北科大岩石力学课件-李长洪4.2地应力及其测量

裂压力
④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩 渗透性大，该压力将逐渐衰减 ⑤Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力
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（3）卸压、提设备、测定开裂方位；
然后根据测得的压裂过程中泵压表的读
数，计算地应力
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2）基本理论和计算公式
4)目前使用最为广泛 是国际岩石力学学会推荐 使用的地应力测量方法
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c.测量要求与步骤
1)测量要求 钻孔的深 度必须超 过开挖 影 响区，才 能测到岩 体内的原 始应力， 否则测出 的是二次 应力。
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套芯大孔
安装探头
套芯大孔
2) 测量步骤：
P0
Ps
③Ps-稳定开裂压力
④Ps0-关闭压力 ⑤Pb0-重张压力
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P0
P0
图 压裂过程泵压变化及特征压力
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• 各特征压力的物理意义 ①P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力 ②Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力 ③Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开
1h
4）水压致裂法的特点
设备简单 操作方便 测值直观 受到重视和推广 缺陷：主应力方向不准

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适应性强
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4.2.3 应力解除法
1) 基本原理： 当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为 的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时， 岩体单元上所受的拉力将被解除。同时，该单 元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定 的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并
当孔壁出现 垂直裂缝 时，设孔 周边两个 水平地应 力分别为 1h 和 2 h ， 孔壁还受 有水压Pb. 如图。
图
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a
孔壁开裂力学模型
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钻孔周围岩体内应力 (Kirsch.G-基尔斯解)
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在孔壁上 r=a， r Pb 有： ( ) P 2 ( ) cos 2 1h 2h b 1h 2h 当 0 时有最大拉应力：
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若岩体中有孔隙水压力Pw，（4-3）式变成：
1 h 3 2 h Pb T 0 Pw
(4-4)
பைடு நூலகம்
由图知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力 Pb0，则上式变成：
1 h 3 2 h Pb 0 Pw
(4-5) (4-6)
(4-5)和(4-6)两式对比得： Pb –Pb0=T0
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因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定 2 h 的方位或 的方向，所以三个地主应力的 方位也就可以相应确定。 （2）如果 2 h h ，并且孔壁开裂后孔内 岩体出现水平裂缝，则此时 z h 为最小 地应力， 2 h 与 1 h 各为中间主应力及最大 地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。
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本节主要内容
• 1 地应力测量概述
• 2 水压致裂法的测量原理与步骤 • 3 应力解除法（空心包体应变计） 的测量原理与步骤
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4.2 地应力测量方法
z
4.2.1地应力测量概述
a.一点的三维应力状态 ( x , y , z , xy , yz , zx ) 来表示
(b )
(d )
(b(d ) )
(
（6）数据修正和处理，计算地应力值
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d.地应力计算原理
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O yz y
zx zy y yx
z
x xy xz
x
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b. 方法分类
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4.2.2 水压致裂法
水压致裂法的假设前提： （1）有2个（ 1 h 、 2 h ） 主应力为水平方向， 另1个 v 为竖直方 向,且 v
3）根据水压致裂法试验结果计算地应力
（1）一般来讲 h 作为地主应力之一。我 们可以将 与 作比较，若 z 1 h ，则 可以肯定此时 为最小主应力；进一步将 与 z 1 h 作比较，也就可以以此确定地应力的 三个主应力。
z z
2h 2h
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结束语
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h
（2）线性、均质、各向同性 （3）渗透符合达西定律 2012-8-20
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1）水压致裂法步骤 （1）钻孔（地质勘探）、 选段（完整）、 封隔（气或液）；
直径：38、51、
76、110、 130；
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（2）加液压将孔壁 压裂与重开 ①P0-孔隙水压力或 地下水压力 ②Pb-初始压裂压力 Pb Pb Pb0 Ps
•在关闭压力Ps0点上，孔壁已经开裂，则 T0=0,稳定开裂压力由Ps下降到Ps0。此时，ps0 等于与裂缝垂直的应力，即：
2 h Ps 0
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• 求得主应力及岩体抗拉强度 T 0
2h ps0
p b p b 0 T0 1 h 3 2 h p b T 0
Ps Ps
Pb0 Ps0 Ps0
P0
Ps
③Ps-稳定开裂压力
④Ps0-关闭压力 ⑤Pb0-重张压力
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P0
P0
图 压裂过程泵压变化及特征压力
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（2）加液压将孔壁 压裂与重开 ①P0-孔隙水压力或 地下水压力 ②Pb-初始压裂压力 Pb Pb Pb0 Ps
Ps Ps
Pb0 Ps0 Ps0
3 2 h 1 h Pb
(4-1)
•按最大拉应力理论，有 T 0 (4-2) 将(4-1)代入(4-2)得孔壁开裂应力条件
1 h 3 2 h Pb T 0
(4-3)
式中：T0-岩体的抗强度 即孔壁开裂在与 2 h 垂直, 0 的面上
流程 要点 切断联系
解除应力
应变恢复
测试应变
且认为岩体时连续、均质和各向同性的弹性 体，于是就可以借助弹性理论的解答计算岩体
2012-8-20 单元所受的应力状态。 岩石力学
计算应力
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2) 应力解除法分类
测1个平面 3个方向上 的应变
孔径变形测试 1平面3方向 上的径位移 孔底应力解除法 孔壁 应力解除法
按测试应变 或变形
孔壁应变测试
3平面9个方向应变
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4.2.4）空心包体应变计测量地应力
a.探头结构
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空心包体应变计安装、采集数据示意
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b. 主要特点： 1)测量有操作简便 2)测量技术和计算理论比 较成熟
3)精度相对较高的地应力
(1)在测试地点打大孔
套芯小孔
套芯大孔
(a)
(c)
(a)
套芯小孔 安 大孔 套 芯孔 取 芯 套装 探 头
(2)从大孔底打同心小孔
(a) (3)在小孔中央位置安装测量探头
(b ) (c) (a)
(
套芯小孔 套孔取芯
(b )
套芯小孔
(4)用薄壁钻头延伸大孔，使小孔周围岩芯实现应力解除 （5）将岩芯与探头一并取回，进行围压率定和温度标定试验。