地应力测量的方法及原理

① 地应力对岩体的影响体现在哪些方面有哪几种主要量测方法简述地应力量测工作的重

(1)地应力影响岩体的承载能力：围压越大、承载能力越大。
(2)地应力影响岩体的变形和破坏机制。如在低围压条件下破坏的岩体，在高围压条件下呈现出塑性变形和塑性破坏。
(3)地应力影响岩体中的应力传播的法则。非连续介质岩体在高围压条件下，其力学性质具有连续介质岩体的特征。

② 地应力大小

1.差应变法测量地应力大小原理

岩心从地下应力状态下取出，由于消除了地下应力作用而引起岩石中的微裂缝张开。张开的方向和密度正比于从地下取出岩心的地应力状态。因此取心过程中的应力释放而造成的微裂缝的优势分布就是地应力状态的直观反映。

在实验室对岩心加围压的过程中，岩石的压缩可看作应力释放时岩石膨胀的逆过程。当岩石的力学性质为各向同性，且知道一主应力值时，则可利用主应变的比值关系确定地应力的大小。

将钻井取心加工成平行于岩心轴向的立方体岩块，每组3个成45°角的应变片贴在3个相互垂直的平面上。将其放入加压室内，对制备好的岩心进行重复加载，加三向等同的围压，同时测得各方向的应变量，并由此确定主应变特征及其对应的地应力值。

2.测试结果

肇32-291井7块岩心的差应变测试结果见表3-10。差应变测试平均垂向主应力梯度为0.0259MPa/m，平均水平最大主应力梯度为0.0219MPa/m，平均水平最小主应力梯度为0.0174MPa/m。垂向主应力48～49MPa，水平最大主应力39～42MPa，水平最小主应力29～34MPa。

表3-10 州201试验区差应变法测试最大主应力结果

③ 初始地应力场的应力解除法现场测试及分析

钻孔应力解除法是发展时间最长、技术上比较成熟的一种地应力实测方法。目前，应力解除法已形成一套标准化的测量程序。我们在这次施工阶段的岩体应力测试中，也采用了这种公认的方法，使用钻孔变形计测定测试小孔的孔径变形，通过三个互相不平行钻孔的孔径变形测试，求得岩体中三维应力的大小和方向。通过对勘察设计阶段水力压裂法测试成果的分析，我们选择了隧道中心水平地应力最大位置及受浅表生改造影响带两个实测断面。

图4-1 二郎山公路隧道水压致裂法水平最大主应力(S_H，单位为MPa)示意图

(据国家地震局地壳应力研究所资料，1996)

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

4.2.1 测试原理、方法

4.2.1.1 孔径变形测试技术

岩体处于三向应力状态中，如果在岩体中钻一孔，再用大孔钻头套钻小孔，解除小孔周围的应力，小孔将发生膨胀变形，如果小孔中安装了测定小孔变形的传感元件，则小孔的变形可被测定出来，由此变形可以计算出原岩的应力。

孔径变形法是应力解除法中的一种，是目前国内工程岩体应力测试中使用较多的方法，该方法将室内加工制作好的探头现场安装在测试小孔中，测定小孔在套钻应力解除时的孔径变形。一个钻孔中的测试，可以求得垂直于钻孔平面上的主应力大小和方向，这就是平面应力测试。要求确定三维应力时，需要在互相不平行的三个钻孔中测试，这就是所谓的三孔交汇。三个钻孔在交汇时又有虚交和实交之分，可根据不同位置的具体情况加以确定。

孔径变形法包括制作孔径变形探头→钻大孔至测试部位→钻小孔→安装探头→套钻应力解除→取出岩心→岩心弹模测定→应力解除资料的整理→应力计算等工序。

4.2.1.2 计算公式

取基本坐标系为OXYZ，OX轴指向北，OZ轴垂直向上。对钻孔建立钻孔坐标系Oxyz，其中x轴为钻孔钻进方向，y轴位于XOY平面上，如图4-2所示。钻孔坐标系各轴对基本坐标系各轴的方向余弦如表4-3所示。

表4-6 隧道岩体初始地应力测试成果Tab.4-6 Mesaured value of the original geostress in tunnel

注：1.主应力方向以象限角表示，它代表主应力的投影方向；2.主应力倾角中“-”表示俯角，即倾向与方向相同。

表4-6初始地应力测试成果与实际地质条件和隧道开挖后出现的地质现象相互印证。S1测点处岩性为砂质泥岩，岩体完整性较好，测试钻孔取出的岩心长度多大于1.5m，其单轴抗压强度R_b为79.5MPa。但试验弹性模量的离散性较大，各向异性明显，相差可达1.5～2倍，平均为32.8GPa，属Ⅳ类围岩。S1测点最大主应力σ₁为17.5MPa，投影方向为N67.4°W(与洞轴线夹角为37.5°)；岩石强度应力比R_b/σ₁为4.54，属于4～7范围，根据GB50021—94标准，该处围岩处于高地应力状态，这与平导在该硐段出现爆裂松脱、剥落现象(属轻微岩爆(Ⅰ级))所反应的应力状态是一致的。S2测点毗邻隧道中部，埋深达750m；岩性为粉砂岩，岩体嵌合紧密，各向异性不明显，现场岩心弹性模量均一性较好，平均弹性模量值为49.7GPa，岩石单轴抗压强度R_b最高达140MPa；实测最大主应力σ₁为35.3MPa，投影方向N85°W(与洞轴线夹角为19.9°)，岩石强度应力比R_b/σ₁为3.96(小于4)，根据GB50021—94标准，该硐段岩体已处于极高地应力状态，这与该部位发生强烈岩爆(Ⅲ级)现象所反应的应力状态也是一致的。

④ 初始地应力水力压裂法测试成果及分析

4.1.1 地应力水力压裂法测试成果

20世纪60年代末，美国人费尔赫斯特(C.Fairhurst)和海姆森(B.C.Haimson)提出了用水压致裂法测量地应力的理论。至80年代，这一方法已在全世界范围内得到了较为广泛的应用。该方法的突出优点是能够测得深部的地应力值，这是应力解除法所无法达到的。水压致裂法测量结果只能测得垂直于钻孔平面内的最小主应力(S_h)的大小与方向，经计算求得最大主应力。故从原理上讲，它只是一种二维应力测量方法，其测量结果的可靠性和准确性尚达不到应力解除法的水平。若要测定测点的三维应力状态，须打互不平行的交汇于一点的三个钻孔，这在隧道勘察设计阶段往往是难以做到的。一般情况下，多假定钻孔方向为一个主应力方向，例如将钻孔打在垂直方向，则认为垂直应力是一个主应力，其大小为自重应力，那么由单孔水压致裂测定结果就可以确定一个三维应力场了。但在某些情况下，垂直方向并不是一个主应力的方向，其大小也不完全等于自重应力。如果钻孔方向和实际主应力的方向偏差15°以上，那么上述假设就会对测试结果造成较大的误差。此外，水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，即平行于最大主应力的方向。这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。如果孔壁本来就有天然节理裂隙存在，那么初始开裂将很可能发生在这些部位，而并非切向应力最小部位，因而水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中进行。所以工程实践中，一般在工程前期勘察设计阶段，可以先使用水力压裂法总体上初步查明工程区岩体的地应力状态，而在工程施工过程中，则可以用应力解除法比较准确地测定工程区的地应力。

在隧道勘察设计阶段，国家地震局地壳应力研究所采用钻孔水力压裂法完成了地应力的测试工作，其主要测试成果如表4-1所示。

水压致裂法地应力测量成果表明：

(1)工程区最大水平主应力S_H的方向为N59°W～N82°W；

(2)隧道主轴线及其附近测得的S_H最大值可达53.47MPa(CZK3 孔深707.43～708.26m)；

表4-2 川西应力解除法S_H方向测定结果Tab.4-2 S_Hmeasured results by the stress-relief method in West Sichuan

注：S_H为最大水平主应力(资料来源：四川省地震局)。

从钻孔岩心描述资料分析可知，隧道中部CZK3钻孔穿过F₅断层及其下部影响带部位测试段，由于受到断裂构造作用的影响，出现了局部应力调整作用。此外，砂岩、粉砂岩岩心节理裂隙较发育，均一性和完整性相对较差(隧道开挖后实际情况也如此，且局部渗水)，属Ⅲ类围岩，因而难以满足水压致法所需的基本要求和假设条件，测得的所谓“地应力集中带”(图4-1)S_H量级与隧道开挖后无岩爆活动等实际情况不相符，结果普遍偏大。

⑤ 地应力的测量

李四光教授是中国地应力测量的创始人。早在20世纪20年代就提出地壳中水平运动为主，水平应力起主导作用。他提出，地壳内的应力活动是以往和现今使地壳克服阻力，不断运动发展的原因；地壳各部分所发生的一切变形，包括破裂，都是地应力作用的反映；剧烈的地应力活动会引起地震。因此，“地应力的探测是地质力学具有重大实际意义的一个新方面，是值得予以重视的”。
新丰江水库地震和邢台地震后，更加重视地应力测量工作。提出，地应力测量是实现地震预报的重要途径。他将近八十高龄还亲自参加野外地应力解除试验工作，亲自分析研究由邢台地应力观测站发回的地应力变化曲线。
在他的领导下，中国的地应力研究与测量工作得到迅速发展。已具备了完善的理论，多种测试仪器、手段，广泛应用于地质、油田、矿山、水工、电站、地震等各个领域。他特别注重从活动地带里寻找稳定地区，提出了“安全岛”理论，为建厂选址提供了依据，为国民经济建设做出了重大贡献。

⑥ 钻井崩落法地应力测量

1.钻井崩落法原理

自20世纪70年代以来，许多学者发现，在深钻井中常常产生井壁岩石崩落现象，而且在同一钻井不同深度上崩落椭圆横截面的长轴方向往往相同，在地下巷道中，也发现了这种崩落破坏现象，室内实验分析证明了这种崩落现象的力学机理，并证实崩落椭圆的长轴方向与最小水平主应力方向平行。根据这一现象，人们发展了确定地应力的钻井崩落法。

2.下辽河盆地井壁崩落法地应力测量结果及分析

作者对下辽河盆地26口钻井的四臂测井资料进行了崩落椭圆分析（图6-3），并计算了主应力方向（表6-3），共收集了前人所作的42口钻井的井壁崩落法地应力测量结果。经过综合分析认为，辽河盆地现今最大主压应力方向为北东东向，但在盆地不同部位，应力方向有局部变化（图6-4）。大民屯凹陷最大主压应力方向比较一致，为近东西向；西部凹陷在每个局部洼陷应力方向比较一致，在牛心坨地区基本上为北西向，在冷家堡地区基本上是北东向；东部凹陷最大主压应力方向变化较大。

图6-3 下辽河盆地东部凹陷大31井井壁崩落法地应力测量结果

表6-3 下辽河盆地井壁崩落法地应力测量结果表

图6-4 下辽河盆地井壁崩落法现今地应力方向测量结果图

⑦ 　地应力测试

地应力是引起采场、巷道及洞室等各种地下工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体的力学属性、进行围岩稳定性分析以及对工程实现科学的设计、开挖和支护等工作的必要前提。目前地应力的理论计算尚不成熟，不能满足实际工程需要，因此有必要进行现场实测工作，特别是对推广煤矿锚杆支护技术有其重要的价值。为更好地开展万年煤矿煤巷锚杆支护技术研究，进行了地应力现场实测工作。

图9.2煤巷两帮应力状态

图9.3碎裂结构顶板冒落情况

地应力测量地点选择在－240水平北三采区回风下山与轨道下山中间联络巷内（见图9.4）。该区域岩层走向为NE70°～79°，倾角10°～13°，岩性为中粒砂岩。

9.1.2.1现场测试工作

该联络巷处在具有代表性的2号大煤顶板中，垂直埋深535m，周围50m范围内无明显地质构造，测试环境基本满足要求。实测过程如下：

（1）安置好钻机后用φ130mm空心钻头钻进大孔，钻进深度为4.3m，钻孔方位角为正东，仰角为5°。

（2）用φ130mm锥形钻头钻进一喇叭口，以便导正小孔，钻进深度为70mm。

（3）换用φ36mm钻头钻进安装应力计的小孔，钻进深度300mm。

（4）清水冲洗钻孔，并用丙酮擦洗干净孔内的岩粉和油污。

（5）将配好的粘结剂装入应力计空腔内，用安装杆连好定向仪把应力计送入钻孔，加力切断定位销使粘结剂挤出空腔以使探头和孔壁粘结。

（6）固化24h后，记录定向仪的偏离数值，拆卸安装杆和定向仪，然后测出各应变片的初始读数。

（7）用φ130mm空心钻头套芯进行应力解除，每钻进50mm测量一次读数，直至解除完毕。

在套芯解除过程中，当钻进至300mm段时因故停钻，再开钻后钻机将测试电缆铰断，故而只测得深度300mm以内的数据，但套芯已过应变片位置，读数已趋于稳定（见图9.5），故而测试还是成功的。

图9.4测试地点示意图

9.1.2.2弹性模量、泊松比测定

岩石的弹性模量和泊松比可由φ130mm空心钻头钻取的岩心加工成标准试件通过试验测得。为了提高准确性，用单轴压缩和三轴压缩试验分别求得弹性模量和泊松比。

比较单轴压缩试验和三轴压缩试验所求弹性模量和泊松比结果，两者相差不大，考虑到实际地层受三向应力的作用，故而计算地应力时采用三轴试验所得到的结果，即弹性模量E=25.76GPa，泊松比μ＝0.28。

图9.5KX-81型空心包体应变计岩石应力解除曲线

9.1.2.3测试结果

根据图9.5确定的应力计读数和基本参数，用DYLYWB软件计算得地应力的实测结果，见下表9.5。

表9.5地应力测量结果汇总表

⑧ 声发射测量地应力的原理及方法

这方面的论文挺多的，您找一下文章看看。我记得其中一种是利用kaiser效应，利用单轴压缩或者三轴压缩，监测实验过程中的声发射信号，找到kaiser点，该点对应的力就是最大地应力。

⑨ 地应力测量方法分哪两类两类主要区别在哪里

主要可以分为绝对测量和相对测量。前者得到的是某一时期的应力水平，后者得到的是长期应力变化。

⑩ 地应力测量的介绍

地应力测量（measurement of ground stresses）是指探明地壳中各点应力状态的测量方法。