地應力測量方法

1、4.1概論 4.2 地應力直接測量法4.3 地應力間接測量法 第四章 地應力及其測量4.2.1 扁千斤頂法扁千斤頂法4.2.2 剛性包體應力記法剛性包體應力記法4.2.3 水壓致裂法水壓致裂法4.2.4 聲發(fā)射法聲發(fā)射法4.2 直接測量法扁千斤頂應力測量示意圖扁千斤頂應力測量示意圖4.2.1 扁千斤頂法偏千斤頂又稱“壓力枕壓力枕”，由兩塊薄鋼板沿周邊焊接在一起而制成，在周邊處有一個油壓入口和一個出氣閥。4.2.1 扁千斤頂法d圍巖圍巖d圍巖圍巖dP圍巖圍巖dPt圍巖圍巖測量步驟 從原理上來講，扁千斤頂法只是一種一維應力測量方法，一個扁槽的測量只能確定測點處垂直于扁千斤頂方向的應力分量。為了確定

2、該測點的六個應力分量就必須在該點沿不同方向切割六個扁槽，這是不可能實現(xiàn)的。 扁千斤頂測量只能在巷道、峒室或其他開挖體表面附近的巖體中進行，因而其測量的是一種受開挖擾動的次生應力場，而非原巖應力場。同時，扁千斤頂?shù)臏y量原理是基于巖石為完全線彈性的假設，對于非線性巖體，其加載和卸載路徑的應力應變關系是不同的，由扁千斤頂測得的平衡應力并不等于扁槽開挖前巖體中的應力。 4.2.1 扁千斤頂法4.2.2 剛性包體應力計法主要部分是由鋼、銅合金或其他硬質(zhì)金屬材料制成的空心圓柱，在其中心部位有一個壓力傳感元件。測量時首先在測點打一鉆孔，然后將該圓柱擠壓進鉆孔中，以使圓柱和鉆孔壁保持緊密接觸，像焊接在孔壁上一

3、樣。4.2.2 剛性包體應力計法理論分析表明，位于一個無限體中的剛性包體，當周圍巖體中的應力變化時，在剛性包體中會產(chǎn)生一個均勻分布的應力場，該應力場的大小和巖體中應力變化之間存在一定的比例關系。設在巖體中的x方向有一個應力變化x，那么在剛性包體中的x方向會產(chǎn)生應力x，并且)43)(1() 1(2)21)(1(11)1 (2vvvEEvvEEvvxx式中，E，E分別為巖體和剛性包體的彈性模量；v，v分別為巖體和剛性包體的泊松比。4.2.2 剛性包體應力計法只要測出剛性體中的應力變化就可知道巖體中的應力變化。這一分析為剛性包體應力計奠定了理論基礎。根據(jù)剛性包體中壓力測試原理的不同，剛性包體應力計可

4、分為液壓式應力計、電阻應變片式應力計、壓磁式應力計、光彈應力計、鋼弦應力計等為了保證剛性包體應力計能有效工作，包體材料的彈性模量要盡可能大，至少要超過巖體彈性模量的5倍以上。4.2.2 剛性包體應力計法液壓式應力計的結(jié)構(gòu)示意圖應力計的中心槽中裝有油水混合液體，端部有一個薄膜。鉆孔周圍巖體中的應力發(fā)生變化時，引起剛性包體中的液壓發(fā)生變化，該變化傳遞到薄膜上，并由粘貼在薄膜上的電阻應變片將這種壓力變化測量出來。 剛性包體應力計具有很高的穩(wěn)定性，因而可用于對現(xiàn)場應力變化進行長期監(jiān)測。然而通常只能測量垂直于鉆孔平面的單向或雙向應力變化情況，而不能用于測量原巖應力。除鋼弦應力計外，其他各種剛性包體應力計

5、的靈敏度均較低，故20世紀80年代之前已被逐步淘汰。鋼弦應力計目前仍在一些國家特別是美國得到較為廣泛的應用。4.2.2 剛性包體應力計法 從彈性力學理論可知，當一個位于無限體中的鉆孔受到無窮遠處二維應力場( ， )的作用時，離開鉆孔端部一定距離的部位處于平面應變狀態(tài)。在這些部位，鉆孔周邊的應力為式中， 和 分別為鉆孔周邊的切向應力和徑向應力； 為周邊一點與 軸的夾角。 當 0時， 取得極小值，此時 122cos)(221210rr11234.2.3 水壓致裂法20世紀50年代廣泛應用于油田，通過在鉆井中制造人工的裂隙來提高石油的產(chǎn)量。如果采用圖所示的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來，并向該段鉆孔

6、注入高壓水，當水壓超過 和巖石抗拉強度T之和后，在 0處，也即所在方位將發(fā)生孔壁開裂。設鉆孔壁發(fā)生初始開裂時的水壓為 ，則有123iPTPi123P3水壓致裂應力測量原理4.2.3 水壓致裂法如果繼續(xù)向封隔段注入高壓水，使裂隙進一步擴展，當裂隙深度達到3倍鉆孔直徑時，此處已接近原巖應力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定，將該恒定壓力記為Ps，Ps應和原巖應力相平衡2， 即 P3水壓致裂應力測量原理2sP4.2.3 水壓致裂法在鉆孔中存在裂隙水的情況下，如封隔段處的裂隙水壓力為P0 ,則P3水壓致裂應力測量原理0123PTPi在初始裂隙產(chǎn)生后，將水壓卸除，使裂隙閉合，然后再重新向封隔段加壓，使裂隙重新

7、打開，記裂隙重開時的壓力為Pr，則有 0123PPr4.2.3 水壓致裂法由以上兩式求1和2就無須知道巖石的抗拉強度。因此，由水壓致裂法測量原巖應力將不涉及巖石的物理力學性質(zhì)，而完全由測量和記錄的壓力值來決定。 P3水壓致裂應力測量原理0123PPr2sP4.2.3 水壓致裂法1）打鉆孔到準備測量應力的部位，井將鉆孔中待加壓段用封隔器密封起來，鉆孔直徑與所選用的封隔器的直徑相一致。封隔器一般是充壓膨脹式的，充壓可用液體，也可用氣體。 2）向二個封隔器的隔離段注射高壓水，不斷加大水壓，直至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力Pi；然后繼續(xù)施加水壓以擴張裂隙，當裂隙擴張至3倍直徑深度時，關閉高水壓系統(tǒng)，

8、保持水壓恒定，此時的應力稱為關閉壓力，記為Ps；最后卸壓，使裂隙閉合。在整個加壓過程中，同時記錄壓力-時間曲線圖和流量-時間曲線圖，確定Pi，Ps值。4.2.3 水壓致裂法3）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開并記下裂隙重開時的壓力Pr和隨后的恒定關閉壓力Ps。這種卸壓-重新加壓的過程重復2-3次，以提高測試數(shù)據(jù)的準確性。Pr和Ps同樣由壓力-時間曲線和流量-時間曲線確定。4）將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設備從鉆孔中取出。5）測量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小，測量可以采用井下攝影機、井下電視、井下光學望遠鏡或印模器。 4.2.3 水壓致裂法P0PbPsPs

9、0P0Pb0Ps圖 壓裂過程泵壓變化及特征壓力PbPsPsPs0Pb0P0（2）加液壓將孔壁壓裂與重開P0-孔隙水壓力或地下水壓力Pb-初始壓裂壓力Ps-穩(wěn)定開裂壓力Ps0-關閉壓力Pb0-重張壓力4.2.3 水壓致裂法n各特征壓力的物理意義各特征壓力的物理意義P0-巖體內(nèi)孔隙水壓力或地下水壓力Pb-注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始壓裂壓力Ps-液體進入巖體內(nèi)連續(xù)的將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開裂壓力Ps0-關泵后壓力表上保持的壓力，稱為關閉壓力。如圍巖滲透性大，該壓力將逐漸衰減Pb0-停泵后重新開泵將裂縫壓開的壓力，稱為開啟壓力4.2.3 水壓致裂法 水壓致裂測量結(jié)果只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最

10、大主應力和最小主應力的大小和方向，所以從原理上講，它是一種二維應力測量方法。 水壓致裂法認為初始開裂發(fā)生在鉆孔壁切向應力最小的部位，亦即平行于最大主應力的方向，這是基于巖石為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的假設。水壓致裂法較為適用于完整的脆性巖石中。 水壓致裂法的突出優(yōu)點是能測量深部應力，已見報道的最大測深為5000m，這是其它方法所不能做到的。因此這種方法可用來測量深部地殼的構(gòu)造應力場。同時，對于某些工程，如露天邊坡工程，由于沒有現(xiàn)成的地下井巷、隧道、峒室等可用來接近應力測量點，或者在地下工程的前期階段，需要估計該工程區(qū)域的地應力場，也只有使用水壓致裂法才是最經(jīng)濟實用的。 4.2.3 水壓致裂法聲發(fā)射

11、：聲發(fā)射：材料在受到外載荷作用時，其內(nèi)部貯存的應變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)生聲響。Kaiser效應：效應：1950年，德國人凱澤（J.Kaiser）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，當應力未達到先前最大應力值時，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而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。Kaiser點：點：為測量巖石應力提供了一個途徑，即如果從原巖中取回定向的巖石試件，通過對加工的不同方向的巖石試件進行加載聲發(fā)射試驗，測定凱澤點，即可找出每個試件以前所受的最大應力，并進而求出取樣點的原始（歷史）三維應力狀態(tài)。4.2.4 聲發(fā)射法測試步驟1、試件制備從

12、現(xiàn)場鉆孔提取巖石試樣，試樣在原環(huán)境狀態(tài)下的方向必須確定。將試樣加工成圓柱體試件，徑高比為1:21:3。為了確定測點三維應力狀態(tài)，必須在該點的巖樣中沿六個不同方向制備試件。設局部坐標系為oxyz，則三個方向取坐標軸方向，另外三個方向取oxy、oyz、ozx平面內(nèi)的軸角平分線方向，每個方向取樣1525塊。為消除端部效應，試件兩端澆鑄由環(huán)氧樹脂或其他復合材料制成的端帽。測試步驟2、聲發(fā)射測試將試件放在單軸壓縮試驗機上加壓，并同時監(jiān)測加壓過程中從試件中產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象。Kaiser效應一般發(fā)生在加載的初期，因此，加載系統(tǒng)應選用小噸位的應力控制系統(tǒng)，并保持恒定加載速率。聲發(fā)射速率和加載速率有關，在加載初

13、期，人工操作很難保證加載速率恒定，在聲發(fā)射事件速率曲線上可能出現(xiàn)多個峰值，難于判定真正的Kaiser點。測試步驟由聲發(fā)射監(jiān)測所獲得的應力-聲發(fā)射事件數(shù)曲線，即可確定每次試驗的Kaiser點，并進而確定該試件軸線方向先前受到的最大應力值。15-25個試件獲得一個方向的統(tǒng)計結(jié)果，六個方向的應力值即可確定取樣點的歷史最大三維應力大小和方向。聲發(fā)射與彈性波傳播有關，所以高強度的脆性巖石有較明顯的聲發(fā)射kaiser效應出現(xiàn)，而多孔隙低強度及塑性巖體的kaiser效應不明顯，所以不能測定比較軟弱疏松巖體中的應力。n4.3.1 應力解除法的基本原理 n4.3.2 孔徑變形法n4.3.3 孔壁應變法n4.3.

14、4 空心包體法簡介4.3 間接測量法 一、應力解除法（一）基本原理 地下某點的巖體處于三向壓縮狀態(tài)，如用人為的方法解除其應力，必然發(fā)生彈性恢復，測定其恢復的應變，利用彈性力學公式則可算出巖體初始應力。zzyyxxzyx,破壞聯(lián)系，解除應力；彈性恢復，測出變形；根據(jù)變形，轉(zhuǎn)求應力。4.3.1 應力解除法的基本原理1 1、已知主應力方向的應力解除、已知主應力方向的應力解除 如圖示平板：如圖示平板：13,yx1 3 3 1 xy在受力狀態(tài)下，貼上應變片此時：在受力狀態(tài)下，貼上應變片此時：0, 013yx卸去外力，變形恢復，此時：卸去外力，變形恢復，此時：13,yx根據(jù)廣義虎克定律：根據(jù)廣義虎克定律：

15、)(1311E)(1133E解得：解得：)(13121E)(11323E(1)(1)4.3.1 應力解除法的基本原理由彈性原理：由彈性原理：2sin2sincos22xyyx式中：式中：為為x x軸成軸成角度方向的線應變角度方向的線應變 。由上式可解得由上式可解得x x,y y,xyxy2 2、未知主應力方向的應力解除、未知主應力方向的應力解除1 2 3 xy1 2 3 1121212sin2sincosxyyx2222222sin2sincosxyyx3323232sin2sincosxyyx( (2)2)4.3.1 應力解除法的基本原理解得解得x x,y y,xyxy, ,可按下式求出主應

16、變可按下式求出主應變1 1 2 2 和和0 0221)2()2()(21xyyxyxyxxy02tg223)2()2()(21xyyxyx已知已知1 1,3 3,0 0 , ,即可按即可按(1)(1)式求出主應變式求出主應變1 ,1 ,3 3 。(3)(3)4.3.1 應力解除法的基本原理3 3、應變花種類、應變花種類 為計算方便，常把三個應變片布置成如圖所示為計算方便，常把三個應變片布置成如圖所示的形式。的形式。 即：等角應變花、直角應變花即：等角應變花、直角應變花4.3.1 應力解除法的基本原理A、直角應變花、直角應變花1 00，2 450，3 90029045245090031)()(2

17、2)(2190045900022tg將將x,y,xy 代入代入(3)式得：式得：(4),0 x2)(2145xyyx,90y將將1,3,0 代入代入(1)式求出主應力式求出主應力1 ,3 ：29045245090031)()(1212E(5)4.3.1 應力解除法的基本原理B、等角應變花、等角應變花100，2600，3120020120212060260012060031)()()(32)(31由上式可解得由上式可解得x,y,xy ，并將其代入并將其代入(3)式得：式得：(7),0 x)33(4160 xyyx(6)33(41120 xyyx4.3.1 應力解除法的基本原理將將（7）式式 代入

18、代入(1)式得：式得：20120212060260012060031)()()()1 ( 32)1 ( 3E 注意：注意：按上式方法計算得出的按上式方法計算得出的1 ，3 是平面狀態(tài)下是平面狀態(tài)下（鉆孔斷面內(nèi)）的次主應力，而不是該點的主應力。（鉆孔斷面內(nèi)）的次主應力，而不是該點的主應力。 次主應力次主應力：是某坐標面內(nèi)兩個正應力的極值，一般：是某坐標面內(nèi)兩個正應力的極值，一般不等于主應力；次主應力面上仍有剪應力；只有在三不等于主應力；次主應力面上仍有剪應力；只有在三個正交的平面上的剪應力都為零時，次主應力才等于個正交的平面上的剪應力都為零時，次主應力才等于主應力。主應力。(8)4.3.1 應力

19、解除法的基本原理（二）（二） 應力解除方法應力解除方法孔底應力解除法測定巖體應力的步驟：孔底應力解除法測定巖體應力的步驟：1 1、打大孔至測點，磨平孔底。、打大孔至測點，磨平孔底。2 2、從大孔底打同心小孔。、從大孔底打同心小孔。3 3、在孔底粘貼電阻應變花探頭。、在孔底粘貼電阻應變花探頭。4 4、解除應力，測量其應變。、解除應力，測量其應變。5 5、取出巖心，測其彈性參數(shù)。、取出巖心，測其彈性參數(shù)。6 6、計算巖體應力。、計算巖體應力。4.3.1 應力解除法的基本原理對于等角應變花，孔底平面內(nèi)的應力按下式計算：對于等角應變花，孔底平面內(nèi)的應力按下式計算：1)22(311)22(3120120

20、6000120600Ex1)22(311)22(31201206000120600Ey)()1 (312060Exy4.3.1 應力解除法的基本原理對于直角應變花，孔底平面內(nèi)的應力對于直角應變花，孔底平面內(nèi)的應力按下式計算：按下式計算：)11(2900900Ex)(2)1 (290045Exy)11(2900900Eyx x ,y y ,z z , ,xyxy為孔底平面上開挖擾動的次主為孔底平面上開挖擾動的次主應力。應力。(9)(9)4.3.1 應力解除法的基本原理孔底平面位置處的原巖應力按下式經(jīng)驗公式計算：孔底平面位置處的原巖應力按下式經(jīng)驗公式計算：zyxxcbazyxycabxyxyd式中

21、：式中：x，y，z為孔底的原巖應力。其中，為孔底的原巖應力。其中，a,b,c,d系數(shù)無理論解，只有通過實驗或數(shù)值分析求得。不同系數(shù)無理論解，只有通過實驗或數(shù)值分析求得。不同的研究者給出不同的值，古德曼解值：的研究者給出不同的值，古德曼解值：(9)027. 0423. 191. 0473. 015. 0085. 030. 12dcba4.3.1 應力解除法的基本原理孔底應力解除法的評價孔底應力解除法的評價 優(yōu)點優(yōu)點：解除巖心短，不需要打很長的套孔巖心，適：解除巖心短，不需要打很長的套孔巖心，適用于完整性差的巖體。用于完整性差的巖體。 缺點缺點：采用孔底應力解除時，單孔不能確定巖體應：采用孔底應力

22、解除時，單孔不能確定巖體應力的六個分量，必須進行三孔測定，才能確定巖體的力的六個分量，必須進行三孔測定，才能確定巖體的原巖應力；無理論計算公式，只能用經(jīng)驗公式計算巖原巖應力；無理論計算公式，只能用經(jīng)驗公式計算巖體的三維應力。體的三維應力。4.3.1 應力解除法的基本原理 孔徑變形法通過測定鉆孔孔徑變形求解巖體應力，其應力解除工序為：1、打大孔至測點，磨平孔底。2、打同心小孔，安裝孔徑變形計探頭。3、延伸大鉆孔解除應力，同時測量孔徑變形。4、取出巖心，測其彈性參數(shù)E、。5、計算巖體應力。4.3.2 孔徑變形法 假定孔徑變形計探頭的三個假定孔徑變形計探頭的三個觸頭相對于巖體應力觸頭相對于巖體應力1

23、 的夾角的夾角為為1、2、3，測得的孔徑變測得的孔徑變形分別為形分別為u1、u2、u3,孔壁徑向孔壁徑向位移為其位移為其1/2。4.3.2 孔徑變形法 由彈性力學公式，在二向應力1、3的作用下，無限大平板內(nèi)圓孔周邊徑向位移 u 的計算公式為：2cos)(23131Edu平面應力：平面應變：1 3 2cos)(2)1 (31312Edu式中：d圓孔直徑；u圓孔周邊的徑向位移； u的方向與1的夾角。4.3.2 孔徑變形法 當1，2，3的間隔為600時，按下式計算巖體應力： 如果（d)式成立，則1為1 與u1的夾角，否則為2 與u1的夾角。上式中的K，對于淺孔，可作平面應力問題處理，K=d/E ;對

24、于深孔，可作平面應變問題處理，K=（12)d/E .其中d為鉆孔直徑，為巖石的泊松比。(10)4.3.2 孔徑變形法 當1，2，3的間隔為450時，按下式計算巖體應力： 如果（d)式成立，則1為1 與u1的夾角，否則為2 與u1的夾角。 上式中的K，對于淺孔，可作平面應力問題處理，K=d/E ;對于深孔，可作平面應變問題處理，K=（12)d/E .其中d為鉆孔直徑，為巖石的泊松比。(11)4.3.2 孔徑變形法 按上式計算得出的按上式計算得出的1 ， 2 是鉆孔斷面內(nèi)是鉆孔斷面內(nèi)的次主應力。的次主應力。 要確定一點的全應力，必須向測點打三個要確定一點的全應力，必須向測點打三個不同方向的鉆孔，進

25、行同樣測定，然后再按不同方向的鉆孔，進行同樣測定，然后再按最小二乘法求解。最小二乘法求解。4.3.2 孔徑變形法 （1）測試工序）測試工序 孔壁應變法是通過測定鉆孔孔壁的應變求解巖體應力的6個分量，其應力解除工序與孔徑變形法相似：1、打大孔至測點，磨平孔底。2、打同心小孔，安裝應變花探頭。3、套孔解除應力，超過小孔底部5cm,同時測量孔壁應變。4、取出巖心，測其彈性參數(shù)E、 。5、計算巖體應力。4.3.3 孔壁應變法 應變計探頭孔壁布置3個應變花，每個應變花由3個應變片組成，采用直角應變花形式。（2 2） 孔壁應變花布置孔壁應變花布置4.3.3 孔壁應變法 一個無限體的鉆孔，受到無限遠處的三維

26、應力場（原巖應力場x、y、z、xy 、 yz 、zx )作用時，孔邊圍巖應力（ r、z、r 、z、rz采用柱坐標，柱坐標的z軸和直角坐標的z軸相一致）分布公式為：（3 3） 鉆孔圍巖應力分布公式鉆孔圍巖應力分布公式4.3.3 孔壁應變法2sin)341 (2cos)341 (2)1 (24422442222rararararaxyyxyxr2sin)31 (2cos)31 (2)1 (2444422rararaxyyxyxzxyyxzrara2sin42cos)(222222cos)321 (2sin)321 (244224422rarararaxyyxr)1)(cossin(22rayzzx

27、z)1)(sincos(22rayzzxrz4.3.3 孔壁應變法 當當r=ar=a時，即鉆孔壁上的應力為：時，即鉆孔壁上的應力為：0rzrr2sin42cos)(2)(xyyxyxzxyyxz2sin42cos)(2)cossin(2yzzxz可見，鉆孔壁上各點處于二向應力狀態(tài)，在孔壁上的z-坐標平面內(nèi)布置應變花測量應變以求應力是可行的。(13)(13)4.3.3 孔壁應變法（4）孔壁應力和孔壁應變的關系）孔壁應力和孔壁應變的關系EEZ在 -z 坐標系：)(2,90045900zz由虎克定律：EEZZ)(21145ZZEE(14)x)( zzy 4.3.3 孔壁應變法 （5）孔壁應力和原巖應

28、力的關系）孔壁應力和原巖應力的關系EEZ 由（14）式可由孔壁應變求出孔壁應力，由（13）式即可求出原巖應力，令式中=/2, , 7/4, 。EEZZ)(21145ZZEE(14)0rzrr2sin42cos)(2)(xyyxyxzxyyxz2sin42cos)(2)cossin(2yzzxz(13)4.3.3 孔壁應變法當=/2(15)yx3zyxz)(2zxz2當=7/4(16)yx3zyxz)(2yzz2(17)xyyx4)(zxyz 4)(2zxyzz當= 可見，求解6個原巖應力分量，只需選取上面其中6方程即可?？妆趹兎ㄖ淮蛞粋€鉆孔就可以確定一點的應力狀態(tài)。4.3.3 孔壁應變法空心包體應變計法：空心包體應變計法：n國際巖石力學學會推薦使用的地應力測量方法 n目前使用最為廣泛的地應力測量方法n測量技術和計算