地应力测量方法

测试步骤
1、试件制备 从现场钻孔提取岩石试样，试样在原环境状态下的方向 必须确定。将试样加工成圆柱体试件，径高比为1:2~1:3。 为了确定测点三维应力状态，必须在该点的岩样中沿六 个不同方向制备试件。 设局部坐标系为oxyz，则三个方向取坐标轴方向，另外三 个方向取oxy、oyz、ozx平面内的轴角平分线方向，每个 方向取样15~25块。 为消除端部效应，试件两端浇铸由环氧树脂或其他复合 材料制成的端帽。
4.2.3 水压致裂法
3）重新向密封段注射高压水，使裂隙 重新打开并记下裂隙重开时的压力Pr 和随后的恒定关闭压力Ps。这种卸压重新加压的过程重复2-3次，以提高测 试数据的准确性。Pr和Ps同样由压力时间曲线和流量-时间曲线确定。
4）将封隔器完全卸压，连同加压管等 全部设备从钻孔中取出。
5）测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天 然节理、裂隙的位臵、方向和大小， 测量可以采用井下摄影机、井下电视、 井下光学望远镜或印模器。
当 ＝0º 时， 取得极小值，此时 3 2 1
4.2.3 水压致裂法
如果采用图所示的水压致裂 系统将钻孔某段封隔起来， 并向该段钻孔注入高压水， 当水压超过 3 2 1 和岩石 抗拉强度T之和后，在 ＝ 0º 处，也即所在方位将发生 孔壁开裂。设钻孔壁发生初 始开裂时的水压为 Pi ，则有
测试步骤
由声发射监测所获得的应力-声发射事件数曲线，即可 确定每次试验的Kaiser点，并进而确定该试件轴线方向 先前受到的最大应力值。15-25个试件获得一个方向的 统计结果，六个方向的应力值即可确定取样点的历史 最大三维应力大小和方向。 声发射与弹性波传播有关，所以 高强度的脆性岩石有较明显的声 发射kaiser效应出现，而多孔隙低 强度及塑性岩体的kaiser效应不明 显，所以不能测定比较软弱疏松 岩体中的应力。
P 3
Ps 2
水压致裂应力测量原理
4.2.3 水压致裂法
在钻孔中存在裂隙水的情况 下，如封隔段处的裂隙水压 力为P0 ,则
Pi 3 2 1 T P0
在初始裂隙产生后，将水 压卸除，使裂隙闭合，然 后再重新向封隔段加压， 使裂隙重新打开，记裂隙 重开时的压力为Pr，则有
1 2 (1 v 2 ) E ' E ' x ' 1 v ' (v 1)(1 2v ) (v 1) (v 1)(3 4v) ' E E
' x
式中，E，E’分别为岩体和刚性包体的弹性模量；v，v’ 分别为岩体和刚性包体的泊松比。
岩体初始应力。
破坏联系，解除应力； 弹性恢复，测出变形；
x
x y z , y , z x y z
根据变形，转求应力。
4.3.1 应力解除法的基本原理
1、已知主应力方向的应力解除 如图示平板：
y
1
x 3 , y 1
在受力状态下，贴上应变片此时：
3
1
P 3
Pi 3 2 1 T
水压致裂应力测量原理
4.2.3 水压致裂法
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σ2， 即
1 ( 3 1 ) E
(1)
4.3.1 应力解除法的基本原理
2、未知主应力方向的应力解除 由弹性原理：
y
3
3 1 2
2 式中：εα为x轴成α角度方向的线应
x cos y sin
2 2
xy
sin 2
2
来自百度文库
1
x
变 。 xy 2 2 1 x cos 1 y sin 1 sin 21 2 xy 2 2 2 x cos 2 y sin 2 sin 2 2 2 xy 2 2 3 x cos 3 y sin 3 sin 2 3 2 由上式可解得εx,εy,γxy
P 3
水压致裂应力测量原理
4.2.3 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Pi；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Ps；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。
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 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
4.2.3 水压致裂法
测试步骤
2、声发射测试 将试件放在单轴压缩试验机上加压，并同时监测加压过程 中从试件中产生的声发射现象。
Kaiser效应一般发生在加载的初期， 因此，加载系统应选用小吨位的 应力控制系统，并保持恒定加载 速率。
声发射速率和加载速率有关，在 加载初期，人工操作很难保证加 载速率恒定，在声发射事件速率 曲线上可能出现多个峰值，难于 判定真正的Kaiser点。
扁千斤顶应力测量示意图
4.2.1 扁千斤顶法
d 测 量 步 骤
围岩
d’
围岩
d
围岩
Pt
d’
△
围岩
P↑
4.2.1 扁千斤顶法
从原理上来讲，扁千斤顶法只是一种一维应力测量方 法，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。为了确定该测点的六个应力分量就必须在该 点沿不同方向切割六个扁槽，这是不可能实现的。 扁千斤顶测量只能在巷道、峒室或其他开挖体表面附 近的岩体中进行，因而其测量的是一种受开挖扰动的次生 应力场，而非原岩应力场。同时，扁千斤顶的测量原理是 基于岩石为完全线弹性的假设，对于非线性岩体，其加载 和卸载路径的应力应变关系是不同的，由扁千斤顶测得的 平衡应力并不等于扁槽开挖前岩体中的应力。
P 3
水压致裂应力测量原理
Pr 3 2 1 P0
4.2.3 水压致裂法
Ps 2
Pr 3 2 1 P0
由以上两式求σ1和σ2就无须 知道岩石的抗拉强度。因此， 由水压致裂法测量原岩应力 将不涉及岩石的物理力学性 质，而完全由测量和记录的 压力值来决定。
4.3 间接测量法

4.3.1 应力解除法的基本原理 4.3.2 孔径变形法 4.3.3 孔壁应变法 4.3.4 空心包体法简介



4.3.1 应力解除法的基本原理
一、应力解除法
（一）基本原理
地下某点的岩体处于三向 压缩状态，如用人为的方法 解除其应力，必然发生弹性 恢复，测定其恢复的应变， 利用弹性力学公式则可算出
3
x
x 3 0, y 1 0
卸去外力，变形恢复，此时： x 3 , y 1 根据广义虎克定律： 1 解得：
1 ( 1 3 ) E
3
E 1 ( 1 3 ) 2 1 E 3 ( 3 1 ) 2 1
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。 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， 亦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。水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中。 水压致裂法的突出优点是能测量深部应力，已见报道的最大 测深为5000m，这是其它方法所不能做到的。因此这种方法可用 来测量深部地壳的构造应力场。同时，对于某些工程，如露天边 坡工程，由于没有现成的地下井巷、隧道、峒室等可用来接近应 力测量点，或者在地下工程的前期阶段，需要估计该工程区域的 地应力场，也只有使用水压致裂法才是最经济实用的。
4.2.3 水压致裂法
（2）加液压将孔壁 压裂与重开 Pb Pb Pb0 Ps Ps
P0
①P0-孔隙水压力或 地下水压力 ②Pb-初始压裂压力
Ps Ps
Pb0 Ps0 Ps0 P0
③Ps-稳定开裂压力
④Ps0-关闭压力
P0
⑤Pb0-重张压力
图 压裂过程泵压变化及特征压力
4.2.3 水压致裂法

各特征压力的物理意义
4.2.3 水压致裂法
20世纪50年代广泛应用于油田，通过在钻井中制造人工 的裂隙来提高石油的产量。 从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔 2 )的作用时，离开钻孔端 受到无穷远处二维应力场( 1 ， 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 ) cos2 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。
4.2.4 声发射法
声发射：材料在受到外载荷作用时，其内部贮存的应变能快速释 放产生弹性波，发生声响。 Kaiser效应：1950年，德国人凯泽（J.Kaiser）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，当应力未达到先前最 大应力值时，很少有声发射产生，而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。 Kaiser点：为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取 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加载 声发射试验，测定凯泽点，即可找出每个试件以前所受的最大应 力，并进而求出取样点的原始（历史）三维应力状态。
第四章 地应力及其测量
4.1概论
4.2 地应力直接测量法 4.3 地应力间接测量法
4.2 直接测量法
4.2.1 扁千斤顶法 4.2.2 刚性包体应力记法
4.2.3 水压致裂法
4.2.4 声发射法
4.2.1 扁千斤顶法
偏千斤顶又称“压力枕”，由两块薄钢板沿周边焊接在 一起而制成，在周边处有一个油压入口和一个出气阀。
4.2.2 刚性包体应力计法
只要测出刚性体中的应力变化就可知道岩体中的应力 变化。这一分析为刚性包体应力计奠定了理论基础。 根据刚性包体中压力测试原理的不同，刚性包体应力
计可分为液压式应力计、电阻应变片式应力计、压磁
式应力计、光弹应力计、钢弦应力计等 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 以上。
4.2.2 刚性包体应力计法
液压式应力计的结构示意图
应力计的中心槽中装有油水混合液体，端部有一个薄膜。钻 孔周围岩体中的应力发生变化时，引起刚性包体中的液压发 生变化，该变化传递到薄膜上，并由粘贴在薄膜上的电阻应 变片将这种压力变化测量出来。
4.2.2 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。除钢弦应力计外，其他各种刚性包体应力 计的灵敏度均较低，故20世纪80年代之前已被逐步淘汰。 钢弦应力计目前仍在一些国家特别是美国得到较为广泛 的应用。
4.2.2 刚性包体应力计法
主要部分是由钢、铜合金或其他硬质金属材料制成的空心 圆柱，在其中心部位有一个压力传感元件。测量时首先在 测点打一钻孔，然后将该圆柱挤压进钻孔中，以使圆柱和 钻孔壁保持紧密接触，像焊接在孔壁上一样。
4.2.2 刚性包体应力计法
理论分析表明，位于一个无限体中的刚性包体，当周围岩 体中的应力变化时，在刚性包体中会产生一个均匀分布的 应力场，该应力场的大小和岩体中应力变化之间存在一定 的比例关系。 设在岩体中的x方向有一个应力变化σx，那么在刚性包体 中的x方向会产生应力σ’x，并且