个钻孔。采用孔壁应变计和特殊制作的空心包体式孔壁的应力计只需要打1个钻孔就可测出三维应力。

16、邱贤德等学者在危岩边坡地应力测量中采用空心包体应力计、完全温度补偿技术和自动化实时记录系统进行测量，通过实验数据整理并应用地应力专用计算程序计算分析得出了某危岩边坡地应力的大小、方向、倾角以及分布的根本特征，此种应力解除法测量危岩边坡地应力技术方法，为边坡危岩治理工程设计与施工提供了理论依据，并在现场实施中，取得了良好的效果。4.4 应力恢复法应力恢复法测定地应力的根本原理是：在选定的测试点安装测量元件，然后在岩体中开挖一个扁槽埋设液压枕或千斤顶，对其加压，使测量元件的读数恢复到掏槽前的值，那么液压钢枕或千斤顶的压力读数便是该方向的岩体应力。其优点是可以不考虑岩体的应力-应变关系而直接得出岩体

17、的应力，但有其局限性。为此，靳晓光、王兰生等研究学者提出了方便、可行、易于现场操作的洞壁外表二次应力测试方法以改良应力恢复法。改良的应力恢复法的优点在于：无需测定岩石的弹性模量便可计算岩体的应力，单孔可以测定平面内多方向应力。本方法简单、易行、经济, 适于现场操作。改良应力恢复法的关键是等效应力系数A确实定。通过室内试验、数值模拟及野外现场测试，系统地研究了应变应力恢复法测定地下硐室外表二次应力的可行性和正确性。试验结果与数值模拟非常接近，现场测定结果与理论计算结果也根本相同，对二次应力场的测定及研究具有重要的理论意义和实用价值。4.5 钻孔局部壁面应力全解除法葛修润、侯明勋提出了一种测定深部

18、岩体地应力的新方法钻孔局部壁面应力全解除法，该方法不仅可以解决套孔应力解除法在较深钻孔中应用时出现的断芯问题，而且也克服了水力压裂法必须假定地应力张量的一个主方向与钻孔轴向一致的前提条件，并且从理论上讲，此岩体应力测定方法将不受测量深度的限制。它将为地应力测量，尤其是深部地应力测量提供新的方法和途径，完全可以适应大陆科学钻探方案中深部岩体地应力测量的需要。综上所述，基于钻孔进行地应力测量的方法不外乎以上几种类型： Kaiser效应法，水压致裂法，孔壁轴向切槽法。套孔应力解除法，可以测定二维及三维地应力的主值及方向，但由于需要进行套钻，当钻孔较深时容易产生断芯问题，因此，该方法在深孔，尤其是在大

19、陆科学深钻孔钻探方案中将无法得到应用。水压致裂法是目前深部应力测量中应用较广的一种方法，但水压致裂法的理论根底是地应力张量的一个主方向必须与钻孔轴向一致，从而影响了测量结果的可靠性。Kaiser效应法是基于岩石材料的声发射效应来测定岩体地应力的一种方法，实际上测的是岩体在历史上所受的最大应力值，只能作为钻孔应力测量的一种辅助手段。而孔壁轴向切槽法只能测得垂直于钻孔轴线平面内的二维应力状态，并且只能用于孔深不超过 30 m 的干钻孔中 。5. 岩体地应力测量研究分析的主要问题5.1 地应力测量状态影响因素与可靠性分析对于所测地应力状态需要进行区域地质背景和各种影响因素分析，确定测值的可靠性，否那

20、么测值的质量大大降低。地应力测量状态影响因素与可靠性分析的重要性在某种程度超过测量本身，一个不确定的测值是没有意义的，甚至会产生误导作用。为了从有限的应力测值推广到区域范围，需进行构造应力场分析和模拟，而模拟的应力边界条件该如何确定，是当时研究的一个难题，因为不正确的应力场模拟结果将直接影响地壳稳定性评价结果 。5.2 地应力测量状态代表性分析对所测地应力状态需进行代表性分析，确定测值是代表局部应力场，还是代表区域应力场。在进行实测应力代表性分析过程中，要考虑构造应力随时间的变化情况，往往在重大地质事件(如地震)的前后，由于构造应力存在积累、加强、释放和调整的变化过程，在一定时间和地区范围内，

21、应力场可能发生较大变化。5.3 地应力状态沿地下工程设计线路变化的分析由于具体地下工程设计线路穿越不同构造部位、不同岩性、不同岩体结构、不同埋藏深度，以及工程本身不同的设计结构、尺寸等，均会造成沿地下工程线路不同地点局部地应力状态的变化和差异。因此，在工程设计时需要充分考虑这种变化，在工程施工过程中预防工程地质灾害的发生。随着我国西部大开发的不断深入，对于构造强烈活动的我国西部地区，地下工程建设将面临越来越多的工程地质和灾害问题，需加强对地下工程设计线路方向的地应力的变化进行分析。5.4 地应力状态在不同深度的变化分析地应力测量和各种工程建设已证实，在深切峡谷地区地壳浅表层，地应力大小随深度变化分为应力降低区、应力增高区和原始应力区，最大水平主应力方向一般随深度也发生变化。但目前尚没有从理论和实践中总结出具有普遍实用性的三个应力深度区间参考值和最大水平主应力方向随深度的变化规律。因此，地下工程应尽量避开应力降低区和应力增高