《地應(yīng)力測(cè)量方法》word版

1、地應(yīng)力測(cè)量方法1.水壓至裂法水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試是通過在鉆孔中封隔一小段鉆孔，然后向封隔段注入高壓流體，從而確定原位地應(yīng)力的一種方法。水壓致裂法的2種方法試驗(yàn)設(shè)備相同，都有封隔器、印模器，使用高壓泵泵入高壓液體使圍巖產(chǎn)生新裂隙或使原生裂隙重張。常規(guī)水壓致裂法(HF法)HF法是從射井方法移植而來，假定鉆孔軸向?yàn)?個(gè)主應(yīng)力方向，巖石均質(zhì)、各向同性、連續(xù)、線彈性，采用抗拉破壞準(zhǔn)則，在垂直于最小主應(yīng)力方向出現(xiàn)對(duì)稱裂縫，其僅能測(cè)得垂直于鉆孔橫截面上的二維應(yīng)力。在構(gòu)造作用弱和地形平坦區(qū)，垂直孔所測(cè)結(jié)果可代表2個(gè)水平主應(yīng)力，垂直應(yīng)力約等于上覆巖體自重，裂縫方位為最大水平主應(yīng)力方位。HF法測(cè)試周期短，不需要巖

2、石力學(xué)參數(shù)參與計(jì)算，適合工程初勘階段，不需試驗(yàn)洞，可進(jìn)行大深度測(cè)量，是目前惟一一種可直接進(jìn)行深部地應(yīng)力測(cè)定的方法。通過對(duì)HF法的改進(jìn)，德國(guó)大陸科學(xué)深鉆計(jì)劃(KTB)在主孔6 000 m和9 000 m處已成功獲得了地應(yīng)力資料。HF法是一種平面應(yīng)力測(cè)量方法，為獲得三維應(yīng)力，YMizutaI和M KuriyagawaE提出3孔交匯地應(yīng)力測(cè)量，我國(guó)長(zhǎng)江科學(xué)院和地殼所也進(jìn)行了大量的測(cè)試。但研究表明，當(dāng)鉆孔軸向偏離主應(yīng)力方向±15°，其結(jié)果就有疑問，要精確獲得三維地應(yīng)力較困難。為此，文獻(xiàn)7基于最小主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，對(duì)3孔交匯HF法測(cè)試?yán)碚撨M(jìn)行了完善，其有助于提高測(cè)量結(jié)果的計(jì)算精度，但還

3、有待足夠的測(cè)量數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。原生裂隙水壓致裂法(HTPF法)HTPF法是HF法的發(fā)展，其要求在含有原生節(jié)理和裂隙的鉆孔段進(jìn)行裂隙重張?jiān)囼?yàn)以確定原位應(yīng)力。HTPF法假定裂隙面是平的，且面上應(yīng)力一致。對(duì)于深孔三維地應(yīng)力直接測(cè)量，HTPF法可進(jìn)行大尺度的地殼地應(yīng)力測(cè)試，很有發(fā)展前途。HTPF法同HF法相比，假設(shè)少，不需考慮巖石破壞準(zhǔn)則和孔隙水壓力，在單孔中便可獲得三維地應(yīng)力。但用HTPF法測(cè)試費(fèi)時(shí)，且裂隙產(chǎn)狀和位置的確定誤差都可降低計(jì)算精度。2.套鉆孔應(yīng)力解除法套鉆孔應(yīng)力解除法根據(jù)解除方式和傳感器的安裝部位分為探孔應(yīng)力解除法、孔底應(yīng)變解除法和孔壁切割解除法。探孔應(yīng)力解除法根據(jù)傳感器的類型可分為孔壁應(yīng)變

4、法和孔徑變形法?？妆趹?yīng)變法孔壁應(yīng)變法基于巖石各向同性、均質(zhì)、連續(xù)、線彈性的假設(shè)，通過孔壁6個(gè)以上不同方向的應(yīng)變值來計(jì)算巖體的三維地應(yīng)力?？妆趹?yīng)變法又可分為直接粘貼方法和包體方法。CSIR型三軸應(yīng)變計(jì)就是將應(yīng)變?cè)苯淤N到孔壁中?？招陌w是將應(yīng)變?cè)N到薄筒壁中，再用膠將薄筒和孔壁粘結(jié)。還有一種實(shí)心圓柱式包體技術(shù)，由于受包體材料和巖石物理力學(xué)性質(zhì)差異影響大，已基本不用?？妆趹?yīng)變法最大的優(yōu)點(diǎn)是單孔單點(diǎn)可準(zhǔn)確測(cè)量巖體的三維地應(yīng)力，缺點(diǎn)是:對(duì)巖石的完整性要求高，巖芯解除長(zhǎng)度大于4060 cm，并且在巖芯易餅化時(shí)測(cè)試很難成功；存在應(yīng)變?cè)恼迟N、防潮、全過程測(cè)量和定向等問題;受溫度變化、巖性差異影響大，

5、測(cè)量結(jié)果離散性大?？讖阶冃畏讖阶冃畏ɑ旧戏譃橹苯訙y(cè)量孔徑變形或通過測(cè)量環(huán)向變形反算徑向變形2種方式，常用的有USBM型鉆孔變形計(jì)和鋼環(huán)式應(yīng)變計(jì)等。測(cè)試過程與孔壁應(yīng)變法相同，都先把探頭安裝到小孔內(nèi)，再進(jìn)行解除，克服了空心包體材料與巖體的差異帶來的影響， 2種方法都通過感應(yīng)元件的觸頭與鉆孔孔壁緊密接觸來測(cè)量孔徑變形.因感應(yīng)元件不與孔壁解除，方便標(biāo)定，變形計(jì)的線性、重復(fù)性、穩(wěn)定性好，防水性強(qiáng)，靈敏度較高，且測(cè)量周期短，可重復(fù)使用。孔底應(yīng)變法孔底應(yīng)變法可分為平底和錐體2種，在底面貼上3個(gè)以上的應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，不需要先鉆小導(dǎo)孔，對(duì)巖芯的完整性要求不高，僅5 cm長(zhǎng)即可，適合破碎巖體以及高應(yīng)力巖芯易餅

6、化區(qū)，測(cè)試成功率高，周期短，我國(guó)曾進(jìn)行過大量的測(cè)試，但目前應(yīng)用已較少，在國(guó)外卻得到了廣泛應(yīng)用?？椎讘?yīng)變法的缺點(diǎn)是僅能獲得平面應(yīng)力，且孔底必須打磨平滑或磨成錐體，在水下測(cè)試成功率低，若想獲得三維地應(yīng)力結(jié)果，通常需在3個(gè)以上不同方向鉆孔中進(jìn)行測(cè)試。3.應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力恢復(fù)法有時(shí)也被稱為應(yīng)力補(bǔ)償方法，應(yīng)用最廣泛的是扁千斤頂法。扁千斤頂法最初主要是在土木工程中作為監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化的一種手段，它的主要缺點(diǎn)是:在測(cè)量時(shí)，由于一個(gè)扁槽的測(cè)量只能確定測(cè)點(diǎn)處垂直于扁千斤頂方向的應(yīng)力分量，要確定測(cè)點(diǎn)的6個(gè)應(yīng)力分量就必須沿測(cè)點(diǎn)不同方向切割6個(gè)扁槽，這樣可能會(huì)使扁槽之間相互干擾而使得測(cè)量的結(jié)果失去意義;該法僅局限于地下巷道

7、、洞室表面的應(yīng)力測(cè)量，受開挖擾動(dòng)影響大;測(cè)試結(jié)果的可靠性受測(cè)量時(shí)的環(huán)境條件影響較大，因而在一定程度上限制了它在實(shí)際工程中的應(yīng)用。目前該法已很少被用于地應(yīng)力測(cè)量，但在礦山中仍被作為監(jiān)測(cè)礦柱和圍巖應(yīng)力變化的一種方法。4.鉆孔崩落法鉆孔崩落是孔壁巖石在高應(yīng)力作用下發(fā)生破壞脫落掉塊的現(xiàn)象，最初僅能獲得鉆孔橫截面上的最大主應(yīng)力方向。它借助于地球物理測(cè)井、深部巖體的變形破壞機(jī)理和室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果，根據(jù)崩落形狀要素及巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角可估算應(yīng)力大小。該法最大水平主應(yīng)力方向測(cè)試較精確，但應(yīng)力量值計(jì)算精度還需進(jìn)一步的提高;當(dāng)鉆孔不存在崩落時(shí)，就不能獲得相關(guān)的地應(yīng)力信息;另若巖石各向異性或非均質(zhì)性突出，也會(huì)給

8、地應(yīng)力量值和方位的確定帶來很大誤差。5.震源機(jī)制分析法震源機(jī)制分析法是了解地下深處應(yīng)力狀態(tài)的最主要方法。當(dāng)震源體積相對(duì)于所研究區(qū)域很小時(shí)，可將其近似看成是點(diǎn)源，根據(jù)一組震源機(jī)制解或地震矩張量確定該組地震所在區(qū)域的平均構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力方向和應(yīng)力比。震源機(jī)制解通常給出地震斷層面及與地震斷層面正交的輔助面的空間位置，多數(shù)情況只能給出這一對(duì)垂直面的空間位置?，F(xiàn)在實(shí)際中還發(fā)展了多震源機(jī)制解法。但震源實(shí)際過程復(fù)雜，難用沿平面的純剪切錯(cuò)動(dòng)描述。目前，已用測(cè)定震源的地震矩張量來代替雙力偶模型的震源機(jī)制解答，也可用求多個(gè)地震的平均地震矩張量的主軸方向來推斷地震所在地區(qū)的主應(yīng)力方向。常用震源模型建立在線彈性理論

9、基礎(chǔ)上，其導(dǎo)出的地震引起的位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)本質(zhì)上都是以某個(gè)不為零的初值作為參考狀態(tài)，理論上只能確定震源區(qū)地震引起的應(yīng)力變化、大區(qū)域的空間構(gòu)造應(yīng)力方向以及3個(gè)主應(yīng)力的相對(duì)大小，而不能得到絕對(duì)值。但地震波從震源發(fā)出后，在傳播途徑中可攜帶傳播介質(zhì)受應(yīng)力作用的信息。因此，有利用地震波研究傳播介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)的可能性。6.凱塞效應(yīng)法(Kaiser法)1950年德國(guó)學(xué)者凱塞(Kaiser)發(fā)現(xiàn)，受過應(yīng)力作用的巖石被再次加載時(shí)，在未達(dá)到上次加載應(yīng)力前，巖石基本沒有聲發(fā)射，在達(dá)到并超過上次加載的應(yīng)力后，聲發(fā)射顯著增加。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(diǎn)被稱為Kaiser點(diǎn)，Kaise點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即

10、為材料在歷史上受到的最高應(yīng)力。古德曼(Goodman)在20世紀(jì)60年代初通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了巖石材料具有Kaiser效應(yīng)。若利用巖芯地下定位或古地磁法確定巖芯方位，確定不同方向巖芯的最大應(yīng)力值，可得三維應(yīng)力狀態(tài)。Kaiser法地應(yīng)力測(cè)量可方便測(cè)量其他方法很難到的深度。Kaiser法存在記憶的多期性和記憶衰退問題,且試驗(yàn)圍壓對(duì)結(jié)果影響大。當(dāng)鉆孔很深時(shí),巖芯定位多采用古地磁法,但巖芯從被磁化到現(xiàn)在,巖芯的方位在地下可能發(fā)生變化。7.應(yīng)變恢復(fù)法應(yīng)變恢復(fù)法包括非彈性應(yīng)變恢復(fù)法和差應(yīng)變曲線分析法。盡管非彈性應(yīng)變恢復(fù)法測(cè)定原位應(yīng)力由沃伊特(Voight)1968年提出,但首次成功應(yīng)用則是由圖菲爾(Teufel)在1982年首次完成的當(dāng)巖芯從周圍巖體分離之后會(huì)因應(yīng)力釋放而產(chǎn)生變形,認(rèn)為變形由瞬時(shí)彈性變形和非彈性恢復(fù)變形組成。假定非彈性恢復(fù)應(yīng)變和總的恢復(fù)應(yīng)變成正比,主非彈性恢復(fù)的方向和原巖石主應(yīng)力方向相一致,并已知巖石的本構(gòu)關(guān)系,就可以確定原位應(yīng)力的大小和方向。應(yīng)變恢復(fù)法在巖芯中存在溫度變化、巖芯失水崩解、孔隙壓力變化、巖石各向異性、應(yīng)變恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、巖芯定位精度差等影響時(shí),測(cè)量精度差。實(shí)際中會(huì)碰到應(yīng)力恢復(fù)法測(cè)得的應(yīng)力方位與解除法不符,這主要與應(yīng)變恢復(fù)法僅能測(cè)得部分小應(yīng)變有關(guān)。但隨著測(cè)試