地應力測量的方法及原理

① 地應力對岩體的影響體現在哪些方面有哪幾種主要量測方法簡述地應力量測工作的重

(1)地應力影響岩體的承載能力：圍壓越大、承載能力越大。
(2)地應力影響岩體的變形和破壞機制。如在低圍壓條件下破壞的岩體，在高圍壓條件下呈現出塑性變形和塑性破壞。
(3)地應力影響岩體中的應力傳播的法則。非連續介質岩體在高圍壓條件下，其力學性質具有連續介質岩體的特徵。

② 地應力大小

1.差應變法測量地應力大小原理

岩心從地下應力狀態下取出，由於消除了地下應力作用而引起岩石中的微裂縫張開。張開的方向和密度正比於從地下取出岩心的地應力狀態。因此取心過程中的應力釋放而造成的微裂縫的優勢分布就是地應力狀態的直觀反映。

在實驗室對岩心加圍壓的過程中，岩石的壓縮可看作應力釋放時岩石膨脹的逆過程。當岩石的力學性質為各向同性，且知道一主應力值時，則可利用主應變的比值關系確定地應力的大小。

將鑽井取心加工成平行於岩心軸向的立方體岩塊，每組3個成45°角的應變片貼在3個相互垂直的平面上。將其放入加壓室內，對制備好的岩心進行重復載入，加三向等同的圍壓，同時測得各方向的應變數，並由此確定主應變特徵及其對應的地應力值。

2.測試結果

肇32-291井7塊岩心的差應變測試結果見表3-10。差應變測試平均垂向主應力梯度為0.0259MPa/m，平均水平最大主應力梯度為0.0219MPa/m，平均水平最小主應力梯度為0.0174MPa/m。垂向主應力48～49MPa，水平最大主應力39～42MPa，水平最小主應力29～34MPa。

表3-10 州201試驗區差應變法測試最大主應力結果

③ 初始地應力場的應力解除法現場測試及分析

鑽孔應力解除法是發展時間最長、技術上比較成熟的一種地應力實測方法。目前，應力解除法已形成一套標准化的測量程序。我們在這次施工階段的岩體應力測試中，也採用了這種公認的方法，使用鑽孔變形計測定測試小孔的孔徑變形，通過三個互相不平行鑽孔的孔徑變形測試，求得岩體中三維應力的大小和方向。通過對勘察設計階段水力壓裂法測試成果的分析，我們選擇了隧道中心水平地應力最大位置及受淺表生改造影響帶兩個實測斷面。

圖4-1 二郎山公路隧道水壓致裂法水平最大主應力(S_H，單位為MPa)示意圖

(據國家地震局地殼應力研究所資料，1996)

Fig.4-1 Sketch of the maximum S_H(MPa)principal stress measured by hydro-fracturing method，Erlangshan highway tunnel

4.2.1 測試原理、方法

4.2.1.1 孔徑變形測試技術

岩體處於三向應力狀態中，如果在岩體中鑽一孔，再用大孔鑽頭套鑽小孔，解除小孔周圍的應力，小孔將發生膨脹變形，如果小孔中安裝了測定小孔變形的感測元件，則小孔的變形可被測定出來，由此變形可以計算出原岩的應力。

孔徑變形法是應力解除法中的一種，是目前國內工程岩體應力測試中使用較多的方法，該方法將室內加工製作好的探頭現場安裝在測試小孔中，測定小孔在套鑽應力解除時的孔徑變形。一個鑽孔中的測試，可以求得垂直於鑽孔平面上的主應力大小和方向，這就是平面應力測試。要求確定三維應力時，需要在互相不平行的三個鑽孔中測試，這就是所謂的三孔交匯。三個鑽孔在交匯時又有虛交和實交之分，可根據不同位置的具體情況加以確定。

孔徑變形法包括製作孔徑變形探頭→鑽大孔至測試部位→鑽小孔→安裝探頭→套鑽應力解除→取出岩心→岩心彈模測定→應力解除資料的整理→應力計算等工序。

4.2.1.2 計算公式

取基本坐標系為OXYZ，OX軸指向北，OZ軸垂直向上。對鑽孔建立鑽孔坐標系Oxyz，其中x軸為鑽孔鑽進方向，y軸位於XOY平面上，如圖4-2所示。鑽孔坐標系各軸對基本坐標系各軸的方向餘弦如表4-3所示。

表4-6 隧道岩體初始地應力測試成果Tab.4-6 Mesaured value of the original geostress in tunnel

註：1.主應力方向以象限角表示，它代表主應力的投影方向；2.主應力傾角中「-」表示俯角，即傾向與方向相同。

表4-6初始地應力測試成果與實際地質條件和隧道開挖後出現的地質現象相互印證。S1測點處岩性為砂質泥岩，岩體完整性較好，測試鑽孔取出的岩心長度多大於1.5m，其單軸抗壓強度R_b為79.5MPa。但試驗彈性模量的離散性較大，各向異性明顯，相差可達1.5～2倍，平均為32.8GPa，屬Ⅳ類圍岩。S1測點最大主應力σ₁為17.5MPa，投影方向為N67.4°W(與洞軸線夾角為37.5°)；岩石強度應力比R_b/σ₁為4.54，屬於4～7范圍，根據GB50021—94標准，該處圍岩處於高地應力狀態，這與平導在該硐段出現爆裂松脫、剝落現象(屬輕微岩爆(Ⅰ級))所反應的應力狀態是一致的。S2測點毗鄰隧道中部，埋深達750m；岩性為粉砂岩，岩體嵌合緊密，各向異性不明顯，現場岩心彈性模量均一性較好，平均彈性模量值為49.7GPa，岩石單軸抗壓強度R_b最高達140MPa；實測最大主應力σ₁為35.3MPa，投影方向N85°W(與洞軸線夾角為19.9°)，岩石強度應力比R_b/σ₁為3.96(小於4)，根據GB50021—94標准，該硐段岩體已處於極高地應力狀態，這與該部位發生強烈岩爆(Ⅲ級)現象所反應的應力狀態也是一致的。

④ 初始地應力水力壓裂法測試成果及分析

4.1.1 地應力水力壓裂法測試成果

20世紀60年代末，美國人費爾赫斯特(C.Fairhurst)和海姆森(B.C.Haimson)提出了用水壓致裂法測量地應力的理論。至80年代，這一方法已在全世界范圍內得到了較為廣泛的應用。該方法的突出優點是能夠測得深部的地應力值，這是應力解除法所無法達到的。水壓致裂法測量結果只能測得垂直於鑽孔平面內的最小主應力(S_h)的大小與方向，經計算求得最大主應力。故從原理上講，它只是一種二維應力測量方法，其測量結果的可靠性和准確性尚達不到應力解除法的水平。若要測定測點的三維應力狀態，須打互不平行的交匯於一點的三個鑽孔，這在隧道勘察設計階段往往是難以做到的。一般情況下，多假定鑽孔方向為一個主應力方向，例如將鑽孔打在垂直方向，則認為垂直應力是一個主應力，其大小為自重應力，那麼由單孔水壓致裂測定結果就可以確定一個三維應力場了。但在某些情況下，垂直方向並不是一個主應力的方向，其大小也不完全等於自重應力。如果鑽孔方向和實際主應力的方向偏差15°以上，那麼上述假設就會對測試結果造成較大的誤差。此外，水壓致裂法認為初始開裂發生在鑽孔壁切向應力最小的部位，即平行於最大主應力的方向。這是基於岩石為連續、均質和各向同性的假設。如果孔壁本來就有天然節理裂隙存在，那麼初始開裂將很可能發生在這些部位，而並非切向應力最小部位，因而水壓致裂法較為適用於完整的脆性岩石中進行。所以工程實踐中，一般在工程前期勘察設計階段，可以先使用水力壓裂法總體上初步查明工程區岩體的地應力狀態，而在工程施工過程中，則可以用應力解除法比較准確地測定工程區的地應力。

在隧道勘察設計階段，國家地震局地殼應力研究所採用鑽孔水力壓裂法完成了地應力的測試工作，其主要測試成果如表4-1所示。

水壓致裂法地應力測量成果表明：

(1)工程區最大水平主應力S_H的方向為N59°W～N82°W；

(2)隧道主軸線及其附近測得的S_H最大值可達53.47MPa(CZK3 孔深707.43～708.26m)；

表4-2 川西應力解除法S_H方向測定結果Tab.4-2 S_Hmeasured results by the stress-relief method in West Sichuan

註：S_H為最大水平主應力(資料來源：四川省地震局)。

從鑽孔岩心描述資料分析可知，隧道中部CZK3鑽孔穿過F₅斷層及其下部影響帶部位測試段，由於受到斷裂構造作用的影響，出現了局部應力調整作用。此外，砂岩、粉砂岩岩心節理裂隙較發育，均一性和完整性相對較差(隧道開挖後實際情況也如此，且局部滲水)，屬Ⅲ類圍岩，因而難以滿足水壓致法所需的基本要求和假設條件，測得的所謂「地應力集中帶」(圖4-1)S_H量級與隧道開挖後無岩爆活動等實際情況不相符，結果普遍偏大。

⑤ 地應力的測量

李四光教授是中國地應力測量的創始人。早在20世紀20年代就提出地殼中水平運動為主，水平應力起主導作用。他提出，地殼內的應力活動是以往和現今使地殼克服阻力，不斷運動發展的原因；地殼各部分所發生的一切變形，包括破裂，都是地應力作用的反映；劇烈的地應力活動會引起地震。因此，「地應力的探測是地質力學具有重大實際意義的一個新方面，是值得予以重視的」。
新豐江水庫地震和邢台地震後，更加重視地應力測量工作。提出，地應力測量是實現地震預報的重要途徑。他將近八十高齡還親自參加野外地應力解除試驗工作，親自分析研究由邢台地應力觀測站發回的地應力變化曲線。
在他的領導下，中國的地應力研究與測量工作得到迅速發展。已具備了完善的理論，多種測試儀器、手段，廣泛應用於地質、油田、礦山、水工、電站、地震等各個領域。他特別注重從活動地帶里尋找穩定地區，提出了「安全島」理論，為建廠選址提供了依據，為國民經濟建設做出了重大貢獻。

⑥ 鑽井崩落法地應力測量

1.鑽井崩落法原理

自20世紀70年代以來，許多學者發現，在深鑽井中常常產生井壁岩石崩落現象，而且在同一鑽井不同深度上崩落橢圓橫截面的長軸方嚮往往相同，在地下巷道中，也發現了這種崩落破壞現象，室內實驗分析證明了這種崩落現象的力學機理，並證實崩落橢圓的長軸方向與最小水平主應力方向平行。根據這一現象，人們發展了確定地應力的鑽井崩落法。

2.下遼河盆地井壁崩落法地應力測量結果及分析

作者對下遼河盆地26口鑽井的四臂測井資料進行了崩落橢圓分析（圖6-3），並計算了主應力方向（表6-3），共收集了前人所作的42口鑽井的井壁崩落法地應力測量結果。經過綜合分析認為，遼河盆地現今最大主壓應力方向為北東東向，但在盆地不同部位，應力方向有局部變化（圖6-4）。大民屯凹陷最大主壓應力方向比較一致，為近東西向；西部凹陷在每個局部窪陷應力方向比較一致，在牛心坨地區基本上為北西向，在冷家堡地區基本上是北東向；東部凹陷最大主壓應力方向變化較大。

圖6-3 下遼河盆地東部凹陷大31井井壁崩落法地應力測量結果

表6-3 下遼河盆地井壁崩落法地應力測量結果表

圖6-4 下遼河盆地井壁崩落法現今地應力方向測量結果圖

⑦ 　地應力測試

地應力是引起采場、巷道及洞室等各種地下工程變形和破壞的根本作用力，是確定工程岩體的力學屬性、進行圍岩穩定性分析以及對工程實現科學的設計、開挖和支護等工作的必要前提。目前地應力的理論計算尚不成熟，不能滿足實際工程需要，因此有必要進行現場實測工作，特別是對推廣煤礦錨桿支護技術有其重要的價值。為更好地開展萬年煤礦煤巷錨桿支護技術研究，進行了地應力現場實測工作。

圖9.2煤巷兩幫應力狀態

圖9.3碎裂結構頂板冒落情況

地應力測量地點選擇在－240水平北三采區回風下山與軌道下山中間聯絡巷內（見圖9.4）。該區域岩層走向為NE70°～79°，傾角10°～13°，岩性為中粒砂岩。

9.1.2.1現場測試工作

該聯絡巷處在具有代表性的2號大煤頂板中，垂直埋深535m，周圍50m范圍內無明顯地質構造，測試環境基本滿足要求。實測過程如下：

（1）安置好鑽機後用φ130mm空心鑽頭鑽進大孔，鑽進深度為4.3m，鑽孔方位角為正東，仰角為5°。

（2）用φ130mm錐形鑽頭鑽進一喇叭口，以便導正小孔，鑽進深度為70mm。

（3）換用φ36mm鑽頭鑽進安裝應力計的小孔，鑽進深度300mm。

（4）清水沖洗鑽孔，並用丙酮擦洗干凈孔內的岩粉和油污。

（5）將配好的粘結劑裝入應力計空腔內，用安裝桿連好定向儀把應力計送入鑽孔，加力切斷定位銷使粘結劑擠出空腔以使探頭和孔壁粘結。

（6）固化24h後，記錄定向儀的偏離數值，拆卸安裝桿和定向儀，然後測出各應變片的初始讀數。

（7）用φ130mm空心鑽頭套芯進行應力解除，每鑽進50mm測量一次讀數，直至解除完畢。

在套芯解除過程中，當鑽進至300mm段時因故停鑽，再開鑽後鑽機將測試電纜鉸斷，故而只測得深度300mm以內的數據，但套芯已過應變片位置，讀數已趨於穩定（見圖9.5），故而測試還是成功的。

圖9.4測試地點示意圖

9.1.2.2彈性模量、泊松比測定

岩石的彈性模量和泊松比可由φ130mm空心鑽頭鑽取的岩心加工成標准試件通過試驗測得。為了提高准確性，用單軸壓縮和三軸壓縮試驗分別求得彈性模量和泊松比。

比較單軸壓縮試驗和三軸壓縮試驗所求彈性模量和泊松比結果，兩者相差不大，考慮到實際地層受三向應力的作用，故而計算地應力時採用三軸試驗所得到的結果，即彈性模量E=25.76GPa，泊松比μ＝0.28。

圖9.5KX-81型空心包體應變計岩石應力解除曲線

9.1.2.3測試結果

根據圖9.5確定的應力計讀數和基本參數，用DYLYWB軟體計算得地應力的實測結果，見下表9.5。

表9.5地應力測量結果匯總表

⑧ 聲發射測量地應力的原理及方法

這方面的論文挺多的，您找一下文章看看。我記得其中一種是利用kaiser效應，利用單軸壓縮或者三軸壓縮，監測實驗過程中的聲發射信號，找到kaiser點，該點對應的力就是最大地應力。

⑨ 地應力測量方法分哪兩類兩類主要區別在哪裡

主要可以分為絕對測量和相對測量。前者得到的是某一時期的應力水平，後者得到的是長期應力變化。

⑩ 地應力測量的介紹

地應力測量（measurement of ground stresses）是指探明地殼中各點應力狀態的測量方法。