地應(yīng)力及其測(cè)試技術(shù)

1、 地應(yīng)力及其測(cè)試技術(shù)1、引言巖體中的應(yīng)力是巖體穩(wěn)定性與工程運(yùn)營(yíng)必須考慮的因素。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里，地殼始終處于不斷運(yùn)動(dòng)、變化之中，由此引起構(gòu)造應(yīng)力。引起巖體的應(yīng)力除了構(gòu)造應(yīng)力，還有上覆巖體的自重應(yīng)力、氣溫變化引起的溫度應(yīng)力、地震力以及由于結(jié)晶作用、變質(zhì)作用、沉積作用、固結(jié)作用、脫水作用所引起的應(yīng)力等。這些在人類(lèi)工程活動(dòng)之前存在于巖體中的應(yīng)力，就稱(chēng)為地應(yīng)力或天然應(yīng)力。由于巖體中的地應(yīng)力分布是及其復(fù)雜的，特別是巖體遭受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)之后應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜，分布規(guī)律千變?nèi)f化。因此目前對(duì)于巖體中地應(yīng)力的大小以及其分布規(guī)律的研究尚缺乏完整系統(tǒng)的理論成果。盡管近年來(lái)很多學(xué)者對(duì)于地應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和理論研究都做了

2、大量的工作，并取得一定的進(jìn)展。但是，要達(dá)到能夠確切掌握巖體中的初始應(yīng)力大小及其分布規(guī)律，目前還有較大的距離。雖然目前仍難以對(duì)巖體中地應(yīng)力的大小及其分布規(guī)律達(dá)到確切的掌握，但是地應(yīng)力狀態(tài)與巖體穩(wěn)定性的關(guān)系極大，它不僅是決定巖體穩(wěn)定性的重要因素，而且直接影響各類(lèi)巖體工程的設(shè)計(jì)和施工。在高地應(yīng)力區(qū)所進(jìn)行的巖體開(kāi)挖，常常會(huì)引起一系列與開(kāi)挖卸載回彈和應(yīng)力釋放相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象。在高地應(yīng)力的脆性巖體開(kāi)挖時(shí),甚至能發(fā)生巖爆現(xiàn)象。這些不利現(xiàn)象都極大程度上影響著施工和運(yùn)營(yíng)安全，因此，巖體地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)工程建設(shè)有著重要的意義。2、地應(yīng)力的組成及其特點(diǎn)2.1地應(yīng)力的組成地應(yīng)力的組成成分是地應(yīng)力的來(lái)源，它主要來(lái)自五

3、個(gè)方面，即巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地形勢(shì)、剝蝕作用和封閉應(yīng)力。自重應(yīng)力是地心對(duì)巖體的引力。地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)力，包括古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力。前者是地質(zhì)史上由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘留于巖體內(nèi)部的應(yīng)力，也稱(chēng)為構(gòu)造殘余應(yīng)力；后者是現(xiàn)今正在形成某種構(gòu)造體系和構(gòu)造型式的應(yīng)力，也是導(dǎo)致當(dāng)今地震和最新地殼變形的應(yīng)力。地形勢(shì)與剝蝕作用引起的應(yīng)力僅限于局部的應(yīng)力場(chǎng)受到影響，例如，高山峽谷或者深切河谷底部的應(yīng)力往往比較集中；地表剝蝕會(huì)使該處地應(yīng)力的鉛垂應(yīng)力分量降低較多，而水平應(yīng)力基本保持不變等等。封閉應(yīng)力是地殼經(jīng)受高溫高壓引起巖石變形時(shí)，由于巖石顆粒的晶體之間發(fā)生摩擦，部分變形受到阻礙而將應(yīng)力積聚封閉于巖石之中，

4、并處于平衡狀態(tài)，即使卸載，其變形往往不能完全恢復(fù)，故稱(chēng)封閉應(yīng)力。2.1.1自重應(yīng)力在地殼的原始應(yīng)力場(chǎng)中，自重應(yīng)力場(chǎng)是其重要組成部分。在20世紀(jì)20年代，德國(guó)科學(xué)家海姆就提出地殼一定深度的自重應(yīng)力場(chǎng)解析解，且被廣泛應(yīng)用。海姆理論應(yīng)用彈性理論方法，并假設(shè)巖體為均質(zhì)各向同性體，對(duì)于沒(méi)有受到構(gòu)造作用，產(chǎn)狀較為平緩的巖層，在深度為H處的垂直自重應(yīng)力可按下式計(jì)算：g=yHz式中G自重應(yīng)力垂直分量；zy巖石容重；半無(wú)限體中的任一微分單元體上的正應(yīng)力G、G、G顯然都是主應(yīng)力，而且水xyz平方向兩個(gè)應(yīng)力與應(yīng)變彼此相等，即，G=G，=xyxy若假設(shè)半無(wú)限體中任一單元體上都不產(chǎn)生側(cè)向變形，即=0 xy貝U有-(G+

5、G)=0EEyz式中，E、分別為巖石的彈性模量與泊松比。又由于G=G，所以上式可化為xy若令k=-L則有1g=g=Kgxyz式中，K即為側(cè)壓力系數(shù)，在實(shí)驗(yàn)條件下所測(cè)定的泊松比為0.20.3,此時(shí)側(cè)壓力系數(shù)為0.250.4。2.1.2構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力是地質(zhì)運(yùn)動(dòng)引起的，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)結(jié)束之后，殘留于巖體之中。在巖石圈的一定深度范圍內(nèi)，巖體構(gòu)造應(yīng)力隨深度不斷增大.在工程涉及的深度范圍內(nèi)，這種隨深度的變化梯度往往大于自重應(yīng)力水平分量的變化梯度，因此，工程中構(gòu)造應(yīng)力隨深度的變化是不能忽略的。但是，由于構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)雜性，目前仍難以提出構(gòu)造應(yīng)力的理論解。2.1.3其它應(yīng)力除了自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，地應(yīng)力場(chǎng)還受地形

6、、地貌、氣溫等因素的影響。首先為溫度應(yīng)力，它隨著距離地表深度增加，地溫地?zé)崾沟脦r體性質(zhì)改變，并產(chǎn)生附加應(yīng)力。除此之外，地形、地貌，地殼剝蝕等因素也在一定程度上影響著地應(yīng)力場(chǎng)。2.2地應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)一般情況下，地應(yīng)力場(chǎng)是一個(gè)三向不等壓的空間應(yīng)力場(chǎng)，其中主應(yīng)力大小和方向是隨空間和時(shí)間的變化而變化。特別是隨時(shí)間變化更為明顯。2.2.2垂直地應(yīng)力的特征一般情況下，在深度252700范圍內(nèi)，很多地區(qū)垂直地應(yīng)力v大致等于平均密度為2.7g/cm3計(jì)算出來(lái)的上覆巖體的自重。但是，在某些目前正在進(jìn)行的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的地區(qū),V可能顯著大于上覆巖體自重的結(jié)果。初始應(yīng)力場(chǎng)的垂直應(yīng)力分量并非與地表垂直，多數(shù)有10左右的偏角。

7、而且，垂直應(yīng)力常常是主應(yīng)力之一。但是，與單純的自重應(yīng)力場(chǎng)不同的是，V大都是最小主應(yīng)力，少數(shù)為最大或中間主應(yīng)力。2.2.2水平地應(yīng)力的特征巖體中水平地應(yīng)力的分布和變化規(guī)律是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。根據(jù)已有實(shí)測(cè)結(jié)果分析，巖體中水平地應(yīng)力主要受地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制，同時(shí)還受到巖體自重、侵蝕所導(dǎo)致的天然卸載作用、現(xiàn)代構(gòu)造斷裂運(yùn)動(dòng)、應(yīng)力調(diào)整和釋放以及巖體力學(xué)性質(zhì)等因素的影響。巖體中的水平地應(yīng)力可以概括為以下特點(diǎn)。水平應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，很少出現(xiàn)拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力多具有局部性質(zhì)。水平應(yīng)力一般大于垂直應(yīng)力。兩個(gè)水平應(yīng)力和通常不等。一般來(lái)說(shuō)，/的值隨地區(qū)h,maxh,minh,minh,max不同而變化。起范圍為

8、0.20.8。最大與最小水平應(yīng)力隨深度增加而增大，但是變化的梯度在不同地區(qū)不一樣。在單薄的山體、山谷附近以及未受構(gòu)造變動(dòng)的巖體中，水平應(yīng)力均小于垂直應(yīng)力。2.2.2水平地應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值的特征地應(yīng)力場(chǎng)中，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比定義為比值系數(shù)，用九表示。世界各地的測(cè)量結(jié)果表明，絕大多數(shù)情況下，平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值為1.510.6。應(yīng)力比值隨深度的增大而減小。對(duì)于不同地區(qū)，九值略有差異，但其變化范圍基本上介于下述不等式所圈定的范圍內(nèi)：0.3+100ZX0.5+1500Z式中，Z為實(shí)測(cè)應(yīng)力的深度，以m為單位。根據(jù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)力測(cè)試資料得出，距地表一定深度后，值逐漸趨于1,即水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力

9、相等，且都接近自重應(yīng)力。由此可知，較大深度時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)接近于靜水壓力狀態(tài)，這也是海姆早就指出的情況。他指出，在巖體深處的初始垂直應(yīng)力與其上覆巖體的質(zhì)量成正比，而水平應(yīng)力大致與垂直應(yīng)力相等。3地應(yīng)力的測(cè)量在工程設(shè)計(jì)時(shí)，巖體中地應(yīng)力大小以及其分布狀態(tài)，是不可缺少的重要資料之一。但是由于地應(yīng)力不易計(jì)算，所以最好的辦法是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。此外，即使在工程建成后的使用階段，為了監(jiān)測(cè)巖體中應(yīng)力的變化和活動(dòng)情況以及對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行校核，也需對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量因此，地應(yīng)力的測(cè)量一直是一個(gè)重要的工作。由于地應(yīng)力是一個(gè)非可測(cè)的物理量，它只能通過(guò)測(cè)量應(yīng)力變化而引起的諸如位移、應(yīng)變或電阻、電感、波速等可測(cè)物理量的變化值，然后通過(guò)

10、某種假設(shè)反算出其應(yīng)力值。目前國(guó)內(nèi)外主要用的地應(yīng)力測(cè)量方法有：水壓致裂法、扁千斤頂法和鉆孔套心鉆孔應(yīng)力解除法等3種方法。本文將著重介紹水壓致裂法。水壓致裂法是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種地應(yīng)力測(cè)量方法，該方法是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)頒布的確定巖石應(yīng)力推薦方法之一，是目前國(guó)際上能較好地直接進(jìn)行深孔應(yīng)力測(cè)量的先進(jìn)方法。該方法無(wú)需知道巖石的力學(xué)參數(shù)就可獲得地層中現(xiàn)今地應(yīng)力的多種參量，并具有操作簡(jiǎn)便、可進(jìn)行連續(xù)或重復(fù)測(cè)試、測(cè)量速度快、測(cè)量值可靠等特點(diǎn)，近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用,并取得大量的成果。3.1測(cè)量原理水箱水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量利用一對(duì)可膨脹的橡膠封隔器，在預(yù)定的測(cè)試深度封隔一段鉆孔，然后泵入

11、液體對(duì)該段鉆孔施壓，根據(jù)壓裂過(guò)程曲線(xiàn)的壓力特征值計(jì)算地應(yīng)力。如左圖所示。水壓致裂法原地應(yīng)力測(cè)量是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，并以F面3個(gè)假設(shè)為前提：(a)有圓孔的無(wú)限大平板受到應(yīng)力1和6作用巖石是線(xiàn)彈性和各向同性的；巖石是完整的，壓裂液體對(duì)巖石來(lái)說(shuō)是非滲透的；(b)圓孔壁上的應(yīng)力集中巖層中有一個(gè)主應(yīng)力的方向和孔軸平行。在上述理論和假設(shè)前提下，水壓致裂的力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)平面應(yīng)力問(wèn)題，如下圖所示。當(dāng)鉆孔存在孔隙壓力時(shí)，可以將主應(yīng)力分解為有效應(yīng)力（即巖石晶粒格架承受的應(yīng)力）和孔隙壓力（即巖石孔隙中的液體壓力），即TOC o 1-5 h zG=O+ph,maxh,max0G=O+ph,minh,min0O=

12、O+pvv0式中：O和o分別代表最大和最小水平主應(yīng)力；O代表垂直主應(yīng)力；h,maxh,minvh,max和O，分別為最大和最小有效水平應(yīng)力；O,為垂直有效應(yīng)力；p為孔隙壓力。h,minv0地殼中某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)可用三個(gè)主應(yīng)力分量Oh,max、Oh,min和O”來(lái)表Z示o在上圖中，相當(dāng)于有兩個(gè)主應(yīng)力O和O，作用在有一半徑為a的圓孔的無(wú)限大平板12上，根據(jù)彈性力學(xué)分析，當(dāng)r=a時(shí)，即圓孔壁上的應(yīng)力狀態(tài)o=0ro=（o+o）2（0-o）cos20TOC o 1-5 h z91212T0=由上式可知，上圖（b）所示的孔壁A、B兩點(diǎn)，及其對(duì)稱(chēng)處的應(yīng)力集中分別為o=o=3ooAA21o=o=3o

13、oBB12假設(shè)o=o、o=o。當(dāng)泵入高壓后，在鉆孔內(nèi)壁作用有內(nèi)水壓力pc，則拉裂時(shí)A破1h,max2h,min壞的條件為3oop=oTOC o 1-5 h zh,minh,maxc1t式中，Ot為巖石的抗拉強(qiáng)度。在孔壁拉裂隙形成以后，如果要繼續(xù)維持拉裂隙張開(kāi)而又不進(jìn)一步擴(kuò)展，則水壓需要滿(mǎn)足以下條件：O=ph,mins式中，ps為為穩(wěn)定裂隙而不張開(kāi)需維持的水壓。聯(lián)立上面兩式，可解得水平天然應(yīng)力為o=o+3oph,maxth,minc1O=ph,min式中，p和p都是試驗(yàn)測(cè)得的，b是孔壁巖石的抗拉強(qiáng)度，可由試驗(yàn)確定。因此，通c1St過(guò)水壓拉裂試驗(yàn)可以求出b和b的值。h,maxh,min3.2水壓致

14、裂法步驟水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量首先用橡膠封隔器封隔選定測(cè)量段，再向封隔段內(nèi)注入高壓水，直到將孔壁巖石壓裂。它是在成巖良好的堅(jiān)硬巖層中進(jìn)行的，并假定：巖石是均勻的，脆性和各向同性的線(xiàn)彈性體；鉆孔與三個(gè)主應(yīng)力之一平行(三主應(yīng)力方向之一接近垂直向，故一般取垂直孔)；當(dāng)巖石為多孔介質(zhì)是，注入流體按達(dá)西定律在巖石孔隙中流動(dòng)。先對(duì)鉆孔巖心作分析，選擇巖體完整性好的孔段作為測(cè)量段，用一對(duì)可膨脹的橡膠封隔器將測(cè)量段封隔起來(lái)，然后通過(guò)耐高壓的鉆桿向測(cè)量段連續(xù)注入高壓水，并不斷增壓直到測(cè)量段巖石壓裂產(chǎn)生裂縫。此后進(jìn)行多次破裂縫的重張循環(huán)試驗(yàn)，以取得可靠的應(yīng)力參數(shù)。在每個(gè)壓裂、重張過(guò)程中，連續(xù)記錄壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，

15、根據(jù)壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)可計(jì)算出各鉆孔橫截面上的應(yīng)力。試驗(yàn)過(guò)程如下：封隔測(cè)量段：把一對(duì)封隔器用送進(jìn)桿安放到需要測(cè)量的孔段位置，啟動(dòng)高壓油泵，使封隔器膨脹。巖石破裂：轉(zhuǎn)換油路開(kāi)關(guān)，再開(kāi)動(dòng)高壓油泵，向測(cè)量段連續(xù)注入高壓水，使測(cè)量段內(nèi)的液體壓力不斷增大。當(dāng)測(cè)量段孔壁上的切向有效張應(yīng)力等于或大于巖石的抗張強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在孔壁上產(chǎn)生裂縫。關(guān)泵：當(dāng)破裂形成后，繼續(xù)施加水壓以擴(kuò)張裂隙，當(dāng)裂隙擴(kuò)張至3倍直徑深度時(shí)，關(guān)閉高壓油泵，保持壓力恒定，這時(shí)，便得到了破裂面處于臨界閉合時(shí)的平衡力，也就是垂直于破裂面的主應(yīng)力，即瞬時(shí)閉合壓力。卸壓:在測(cè)量出瞬時(shí)閉合壓力之后，即進(jìn)行卸壓，地面泵壓降為零。此后，在壓裂段孔內(nèi)，不再

16、承受外加的液壓作用，上述水壓所形成的破裂面處于完全閉合狀態(tài)。上述四個(gè)步驟是水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的基本操作程序。每個(gè)測(cè)量段都要進(jìn)行34次循環(huán)操作，以便取得合理的壓裂參數(shù)以研究巖石破裂和裂縫延伸的過(guò)程。印模：鉆孔橫截面上主應(yīng)力的方向，即水壓破裂面的方向確定是采用一套自動(dòng)定向印模器，直接將孔壁上的破裂痕跡印模下來(lái)。據(jù)此，便可得到裂縫破裂的形態(tài)和方向。3.3水壓致裂法的優(yōu)點(diǎn)與其他應(yīng)力測(cè)量方法比較，鉆孔水壓致裂法具有以下優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量深度較深。資料整理時(shí)不需要巖石彈性參數(shù)參與計(jì)算，可以避免因巖石彈性參數(shù)取值不準(zhǔn)確引起的誤差。巖壁受力范圍較廣，可以避免“點(diǎn)”應(yīng)力狀態(tài)的局限性和地質(zhì)條件不均勻性的影響。操作簡(jiǎn)單，

17、測(cè)試周期短。4、結(jié)論本文論述了地應(yīng)力的特點(diǎn)及其測(cè)試技術(shù)。主要闡述了以下幾點(diǎn)內(nèi)容：地應(yīng)力是由構(gòu)造應(yīng)力、巖體自重應(yīng)力以及溫度變化引起的溫度應(yīng)力等組成的。其中，構(gòu)造應(yīng)力是地應(yīng)力的主要組成部分，它在很大程度上決定著水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值。自重應(yīng)力地應(yīng)力的重要組成部分，它跟上覆巖體的質(zhì)量成正比。地應(yīng)力場(chǎng)是一個(gè)三向不等壓的空間應(yīng)力場(chǎng)，其中，垂直應(yīng)力常常是主應(yīng)力之一，而且大都是最小主應(yīng)力，少數(shù)為最大或中間主應(yīng)力。巖體中水平地應(yīng)力主要受地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制，且一般大于垂直應(yīng)力。地應(yīng)力場(chǎng)中，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值在1.510.6之間。應(yīng)力比值隨深度的增大而減小。在巖體深處的初始垂直應(yīng)力與其上覆巖體的質(zhì)量成正比，而水平應(yīng)力大致與垂直應(yīng)力相等。由于地應(yīng)力不易計(jì)算，獲取地應(yīng)力場(chǎng)情況的最好辦法是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。目前