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地应力测量方法

1.水压至裂法

水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流体，从而确定原位地应力的一种方法。水压致裂法的2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生新裂隙或使原生裂隙重张。

常规水压致裂法(HF法)

HF法是从射井方法移植而来，假定钻孔轴向为1个主应力方向，岩石均质、各向同性、连续、线弹性，采用抗拉破坏准则，在垂直于最小主应力方向出现对称裂缝，其仅能测得垂直于钻孔横截面上的二维应力。在构造作用弱和地形平坦区，垂直孔所测结果可代表2个水平主应力，垂直应力约等于上覆岩体自重，裂缝方位为最大水平主应力方位。

HF法测试周期短，不需要岩石力学参数参与计算，适合工程初勘阶段，不需试验洞，可进行大深度测量，是目前惟一一种可直接进行深部地应力测定的方法。通过对HF法的改进，德国大陆科学深钻计划(KTB)在主孔6 000 m和9 000 m处已成功获得了地应力资料。HF法是一种平面应力测量方法，为获得三维应力，YMizutaI和M KuriyagawaE提出3孔交汇地应力测量，我国长江科学院和地壳所也进行了大量的测试。但研究表明，当钻孔轴向偏离主应力方向，其结果就有疑问，要精确获得三维地应力较困难。为此，文献[7]基于最小主应力破坏准则，对3孔交汇HF法测试理论进行了完善，其有助于提高测量结果的计算精度，但还有待足够的测量数据来验证。

原生裂隙水压致裂法(HTPF法)

HTPF法是HF法的发展，其要求在含有原生节理和裂隙的钻孔段进行裂隙重张试验以确定原位应力。HTPF法假定裂隙面是平的，且面上应力一致。对于深孔三维地应力直接测量，HTPF法可进行大尺度的地壳地应力测试，很有发展前途。HTPF法同HF法相比，假设少，不需考虑岩石

破坏准则和孔隙水压力，在单孔中便可获得三维地应力。但用HTPF法测试费时，且裂隙产状和位置的确定误差都可降低计算精度。

2.套钻孔应力解除法

套钻孔应力解除法根据解除方式和传感器的安装部位分为探孔应力解除法、孔底应变解除法和孔壁切割解除法。探孔应力解除法根据传感器的类型可分为孔壁应变法和孔径变形法。

孔壁应变法

孔壁应变法基于岩石各向同性、均质、连续、线弹性的假设，通过孔壁6个以上不同方向的应变值来计算岩体的三维地应力。孔壁应变法又可分为直接粘贴方法和包体方法。CSIR型三轴应变计就是将应变元件直接贴到孔壁中。空心包体是将应变元件贴到薄筒壁中，再用胶将薄筒和孔壁粘结。还有一种实心圆柱式包体技术，由于受包体材料和岩石物理力学性质差异影响大，已基本不用。

孔壁应变法最大的优点是单孔单点可准确测量岩体的三维地应力，缺点是:对岩石的完整性要求高，岩芯解除长度大于40～60 cm，并且在岩芯易饼化时测试很难成功；存在应变元件的粘贴、防潮、全过程测量和定向等问题;受温度变化、岩性差异影响大，测量结果离散性大。

孔径变形法

孔径变形法基本上分为直接测量孔径变形或通过测量环向变形反算径向变形2种方式，常用的有USBM型钻孔变形计和钢环式应变计等。测试过程与孔壁应变法相同，都先把探头安装到小孔内，再进行解除，克服了空心包体材料与岩体的差异带来的影响， 2种方法都通过感应元件的触头与钻孔孔壁紧密接触来测量孔径变形.因感应元件不与孔壁解除，方便标定，变形计的线性、重复性、稳定性好，防水性强，灵敏度较高，且测量周期短，可重复使用。

孔底应变法

孔底应变法可分为平底和锥体2种，在底面贴上3个以上的应变片进行测量，不需要先钻小导孔，对岩芯的完整性要求不高，仅5 cm长即可，适合破碎岩体以及高应力岩芯易饼化区，测试成功率高，周期短，我国曾进行过大量的测试，但目前应用已较少，在国外却得到了广泛应用。

孔底应变法的缺点是仅能获得平面应力，且孔底必须打磨平滑或磨成锥体，在水下测试成功率低，若想获得三维地应力结果，通常需在3个以上不同方向钻孔中进行测试。

3.应力恢复法

应力恢复法有时也被称为应力补偿方法，应用最广泛的是扁千斤顶法。扁千斤顶法最初主要是在土木工程中作为监测应力变化的一种手段，它的主要缺点是:在测量时，由于一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的应力分量，要确定测点的6个应力分量就必须沿测点不同方向切割6个扁槽，这样可能会使扁槽之间相互干扰而使得测量的结果失去意义;

该法仅局限于地下巷道、洞室表面的应力测量，受开挖扰动影响大;测试结果的可靠性受测量时的环境条件影响较大，因而在一定程度上限制了它在实际工程中的应用。目前该法已很少被用于地应力测量，但在矿山中仍被作为监测矿柱和围岩应力变化的一种方法。

4.钻孔崩落法

钻孔崩落是孔壁岩石在高应力作用下发生破坏脱落掉块的现象，最初仅能获得钻孔横截面上的最大主应力方向。它借助于地球物理测井、深部岩体的变形破坏机理和室内试验研究结果，根据崩落形状要素及岩石的内聚力和内摩擦角可估算应力大小。该法最大水平主应力方向测试较精确，但应力量值计算精度还需进一步的提高;当钻孔不存在崩落时，就不能获得相关的地应力信息;另若岩石各向异性或非均质性突出，也会给地应力量值和方位的确定带来很大误差。

5.震源机制分析法

震源机制分析法是了解地下深处应力状态的最主要方法。当震源体积相对于所研究区域很小时，可将其近似看成是点源，根据一组震源机制解或地震矩张量确定该组地震所在区域的平均构造应力场的主应力方向和

应力比。震源机制解通常给出地震断层面及与地震断层面正交的辅助面的空间位置，多数情况只能给出这一对垂直面的空间位置。现在实际中还发展了多震源机制解法。但震源实际过程复杂，难用沿平面的纯剪切错动描述。目前，已用测定震源的地震矩张量来代替双力偶模型的震源机制解答，也可用求多个地震的平均地震矩张量的主轴方向来推断地震所在地区的

主应力方向。

常用震源模型建立在线弹性理论基础上，其导出的地震引起的位移场、应变场和应力场本质上都是以某个不为零的初值作为参考状态，理论上只能确定震源区地震引起的应力变化、大区域的空间构造应力方向以及3个主应力的相对大小，而不能得到绝对值。但地震波从震源发出后，在传播途径中可携带传播介质受应力作用的信息。因此，有利用地震波研究传播介质的应力状态的可能性。

6.凯塞效应法(Kaiser法)

1950年德国学者凯塞(Kaiser)发现，受过应力作用的岩石被再次加载时，在未达到上次加载应力前，岩石基本没有声发射，在达到并超过上次加载的应力后，声发射显著增加。从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点被称为Kaiser点，Kaise点所对应的应力即为材料在历史上受到的最高应力。古德曼(Goodman)在20世纪60年代初通过实验验证了岩石材料具有Kaiser效应。若利用岩芯地下定位或古地磁法确定岩芯方位，确定不同方向岩芯的最大应力值，可得三维应力状态。Kaiser法地应力测量可方便测量其他方法很难到的深度。Kaiser法存在记忆的多期性和记忆衰退问题,且试验围压对结果影响大。当钻孔很深时,岩芯定位多采用古地磁法,但岩芯从被磁化到现在,岩芯的方位在地下可能发生变化。

7.应变恢复法

应变恢复法包括非弹性应变恢复法和差应变曲线分析法。尽管非弹性应变恢复法测定原位应力由沃伊特(Voight)1968年提出,但首次成功应用则是由图菲尔(Teufel)在1982年首次完成的当岩芯从周围岩体分离之后会因应力释放而产生变形,认为变形由瞬时弹性变形和非弹性恢复变形组