相對地應力測量設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、 相對地應力測量設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 摘要：近年來，地應力的測量在地下工程的施工中是非常重要的內(nèi)容。一般地絕對應力的測量有應力解除法、水壓致裂法、鉆孔崩落觀測法、簡單理論計算等方法。相對相力是對某地點應力狀態(tài)進行實時監(jiān)測的方法，相對應力測量是測量某位置點不同時刻地應力的變化值，相對應力的監(jiān)測結(jié)果反映了開挖工程受到地應力的改變值，為開采工程支護、穩(wěn)定性分析、工程災害預警與調(diào)控提供支撐。關(guān)鍵詞：相對地應力測量設(shè)備；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢引言地應力可解釋為在長期的地層自然形成的年代里，由于地球經(jīng)過無數(shù)次的地殼運動及其他原因而賦存于地殼物質(zhì)內(nèi)的初始巖體應力。我國的基礎(chǔ)建設(shè)需求日益增加，無論是在深山中開挖隧道等建

2、設(shè)還是在城市中興建地鐵等工程，地應力對于工程來說都是無法避免的重要影響參數(shù)。在工程建設(shè)中，尤其是大型地下工程，對于地上和地下開挖的巖體穩(wěn)定性以及工程安全性來說，地應力的影響可謂是決定性因素。因此，如何測定地應力就成為學術(shù)界及工程人員的當務之急。1地應力概述地應力是指客觀賦存于地殼巖體內(nèi)且未受工程擾動的一種自然力，亦稱原巖應力它是導致地殼巖體產(chǎn)生變形、斷裂、褶皺乃至地震的根本作用力。李四光教授認為，巖層中發(fā)生的種種變形或破裂，是應力活動的結(jié)果。隨著我國采礦、隧道、水利水電、地熱能開發(fā)、核廢料處置等工程的持續(xù)增加，巖爆、巷道變形、高邊坡失穩(wěn)等一系列問題愈加突出。再加上我國又是當今世界上構(gòu)造活動最為

3、強烈的國家之一，陸內(nèi)地震、山體滑坡等地質(zhì)災害頻頻發(fā)生。因此，開展地應力測量和監(jiān)測，探知地殼應力狀態(tài)，不僅可以服務各類巖體的工程建設(shè)，而且還能為地球動力學研究、斷裂活動性研究和地質(zhì)災害預警研究提供重要的科學依據(jù)目前，隨著地應力測量在工程建設(shè)、地質(zhì)災害預警以及斷裂活動性研究等領(lǐng)域的廣泛應用，地應力測量方法日益增多。2地應力測量的主要方法2.水壓致裂法水壓致裂法地應力測量是通過在鉆孔中封隔一小段鉆孔，向封隔段注入高壓流體(通常為水)，并通過孔壁巖體的脹裂來確定地應力的一種方法。由于該方法可以在無需巖石力學參數(shù)的情況下直接測量應力值，特別是可以直接確定最小主應力值，再加上其具有操作簡單、測量深度較大等

4、優(yōu)點，目前已被廣泛應用。國際巖石力學測試專業(yè)委員會推薦了經(jīng)典水壓致裂法(hf)和原生裂隙水壓致裂法(htpf)，若要獲取全應力張量，需采用三孔交匯測量hf法選擇巖性完整的測試段，進行3-5個壓裂循環(huán)試驗并生成壓力時間曲線最小水平主應力大小可從曲線中分析得到，其中關(guān)閉壓力的準確判讀是關(guān)鍵，isrm推薦至少用2種方法保證其可靠性?？妆诘钠屏逊较蚣礊樽畲笏街鲬Ψ较?，一般用帶有定位系統(tǒng)的印模器確定，但也可用地球物理成像技術(shù)記錄裂隙方向。當巖體中存在較多原生裂隙時，可以選用htpf法。htpf法是hf法的發(fā)展，能夠估算全應力張量，且不涉及孔隙壓力、鉆孔方向和材料屬性等參數(shù)，若裂隙間距大于50m，需假

5、設(shè)應力梯度，這會增加測試次數(shù)。作為目前能完整測量深部地應力的最有效方法，水壓致裂法廣泛應用于水電、石油、地熱及科研鉆探中。2.2聲發(fā)射法聲發(fā)射(ae)是材料內(nèi)部儲存的應變能快速釋放時所產(chǎn)生的彈性波現(xiàn)象德國人jkaiser研究發(fā)現(xiàn)，多晶金屬的應力從其歷史最高水平釋放后，再重新加載時，若應力未達到先前的最大應力值，則很少有聲發(fā)射產(chǎn)生;當應力達到和超過歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象叫做kaiser效應，把從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點稱之為kaiser點，該點對應的應力即為材料先前受到的最大應力據(jù)此，在實驗室對巖石試件進行6個以上不同方向的單軸壓縮試驗，可獲得6個以上不同方向的

6、壓應力，并進一步根據(jù)彈性理論確定巖石取芯點的全應力張量，巖芯的定位多采用古地磁法由于聲發(fā)射與彈性波傳播有關(guān)，且高強度的脆性巖石通常具有較明顯的kaiser效應，而多孔隙低強度及塑性巖體的kaiser效應往往不明顯，所以一般不建議用ae法測定比較軟弱疏松及塑性巖體中的應力不過，mseto通過試驗認為，即使脆弱的巖芯，若采用多次加載也可以較好地分辨出kaiser點，這為利用ae法測定軟弱疏松巖體提供了可能，目前，ae法在礦山和油田等工程中應用較多2.3應力解除法用一句話來概括應力解除法，就是人為解除應力，并根據(jù)應力解除所產(chǎn)生的應變轉(zhuǎn)而求得相應應力的一種測量地應力的方法。用這種方法測量地應力時必須規(guī)

7、定其前提條件，那就是必須假設(shè)待測巖體為均質(zhì)連續(xù)且各向同性的彈性體，在測定巖體所受的地應力時，巖體本身是處于三向受壓狀態(tài)，通過切割或鉆孔等方式人為地破壞待測巖體與周圍巖體的聯(lián)系，使之互相分離，即人為解除其應力，那么就一定會產(chǎn)生彈性恢復，再利用測量儀器測得其恢復的形變，最后應用理論及定理相結(jié)合計算出地應力。我國專家、學者對于鉆孔應力解除法技術(shù)進行了深切的討論與研究，目前技術(shù)也相對純熟，測量準確度好，可靠性強，尤其適用于礦山地區(qū)，但也限制了其測量區(qū)域，導致該方法有其局限性。由于所應用測量原理與所測部位不盡相同，本文又可將應力解除法劃分為如下幾類：鉆孔孔徑形變測量法、鉆孔孔壁應力測量法、鉆孔孔壁應變測

8、量法和鉆孔孔底應變測量法。其中，鉆孔孔壁應變測量法和鉆孔孔底應變測量法可統(tǒng)稱為鉆控應變測量法。2.4鉆孔崩落法在高地應力的作用下，利用巖石孔壁周圍上的小型巖體發(fā)生脫落掉塊的現(xiàn)象來測定地應力的方法稱為鉆孔崩落法。鉆孔自然崩落破壞機理通常是因為孔壁所受切向應力太大，導致孔壁巖體剪切破壞而崩落。通過分析和判別鉆孔崩落的形狀要素既可以估算應力值，又可定位出巖體中原生裂縫及可能產(chǎn)生裂縫的位置。由于鉆孔崩落法對于最大水平主應力的大小及方向測量精確度大，廣泛用于石油勘探開發(fā)、鉆井穩(wěn)定性分析等領(lǐng)域，但由于需要鉆孔崩落才能測出應力值，并且?guī)r石的各向異性會導致測出應力量值的有效性而造成較大誤差。結(jié)束語從人類首次提

9、出地應力的概念至今，人們已經(jīng)在地應力測量的道路上留下一座座里程碑。時至今日，為了滿足人類物質(zhì)文化日益增長的需求，我國乃至世界上的隧道開挖、礦山開采、核能運用等地上地下工程也日漸增多，地應力測量的重要性也越來越被人們所熟知。雖然現(xiàn)在對于一般工程來說，測深無需太深，也有技術(shù)相對成熟的測量方法，但在不久的將來，隨著地下工程的增多，深部地應力測量會是新的難題，畢竟目前的測量技術(shù)、理論、方法還是存在局限性。但有挑戰(zhàn)才會有動力，隨著科技的進步與發(fā)展，未來對于地應力的測量及監(jiān)測定會更加完善。我國在世界地應力測量工作中起步較晚，雖然經(jīng)過五十幾年的努力，也在地應力測量工作中取得不少成績，但相比其他國家還是有些差距。當然，地應力成因是復雜的，應把地應力的測量看作綜合測試，只應用單一的測量方法必定會產(chǎn)生誤差。為了削弱誤差的作用力，提升測量的精確性，理當將多種測量方法組合起來，互相取長補短，為中國測量地應力的事業(yè)錦上添花。參考文獻1張重遠.地應力測量方法j.河南理工大學學報