岩体地应力及其测量方法综述_3
4、岩体地应力及其测量方法
4.1地应力成因组成及影响因素-1
p
1、地应力基本概念
存在于岩体中的未受扰动的自然应力，或称原岩应力。工 程进行后应力受到影响而产生二次分布，重新分布后的应 力为二次应力或诱导应力。
p
2、地应力的成因、组成影响因素
①地应力成因 1878年瑞典地质学家海姆提出静水压力概念； 1926年前苏联学者金尼克修正了海姆静水压力公式，提 出侧压力与正压力的关系为：
岩石力学
第四章：岩体地应力及其测量方法
4.1概述
岩体介质有别于其他任何介质的主要特征在于，岩体内部 应力和自重及地质构造运动有着密不可分的联系。受其影 响导致岩体内部初始应力场分布相当复杂。 在工程荷载作用下， 岩体内部应力重新分 布导致工程产生变形 和破坏，所以了解初 始应力场在岩体内分 布情况就显得非常重 要。
4.3高应力区特征-16
4.3高应力区特征-17
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2、岩爆及其防治措施
②岩爆类型、性质及特点 岩爆一般具有如下特征： 爆裂声有强有弱；弹射基本上是弱弹射到无弹射；爆落岩 石有体积较大的岩块和小体积的贝壳状岩片；爆落形成的 爆坑有直角、阶梯形和窝型；岩爆发生的部位有一次性的 也有重复性的；从岩爆声响到岩石爆落的时间间隔方面可 分为速爆型和滞后型；从岩爆坑沿洞轴方向连续分布情况 看有连续型、断续型和零星型。
4.4地应力测量方法-26
p
2、水压致裂法
①测量原理 当大主应力方向上的切应力达到超过岩石的抗拉强度时， 钻孔周围岩石会被拉裂： 即：σ θ = (σ 1 + σ 2 ) − 2 (σ 1 − σ 2 ) cos 2ϕ − Pb ≤ −σ t 此时角度 ϕ 为0°或180°，上式可转化为：
3σ 2 − σ 1 − Pb + σ t = 0
[工学]第四章岩体地应力及其测量方法
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n
i i
对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：
z i hi
i 1
n
x y
x
E //
//
y
E //
z
E
0
x y
E // z 则有 ： x y 1 // E
岩体自重应力的特点：
（a）水平应力σx、σy小于垂直应力σz ； （b） σx、σy、σz均为压应力； （c） σz只与岩体密度和深度有关，而 σx、σy还同时与岩体 弹性常数E、μ有关； （d）结构面影响岩体自重应力分布。
土木建筑学院
荣传新
本章内容：
4.1
概述
4.2 地应力场的分布规律 4.3 高地应力区特征
4.4 地应力测量方法
授课学时：4学时
§4-1 概述 1、基本概念
原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然 平衡状态的岩体，称为原岩。 围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体， 称为围岩。 原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，
H min 0.2 ~ 0.8 H max
七、地应力的分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、岩体结
构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别
是地形和断层的扰动影响最大。 地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床
中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平
行； 断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应 力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。
(2)改善围岩应力条件 可从设计与施工的角度采用下述几种办法： a)在选择隧道及其他地下结构物的位置时，应使其长轴方 向与最大主应力方向平行，这样做可以减少洞室周边围岩 的切向应力； b)在设计时选择合理的开挖断面形状，以改善围岩的应力 状态； c)在施工过程中，爆破开挖采用短进尺、多循环，也可以 改善围岩应力状态，这一点已被大量的实践所证实； d)应力解除法，即在围岩内部造成一个破碎带，形成一个 低弹性区，从而使撑子面及洞室周边应力降低，使高应力 转移到围岩深部。为达到这一目的，可以打超前钻孔或在 超前钻孔中进行松动爆破，这种防治岩爆的方法也称为超 应力解除法。
地应力测量的国内外研究现状综述
地应力测量的国内外研究现状综述地应力测量（In situ stress measurement），就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态。
本文以岩石Kaiser效应为例，通过收集大量的国内外有关地应力的研究资料，回顾了地应力测量的发展历程，总结了地应力测量方法的适用范围，基于今后岩石工程所呈现的新特点和新问题，探讨了地应力测量的发展趋势。
标签：地应力测量岩石声发射凯塞尔效应1引言地应力测量，就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态。
岩石在外载荷的作用下产生微破裂时，一部分应变能将以弹性波的形式释放出来，称为岩石的声发射（Acoustic Emission，简称AE）[1]。
对花岗岩、大理岩、砂岩等岩石进行加载时，当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，即岩石声发射的Kaiser 效应，其为测量岩石应力提供了一个途径，即从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行声发射试验，测定Kaiser点，即可找出每个试件以前所曾受到的最大应力，并进而求出取样点的原始三维应力状态[2]。
2国外研究现状早在二十世纪三十年代，Obert 和Duvall 在发现岩石中存在声发射现象的基础上经过不懈的努力成功的将声发射技术应用到矿山岩体稳定性监测和岩爆的监测预报中（Black W，1982）。
在研究中发现岩石作为一种脆性材料，内部孔隙、微裂纹等缺陷在外荷载作用下扩展贯通直至破坏，在这一过程中内部颗粒破坏失效所产生的能量突然以应力波的形式释放，通过仪器对传至岩石表面的弹性应力波的监测和分析，探讨岩石在外部荷载作用下内部裂纹的变化和发展规律，通过研究这些规律发现矿山岩体失稳破坏的前兆特征，制订出一套适用于工程实际的预测预报机制，为安全生产和作业人员的人身安全提供了强有力的保障。
现代声发射技术的开始主要应归功于德国科学家凯塞（Kaiser）的研究工作（Kaiser J，1950）。
岩体地应力及其测量方法综述
岩体地应力及其测量方法综述明有封闭应力的存在。
地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。
应力解除法是岩体应力测量中应用较广的方法。
(2)对于地表剥蚀作用因素是导致常规初始应力反演中重力因子大于1的原因,易达根据地表剥蚀作用对地应力场反演影响的研究成果对此问题做了假定分析。
关键词：地应力，剥蚀作用，应力解除法，重力因子1 地应力的成因及其分类地应力一般是质地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，或称初始应力，主要是在重力和构造运动综合作用下形成的应力，有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆浸入等作用下形成的应力[1]。
1.1 地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。
其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分[1]。
1.2 地应力的分类地应力按不同起源分为：自重应力、构造应力、剩余应力（卸荷作用在岩体内引起高的水平应力）和变异应力（由岩体的物理状态、化学性质或赋存条件方面的变化而引起的应力）。
值得注意的是剩余应力与残余构造应力是完全不同的：剩余应力不具有方向性，常是x=y；而残余应力引起的高水平应力具方向性，x与y相差较大[2]。
1980年陈宗基曾提出封闭应力的概念。
由于岩石是非均质介质，它的颗粒大小、力学性质及热传导系数等各不相同。
当地壳经受压力或温度变化后，岩石中各种晶体将产生变形。
由于晶体间的摩擦力使其在变形过程中局部将受到阻碍，引起应力积累。
地应力测试方法
地应力主要测试方法总结摘要：本文总结了目前使用较为广泛的26种地应力测试，并对这些方法的基本原理做了简要介绍。
这26种方法按照数据源途径可以分为5大类，分别为基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理学方法以及基于地下空间的方法。
最后文章对这些方法进行了的优缺点和适用范围进行了分析对比。
蓄存在岩体内部未受到扰动的应力称之为地应力，地应力可以分为两类，原地应力和诱发应力，而原地应力主要来自五个方面:岩体自重、地质构造活动、万有引力、封闭应力和外部荷载。
地应力具有多来源性且受到多种因素的影响，因此地壳岩体地应力分布复杂多变。
从海姆假说认为“岩体中赋存的应力近似为静水压力状态，且等于上覆岩体自重”到金尼克假说认为“垂直应力等于上覆岩体自重，水平应力等于岩体泊松效应产生的应力”，人们对岩体应力的认识逐步提高，并利用实测数据否定了以上两种假说。
社会发展的需求直接催生了大量地应力测试和估算方法，而这些方法的发展又进一步促进了人类社会的基础设施建设、资源和能源开发。
随着人类对能源和矿产资源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部矿产资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开发状态，而深部开采中遇到的“三高”问题(高地应力、高地温、高水压) 将成为深部开采岩体力学研究中的焦点和难点问题。
准确确定深部开发空间区域的原地应力状态是解决以上难题的必要途径之一，这就需要进行地应力测试方法和技术的研究。
从地应力概念提出至今，各国科学家提出了数十种地应力测试方法，将其按照数据来源进行归类，大概可以分为五大类:基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理方法( 或地震学方法)、基于地下空间的方法。
下面将对各种方法的测试原理和方法发展的脉络作一些简要介绍，表1包括了目前认可程度和使用范围较广的各种方法.表1 原地应力测试和估算方法汇总1 基于岩心的方法1.1 非弹性应变恢复法非弹性应变恢复法(ASR)是通过测量现场从井孔取得的定向岩芯与时间相关的应变松弛变形来反演原地应力场方向和量值的一种方法。
地应力基本概念及测量方法
地应力基本概念及测量方法应力等因素导致岩体具有初始地应力（或简称地应力）是最具有特色的性质之一。
就岩体工程而言，如不考虑岩体地应力这一要素，就难以进行合理的分析和得出符合实际的结论。
岩体应力天然应力是指未经人为扰动的，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。
天然应力构成：岩体自重自重应力构造运动构造应力流体作用静水压力梯度，渗流应力其他（低温、地球化学作用）地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极大，它不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且往往对各类建筑物的设计和施工造成直接的影响。
比如，地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏。
这都是由于在具有初始地应力场的岩体中进行开挖所致，因为这种开挖荷载通常是地下工程问题中的重要荷载。
由此可见，如何测定和评估岩体的地应力，如何合理模拟工程区域的初始地应力场以及正确和合理地计算工程问题中的开挖荷载，是岩石力学与工程问题中不可回避的重要问题。
已有的研究和工程实践表明，浅部地壳应力分布主要有如下的一些基本规律：地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。
实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。
水平应力普遍大于垂直应力。
平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。
最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。
最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。
地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。
高应力区实践表明，在高应力区，地表、地下工程施工期间所进行的岩体开挖工作，往往能在岩体内引起一系列与卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，其结果是不仅会恶化地基或边坡岩体的工程地质条件，而且作用的本身有时也会对建筑物造成直接的危害。
岩石力学-地应力的测量 直接测量法
测量步骤
3.2直接测量法(水压致裂法)
优缺点
水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最 小主应力的大小和方向，所以从原理上讲，它是一种二维应力测量方 法。
原理
3.2直接测量法(水压致裂法)
从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受
到无穷远处二维应力场( 1 ， 2)的作用时，离开钻孔端部
一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周 边的应力为
1 2 2(1 2 ) cos 2 r 0
式中， 和 r分别为钻孔周边的切向应力和径向应力； 为周边一点与 1轴的夹角。
Pi 3 2 1 T
原理
3.2直接测量法(水压致裂法)
P
3
水压致裂应力测量原理
如果继续向封隔段注入高压
水，使裂隙进一步扩展，当
裂隙深度达到3倍钻孔直径
时，此处已接近原岩应力状
态，停止加压，保持压力恒
定，将该恒定压力记为Ps,Ps 应和原岩应力相平衡， 即
3.2直接测量法(水压致裂法)
1）打钻孔到准备测量应力的部位，井将钻 孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径 与所选用的封隔器的直径相一致。封隔器一 般是充压膨胀式的，充压可用液体，也可用 气体。
2）向二个封隔器的隔离段注射高压水，不 断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始 开裂压力；然后继续施加水压以扩张裂隙， 当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高水压 系统，保持水压恒定，此时的应力称为关闭 压力，记为；最后卸压，使裂隙闭合。在整 个加压过程中，同时记录压力-时间曲线图 和流量-时间曲线图，确定Pi，Ps值。
地应力测量方法综述
地应力测量方法综述张重远1，2，吴满路1，2，陈群策1，2，廖椿庭2，丰成君2（1．国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京100081；2．中国地质科学院地质力学研究所，北京100081）摘要：通过回顾地应力测量的起源及发展历程，对地应力测量方法进行了归类分析，明确了各种方法的基本原理、优缺点及应用范围；同时，对地应力测量的最新发展趋势以及目前我国在地应力测量方面面临的问题与挑战进行了剖析．研究成果对于采用较好的地应力测量方法以提高地应力测量精度无疑具有重要的指导意义．关键词：地应力测量；绝对应力；相对应力中图分类号：P553文献标识码：A文章编号：1673-9787（2012）03-0305-06Review of in-situ stress measurement methodsZHANG Chong-yuan1，2，WU Man-lu1，2，CHEN Qun-ce1，2，LIAO Chun-ting2，FENG Cheng-jun2（1．Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard，Ministry of Land and Resources，Beijing，100081，China；2．Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing，100081，China）Abstract：After reviewing the origin and development process of in-situ stress measurement，major present-day methods to measure in-situ stress are classified and their fundamental principles，advantages and disadvanta-ges，and applications are introduced．Meanwhile，new development trends about in-situ stress measurement as well as the problems and challenges that emerge in in-situ stress measurement in China now are analyzed in detail．The study has a guiding significance for using different methods of in-situ stress measurement and thereby improving its measuring accuracy．Key words：methods of in-situ stress measurement；absolute stress measurement；relative stress measurement0引言地应力是指客观赋存于地壳岩体内且未受工程扰动的一种自然力，亦称原岩应力．它是导致地壳岩体产生变形、断裂、褶皱乃至地震的根本作用力．李四光教授认为，岩层中发生的种种变形或破裂，是应力活动的结果［1］．随着我国采矿、隧道、水利水电、地热能开发、核废料处置等工程的持续增加，岩爆、巷道变形、高边坡失稳等一系列问题愈加突出．再加上我国又是当今世界上构造活动最为强烈的国家之一，陆内地震、山体滑坡等地质灾害频频发生．因此，开展地应力测量和监测，探知地壳应力状态，不仅可以服务各类岩体的工程建设，而且还能为地球动力学研究、断裂活动性研究和地质灾害预警研究提供重要的科学依据．目前，随着地应力测量在工程建设、地质灾害预警以及断裂活动性研究等领域的广泛应用，地应力测量方法日益增多．本文在回顾地应力测量起源及发展历程的基础上，对地应力测量方法进行了系统的归纳分析，以期为地应力测量方法的第31卷第3期2012年6月河南理工大学学报（自然科学版）JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）Vol．31No．3Jun．2012收稿日期：2012-02-23基金项目：国家科技专项（SinoProbe-06-01）．作者简介：张重远（1987—），男，河南周口人，主要从事地应力测量与区域应力场稳定性研究．E-mail：zhchongyuan@126．com合理应用提供借鉴．1地应力测量的起源与发展1932年，美国人R S Lieurace率先在胡佛大坝坝底泄水隧洞采用岩体表面应力解除法测量洞壁的围岩应力状态，开辟了地应力测量的先河．20世纪50年代初，瑞典人N Hast采用压磁套芯应力解除法在斯堪的纳维亚半岛进行了大规模的地应力测量试验，首次测得近地表地层中水平应力大大超过垂直应力，证明了A Heim的静水压力假说和A H Gennik的垂直应力大于水平应力的理论不具普遍性［2］；同时，他还认为这种现象与斯堪的纳维亚半岛的缓慢地壳构造运动有关．另外，他还将地应力测量引入了地质构造分析与地壳应力场研究之中．20世纪60年代以后，地应力测量理论和方法呈现多样化发展趋势，除了套芯应力解除法和水压致裂法等主流方法外，还涌现了诸如声发射法、应变恢复法、钻孔崩落法、岩芯饼化法、地质构造分析法及应力场反演法等一系列间接测量地应力的方法．20世纪80年代以后，地应力测量受到世界各国的广泛关注，特别是一些发达国家相继开展了深部应力（应变）监测计划．如美国的板块边界计划（PBO）在美国西部圣安德森断层边界计划安装200套钻孔应变仪，以研究美国西部板块边缘地区的变形；日本在京都地区与伊豆半岛等地安装了近40套深井地壳活动综合监测装置，用于地震活动性研究及地震预警监测［3］．我国地应力测量试验和研究开始于20世纪50年代后期，是由著名地质学家李四光和陈宗基两位教授分别指导的地质力学研究所和三峡岩基专题研究组率先组织实施的．1966年邢台地震之后，在李四光教授的指导下，在河北省隆尧县建立了全国第一个、也是世界上第一个地应力监测台站．该台站发现了地应力与地震活动有密切的联系．在过去的几十年间，我国原地应力测试技术得到了迅速发展，相继成功研制了压磁应力解除法、空芯包体应力解除法、水压致裂法、声发射法地应力测试系统仪器设备．汶川地震后，我国在南北地震带及首都圈安装了最新研制的圧磁应力监测仪器，显示了良好的地震前兆及响应信息．为了提高地球深部资源勘查和灾害预警水平，我国近期启动了深部探测技术与实验研究，这为建立我国地应力测量及监测网络、提高地震预警能力提供了坚实的物质基础和技术保障［4］．2地应力测量的主要方法迄今为止，可用于地应力测量的方法虽然很多，但尚未形成统一的分类标准．根据测量数据特点的不同，地应力测量大体分为绝对应力测量和相对应力测量．前者主要是确定地壳应力背景值，即主应力的大小和方向；后者则是观测应力随时间变化的动态变化规律，通常也称为地应力监测．根据测量基本原理的不同，绝对应力测量方法又可分为直接测量法和间接测量法．所谓直接测量法就是利用测量仪器直接测量和记录各种应力量，并由这些应力量和原岩应力的相互关系直接换算得到原岩应力值．间接测量法则是借助某些传感元件或媒介，测量和记录与岩体相关物理量的变化（如密度、泊松比、弹性波速等变化），然后通过相应的公式换算间接得到原岩应力值［5］．目前，较为常用的绝对应力测量方法主要有水压致裂法、声发射法、钻孔崩落法、套芯应力解除法、应变恢复法等．其中，前3种方法属于直接测量方法，后2种方法属于间接测量方法．相对应力测量方法包括压磁法、压容法、体应变法、分量应变法及差应变法等．其中，最为常用的方法是钻孔应变测量，它包括钻孔分量应变法和钻孔体积应变法．2．1套芯应力解除法套芯应力解除法既是2003年国际岩石力学测试专业委员会（ISRM）新推荐的一种地应力测量方法［6］，也是当前国内外最为常用的一种地应力测量方法．它是以平面应力状态为理论基础，假定岩体是连续、均匀、各向同性、线弹性的［7］．具体测量方法见图1．603河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷目前，主要采用的套芯应力解除法有空芯包体应力解除法和压磁应力解除法．空芯包体应力解除法采用空芯包体应变计进行测量，压磁应力解除法采用以铁磁体磁致伸缩原理为基础设计的传感器进行应力测量［7］．压磁应力解除法地应力测量技术最早起源于瑞典，经过地质力学所的长期改进和创新，该方法已在国内许多重大工程应用中取得了良好的效果［7-11］．相比较而言，空芯包体应力解除法操作简单，经济实用，精确度较高，且可测量三维应力状态，但是其测量深度较浅（仅数10m ），且多用于隧道、矿山、地下硐室安全设计等方面．压磁应力解除法是一种平面测量方法，在3个相互正交的钻孔中可测得三维应力值，其测量探头稳定性好、灵敏度高，测量深度大（可达100 200m ［10-11］），多用于对变形控制要求较高的隧道、硐室及核废料处置等工程中．2．2水压致裂法水压致裂法地应力测量是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，向封隔段注入高压流体（通常为水），并通过孔壁岩体的胀裂来确定地应力的一种方法（图2）．由于该方法可以在无需岩石力学参数的情况下直接测量应力值，特别是可以直接确定最小主应力值，再加上其具有操作简单、测量深度较大等优点，目前已被广泛应用．2003年，国际岩石力学测试专业委员会推荐了经典水压致裂法（HF ）和原生裂隙水压致裂法（HTPF ）［12］．HF 法地应力测量假设岩体为理想、非渗透性的且有一个主应力为垂直方向，大小等于上覆岩层重量．严格意义上讲，HF 法是一种平面测量方法，若要获取全应力张量，需采用三孔交汇测量．HF 法选择岩性完整的测试段，进行3 5个压裂循环试验并生成压力-时间曲线．最小水平主应力大小可从曲线中分析得到，其中关闭压力的准确判读是关键，ISRM 推荐至少用2种方法保证其可靠性［12］．孔壁的破裂方向即为最大水平主应力方向，一般用带有定位系统的印模器确定，但也可用地球物理成像技术记录裂隙方向［12-14］．当岩体中存在较多原生裂隙时，可以选用HTPF 法［12］．HTPF 法是HF 法的发展，能够估算全应力张量，且不涉及孔隙压力、钻孔方向和材料属性等参数，若裂隙间距大于50m ，需假设应力梯度，这会增加测试次数［12-16］．作为目前能完整测量深部地应力的最有效方法，水压致裂法广泛应用于水电、石油、地热及科研钻探中．2．3应变恢复法应变恢复法的原理是岩芯从周围岩体分离后即发生体积恢复（一部分是立即发生的弹性恢复，一部分是随时间缓慢发生的滞弹性恢复），且各方向的应变恢复量与之前所受压力正相关［16］．应变恢复法可分为滞弹性应变恢复法（ASR ）和微分应变曲线分析法（DSCA ）．目前，该技术在日本发展的较为成熟，并在科研及工程中取得了较好的应用效果．ASR 法通过对岩芯在径向和轴向测量应变恢复，可获得主应变方向，进而得到主应力方向，但对主应力值的估计较为困难，需要针对不同岩性建立准确的本构模型．DSCA 法认为，解除应力后，定位岩芯将随着膨胀而出现微裂隙，裂隙分布和原岩应力方向有关，裂隙密度与原岩应力大小成正比［17］．通过对试件正交面上应变片施加静水压力、记录各应变片的应变值并描绘应变-压力曲线，可以分析得到3个主应力方向及比值．若已知其中一个主应力大小（通常假设垂直应力为上覆层岩体重量），即可确定另外两个主应力大小［18-19］．ASR 法岩芯定向费用较高，且影响测量结果的因素很多［16］．DSCA 法操作复杂，仅为二维测量．但在一些大深度钻井条件下，当水压致裂法和应力解除法无法有效实施时，或者当需要其他方法的补充性数据来确保测量结果可信度时，应变恢复法具有较高的应用价值．2．4钻孔崩落法钻孔崩落指大深度的钻孔孔壁自然坍塌、掉703第3期张重远，等：地应力测量方法综述块现象［20］．同一地区井孔深部孔壁多发生塌陷，且具有相似的优势坍塌方位．钻孔孔壁挤压应力最大集中区通过剪切破碎而形成崩落，崩落的方向与最小水平主应力平行．有人认为，可利用崩落形状和岩石强度参数来确定水平主应力的大小，以及根据孔壁崩落的深度和宽度来估算应力值［21］．崩落方位可以用井下电视等辅助工具描述．钻孔崩落法的优点是速度较快，而且能在其他手段效率较低的深孔乃至超深孔获取有效信息．但也有很多不足，比如需要有崩落段的存在，岩体的各向异性会扰乱崩落方位、损害已获信息的有效性、尚无令人满意的理论与方法确定应力值的大小等［16］．钻孔崩落法广泛应用于石油工业及科研深钻中，如德国KTB深钻、日本海洋钻探计划（ODP）、中国台湾TCDP深钻和大陆科学钻探（CCSD）等［22-27］．2．5声发射法声发射（AE）是材料内部储存的应变能快速释放时所产生的弹性波现象．德国人J Kaiser研究发现，多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载时，若应力未达到先前的最大应力值，则很少有声发射产生；当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象叫做Kaiser效应［28］．把从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称之为Kaiser点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力．据此，在实验室对岩石试件进行6个以上不同方向的单轴压缩试验，可获得6个以上不同方向的压应力，并进一步根据弹性理论确定岩石取芯点的全应力张量［28］．岩芯的定位多采用古地磁法．由于声发射与弹性波传播有关，且高强度的脆性岩石通常具有较明显的Kaiser效应，而多孔隙低强度及塑性岩体的Kaiser效应往往不明显，所以一般不建议用AE法测定比较软弱疏松及塑性岩体中的应力．不过，M Seto通过试验认为，即使脆弱的岩芯，若采用多次加载也可以较好地分辨出Kaiser点［29］，这为利用AE法测定软弱疏松岩体提供了可能．目前，AE法在矿山和油田等工程中应用较多．2．6相对地应力测量方法长期以来，相对地应力测量的主流方法是钻孔应变观测，包括钻孔分量应变监测法和钻孔体积应变监测法．当前的监测台站多使用这类方法，限于篇幅，仅简要介绍这两种方法．钻孔分量应变观测法是观测钻孔直径的相对变化量，原理上沿不同方位布设3个压磁式、振弦、电容或半导体应变片就可以测出钻孔所在的平面应变状态．我国主要使用四分量式应变仪（其4个顺次标记元件相隔45ʎ夹角），其优点是可以利用奇数与偶数元件位移量之和的相关性自行检验观测的正确性，且当其中1个元件不能正常工作时，其余3个元件仍然可以完成测量［30］．钻孔体积应变监测法是测量岩石的体积应变，测量探头为液压式或液位式传感器．该法对岩石的完整性要求相对宽松，也容易获取长期稳定的资料，而且能在土层或松软岩层中测量［31］．地壳的构造运动、地球的固体潮汐作用、气压变化、地下水位变化、温度的变化以及人类的活动等都会造成地壳中的应力（应变）变化，而钻孔应力应变监测关心的又是构造运动引起的地壳中的应力（应变）变化，因此，需要对影响观测值变化的各种因素同时进行辅助监测［30］．目前，钻孔应变监测主要用于地震预警，但也可以用于矿山安全监测．3地应力测量存在的问题与展望3．1存在的问题随着我国工程建设不断向深部发展，地应力测量及监测正面临着严峻的考验．与发达国家相比，尚存在许多问题与不足．首先，在宏观层面上存在的问题与挑战有：第一，测量和监测深度不足［3］．目前，国际上最大地应力测量深度已达5100m［32］．在德国的KTB深钻及美国的SAFOD计划中，应力测量深度一般达到2000 3000m；日本也建立了数10座深度为1000 3800m的深井观测台站［3，30］．我国的绝大部分应力测量深度仅数百米，超过1000m的深井观测极为稀少，这严重制约了测量数据在空间上的代表性．第二，缺乏合理系统的地应力监测网络［3］．我国虽然积累了大量的地应力测量数据，但数据分布不均且质量参差不齐，地应力监测台站少、布局不合理，大部分监测台站数据网络传输、数据分析处理能力也亟待加强，这些问题制约了地学领域的创新性发现．第三，统一的地应力测量规范和标准亟待解决［3］．ISRM早在1987年即发布了“确定岩石应力的建议方法”．2003年，结合地应力测量方法的最新进展，又发布了新的建议规范．然而，在这些权威的地应力测量方法技术规范起草和编写过程中，没有我国相关领域科学803河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷家的参与．其次，在技术与操作层面上存在的问题与挑战有：第一，测量深度引起的仪器设备性能问题．深部岩体的苛刻环境要求钻探设备和监测仪器具备足够的耐高压、耐高温、抗干扰、防水能力，而仪器在这种环境下，长期工作的稳定性以及与孔壁的耦合性不容忽视．第二，测量仪器和方法的精度与可重复性问题．测量的精度是确保数据可靠的关键，对此，除了改进已有仪器，更需要新技术、新材料的研发．测量过程和结果的可重复性既是测量工作科学、严谨的体现，又是测量仪器与方法广泛应用的保障，具有重要意义．第三，测量仪器及测量平台的现代化程度问题．提高测量与数据采集的质量与效率、推进测量成果网络传输与共享、建立测量方法标定平台，既需要增强地应力测量体系的现代化水平，又需要地应力测量系统向自动化、集成化、智能化方向发展．3．2展望近年来，人们逐渐认识到，由于地壳结构的高度复杂性和非均质性，加之地形等因素的影响，基于浅部及孤立测点所获得的地应力测量数据的代表性十分有限．因此，只有提高地应力测量深度，加大监测密度，才可能比较准确地认识和把握某一构造单元地质构造活动的动力学成因和内在机制．有鉴于此，在绝对应力测量方面，深部乃至超深部应力测量已成为必然趋势．同时，考虑到目前尚没有哪一种地应力测量方法能够适应和胜任所有目的和环境的测试，采用多种方法联合观测，实现不同观测方法之间的优势互补已成为提高测量结果可信度的必然举措．此外，在相对应力测量方面，高密度深井综合监测已成为未来的发展方向．这不仅是深部地质研究的客观需要，也是消除气压、温度、地下水以及地面噪音等自然和人为因素干扰的现实需要．有鉴于此，钻孔分量应力和应变监测方法无疑将成为重点发展方向．目前，地应力相对测量正朝着多元化方向迈进，钻孔地应力（应变）监测以及其他物理参数检测技术将一起作为地球物理观测的重要手段在未来深部地壳研究中发挥重要的作用．参考文献：［1］李四光．地质力学方法［M］．北京：科学出版社，1976．［2］HAST 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Abstr，1978，15（4）：167-178．（责任编辑杨玉东）013河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷。
地应力的测量方法
地应力的测量原理目前地应力测量方法有很多种，根据测量原理可分为三大类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。
其中，应力解除法与水压致裂法得到比较广泛的应用，其他几种只能作为辅助方法。
1.应力解除法测试原理和技术1.1应力解除法测试原理具有初始应力的岩体，用人为的方法卸去其应力，在岩体恢复变形的过程中测试其应变，然后用弹性力学理论计算出地应力的大小，得出其方向、倾角。
目前国内外地应力测量普遍采用空心包体应变计测量技术。
KX一81型空心包体应变计由A、B、C 3组共12枚应变片嵌埋在1个壁厚约3 mm的空心环氧树脂圆筒中间，圆筒外表面与钻孔壁用专用环氧树脂胶黏结在一起，其是在澳大利亚CSIRO空心包体应变计的基础上研制出来的，是套钻孔应力解除法的一种，只需1个孔就能测量出某点的三维原岩应力，具有使用方便、安装操作简单、成本低、效率高等优点。
1.2完全温度补偿技术KX一81型空心包体应变计与其他许多应变测量仪器一样，均采用应变计作为敏感元件，并根据惠斯顿电桥的原理13J，将应变的变化转换成电压变化经放大后记录下来。
电阻应变计对温度变化是很敏感的，温度发生变化时应变计的电阻值将发生变化，从而产生虚假的附加应变值。
因此在现场测试中必须采取温度补偿措施。
惠斯顿电桥原理：平衡时，检流计所在支路电流为零，则有，（1）流过R1和R3的电流相同（记作I1），流过R2和R4的电流相同（记作I2）。
（2）B，D两点电位相等，即UB=UD。
因而有I1R1=I2R2；个阻值已知，便可求得第四个电阻。
测量时，选择适当的电阻作为R1和R2，用一个可变电阻作为R3，令被测电阻充当R4，调节R3使电桥平衡，而且可利用高灵敏度的检流计来测零，故用电桥测电阻比用欧姆表精确。
地应力及其测量
一、概述－研究地应力的重要性
地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是 确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析,实现开挖设 计和决策科学化的必要前提条件.
地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油 井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究 以及地球动力学的研究等也具有重要意义.
当θ＝0°时, σθ取得极小值, σθ＝3 σ2－ σ1
当水压达到 P i 32 1T 孔壁发生初始开裂
当继续注水使裂隙深度扩展至3倍钻孔直径时,此处已接近原岩应力状态
停止加压,保持压力恒定,记此时压力为Ps
Ps 2
21
三、地应力测量方法－a 水压致裂法
假设钻孔中存在压力P0的裂隙水时,则初始开裂压力Pi
原岩应力基础知识
1
本章内容
概述 地应力场的分布规律 地应力测量方法
2
一、概述
原岩： 未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体. 原岩应力亦称初始应力或地应力：
定义一：原岩中存在的应力. 定义二：岩体在天然状态下所存在的内应力.
次生应力或诱发应力受工程扰动之后的天然应力状 态,J.Hudson:由于受井巷开挖、矿产资源开采等工 程影响,原岩应力平衡状态被破坏后的应力. 这一转换过程称为应力重分布.
无限体——圆形钻孔 平面应变受力状态
几点假定
三、地应力测量方法－a 水压致裂法
由弹性力学可知：无限体中的一个圆形钻孔受到无穷 远处二维应力场σ1最大水平应力, σ2最小水平应力 , 其钻孔周边的切向应力σθ和径向应力σr为：
1 2 2 1 2 c2 os
3 2 1
r 0
周边一点与σ1轴的夹角
6
一、概述－地应力的成因
岩石力学第三章 地应力测量
1926年，苏联学者金尼克修正了海姆的静水
压力假设，认为地壳中各点的垂直应力等于
上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应力)是
泊松效应的结果，其值应为γH乘以一个修
正系数λ（侧压力系数）。他根据弹性力学
理论，认为：
vH,hH11 H
9
岩石力学
二、地应力认识的历史
朗金假设
朗金认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩
36
岩石力学
二、刚性包体应力计法
当E′／E>5时，σx′／σx的比值将趋向于 常数1.5。即当刚性包体的弹性模量超过岩体 的弹性模量5倍之后，在岩体中任何方位的应 力变化会在包体中相同方位引起1.5倍的应力， 因此只要测量出刚性包体中的应力变化就可知 道岩体中的应力变化。
为了保证刚性包体应力计能有效工作，包体 材料的弹性模量要尽可能大，至少要超过岩体 弹性模量的5倍。
37
岩石力学
二、刚性包体应力计法
刚性包体应力计具有很高的稳定 性，因而可用于对现场应力变化进 行长期监测，然而通常只能测量垂 直于钻孔平面的单向或双向应力变 化情况，而不能用于测量原岩应力。
38
岩石力学
三、水压致裂法
水压致裂法在20世纪 50年代被广泛应用于油 田钻井中制造人工裂隙 来提高石油的产量。
2
O
41
岩石力学
三、水压致裂法
钻孔周边（r=R)的应力：
(12)2(12)cos2 r 0
钻孔周边应力的最小值（θ＝0°时）：
,min 321
42
岩石力学
三、水压致裂法
水压致裂 系统是将 钻孔某段 封隔起来， 并向该段 钻孔注入 高压水。
43
岩石力学
三、水压致裂法
1.3岩体地应力测试
用孔径变形法钻一孔仅能测出垂直于孔轴 平面的次主应力，要测出岩体三维应力， 应钻3个孔，常用3孔汇交测试法。 如图1.16。为方便起见使孔1与坐标轴Z重 合，其余两个钻孔与Z的夹角分别为 δ 2 , δ 3 各钻孔底面的平面应力状态如图。每个孔 底面的主应力可按：
2 2 σ 1i + σ 2i σ 1i − σ 2i σ yi = cos 2 β i − 2 2 σ 1i − σ 2i τ xiyi = sin 2 β i 2
σ 1h = 3σ 2 h − Pb + T0
式中：T0-岩体的抗拉强度
(6-18)
即孔壁开裂在与 σ 2 h 垂直 θ = 0 的面上 孔壁开裂在与 垂直,
若岩体中有孔隙水压力Pw，（6-18）式变成：
σ 1h = 3σ 2 h − Pb + T0 − Pw
(6-19)
由图6-11知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压 力Pb0，则上式变成： (6-20) σ 1h = 3σ 2 h − Pb 0 − Pw 19和20两式对比得： Pb –Pb0=T0
，
假设岩体中地应力的主应力为 σ 2 , σ 3 若在岩体中钻一个直径为d的孔，周边的径 向位移u为：
u = k[
σ1 + σ 2
2
+ (σ 1 − σ 2 ) cos 2θ ]
平面应力状态：k=d/E 平面应变状态：
k = (1 − µ )d / E
2
θ1 , θ 2 , θ 3 测出3个不同方向
σ xi =
σ 1i + σ 2i
+
σ 1i − σ 2i
cos 2 β i
式中 β i = α i − θ1i 与6个待求的三维 应力分量间有如下关系：
地应力测量方法文献综述
地应力测量方法文献综述通过查阅大量的与地应力测量相关的文献，对地应力测量法进行了系统的总结归类，明确了每种方法的适用范围优缺点及工作原理;同时提出了地应力测量过程中需要注意的问题，并对我国地应力测量的发展现状做出了展望。
标签：测量方法;地应力;适用范围地应力又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于物理变化、化学变化以及侵入等原因综合作用产生的[1]。
地应力不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且对矿山开采、大型地下工程建设和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用。
地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提，所以选择合理有效的地应力测量方法意义重大。
1.国内外地应力测量的研究概况19世纪末20世纪初，瑞士著名的地质学家海姆（Heim）通过观察阿尔卑斯山大型越岭隧洞围岩的工作状态，发现隧洞在各个方向都承受着很高的压力，首次提出了地应力的概念，并于1905～1912年提出了地应力为“静水压力”的假说，即著名的Heim假说：岩体地应力的垂直分量与水平分量相等，其大小等于上覆岩体的重力γH（其中，γ为岩石的容重，H为深度）[2]。
产生地应力的原因是十分复杂的，要弄清楚所有因素尚有困难。
工程岩体中地应力的主要来源是岩体自重和各种地质构造运动，而实测地应力的工作具有直接、重要的意义。
2.应力解除法应力解除法的原理是，岩块从具有一定应力环境的岩体中取出后，岩石发生弹性变形，测量出接触后岩块的弹性变形，通过岩石力学实验测定弹性模量，有胡克定律即可计算得到解除前岩体中的应力大小及方向[3]。
操作过程是，将特制传感器安装在已施工好的待测岩体钻孔中的同心小孔内，同心套取岩心，岩心应力解除发生弹性变形，通过仪器记录应变，在实验室测量解除岩块的弹性模量，计算获得应力矢量。
目前根据测试的应变或变形，应力解除法大体上可分为孔壁、孔径、孔底应变法。
3.水力压裂法应力测量中的水压致裂法又称微型水压致裂法，微型是相对于油田压裂而言。
地应力概念与其测量方法
构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地 壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量， 这就是构造应力。
构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造 应力场。
地应力概念和其测量方法
次生应力（二次应力）岩体开挖扰动了原岩的自然 平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后 的应力称为次生应力或二次应力。
地应力概念和其测量方法
地应力概念和其测量方法
本章内容：
§5-1 概述 §5-2 地应力成因 §5-4 岩体初始应力分布状态 §5-5 岩体初始应力场测定
地应力概念和其测量方法
§5-1 概述
1 基本概念
原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然 平衡状态的岩体，称为原岩。
围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体， 称为围岩。
目前，原岩应力的实测深度达3000m。在这一深度内，原岩应力变 化规律大致可归纳为以下几点：
一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场；
二、水平应力σH普遍大于垂直应力σv ,即 侧压力系数λ＝σH/σv >1;
三、原岩应力三个主应力σHmax，σHmin，σv均随深度增加而增大； 1、平均水平应力σH与垂直应力σv 的比值随深度增加而减小。
断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应力 集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。
地应力概念和其测量方法
5.4 岩体初始应力状态的现场量测方法 一、岩体应力现场量测方法概述 1.目的： （1）了解岩体中存在的应力大小和方向 （2）为分析岩体的工程受力状态以及为支护
及岩体加固提供依据 （3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力 工具
地应力测量方法综述
赵亚 军 孟楠 楠 （ 内蒙古科技 大学 矿业 与煤炭学常用的地 应力测量方法的归类分析 ， 明确了各个方法基本原理 、 优 缺点 ， 阐述 目前地应 力测 量方 法的局 限性 ， 并 指 出未来地应力测量发展的发展 方向 ， 为提高地应力测 量效 率提 供了参考。 关键词 ： 地应 力 ； 适用范围 ； 测量方法
一
应 力解 除法 的基 本原 理 是 当测 定 岩 体 中的 某 点 的 地应力时 ， 就应人为地把该点岩体与周围岩体相分离， 该岩 体就会 发 生弹性 变 形 ， 此时 ， 该 点岩 体上 的应 力就
会被解除 。同时 ， 此单元体 的几何尺寸将逐 渐得到恢 复。用一定的测量仪器 ， 测定 此弹性恢复 的应 变值或 变形值 ， 并且假设岩体是连续 、 均质和各向同性 的弹性 体， 且加载和卸载时应力和应变关系是相 同的 ， 并具有 等同的函数值 ， 于是就可以借 助弹性理 论的解 答来计 算岩 体单 元所 受 的应 力状态 。 应力解除法是发展时间最长 ， 技术上 比较成熟的 地应力测量方 法， 能够客观地反映 岩体内部地应力的 状况， 测量精度 比较高 ， 可靠性 比较 高， 适用于现有矿 山的巷道 和硐 室里 。但 这 种方 法 测 量地 点 是很 有局 限 性的， 在运用技术上也存在一些困难。 根据测试方式不同 ， 应 力解 除法包括表面应力解 除法、 孔壁应力解除法、 孔底应 力解除 法， 其中孔壁应 力解除法又可分为探孔应 力解除法 、 孔底应 变解除法 和孔壁切割解除法。孔壁应变法可单孔准确测量岩体 的三维地应力 ， 但要求岩体完整性好且测量元件受温 度、 空气湿度等各方面影 响较大 ； 孔径变形法因测量元 件不与孔壁接触， 因此可以排除孔壁变形法存在的缺 点， 该方 法具 有适 应性 强 、 灵敏 度 高 、 周期短 等 优 点 ； 孔 底应 变 法对 岩 体 的 完 整 性 要求 低 、 测 试 成 功 率 高 但 在 我国的影响度较低 ， 且适合测量二维应力。 ３ 声发射法 声 发射法 （ Ａ Ｅ） 是 在 凯 瑟 效 应 的 基 础 上 来 测 定 地 应力的一种方法 ， 其原理 是材料受到外载荷作用之后 ， 材料内部会将储 存的应变就会释放 出来 ， 材料释放形 式为弹性波 ， 在应变释放 的过程中就会发出声响 ， 就可 以测量材料 内部的应力值。而 当测量岩 体破 裂时 ， 每 次的裂缝扩张 ， 就引起 能量的一次释放 ， 产生一次声 发射， 此时 的传感 器就 接 收 到一 次声 发射 信 号 ， 产 生一 个声 发射 波 ， 这就 叫一 次声 发射 事件 ］ 。 而 所谓 的凯 瑟效应 就 是 多 晶金 属 的 内部 从 最 高应 力瞬间释放后， 然后又重新对其进行加载 ， 当没有达到 先 前最 高应 力时 ， 会产 生 很小 的声 发射 ， 当达 到 或者 超
地应力及其确定方法综述
地应力及其确定方法综述【摘要】通过对比通过地应力测量方法、计算方法的分析和对比，为以后利用常规测井资料和成像测井资料计算地应力的多种方法奠定基础，进而从不同的角度对地应力进行了研究，不仅有助于提高地应力的计算准确率，而且可以多角度对地应力的形成过程进行因素分析。
【关键词】地应力；测量；水力压裂；凯瑟效应实验1.地应力地应力主要由垂力应力、构造应力、孔隙压力等组合而成。
在油田应力场研究中，孔隙压力对地应力的影响是非常重要的，实际上，由于地层岩石力学性质的非线性特征，地应力的各种成因分量间不是独立的，人们只是从其成因和研究分析问题的方便才对地应力进行分类的。
构造应力与上覆岩层压力构成了地应力，它作用于整个地质体上。
对于某一特定的地质体来说，将作用于其单位表面上的法向地应力定义为主应力。
在主应力方向上剪切应力为零，这样就可以把复杂的地应力归结为三个相互垂直的主应力，即三轴向应力（图1）。
通常其中一个基本上是垂直的，叫做垂向应力（Sv）；另外两个主应力基本上是水平的，称为最大、最小水平应力（SH、Sh）。
垂向应力由重力应力（上覆岩层压力）所构成，水平应力则主要由构造应力所构成。
在三个主应力中，垂向应力是比较容易确定的，其大小可由密度测井曲线确定，其方向是垂直的。
对于水平应力的方向，现在有许多方法，在油田中广泛采用井壁崩落法确定水平应力的方向，取得了良好的效果，测量水平应力大小的方法有水力压裂法、凯瑟效应实验、差应变法等。
2.地应力测量方法2.1水力压裂法用水力压裂法确定最小水平应力是目前进行深部绝对应力测量最精确的方法，在国内外都有着广泛的应用。
1989年3月30日测井公司在川西南界石场界19井进行了地应力测量试验，整个工艺是成功的，井口密封装置可以在68MPa高压下正常工作，仪器系统工作正常，记录到了类似于标准地应力曲线形状的压力曲线，但由于水泥环窜漏及施工时开压太快，未能反映出地层破裂压力，这口井的试验为今后进行地应力测试提供了宝贵的经验。
体力学-第4讲-岩体地应力及其测量方法
以围岩强度比为指标的地应力分级基准
法国隧道协会 我国工程岩体分级基准 日本新奥法指南（1996 年） 日本仲野分级
极高地应力 < 2 < 4 > 2 < 2
地应力 2～4 4～7 4～6 2～4
一般地应力 > 4 > 7 > 6 > 4
高地应力现象
•
•
岩芯饼化现象
在中等强度以下的岩体中进行勘探时，常可 见到岩芯饼化现象。美国 L.Obert和 D.E.Stophenson（1965年）用实验验证的方法 同样获得了饼状岩芯，由此认定饼状岩芯是 高地应力产物。从岩石力学破裂成因来分析， 岩芯饼化是剪张破裂产物。 除此以外，还能发现钻孔缩径现象。
1
H
• 1958年，瑞典，N.Hast的纳维亚半岛实测
• 最大主应力几乎处处是水平或接近水平的 • 最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍以上
地应力的成因
•
•
大陆板块边界受压引起的应力场
构造地应力有明显方向性
中国板块主应力迹线图
地应力的成因
• 地幔热对流引起的应力场
• 由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性， 并可以上下对流和蠕动。 • 当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就分为 二股方向相反的平流，经一定流程直到与另一 对流圈的反向平流相遇，一起转为下降流，回 到地球深处，形成一个封闭的循环体系。 • 地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力。
主要内容
地应力的基本概念 地应力场分布规律 高地应力区特征 地应力测量方法
地应力场分布规律
•
• • •
地应力是一个具有相对稳定性的非稳定 应力场，它是时间和空间的函数
地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的 三向不等压应力场。 就某个地区整体而言，地应力的变化是不大 的。 在某些地震活动活跃的地区，地应力的大小 和方向随时间的变化是很明显的。
地应力与地应力测量方法简介
地应力与地应力测量方法简介3.1 地应力与地应力测量方法简介地应力，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。
在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。
主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。
地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。
而重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。
地应力测量，就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。
地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。
地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。
随着矿区开采现代化进程的不断提高和开采深度的不断增加，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。
查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产提供更加精细可靠的地质资料和数据，以便采取有效技术手段和措施，避免和减少灾害的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。
地应力是引起采矿工程围岩、支架变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多的影响采矿工程稳定性因素中，地应力是最重要和最根本的因素之一。
准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算，矿井动力现象区域预测，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。
采矿规模的不断扩大和开采深度的纵深发展，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工往往造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌破坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，致使矿井生产无法进行，并经常引起严重的事故，造成人员伤亡和财产的重大损失。
第四章岩体地应力及其测量方法_岩石力学
H
0.8 ~ 1.2
v 27H MPa
实测垂直应力随深度的变化
15
第4章 岩体地应力及其测量方法
•3.平均水平应力随深度而增加 水平应力普遍大于垂直应力。
16
第4章 岩体地应力及其测量方法 的比值随深度增加而减小
K
平均水平应力 垂直应力
K
1500 0.5 H
K
100 0 .3 H
• 研究高地应力本身就是岩石力学的基本任务。 • 岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地 应力大小的变化而变化。 • 随着采矿深度的增加，我国中西部的开发，尤其是水电工程建 设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题
提出了新课题。
28
第4章 岩体地应力及其测量方法
4.3.1 高地应力判别准则和高地应力现象
22
雅山形成示意图
第4章 岩体地应力及其测量方法
23
地形三级阶梯
第4章 岩体地应力及其测量方法
24
第4章 岩体地应力及其测量方法
我国可分为三类基本反映构造应力场状态的地区： （ 1 ）强烈构造应力区：包括台湾、西藏、新疆、甘肃、 青海、云南、宁夏、四川西部等； （ 2 ）中等构造应力区：包括河北、山西、陕西关中地区、 山东、辽宁南部、吉林延吉地区、安徽中部、福建、广东沿海 地区及广西等； （ 3 ）弱构造应力区：包括江苏、浙江、湖南、湖北、河 南、贵州、四川东部、黑龙江、吉林及内蒙的大部分。 同一类地区，其构造应力仍是不均匀分布，与小的地质 构造运动（地壳变形）有关，有的地段强、有的地段弱。
h
在斜坡附近，应力方向发生偏转
地形对初应力的影响： 山峰处地应力低 沟谷处地应力高
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岩体地应力及其测量方法综述论文导读：产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。
地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。
应力解除法是岩体应力测量中应用较广的方法。
(2)对于地表剥蚀作用对初始地应力反演的影响问题，若不能考虑剥蚀作用，仅考虑自重和构造作用进行回归分析，但重力因子也会大于1，此时，不宜用所有测点去拟合地应力场，用于各部位的分析计算，而应当进行边坡和坝肩分析，宜用近地表测值反演。
关键词：地应力，剥蚀作用，应力解除法，重力因子
1 地应力的成因及其分类地应力一般是质地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，或称初始应力，主要是在重力和构造运动综合作用下形成的应力，有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆浸入等作用下形成的应力[1]。
1.1 地应力的成因
产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应
力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。
其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。
1.2 地应力的分类
地应力按不同起源分为：自重应力、构造应力、剩余应力和变异应力。
值得注意的是剩余应力与残余构造应力是完全不同的：剩余应力不具有方向性，常是σx=σy；而残余应力引起的高水平应力具方向性，σx 与σy相差较大[2]。
2 岩体地应力的影响因素地壳深层岩体地应力分布复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响，但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。
水平初始应力随深度的变化并不存在线性增大的变化关系，在地壳浅部与深部的变化规律是不同的。
在众多的地应力分布影响因素中，地质构造历史、岩性和河谷切割地貌是主要因素。
2.1岩体自重的影响
岩体应力的大小等于其上覆岩体自重，研究表明[3]：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。
但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑，在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动。
以重力因子表示反演重度与实测重度的比值，在初始应力场的反演中，重力因子往往大于1，即反演所得岩体重度大于实测重度，这一现象未得到合理解释，
常引起研究者和工程师的困惑。
易达、陈胜宏[4]运用有限元数学模型回归分析法，考虑自重、剥蚀和构造作用，通过算例进行了分析，得出地表剥蚀作用是导致重力因子大于1的主要原因。
2.2地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响
地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。
2.3构造运动对地应力的影响
在地壳深层岩体，其地应力分布要复杂很多，此时由于构造运动引起的地应力对地应力的大小起决定性的控制作用。
研究表明：岩体的应力状态，一般其铅垂应力分量是由其上覆岩体自重产生的，而水平应力分量则主要由构造应力所控制，其大小比铅垂应力要大得多。
2.4岩体的物理力学性质的影响
从能量的角度看，地应力其实是一个能量的积聚和释放的过程。
因为岩石中地应力的大小必然受到岩石强度的限制，可以说，在相同的地质构造中。
地应力的大小是岩性因素的函数，弹性强度较大的岩体有利于地应力的积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位,而塑性岩体因容易变形而不利于应力的积累。
2.5水、温度对地应力的影响
地下水对岩体地应力的大小具有显著的影响，岩体中包含有节理、裂隙等不连通层面，这些裂隙面里又往往含有水，地下水的存在使岩石孔隙中产生孔隙水压力，这些孔隙水压力与岩石骨架的应力共同组成岩体的地应力。
温度对地应力的影响主要体现在地温梯度和岩体局部受温度的影响两个方面。
由于地温梯度而产生的地温应力，岩体的温度应力场为静压力场，可以与自重应力场进行代数迭加；如果岩体局部寒热不均，就会产生收缩和膨胀，导致岩体内部产生应力。
综上所述，岩体中的地应力场是一个具有三维空间的复杂应力场，它的大小和分布规律受到多种因素的影响，这也对地应力场的测量带来了很大的影响和不确定因素。
3. 岩体地应力测量应注意的问题3.1测量孔位和深度的确定
地应力测量孔位的选定应考虑地形地貌、测孔周围的断裂分布、岩性、人工活动、地表风化等因素[6]。
地应力测量孔位应尽可能选在地形相对平缓地段，为配合重大工程建设需要,测量孔位应尽量较均匀分布在研究区具有代表性的构造部位，以便对研究区应力分布有总体了解，并与模拟实验结果相互验证。
研究区测孔应尽量选同一岩性，这样可避免测值之间的岩性校正，便于对比分析。
对于峡谷区，在测量之前应作一定的前期分析，大致确定所测地段非构造应力的影响深度，以确定测孔钻探深度，避免测量未超过非构造应力影响范围而影响研究区区域应力场分析。
3.2 地形地貌对地应力测量状态的影响分析
关于地形地貌对地应力的影响，国内外许多科学家已作了大量研究。
谭成轩等[7]学者在前人研究的基础上，依据实测资料，运用大量室内三维模拟分析讨论了地形地貌对地应力大小的影响，并提出构造应力面的概念。
沟谷宽度影响非构造应力集中范围大小和形状，而不影响构造应力面的深度；山体高度不仅影响非构造应力集中范围大小和形状，还影响构造应力面的深度。
水平侧压力和山体高度是影响构造应力面深度的主要因素。
当水平侧压力随深度变化梯度与重力梯度相等时，在沟谷底部构造应力面深度近似等于山体高度。
当水平侧压力随深度变化梯度增大构造应力面深度与其呈线性增加，同时在沟谷或坡角非构造应力集中强度加强。