地应力测量方法

1、4.1概论 4.2 地应力直接测量法 4.3 地应力间接测量法,第四章 地应力及其测量,4.2.1 扁千斤顶法 4.2.2 刚性包体应力记法 4.2.3 水压致裂法 4.2.4 声发射法,4.2 直接测量法,扁千斤顶应力测量示意图,4.2.1 扁千斤顶法,偏千斤顶又称“压力枕”，由两块薄钢板沿周边焊接在一起而制成，在周边处有一个油压入口和一个出气阀。,4.2.1 扁千斤顶法,测量步骤,从原理上来讲，扁千斤顶法只是一种一维应力测量方法，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。为了确定该测点的六个应力分量就必须在该点沿不同方向切割六个扁槽，这是不可能实现的。 扁千斤顶测量只能在巷

2、道、峒室或其他开挖体表面附近的岩体中进行，因而其测量的是一种受开挖扰动的次生应力场，而非原岩应力场。同时，扁千斤顶的测量原理是基于岩石为完全线弹性的假设，对于非线性岩体，其加载和卸载路径的应力应变关系是不同的，由扁千斤顶测得的平衡应力并不等于扁槽开挖前岩体中的应力。,4.2.1 扁千斤顶法,4.2.2 刚性包体应力计法,主要部分是由钢、铜合金或其他硬质金属材料制成的空心圆柱，在其中心部位有一个压力传感元件。测量时首先在测点打一钻孔，然后将该圆柱挤压进钻孔中，以使圆柱和钻孔壁保持紧密接触，像焊接在孔壁上一样。,4.2.2 刚性包体应力计法,理论分析表明，位于一个无限体中的刚性包体，当周围岩体中的

3、应力变化时，在刚性包体中会产生一个均匀分布的应力场，该应力场的大小和岩体中应力变化之间存在一定的比例关系。 设在岩体中的x方向有一个应力变化x，那么在刚性包体中的x方向会产生应力x，并且,式中，E，E分别为岩体和刚性包体的弹性模量；v，v分别为岩体和刚性包体的泊松比。,4.2.2 刚性包体应力计法,只要测出刚性体中的应力变化就可知道岩体中的应力变化。这一分析为刚性包体应力计奠定了理论基础。 根据刚性包体中压力测试原理的不同，刚性包体应力计可分为液压式应力计、电阻应变片式应力计、压磁式应力计、光弹应力计、钢弦应力计等 为了保证刚性包体应力计能有效工作，包体材料的弹性模量要尽可能大，至少要超过岩体

4、弹性模量的5倍以上。,4.2.2 刚性包体应力计法,液压式应力计的结构示意图,应力计的中心槽中装有油水混合液体，端部有一个薄膜。钻孔周围岩体中的应力发生变化时，引起刚性包体中的液压发生变化，该变化传递到薄膜上，并由粘贴在薄膜上的电阻应变片将这种压力变化测量出来。,刚性包体应力计具有很高的稳定性，因而可用于对现场应力变化进行长期监测。然而通常只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况，而不能用于测量原岩应力。除钢弦应力计外，其他各种刚性包体应力计的灵敏度均较低，故20世纪80年代之前已被逐步淘汰。钢弦应力计目前仍在一些国家特别是美国得到较为广泛的应用。,4.2.2 刚性包体应力计法,从弹性力

5、学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场( ， )的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应力为 式中， 和 分别为钻孔周边的切向应力和径向应力； 为周边一点与 轴的夹角。 当 0时， 取得极小值，此时,4.2.3 水压致裂法,20世纪50年代广泛应用于油田，通过在钻井中制造人工的裂隙来提高石油的产量。,如果采用图所示的水压致裂系统将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水，当水压超过 和岩石抗拉强度T之和后，在 0处，也即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 ，则有,4.2.3 水压致裂法,如果继续向封隔段注入高压水，使

6、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应和原岩应力相平衡2， 即,4.2.3 水压致裂法,在钻孔中存在裂隙水的情况下，如封隔段处的裂隙水压力为P0 ,则,在初始裂隙产生后，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,4.2.3 水压致裂法,由以上两式求1和2就无须知道岩石的抗拉强度。因此，由水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质，而完全由测量和记录的压力值来决定。,4.2.3 水压致裂法,1）打钻孔到准备测量应力的部位，井将钻孔中待加压段用封隔器密封起

7、来，钻孔直径与所选用的封隔器的直径相一致。封隔器一般是充压膨胀式的，充压可用液体，也可用气体。 2）向二个封隔器的隔离段注射高压水，不断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力Pi；然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，关闭高水压系统，保持水压恒定，此时的应力称为关闭压力，记为Ps；最后卸压，使裂隙闭合。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，确定Pi，Ps值。,4.2.3 水压致裂法,3）重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力Pr和随后的恒定关闭压力Ps。这种卸压-重新加压的过程重复2-3次，以提高测试数据的准确性。Pr和Ps

8、同样由压力-时间曲线和流量-时间曲线确定。 4）将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。 5）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。,4.2.3 水压致裂法,P0,Pb,Ps,Ps0,P0,Pb0,Ps,图 压裂过程泵压变化及特征压力,Pb,Ps,Ps,Ps0,Pb0,P0,（2）加液压将孔壁压裂与重开 P0-孔隙水压力或地下水压力 Pb-初始压裂压力 Ps-稳定开裂压力 Ps0-关闭压力 Pb0-重张压力,4.2.3 水压致裂法,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

9、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,4.2.3 水压致裂法,水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向，所以从原理上讲，它是一种二维应力测量方法。 水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，亦即平行于最大主应力的方向，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。 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

10、5000m，这是其它方法所不能做到的。因此这种方法可用来测量深部地壳的构造应力场。同时，对于某些工程，如露天边坡工程，由于没有现成的地下井巷、隧道、峒室等可用来接近应力测量点，或者在地下工程的前期阶段，需要估计该工程区域的地应力场，也只有使用水压致裂法才是最经济实用的。,4.2.3 水压致裂法,声发射：材料在受到外载荷作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响。 Kaiser效应：1950年，德国人凯泽（J.Kaiser）发现多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，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

11、叫做Kaiser效应。 Kaiser点：为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行加载声发射试验，测定凯泽点，即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始（历史）三维应力状态。,4.2.4 声发射法,测试步骤,1、试件制备 从现场钻孔提取岩石试样，试样在原环境状态下的方向必须确定。将试样加工成圆柱体试件，径高比为1:21:3。为了确定测点三维应力状态，必须在该点的岩样中沿六个不同方向制备试件。 设局部坐标系为oxyz，则三个方向取坐标轴方向，另外三个方向取oxy、oyz、ozx平面内的轴角平分线方向，每个方向取样1525块。

12、 为消除端部效应，试件两端浇铸由环氧树脂或其他复合材料制成的端帽。,测试步骤,2、声发射测试 将试件放在单轴压缩试验机上加压，并同时监测加压过程中从试件中产生的声发射现象。,Kaiser效应一般发生在加载的初期，因此，加载系统应选用小吨位的应力控制系统，并保持恒定加载速率。 声发射速率和加载速率有关，在加载初期，人工操作很难保证加载速率恒定，在声发射事件速率曲线上可能出现多个峰值，难于判定真正的Kaiser点。,测试步骤,由声发射监测所获得的应力-声发射事件数曲线，即可确定每次试验的Kaiser点，并进而确定该试件轴线方向先前受到的最大应力值。15-25个试件获得一个方向的统计结果，六个方向的

13、应力值即可确定取样点的历史最大三维应力大小和方向。,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kaiser效应出现，而多孔隙低强度及塑性岩体的kaiser效应不明显，所以不能测定比较软弱疏松岩体中的应力。,4.3.1 应力解除法的基本原理 4.3.2 孔径变形法 4.3.3 孔壁应变法 4.3.4 空心包体法简介,4.3 间接测量法,一、应力解除法 （一）基本原理 地下某点的岩体处于三向压缩状态，如用人为的方法解除其应力，必然发生弹性恢复，测定其恢复的应变，利用弹性力学公式则可算出岩体初始应力。,破坏联系，解除应力； 弹性恢复，测出变形； 根据变形，转求应力。,4.3.1 应

14、力解除法的基本原理,1、已知主应力方向的应力解除 如图示平板：,在受力状态下，贴上应变片此时：,卸去外力，变形恢复，此时：,根据广义虎克定律：,解得：,(1),4.3.1 应力解除法的基本原理,由弹性原理：,式中：为x轴成角度方向的线应变 。,由上式可解得x,y,xy,2、未知主应力方向的应力解除,(2),4.3.1 应力解除法的基本原理,解得x,y,xy,可按下式求出主应变1 2 和0,已知1,3,0 ,即可按(1)式求出主应变1 ,3 。,(3),4.3.1 应力解除法的基本原理,3、应变花种类,为计算方便，常把三个应变片布置成如图所示的形式。 即：等角应变花、直角应变花,4.3.1 应力

15、解除法的基本原理,A、直角应变花 1 00，2 450，3 900,将x,y,xy 代入(3)式得：,(4),将1,3,0 代入(1)式求出主应力1 ,3 ：,(5),4.3.1 应力解除法的基本原理,B、等角应变花 100，2600，31200,由上式可解得x,y,xy ，并将其代入(3)式得：,(7),(6),4.3.1 应力解除法的基本原理,将（7）式 代入(1)式得：,注意：按上式方法计算得出的1 ，3 是平面状态下（钻孔断面内）的次主应力，而不是该点的主应力。 次主应力：是某坐标面内两个正应力的极值，一般不等于主应力；次主应力面上仍有剪应力；只有在三个正交的平面上的剪应力都为零时，次

16、主应力才等于主应力。,(8),4.3.1 应力解除法的基本原理,（二） 应力解除方法,孔底应力解除法测定岩体应力的步骤：,1、打大孔至测点，磨平孔底。 2、从大孔底打同心小孔。 3、在孔底粘贴电阻应变花探头。 4、解除应力，测量其应变。 5、取出岩心，测其弹性参数。 6、计算岩体应力。,4.3.1 应力解除法的基本原理,对于等角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：,4.3.1 应力解除法的基本原理,对于直角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：,x ,y ,z ,xy为孔底平面上开挖扰动的次主应力。,(9),4.3.1 应力解除法的基本原理,孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算：,式中：x

17、，y，z为孔底的原岩应力。其中，a,b,c,d系数无理论解，只有通过实验或数值分析求得。不同的研究者给出不同的值，古德曼解值：,(9),4.3.1 应力解除法的基本原理,孔底应力解除法的评价 优点：解除岩心短，不需要打很长的套孔岩心，适用于完整性差的岩体。 缺点：采用孔底应力解除时，单孔不能确定岩体应力的六个分量，必须进行三孔测定，才能确定岩体的原岩应力；无理论计算公式，只能用经验公式计算岩体的三维应力。,4.3.1 应力解除法的基本原理,孔径变形法通过测定钻孔孔径变形求解岩体应力，其应力解除工序为：,1、打大孔至测点，磨平孔底。 2、打同心小孔，安装孔径变形计探头。 3、延伸大钻孔解除应力，

18、同时测量孔径变形。 4、取出岩心，测其弹性参数E、。 5、计算岩体应力。,4.3.2 孔径变形法,假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩体应力1 的夹角为1、2、3，测得的孔径变形分别为u1、u2、u3,孔壁径向位移为其1/2。,4.3.2 孔径变形法,由弹性力学公式，在二向应力1、3的作用下，无限大平板内圆孔周边径向位移 u 的计算公式为：,平面应力：,平面应变：,式中：d圆孔直径；u圆孔周边的径向位移； u的方向与1的夹角。,4.3.2 孔径变形法,当1，2，3的间隔为600时，按下式计算岩体应力：,如果（d)式成立，则1为1 与u1的夹角，否则为2 与u1的夹角。 上式中的K，对于浅孔，可

19、作平面应力问题处理，K=d/E ;对于深孔，可作平面应变问题处理，K=（12)d/E .其中d为钻孔直径，为岩石的泊松比。,(10),4.3.2 孔径变形法,当1，2，3的间隔为450时，按下式计算岩体应力：,如果（d)式成立，则1为1 与u1的夹角，否则为2 与u1的夹角。 上式中的K，对于浅孔，可作平面应力问题处理，K=d/E ; 对于深孔，可作平面应变问题处理，K=（12)d/E .其中d为钻孔直径，为岩石的泊松比。,(11),4.3.2 孔径变形法,按上式计算得出的1 ， 2 是钻孔断面内的次主应力。 要确定一点的全应力，必须向测点打三个不同方向的钻孔，进行同样测定，然后再按最小二乘法

20、求解。,4.3.2 孔径变形法,（1）测试工序 孔壁应变法是通过测定钻孔孔壁的应变求解岩体应力的6个分量，其应力解除工序与孔径变形法相似：,1、打大孔至测点，磨平孔底。 2、打同心小孔，安装应变花探头。 3、套孔解除应力，超过小孔底部5cm,同时测量孔壁应变。 4、取出岩心，测其弹性参数E、 。 5、计算岩体应力。,4.3.3 孔壁应变法,应变计探头孔壁布置3个应变花，每个应变花由3个应变片组成，采用直角应变花形式。,（2） 孔壁应变花布置,4.3.3 孔壁应变法,一个无限体的钻孔，受到无限远处的三维应力场（原岩应力场x、y、z、xy 、 yz 、zx )作用时，孔边围岩应力（ r、z、r 、

21、z、rz采用柱坐标，柱坐标的z轴和直角坐标的z轴相一致）分布公式为：,（3） 钻孔围岩应力分布公式,4.3.3 孔壁应变法,4.3.3 孔壁应变法,当r=a时，即钻孔壁上的应力为：,可见，钻孔壁上各点处于二向应力状态，在孔壁上的z-坐标平面内布置应变花测量应变以求应力是可行的。,(13),4.3.3 孔壁应变法,（4）孔壁应力和孔壁应变的关系,在 -z 坐标系：,由虎克定律：,(14),4.3.3 孔壁应变法,（5）孔壁应力和原岩应力的关系,由（14）式可由孔壁应变求出孔壁应力，由（13）式即可求出原岩应力，令式中=/2, , 7/4, 。,(14),(13),4.3.3 孔壁应变法,当=/2,(15),当=7/4,(16),(17),当=,可见，求解6个原岩应力分量，只需选取上面其中6方程即可。孔壁应变法只打一个钻孔就可以确定一点的应力状态。,4