地應(yīng)力測(cè)試方法

1、地應(yīng)力主要測(cè)試方法總結(jié)摘要：本文總結(jié)了目前使用較為廣泛的26種地應(yīng)力測(cè)試，并對(duì)這些方法的基本原理做了簡(jiǎn)要介紹。這26種方法按照數(shù)據(jù)源途徑可以分為5大類(lèi)，分別為基于巖芯的方法、基于鉆孔的方法、地質(zhì)學(xué)方法、地球物理學(xué)方法以及基于地下空間的方法。最后文章對(duì)這些方法進(jìn)行了的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了分析對(duì)比。蓄存在巖體內(nèi)部未受到擾動(dòng)的應(yīng)力稱(chēng)之為地應(yīng)力，地應(yīng)力可以分為兩類(lèi)，原地應(yīng)力和誘發(fā)應(yīng)力，而原地應(yīng)力主要來(lái)自五個(gè)方面:巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)、萬(wàn)有引力、封閉應(yīng)力和外部荷載。地應(yīng)力具有多來(lái)源性且受到多種因素的影響，因此地殼巖體地應(yīng)力分布復(fù)雜多變。從海姆假說(shuō)認(rèn)為“巖體中賦存的應(yīng)力近似為靜水壓力狀態(tài)，且等于上覆巖

2、體自重”到金尼克假說(shuō)認(rèn)為“垂直應(yīng)力等于上覆巖體自重，水平應(yīng)力等于巖體泊松效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力”，人們對(duì)巖體應(yīng)力的認(rèn)識(shí)逐步提高，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)否定了以上兩種假說(shuō)。社會(huì)發(fā)展的需求直接催生了大量地應(yīng)力測(cè)試和估算方法，而這些方法的發(fā)展又進(jìn)一步促進(jìn)了人類(lèi)社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、資源和能源開(kāi)發(fā)。隨著人類(lèi)對(duì)能源和礦產(chǎn)資源需求量的增加和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大，淺部礦產(chǎn)資源日益減少，國(guó)內(nèi)外礦山都相繼進(jìn)入深部資源開(kāi)發(fā)狀態(tài)，而深部開(kāi)采中遇到的“三高”問(wèn)題(高地應(yīng)力、高地溫、高水壓) 將成為深部開(kāi)采巖體力學(xué)研究中的焦點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。準(zhǔn)確確定深部開(kāi)發(fā)空間區(qū)域的原地應(yīng)力狀態(tài)是解決以上難題的必要途徑之一，這就需要進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試方法和技術(shù)的

3、研究。從地應(yīng)力概念提出至今，各國(guó)科學(xué)家提出了數(shù)十種地應(yīng)力測(cè)試方法，將其按照數(shù)據(jù)來(lái)源進(jìn)行歸類(lèi)，大概可以分為五大類(lèi):基于巖芯的方法、基于鉆孔的方法、地質(zhì)學(xué)方法、地球物理方法( 或地震學(xué)方法)、基于地下空間的方法。下面將對(duì)各種方法的測(cè)試原理和方法發(fā)展的脈絡(luò)作一些簡(jiǎn)要介紹，表1包括了目前認(rèn)可程度和使用范圍較廣的各種方法.表1 原地應(yīng)力測(cè)試和估算方法匯總分類(lèi)序號(hào)名稱(chēng)基于巖心的方法1非彈性應(yīng)變恢復(fù)法2差應(yīng)變曲線分析法3差波速分析法4餅狀巖心/巖心誘發(fā)裂紋法5聲發(fā)射法6圓周波速各向異性分析法7巖心二次應(yīng)力解除法8微裂隙研相分析法9軸向點(diǎn)載荷分析法基于鉆孔的方法10微型水壓致裂法11套筒壓裂法12原生裂隙水壓

4、致裂發(fā)13套芯解除14鉆孔崩落15孔壁誘發(fā)張裂縫16鉆孔變形17鉆孔滲漏實(shí)驗(yàn)地質(zhì)學(xué)方法18地傾斜調(diào)查19斷層滑動(dòng)反演20新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)節(jié)理測(cè)繪21火山口排列調(diào)查地球物理方法22震源機(jī)制解23地球物理測(cè)井基于地下空間的方法24扁千斤頂25表面解除法26反分析法1 基于巖心的方法1.1 非彈性應(yīng)變恢復(fù)法非彈性應(yīng)變恢復(fù)法(ASR)是通過(guò)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)從井孔取得的定向巖芯與時(shí)間相關(guān)的應(yīng)變松弛變形來(lái)反演原地應(yīng)力場(chǎng)方向和量值的一種方法。巖芯從井孔取出后，由于作用在巖芯上的原地應(yīng)力場(chǎng)突然消失，巖芯會(huì)沿周向產(chǎn)生差別松弛變形，變形包括巖芯從母巖解除下來(lái)后立即產(chǎn)生的彈性變形和隨巖芯放置時(shí)間延長(zhǎng)逐步產(chǎn)生的非彈性變形。非彈性應(yīng)

5、變恢復(fù)過(guò)程原理如圖1-1 所示。這些變形都與原來(lái)加載在巖芯上的原地應(yīng)力場(chǎng)密切相關(guān)，因而可以通過(guò)測(cè)量這些變形量來(lái)分析原地應(yīng)力場(chǎng)。目前可以通過(guò)兩種方法測(cè)試巖芯的非彈性應(yīng)變量，一種是高精度卡夾，一種是應(yīng)變片。該方法主要適用于深孔和軟巖的巖芯應(yīng)力測(cè)量，當(dāng)巖芯從深孔中取出后，由于原來(lái)經(jīng)受的應(yīng)力很高，非彈性應(yīng)變恢復(fù)現(xiàn)象會(huì)非常明顯，對(duì)于淺孔和硬巖，由于非彈性應(yīng)變量較小，使得測(cè)試結(jié)果的可靠性降低。圖1-1 非彈性應(yīng)變恢復(fù)法原理示意圖1.2 差應(yīng)變曲線分析法差應(yīng)變曲線分析法(DSCA) 是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)定向巖樣施加圍壓，觀測(cè)比較巖樣不同方向上的相對(duì)應(yīng)變，進(jìn)而估算原地應(yīng)力方向和量值。DSCA 法基于四個(gè)重要假設(shè):巖

6、樣內(nèi)部的微裂隙是由于巖芯圍壓消失而產(chǎn)生松弛變形所導(dǎo)致的;微裂隙基本按照原始應(yīng)力場(chǎng)的方向排列;任何方向上微裂隙所產(chǎn)生的體積變化與原地應(yīng)力場(chǎng)量值成正比; 在靜水圍壓作用下，任一特定方向上的巖樣體積收縮與該方向上的巖芯從母巖上解除下來(lái)的應(yīng)力松弛變形過(guò)程是可類(lèi)比的。在均勻的圍壓作用下，巖芯不同方向產(chǎn)生的應(yīng)變是完全不同的，如微裂隙閉合，而這種應(yīng)變信息可以用來(lái)分析原地應(yīng)力場(chǎng)，測(cè)試原理如圖1-2(a)所示。 圖1-2 DSCA法測(cè)試原理及巖樣差應(yīng)變曲線示意圖(a) DSCA 法測(cè)試原理;(b)巖樣差應(yīng)變曲線示意圖1-2(b)是巖樣在均勻靜水圍壓作用下的應(yīng)變響應(yīng)曲線。當(dāng)施加的圍壓應(yīng)力較低時(shí)，由于巖樣內(nèi)部存在的

7、張開(kāi)微裂隙或者半張開(kāi)微裂隙，巖樣表現(xiàn)出高度柔性。隨著圍壓逐步增加，微裂隙開(kāi)始全部閉合(轉(zhuǎn)換區(qū))，過(guò)了轉(zhuǎn)換區(qū)后，僅有巖樣本體的彈性變形。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的起始段范圍內(nèi)，包括兩部分應(yīng)變量，微裂隙閉合的應(yīng)變表現(xiàn)和巖樣本體的應(yīng)變，巖樣本體的應(yīng)變可以通過(guò)高壓段的應(yīng)變曲線觀測(cè)獲得，在起始段范圍內(nèi)將巖樣本體應(yīng)變剔除，就可以計(jì)算出微裂隙閉合所反映的應(yīng)變量。當(dāng)然，如果巖樣均勻且各向異性，那么可以不必考慮巖樣本體的應(yīng)變。利用DSCA的應(yīng)變記錄曲線可以直接得到原地應(yīng)力場(chǎng)的方向和三個(gè)主應(yīng)力之比，應(yīng)力量值還需要通過(guò)其它一些假設(shè)或者測(cè)試數(shù)據(jù)再結(jié)合主應(yīng)力之比來(lái)確定。DSCA 法測(cè)試的立方體樣品準(zhǔn)備及測(cè)試設(shè)備組成參

8、見(jiàn)圖1-3 所示。圖1-3 DSCA 法測(cè)試樣品準(zhǔn)備及測(cè)試設(shè)備示意圖(a)試樣立方塊應(yīng)變計(jì)布設(shè)方式;(b)測(cè)試設(shè)備組成示意但是實(shí)際上應(yīng)力松弛變形過(guò)程是不可逆的，已有很多實(shí)驗(yàn)證明了這點(diǎn)。但是該方法在很多應(yīng)用條件下仍然能提供很好的測(cè)量結(jié)果。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以不考慮巖芯放置時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，這一點(diǎn)可以大大彌補(bǔ)ASR法的不足，并可以與非彈性應(yīng)變恢復(fù)法配對(duì)使用。該方法的適用范圍與ASR法類(lèi)似。1.3 差波速分析法差波速分析法(DWVA)與差應(yīng)變曲線分析法所遵循的基本原理一致，但是差波速分析法是沿巖樣周邊測(cè)量聲波速度。對(duì)不同測(cè)點(diǎn)( 不同方位) 上在不同應(yīng)力狀態(tài)下的聲波速度進(jìn)行測(cè)試比較分析，就可以對(duì)原地

9、應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行估算。該方法只能給出地應(yīng)力方向，不能給出應(yīng)力量值。該方法的適用范圍與DSCA 法類(lèi)似。1.4 圓周波速各向異性分析法圓周波速各向異性分析法(CVA) 可以用來(lái)確定應(yīng)力方位并分析巖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于巖芯內(nèi)部的微裂隙一般會(huì)成組定向分布，如圖1-4所示，因此沿巖芯圓周的波速分布呈現(xiàn)出各向異性特征如圖1-5所示，巖芯圓周波速會(huì)隨測(cè)試位置的不同而發(fā)生變化，因?yàn)槊總€(gè)測(cè)試方向所穿過(guò)微裂隙數(shù)目會(huì)不完全相同。在測(cè)試過(guò)程中，一般會(huì)沿著巖芯圓周按照固定角度間隔測(cè)試多個(gè)點(diǎn)的聲波速度，通常最大主應(yīng)力方向上所產(chǎn)生的張開(kāi)微裂隙最多，故巖芯波速最低的方位即為最大主應(yīng)力方向。如果能進(jìn)一步比較分析巖芯聲波速度分布的理論

10、曲線和實(shí)測(cè)曲線之間的差異，將能揭示更多關(guān)于測(cè)試巖芯的信息.圖1-4 巖芯微裂隙效應(yīng)的示意圖(a) 好的CVA 法測(cè)試結(jié)果 (b) 差的CVA 法測(cè)試結(jié)果圖1-5 CVA 法測(cè)試結(jié)果示意圖在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，有很多因素會(huì)給CVA測(cè)試帶來(lái)困難。例如有些巖石內(nèi)部很難發(fā)育微裂隙，有時(shí)微裂隙或許被其它因素所掩蓋或者微裂隙對(duì)聲波速度影響很小，那么波速各向異性就很小了。最好的例子就是高孔隙率巖石，微裂隙對(duì)聲波速度各向異性影響很小。當(dāng)測(cè)點(diǎn)聲波速度差異小于2% 3%時(shí)，推算的應(yīng)力方向認(rèn)為是不可靠的。第二個(gè)比較大的因素是巖石結(jié)構(gòu)對(duì)速度各向異性的影響，然而巖石結(jié)構(gòu)的波速特征與微裂隙完全不同，特別是利用理論模型和實(shí)測(cè)數(shù)

11、據(jù)進(jìn)行擬合對(duì)比分析時(shí)，這種差異更為明顯，而且這種差異也能為巖石結(jié)構(gòu)研究提供定量分析數(shù)據(jù)。圖1-5就展示了一個(gè)良好的CVA 測(cè)試結(jié)果和一個(gè)不好的CVA 測(cè)試結(jié)果，同時(shí)也給出了測(cè)試時(shí)所需要依據(jù)的測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則。CVA 方法的好處是如果能拿到定向巖芯，可以在任何時(shí)候開(kāi)展，即使是存放時(shí)間很久的巖芯，有時(shí)也能得到很好的測(cè)試結(jié)果。與此同時(shí)，CVA是一種無(wú)損測(cè)試方法，因此可以在各種巖樣上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)而取得豐富的數(shù)據(jù)。故CVA方法也能作為ASR或者DSCA/DWVA方法一種補(bǔ)充或者驗(yàn)證方法。1.5 餅狀巖芯/巖芯誘發(fā)裂紋法在高應(yīng)力區(qū)開(kāi)展鉆孔施工時(shí)，巖芯經(jīng)常呈現(xiàn)為薄餅狀或者片狀，大多數(shù)情況下，這些巖芯呈馬鞍狀，有時(shí)巖

12、芯頂面和底面也相互平行，人們一般把這種現(xiàn)象稱(chēng)之為餅狀巖芯。眾多研究成果顯示，這種餅狀巖芯主要是由于當(dāng)最小主應(yīng)力方向和巖芯軸線方向平行時(shí)鉆孔取芯過(guò)程中產(chǎn)生的張應(yīng)力造成的。一般餅狀巖芯均出現(xiàn)在深孔鉆探過(guò)程中，因此可以利用該現(xiàn)象提取應(yīng)力信息。餅狀巖芯的形態(tài)可以給出最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力方向，如圖1-6 所示，餅狀巖芯的鞍狀凹面軸線方向即為最大主應(yīng)力方向，與軸線方向垂直的方向?yàn)橹虚g主應(yīng)力方向。圖1-6 餅狀巖芯鞍狀斷面以及最大和中間主應(yīng)力方向示意在實(shí)踐中，餅狀巖芯現(xiàn)象只能被用作估算巖芯應(yīng)力狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。當(dāng)出現(xiàn)該種現(xiàn)象時(shí)，我們當(dāng)然可以認(rèn)為巖石應(yīng)力集中超過(guò)了巖石強(qiáng)度。這樣的類(lèi)似信息在鉆探階段取得，當(dāng)然對(duì)

13、后續(xù)的應(yīng)力確定非常寶貴，也可指導(dǎo)后續(xù)應(yīng)力確定和估算策略的選取。但是由于餅狀巖芯出現(xiàn)的幾率是非常低的，因此其使用機(jī)會(huì)非常少。另外，餅狀巖芯的定向和巖石力學(xué)參數(shù)取得非常困難，這就制約了其在實(shí)踐中的應(yīng)用范圍。鑒于以上原因，餅狀巖芯所產(chǎn)出的應(yīng)力信息可靠性相對(duì)較低。不同的應(yīng)力條件下開(kāi)展鉆探取芯，鉆探過(guò)程會(huì)對(duì)巖芯產(chǎn)生不同的作用效果。上面提到的餅狀巖芯只是其中的一種現(xiàn)象。在有些情況下，會(huì)在巖芯上產(chǎn)生花瓣?duì)盍鸭y或者中心線花瓣裂紋。通?；ò?duì)盍鸭y均勻分布，從巖芯外沿向巖芯中心延伸，花瓣?duì)盍鸭y彎曲方向與巖芯軸線平行。中心線花瓣裂紋一般會(huì)延伸至巖芯的中心部位或者接近巖芯中心的部位，并沿與鉆孔軸線或者平行于鉆孔軸線延

14、伸傳播一段距離?；ò?duì)盍鸭y的幾何形狀平行于鉆頭下部的主應(yīng)力跡線，如圖1-7（a）所示。花瓣?duì)盍鸭y沿1和2所定義的平面(與3垂直)發(fā)展，其中1是垂直應(yīng)力、鉆頭自重和液壓加載應(yīng)力之和2是原位最大水平應(yīng)力3為原位最小水平應(yīng)力，花瓣?duì)盍鸭y形成的力學(xué)示意圖如圖1-7（a）所示。因此花瓣?duì)盍鸭y走向與原地應(yīng)力場(chǎng)最大水平主壓應(yīng)力方向一致。花瓣?duì)盍鸭y間距通常大于餅狀巖芯的厚度，裂紋間距有時(shí)呈現(xiàn)出均圖1-7（b）巖芯花瓣?duì)盍鸭y形成的力學(xué)示意圖。 (a) 巖芯鉆頭前部的主應(yīng)力跡線分布示意圖 (b)花瓣?duì)盍鸭y的形成與三向主應(yīng)力關(guān)系示意圖圖1-7 巖芯花瓣?duì)盍鸭y形成的力學(xué)示意圖應(yīng)力狀態(tài)下，容易出現(xiàn)餅狀巖芯現(xiàn)象。巖芯的誘

15、發(fā)裂紋檢測(cè)要求使用定向巖芯，獲取花瓣?duì)盍鸭y和中心線花瓣?duì)盍鸭y的數(shù)據(jù)過(guò)程中需要認(rèn)真仔細(xì)檢查巖芯，并且認(rèn)真記錄花瓣?duì)盍鸭y的規(guī)則間距和花瓣的形狀特征( 例如前面所說(shuō)的傾向、傾角以及傾角變化等)。記錄數(shù)據(jù)的異常值需與鉆探地質(zhì)志相對(duì)照，例如扭矩、貫入度等其它可能影響花瓣?duì)盍鸭y的因素相對(duì)比?；ò?duì)盍鸭y的測(cè)量主要是測(cè)量巖芯上所形成的裂紋數(shù)據(jù)，并不需要特別專(zhuān)用的設(shè)備。餅狀巖芯或者巖芯誘發(fā)裂紋法主要取決于這兩種現(xiàn)象是否會(huì)出現(xiàn)，利用兩種現(xiàn)象得到的應(yīng)力方向相對(duì)較為準(zhǔn)確，應(yīng)力量值一般誤差較大。1.6 聲發(fā)射法凱瑟效應(yīng)指有應(yīng)力狀態(tài)下的材料發(fā)射聲波的現(xiàn)象，故也稱(chēng)之為聲發(fā)射(AE)，這種現(xiàn)象僅在所受應(yīng)力超過(guò)樣品所經(jīng)受的最大

16、應(yīng)力時(shí)激發(fā)。在材料科學(xué)領(lǐng)域，約瑟夫·凱瑟是第一位描述受拉金屬、巖石和木材材料的這種記憶效應(yīng)的科學(xué)家。圖9中展示了理想的實(shí)驗(yàn)室凱瑟效應(yīng)測(cè)試圖。如果聲發(fā)射(AE)現(xiàn)象明顯發(fā)生時(shí)的壓力(所謂的回放最大應(yīng)力(RMS)，等于PMS(先前經(jīng)受最大應(yīng)力)(如圖1-8 中所示，RMS=PMS)，那么記憶實(shí)驗(yàn)室封存應(yīng)力的凱瑟效應(yīng)(KE)現(xiàn)象就被完美地證實(shí)了。然而如果施加應(yīng)力越來(lái)越接近巖石的破裂強(qiáng)度時(shí)(如圖1-8（a），第三循環(huán))，聲發(fā)射(AE)現(xiàn)象明顯發(fā)生時(shí)的壓力水平會(huì)低于先前所施加的最大應(yīng)力(如圖1-8（b）所示，RMSPMS)。這種現(xiàn)象稱(chēng)之為費(fèi)利西蒂(Felicity)效應(yīng)。圖1-8 原始巖芯在實(shí)

17、驗(yàn)室內(nèi)循環(huán)加載時(shí)的應(yīng)力時(shí)間曲線(a)第二和第三個(gè)加載循環(huán)過(guò)程中測(cè)量得到的聲發(fā)射事件和時(shí)間或者加載應(yīng)力關(guān)系曲線( b)概括來(lái)講，單軸凱瑟效應(yīng)應(yīng)力測(cè)試法是利用從深部取得的主巖芯六個(gè)不同方向上鉆取得到的小巖芯開(kāi)展試驗(yàn)室單軸壓縮測(cè)試確定原地應(yīng)力張量的方法。單軸凱瑟應(yīng)力的聲發(fā)射觸發(fā)點(diǎn)測(cè)試能夠給出可信的結(jié)果。然而這種方法仍然處于發(fā)展階段，還不能提供完全可靠的結(jié)果。一般情況下，凱瑟效應(yīng)應(yīng)力測(cè)試與其它基于巖芯的應(yīng)力測(cè)試方法(SAR、DSA、WVA)聯(lián)合使用1.7 巖芯二次應(yīng)力解除法巖芯的二次應(yīng)力解除法可以用于確定應(yīng)力方向，也有可能用于確定應(yīng)力量值。巖芯二次應(yīng)力解除法的概念起始于測(cè)量巖石的殘余應(yīng)力(或者應(yīng)變)。

18、在取芯過(guò)程中，巖芯通過(guò)內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙以及形變釋放掉了巖芯所存儲(chǔ)的主要能量，但是巖芯內(nèi)仍存在部分殘余應(yīng)力。成功地利用更小尺寸的應(yīng)力解除過(guò)程也可以釋放部分殘余能量，這種能量變化可以通過(guò)殘余應(yīng)變的測(cè)量來(lái)獲取。測(cè)試過(guò)程非常簡(jiǎn)單，在巖芯上粘貼應(yīng)變花，然后進(jìn)行二次取芯。在每個(gè)方向上在取芯前和取芯后的應(yīng)變變化即反應(yīng)了巖芯所存儲(chǔ)的殘余應(yīng)變或應(yīng)力。這種應(yīng)變一般是與原地應(yīng)力密切相關(guān)的。存放巖芯的二次應(yīng)力解除簡(jiǎn)便易行，并且非常方便用于各種存放巖芯上，因此其潛在的使用價(jià)值就十分明顯。該方法有兩個(gè)主要缺陷，第一是并不是所有的巖石都對(duì)二次解除呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力解除特性，第二是巖石結(jié)構(gòu)在測(cè)量中會(huì)造成較大的誤差。1.8 微裂隙

19、巖相分析法對(duì)巖芯開(kāi)展切片分析或者CT 掃描分析非常有價(jià)值，這種分析不僅可以提供應(yīng)力信息，也可以提供豐富的巖芯結(jié)構(gòu)信息。巖相檢測(cè)分析通常可以區(qū)別應(yīng)力松弛微裂隙和構(gòu)造微裂隙。應(yīng)力松弛微裂隙一般存在于晶粒間，寬度均一或者寬度沿某一方向單調(diào)變化。構(gòu)造微裂隙有可能存在晶粒間也有可能切穿晶粒，寬度變化不穩(wěn)定，特別是有些構(gòu)造裂隙經(jīng)歷過(guò)溶蝕作用，更容易辨別。當(dāng)然，經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)人員完全可以區(qū)分各種微裂隙，因而巖芯的微裂隙巖相分析法完全可以用來(lái)確定應(yīng)力方向和巖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這種方法可以作為其它基于巖芯的應(yīng)力測(cè)試方法的一種補(bǔ)充，特別是在其它因素對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)影響較為明顯時(shí)，用這種方法可以立即判定誤差來(lái)源。1.9 軸向點(diǎn)

20、荷載分析法定向巖芯的強(qiáng)度各向異性也可以用于確定地應(yīng)力方向。點(diǎn)荷載測(cè)試是巖樣強(qiáng)度各向異性中較為簡(jiǎn)單的測(cè)試方法。測(cè)試過(guò)程中，利用半球狀壓頭對(duì)餅狀巖樣頂面和底面進(jìn)行施壓，直至巖樣破壞。對(duì)巖樣的破壞模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到巖石的微結(jié)構(gòu)特征。如果微結(jié)構(gòu)主要與松弛微裂隙有關(guān)，那么誘發(fā)破壞裂縫方位會(huì)與實(shí)驗(yàn)前的微裂隙分布方位一致，而這一方位與最大主應(yīng)力垂直。如果微裂隙與構(gòu)造微裂紋相關(guān)，那么誘發(fā)破壞裂縫方位與實(shí)驗(yàn)前的微裂隙分布方位一致，而這一方位不會(huì)與最大主應(yīng)力方位是垂直相交。在點(diǎn)荷載測(cè)試中，要求準(zhǔn)備的巖餅應(yīng)該有相互平行的端面;如果為了得到最大水平應(yīng)力，那么在巖餅的端面必須水平面內(nèi)相互平行。在實(shí)驗(yàn)階段，特別注意的

21、是應(yīng)該使用中等的加載速率以將動(dòng)載效應(yīng)降到最低。因此一般情況下，建議該方法和CVA 法或者微裂隙巖相分析法聯(lián)合使用。該方法非常大的困難是很難判斷點(diǎn)荷載測(cè)試所產(chǎn)生的強(qiáng)度各向異性到底是由于應(yīng)力松弛裂隙造成的，還是由于巖樣本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征造成的;因此不建議單獨(dú)依靠該方法對(duì)應(yīng)力方向進(jìn)行估算。該方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試設(shè)備和技術(shù)簡(jiǎn)單便宜，開(kāi)展大量測(cè)試方便快捷，因此在樣品數(shù)量較大的情況下非常適合進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。2 基于鉆孔的方法2.1 水壓致裂法應(yīng)力測(cè)量中的水壓致裂法又稱(chēng)微型水壓致裂法，微型是相對(duì)于油田壓裂而言。水壓致裂的基本原理是利用一對(duì)封隔器在鉆孔中隔離出一段試驗(yàn)段，然后用高壓流體將試驗(yàn)段巖體壓裂，產(chǎn)生豎直縫，

22、同時(shí)記錄壓力時(shí)間曲線，通過(guò)曲線來(lái)判斷液體壓力和原地應(yīng)力的平衡點(diǎn)，進(jìn)而得到原地應(yīng)力狀態(tài)。水壓致裂法測(cè)地應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，對(duì)測(cè)試設(shè)備和測(cè)試環(huán)境的要求相對(duì)較低，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)便迅速，數(shù)據(jù)處理分析也簡(jiǎn)便易行。但是水壓致裂法也存在很多的問(wèn)題，首先是最大水平主應(yīng)力SH的計(jì)算受到較多因素的影響;其次是在深孔測(cè)量時(shí)，一般系統(tǒng)柔性較大，而且?guī)r體的滲透性也會(huì)對(duì)測(cè)試過(guò)程產(chǎn)生較大影響，同時(shí)深孔測(cè)量對(duì)水壓致裂測(cè)試的井下設(shè)備提出了更高的要求。2.2 套筒壓裂法如前面所述，傳統(tǒng)水壓致裂測(cè)試中由于壓裂液滲透的問(wèn)題會(huì)對(duì)原地應(yīng)力測(cè)量中的破裂壓力發(fā)生影響。為了解決這一問(wèn)題，Stephasson提出了套筒壓裂法，套筒壓裂使用旁壓儀的高

23、容量薄膜對(duì)圍壓施加壓力，當(dāng)施加的壓力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度，孔壁圍巖上就會(huì)產(chǎn)生豎直裂縫，并且沿著垂直于最小水平主應(yīng)力的方向傳播。由于沒(méi)有液體滲透進(jìn)入孔壁圍巖巖體，故可以直接通過(guò)破裂壓力和重張壓力獲得原地最大最小水平主應(yīng)力。套筒壓裂法的缺點(diǎn)也較為明顯，非常難確定加壓過(guò)程中的破裂壓力和重張壓力，而一些能準(zhǔn)確確定破裂壓力和重張壓力的設(shè)備又非常復(fù)雜，在井下應(yīng)用困難，這些缺點(diǎn)大大制約了套筒壓裂技術(shù)的推廣使用。2.3 原生裂隙水壓致裂法原生裂隙水壓致裂法是利用一對(duì)封隔器在鉆孔中隔離出一條閉合原生裂隙，利用高壓流體將閉合原生裂隙張開(kāi)，通過(guò)壓力時(shí)間曲線可以得到作用在裂隙面上的法向應(yīng)力，完成在至少6 個(gè)走向和傾角完

24、全不同的閉合原生裂隙上的測(cè)試，就可以求解測(cè)試點(diǎn)的全應(yīng)力張量值。原生裂隙水壓致裂法(HTPF)優(yōu)點(diǎn)很明顯，測(cè)試過(guò)程只需要測(cè)試作用在閉合裂隙面上的法向應(yīng)力和裂隙面方位角，不需要測(cè)試其它巖石力學(xué)參數(shù)，方法原理假設(shè)很少，測(cè)試過(guò)程和測(cè)試參數(shù)可靠。同時(shí)HTPF法中，僅有精度較高的關(guān)閉壓力Ps參與計(jì)算，測(cè)量精度提高。HTP法在實(shí)際計(jì)算中，由于測(cè)量過(guò)程中存在誤差，僅以6 段原生裂隙進(jìn)行計(jì)算，有可能造成計(jì)算機(jī)計(jì)算無(wú)法收斂，所得到的各應(yīng)力量值與實(shí)際值之間存在很大差距。HTPF 法測(cè)量過(guò)程較經(jīng)典水壓致裂法復(fù)雜許多，測(cè)量過(guò)程中需要對(duì)每條裂隙進(jìn)行精確定位，且對(duì)原生裂隙的賦存狀態(tài)要求很高。在同一個(gè)鉆孔內(nèi)尋找不同產(chǎn)狀的原生

25、裂隙難度非常高，原生裂隙附近可能存在其他裂隙，對(duì)原生裂隙的封隔加壓很難保證將該裂隙獨(dú)立分隔開(kāi)來(lái);同時(shí)保證測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有液體滲入裂隙內(nèi)亦很困難。2.4 套芯解除法套芯應(yīng)力解除法的基本原理和第一節(jié)提到的基于巖芯的方法有些類(lèi)似，通過(guò)監(jiān)測(cè)巖芯從母巖解除下來(lái)過(guò)程中的應(yīng)變和變形，進(jìn)而反演原地應(yīng)力場(chǎng)。鉆孔套芯應(yīng)力解除法是基于平面應(yīng)變解除法發(fā)展起來(lái)的。根據(jù)測(cè)量元件安裝和測(cè)量的物理量不同，套芯應(yīng)力解除測(cè)量法又可分為鉆孔孔壁應(yīng)變測(cè)量法、鉆孔孔底應(yīng)變測(cè)量法和鉆孔孔徑變形測(cè)量法三種分別通過(guò)監(jiān)測(cè)解除過(guò)程中孔壁應(yīng)變、孔底應(yīng)變和孔徑變形來(lái)計(jì)算原地應(yīng)力場(chǎng)。一般來(lái)說(shuō)，孔徑變形儀只能測(cè)量平面應(yīng)力狀態(tài);而孔底應(yīng)變儀和孔壁應(yīng)變儀則能

26、單孔測(cè)試全應(yīng)力張量，使用相對(duì)較為方便;孔底應(yīng)變儀測(cè)量操作相對(duì)孔壁應(yīng)變儀困難些，因此到目前為止，空心包體式孔壁應(yīng)變儀使用相對(duì)更為廣泛。套芯解除法最大的缺陷是測(cè)試過(guò)程相對(duì)其它方法較為復(fù)雜，測(cè)試成功受到的影響因素較多，故對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求較多。同時(shí)需要注意的是套芯應(yīng)力解除所反應(yīng)的是應(yīng)變計(jì)周邊的巖石應(yīng)力狀態(tài)，故其測(cè)試數(shù)據(jù)所代表的巖石體量較小。2.5 鉆孔崩落每個(gè)鉆孔都相當(dāng)于在地殼巖體上開(kāi)展的一次巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，因此鉆孔孔壁對(duì)造孔取芯的響應(yīng)深刻反映了原位的應(yīng)力狀態(tài)和巖體屬性特征。由于地殼巖體中的應(yīng)力狀態(tài)不是均一的，當(dāng)鉆孔成形后，在鉆孔孔壁形成應(yīng)力集中，在最小主應(yīng)力方向上為壓應(yīng)力集中最強(qiáng)的點(diǎn)，而在最大主應(yīng)力方

27、向上易形成張應(yīng)力集中點(diǎn)。當(dāng)壓應(yīng)力集中強(qiáng)度超過(guò)孔壁巖石強(qiáng)度，孔壁開(kāi)始發(fā)生破壞，當(dāng)孔壁周邊的二次應(yīng)力狀態(tài)再次達(dá)到平衡后，鉆孔孔壁的破壞停止，這就形成了新的鉆孔形態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為鉆孔崩落。一般鉆孔崩落的長(zhǎng)軸方向?yàn)樽钚∷街鲬?yīng)力方向，地應(yīng)力量值可以通過(guò)鉆孔崩落破壞區(qū)角度范圍結(jié)合孔壁圍巖強(qiáng)度屬性的研究參數(shù)進(jìn)行估算。井孔內(nèi)的鉆孔崩落現(xiàn)象可以通過(guò)光學(xué)(照相機(jī))，機(jī)械式測(cè)井儀(井徑儀)，超聲波測(cè)井儀(鉆孔電視)或者電阻測(cè)井儀(地層微掃描器，簡(jiǎn)稱(chēng)FMS)觀測(cè)。超聲波鉆孔電視(BHTV)能夠提供井孔壁連續(xù)且定向的超聲波圖像。當(dāng)測(cè)井工具沿鉆孔逐步上移時(shí)，BHTV 能按照螺旋線的方式以細(xì)窄的脈沖式超聲波射束掃描鉆孔

28、壁。高級(jí)設(shè)備如FMS(斯倫貝謝)能夠產(chǎn)出高精度的鉆孔壁電阻率圖像，這種測(cè)井圖像可以用于確定水壓致裂裂縫、鉆井誘發(fā)張裂縫和鉆孔崩落方位。鉆孔崩落可以幫助準(zhǔn)確確定區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向，但是對(duì)于應(yīng)力量值，需要針對(duì)鉆孔圍巖的強(qiáng)度、圍巖的破裂條件進(jìn)行相關(guān)測(cè)定和假設(shè)，進(jìn)而限定應(yīng)力量值的范圍。鉆孔崩落的應(yīng)用依賴(lài)于該現(xiàn)象是否出現(xiàn)，一般在深度超過(guò)1000m的鉆孔中，可以考慮采用該種方法，淺孔(1000m)中該現(xiàn)象一般不會(huì)出現(xiàn)。2.6 孔壁誘發(fā)張裂縫如前面所述，如果鉆孔孔壁形成張應(yīng)力集中或者鉆井液壓力過(guò)大，就會(huì)在鉆孔孔壁上產(chǎn)生張裂縫?？妆谡T發(fā)裂縫走向一般與最大水平主應(yīng)力方向一致，孔壁誘發(fā)張裂縫的基本原理與前面提到的水壓

29、致裂法類(lèi)似。一般情況下，鉆孔孔壁出現(xiàn)誘發(fā)張裂縫意味著 Sh是最小主應(yīng)力; 水平主應(yīng)力SHmax與Shmin之間的差值很大)。有時(shí)候鉆孔孔壁張裂縫也與高泥漿密度和鉆孔孔壁冷卻有關(guān)。地應(yīng)力量值估算則需要結(jié)合鉆井液參數(shù)、孔壁圍巖強(qiáng)度屬性的參數(shù)進(jìn)行估算。孔壁誘發(fā)裂縫現(xiàn)象一般可在高應(yīng)力區(qū)和深孔中觀察到，孔壁誘發(fā)張裂縫一般均限制在距離井壁很近的范圍內(nèi)，穿透深度一般為幾毫米或者幾厘米，可以利用前面所述圖像測(cè)井技術(shù)(BHTV、FMS)以及一些其它精度較高的地球物理測(cè)井技術(shù)進(jìn)行觀測(cè)。井孔孔壁張裂縫的優(yōu)缺點(diǎn)與鉆孔崩落類(lèi)似，屬于一種現(xiàn)象分析的方法。2.7 鉆孔變形當(dāng)鉆孔孔壁的應(yīng)力集中不足以導(dǎo)致巖壁破壞時(shí)，鉆孔孔壁會(huì)

30、產(chǎn)生一定程度的變形，鉆孔變形是一種非常常見(jiàn)的現(xiàn)象，特別是超過(guò)特定深度后(100m)。由于各種測(cè)試條件、要求和精度的問(wèn)題，很多情況下，我們無(wú)法測(cè)試這一變形值。如果鉆孔孔壁光滑規(guī)則，通過(guò)高精度的儀器還是能觀測(cè)到鉆孔變形程度，鉆孔的長(zhǎng)軸方向?yàn)樽钚∷街鲬?yīng)力方向，短軸方向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方向。鉆孔變形法目前仍在研發(fā)中，未來(lái)的推廣應(yīng)用情況仍然有待檢驗(yàn)。目前能想到的該方法的問(wèn)題包括: 鉆孔孔壁巖石的蠕變變形;在測(cè)試過(guò)程中消除由于鉆探原因所造成的鉆孔擴(kuò)徑現(xiàn)象; 如何將實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與鉆孔孔壁的巖體數(shù)據(jù)建立聯(lián)系。2.8 鉆孔滲漏實(shí)驗(yàn)鉆孔滲漏實(shí)驗(yàn)測(cè)試地應(yīng)力原理與微型水壓致裂測(cè)試法原理相同，但是該方法主要

31、在油田上使用較為廣泛，通過(guò)滲漏實(shí)驗(yàn)的壓力時(shí)間曲線估算最小水平主應(yīng)力。3 地質(zhì)學(xué)方法3.1 地傾斜調(diào)查地傾斜調(diào)查主要用于油田區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分析，在進(jìn)行油井壓裂的過(guò)程中，地表會(huì)發(fā)生形變，地表的這種形變與地下的油井壓裂裂縫擴(kuò)散和分布密切相關(guān)。在油井區(qū)域的地表布置地表傾斜儀，通過(guò)測(cè)量地表形變及其分布特征，可以得到地下壓裂裂縫的分布特征，進(jìn)而得到區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的方向特征。一般情況下，這種地表傾斜儀的精度能夠檢測(cè)到水平距離400km長(zhǎng)度上2mm的地表變形所產(chǎn)生的角度變化，或者更高的精度。理想條件下，需要在井下水壓致裂前幾個(gè)周就將地表傾斜儀埋入地下3 5m的預(yù)設(shè)孔內(nèi)，一方面可以讓儀器獲得一定的穩(wěn)定時(shí)間，另外一方面也

32、可以得到研究區(qū)的環(huán)境背景地傾斜噪聲，這種噪聲包括日月潮汐，地表溫度變化所產(chǎn)生的熱彈性變形以及其它如風(fēng)力、降水、地下水位變化、地表人類(lèi)活動(dòng)等所造成的地表變形。當(dāng)基于鉆孔或者基于巖芯的方法不能足以提供可靠的區(qū)域應(yīng)力數(shù)據(jù)時(shí)，就可以開(kāi)展這種地傾斜觀測(cè)，但是壓裂深度不能超過(guò)1500m，同時(shí)這種方法費(fèi)時(shí)、花費(fèi)高而且需要足夠好的后勤保障。地震預(yù)測(cè)研究中也使用了相應(yīng)的跨斷層地傾斜儀，常見(jiàn)的有水管儀、擺式傾斜儀和伸縮儀，也可以在一定程度上反應(yīng)中長(zhǎng)期的地殼中的地應(yīng)力場(chǎng)變化趨勢(shì)，但是到目前為止僅見(jiàn)到利用其進(jìn)行地震預(yù)報(bào)的報(bào)道，未見(jiàn)到相關(guān)的利用其進(jìn)行反演區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的報(bào)道，或許這在今后也是一項(xiàng)值得開(kāi)展的研究工作，因?yàn)榈卣?/p>

33、部門(mén)積累了大量的地形變觀測(cè)資料。3.2 斷層滑動(dòng)反演斷層運(yùn)動(dòng)是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的基本表現(xiàn)形式之一，是地殼巖石中構(gòu)造應(yīng)力直接作用的產(chǎn)物。巖石中存在的大量斷面構(gòu)造(擦痕、階步等) 真實(shí)地記錄了斷層受構(gòu)造應(yīng)力作用而產(chǎn)生滑動(dòng)的方向特征。該方法的實(shí)質(zhì)是用計(jì)算出的斷面上的剪應(yīng)力方向擬合斷面上的滑動(dòng)方向，也稱(chēng)滑動(dòng)方向擬合法。該方法基本原理如圖3-1所示，其中假定在一定的研究區(qū)域范圍構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是均勻的，這種均勻性包括了構(gòu)造事件在空間和時(shí)間上的相對(duì)穩(wěn)定和持續(xù);斷層運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，即斷層的存在不改變應(yīng)力場(chǎng)的均勻性;斷層沿?cái)嗝婕魬?yīng)力方向(L)滑動(dòng)，即斷層擦痕方向(S)與斷面剪應(yīng)力方向()一致;斷層所在巖體為各向同性體。在

34、野外測(cè)量過(guò)程中，需要認(rèn)真測(cè)量擦痕所在斷面的產(chǎn)狀，包括走向、傾角、傾向三個(gè)參數(shù)，以及斷層面上的擦痕側(cè)伏角、側(cè)伏向和動(dòng)向。該方法的一個(gè)很大的缺陷是非常難確定斷層滑動(dòng)擦痕發(fā)生的具體時(shí)間或者年代。圖3-1 斷層面上擦痕有關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量及計(jì)算的結(jié)果表示3.3 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)節(jié)理測(cè)繪新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)節(jié)理測(cè)繪的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以估算新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生年代的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向，其所基于的主要原理是安德森理論。安德森理論認(rèn)為主要的斷層類(lèi)型可以分為三類(lèi)，正斷層、走滑斷層和逆斷層，三種斷層類(lèi)型所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)分別為SVSHSh，SHSVSh和SHShSV，而三種斷層的走向與最大最小水平主應(yīng)力的夾角也有一定的分布規(guī)律，這一統(tǒng)計(jì)規(guī)律就可以用來(lái)分析

35、區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向。拜爾利總結(jié)了眾多巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，認(rèn)為地殼巖石的內(nèi)摩擦系數(shù)為0.60.85，少數(shù)巖石除外，這就是著名的拜爾利定律或拜爾利范圍。其它一些研究成果表明，絕大多數(shù)巖石的摩擦系數(shù)在0.51.0之間(。研究人員進(jìn)行的原地應(yīng)力實(shí)測(cè)證明實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的摩擦系數(shù)適用于上地殼，且限定了上地殼的應(yīng)力水平。由拜爾利定律可知，符合安德森理論的斷層(以下簡(jiǎn)稱(chēng)安德森斷層)，中間主應(yīng)力與斷層面共面，當(dāng)斷層面上的摩擦系數(shù)為0. 61.0之間，最大主應(yīng)力與斷層面的夾角較小，一般為23°30°。3.4 火山口排列調(diào)查火山口排列調(diào)查法所依據(jù)的力學(xué)原理與水壓致裂相似，但是這里壓裂液為低粘度的熔巖巖漿

36、，所需要調(diào)查的參數(shù)包括: 火山口的形狀( 圓形或者橢圓形);火山口周邊或者火山巖侵入圍巖所形成巖脈的分布方式;同期次火山口的排列方式;火山附近的斷層活動(dòng)分布特征(展布和活動(dòng))。通常情況下，火山口排列或者巖漿巖巖脈的延伸方向與火山爆發(fā)時(shí)的區(qū)域最大水平主應(yīng)力平行，與最小水平主應(yīng)力垂直，如圖3-2所示，該方法對(duì)于古應(yīng)力場(chǎng)分析研究非常有用。在實(shí)際運(yùn)用該方法的過(guò)程中，需要仔細(xì)辨別不同期次火山形成過(guò)程的地質(zhì)背景和構(gòu)造條件、同時(shí)需要利用DEM或者遙感手段對(duì)火山口的地貌性態(tài)進(jìn)行細(xì)致分析。該方法給出的古應(yīng)力方向可靠度較高，但是對(duì)于一些古火山和復(fù)雜形態(tài)和多成因火山，需要開(kāi)展更為細(xì)致的研究工作來(lái)確定形成時(shí)的古應(yīng)力方

37、向。圖3-2 地表火山裂隙出露形態(tài)示意及其與應(yīng)力場(chǎng)方向的關(guān)系4 地球物理學(xué)方法4.1 震源機(jī)制解震源機(jī)制解的求解，主要是通過(guò)假定震源模型參數(shù)，計(jì)算得到給定地震波速度結(jié)構(gòu)下各臺(tái)站產(chǎn)生的波形特征，再將其與各臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)波資料進(jìn)行對(duì)比，得到擬合最好的模型參數(shù)。求解震源機(jī)制解的常用方法主要包括初動(dòng)符號(hào)法和波形反演法，初動(dòng)符號(hào)法主要依據(jù)波形的初動(dòng)極性信息來(lái)獲取震源機(jī)制解，而波形反演法則充分利用了波形資料求解矩張量解。目前，美國(guó)、日本、歐洲、我國(guó)臺(tái)灣等都建立了實(shí)時(shí)波形自動(dòng)反演系統(tǒng)，并將震源機(jī)制解的確定納入了臺(tái)網(wǎng)的日常工作。震源機(jī)制解能較為準(zhǔn)確地得到地震發(fā)生時(shí)斷層兩盤(pán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向反應(yīng)了當(dāng)

38、時(shí)的區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，因而可以給出區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向和三個(gè)應(yīng)力量值之間的比值關(guān)系。4.2 地球物理測(cè)井地球物理測(cè)井方法確定區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向主要在石油工業(yè)中使用廣泛，同時(shí)由于測(cè)井工作是油田儲(chǔ)層分析的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，因此應(yīng)用廣泛。但是由于地球物理方法多解性的問(wèn)題，在使用地球物理測(cè)井方法開(kāi)展相應(yīng)的應(yīng)力分析時(shí)，同時(shí)應(yīng)該對(duì)其它影響因素予以考慮以提高獲得應(yīng)力數(shù)據(jù)的可靠性。5 基于地下空間的方法5.1 扁千斤頂法扁千斤頂法是測(cè)量巖壁表面應(yīng)力的一種方法，也稱(chēng)巖體表面應(yīng)力恢復(fù)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)巖石應(yīng)力測(cè)量的推薦方法之一。首先在測(cè)量點(diǎn)按照特定規(guī)則埋設(shè)測(cè)量元件，一般埋設(shè)在預(yù)定測(cè)量槽的兩側(cè)，埋設(shè)完畢后，在

39、預(yù)定位置開(kāi)挖測(cè)量槽，同時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量元件所反應(yīng)的開(kāi)挖過(guò)程中巖體的變形行為(位移或應(yīng)變量)，再在槽中埋設(shè)壓力鋼枕，測(cè)量壓力鋼枕施壓引起的變形，直至能抵消由鑿槽引起的變形和該壓力下的殘余變形時(shí)，相對(duì)應(yīng)的壓力鋼枕壓力值就是窄縫槽中垂線方向的圍巖法向應(yīng)力值。當(dāng)拓展到三維地應(yīng)力測(cè)量時(shí)，一般需要在洞室斷面巖壁上不同部位布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試設(shè)備及測(cè)點(diǎn)布置如圖5-1所示。(a)扁千斤頂法原地應(yīng)力測(cè)量方法示意圖 (b)測(cè)量槽的布置示意圖圖5-1 扁千斤頂法原地應(yīng)力測(cè)量方法及測(cè)量槽布置示意圖扁千斤頂法測(cè)量地應(yīng)力有以下不足:該方法只能測(cè)量地下洞室圍巖表面的地應(yīng)力，而圍巖表面的應(yīng)力容易受到洞室開(kāi)挖工藝、圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)等因素

40、的影響;圍巖表面的結(jié)構(gòu)面和巖體的各向異性對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，而且不容易消除;由于加載工藝的問(wèn)題，千斤頂施加的應(yīng)力不是理想均勻狀態(tài)，同時(shí)應(yīng)力加載過(guò)程與解除過(guò)程可能并不一致;在一些軟巖中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)，切槽過(guò)程中的蠕變現(xiàn)象對(duì)測(cè)試結(jié)果影響明顯。這種測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)也很明顯: 可以直接測(cè)試地應(yīng)力，而且無(wú)需知道巖石的彈性模量;測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單、耐用、穩(wěn)定;所測(cè)得的應(yīng)力是基于一個(gè)平面的平均應(yīng)力，同時(shí)對(duì)巖體的擾動(dòng)相對(duì)較小。5.2 表面應(yīng)力解除法平面應(yīng)力測(cè)量法是最早的應(yīng)力測(cè)量方法，早在20 世紀(jì)初就有工程師利用這種方法測(cè)量土木結(jié)構(gòu)組件內(nèi)部的應(yīng)力。表面應(yīng)力解除法是在測(cè)試點(diǎn)安裝變形測(cè)量裝置，一般采用幾組固定的測(cè)量元件，成對(duì)

41、按照特定形狀規(guī)則固定，然后在測(cè)量元件周邊開(kāi)展。圖5-2三種主要表面應(yīng)力解除法的測(cè)點(diǎn)和切割作業(yè)布置示意圖:(a)小型巖體切割法;(b)平行鉆孔法;(c)中心鉆孔法。巖體切割或者小型開(kāi)挖作業(yè)，在這一過(guò)程中，監(jiān)測(cè)測(cè)量元件之間距離的相對(duì)變化，進(jìn)而得到開(kāi)挖過(guò)程中測(cè)量點(diǎn)巖體的變形量，同時(shí)求得該區(qū)域巖體的彈性模量，就可以估算測(cè)量點(diǎn)原地應(yīng)力狀態(tài)。這種方法在應(yīng)力測(cè)量發(fā)展的早期起到了很大的作用，近年來(lái)該方法的使用率已經(jīng)很低了。(a) 小型巖體切割法 (b)平行鉆孔法 (c)中心鉆孔法圖5-2 三種主要表面應(yīng)力解除法的測(cè)點(diǎn)和切割作業(yè)布置示意圖表面應(yīng)力解除法在應(yīng)力測(cè)量發(fā)展早期起到了很大的作用，但是這種方法也有很大的局

42、限性，包括測(cè)量環(huán)境對(duì)應(yīng)變計(jì)或者測(cè)量柱影響較大，例如濕度、灰塵和地下溫度等;與扁千斤頂法類(lèi)似，平面應(yīng)力解除僅能測(cè)量地下洞室圍巖表面的地應(yīng)力，而圍巖表面的應(yīng)力容易受到洞室開(kāi)挖工藝、圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)、洞室表面應(yīng)力集中等因素的影響，同時(shí)圍巖表面的結(jié)構(gòu)面和巖體的各向異性對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，而且不容易消除;這種方法測(cè)出的只是巖石表面的兩個(gè)主應(yīng)力，屬于平面應(yīng)力測(cè)量。5.3 反分析法地下空間開(kāi)挖后，周邊圍巖必然會(huì)變形，而且這種變形非常明顯，只要仔細(xì)觀測(cè)地下空間圍巖的變形過(guò)程，并求得地下空間圍巖的巖體彈性模量或者變形模量，就可以估算工程區(qū)的原地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，通常人們稱(chēng)這種方法為反分析法。這種方法中是首先在巖體中預(yù)埋

43、設(shè)應(yīng)變儀、伸縮儀、閉合儀、傾斜儀等位移或者應(yīng)變觀測(cè)裝置，然后觀測(cè)后續(xù)開(kāi)挖進(jìn)行時(shí)這些儀器的記錄響應(yīng)，進(jìn)而利用數(shù)值分析法(三維有限元或者三維邊界元)來(lái)分析區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。在深部高地應(yīng)力區(qū)開(kāi)挖過(guò)程中，基于地下空間變形的反分析法得到的原地應(yīng)力狀態(tài)更為準(zhǔn)確，但是通常科技人員低估該方法的價(jià)值。6 結(jié)語(yǔ)以上內(nèi)容對(duì)目前所使用的較為常見(jiàn)的應(yīng)力測(cè)試方法進(jìn)行了回顧總結(jié)，不同的方法有不同的適用范圍，也有不同的誤差范圍，這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍列于表2。表2 原地應(yīng)力測(cè)試和估算方法對(duì)比序號(hào)方法名稱(chēng)數(shù)據(jù)源應(yīng)力信息優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用范圍1非彈性應(yīng)變恢復(fù)法定向巖心應(yīng)力大小、方向利用深孔巖心獲得應(yīng)力信息時(shí)間依賴(lài)性，影響因素多深孔、軟巖

44、2差應(yīng)變曲線分析法定向巖心應(yīng)力大小、方向利用深孔巖心獲得應(yīng)力信息影響因素多深孔、軟巖3差波速分析法定向巖心應(yīng)力方向利用深孔巖心獲得應(yīng)力信息影響因素多深孔、軟巖4餅狀巖心/巖心誘發(fā)裂紋法定向巖心應(yīng)力大小、方向能夠利用這些現(xiàn)象獲得高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力信息現(xiàn)象依賴(lài)性，誤差較大高應(yīng)力地區(qū)、硬巖5聲發(fā)射法定向巖心應(yīng)力大小、方向利用深孔巖心獲得應(yīng)力信息現(xiàn)象依賴(lài)性，誤差較大廣泛6圓周波速各向異性分析法定向巖心應(yīng)力方向利用深孔巖心獲得應(yīng)力信息影響因素多不適用于高孔隙率巖石7巖心二次應(yīng)力解除法定向巖心應(yīng)力大小、方向利用深孔巖心獲得應(yīng)力信息應(yīng)力信息不穩(wěn)定適用于殘余應(yīng)力高的巖石8微裂隙研相分析法定向巖心應(yīng)力方向利用深孔巖心獲得應(yīng)力信息影響因素多廣泛9軸向點(diǎn)載荷分析法定向巖心應(yīng)力方向設(shè)備簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單影響因素多廣泛10微型水壓致裂法鉆孔應(yīng)力大小、方向設(shè)備簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單最大主應(yīng)力量值誤差較大、只能確定平面應(yīng)力廣泛11套筒壓裂法鉆孔應(yīng)力大小、方向設(shè)備簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單重張壓力和破裂壓力不易識(shí)別有限的