n04 地应力及其测量

4地应力及其测量4.1地应力的定义及其重要性地应力又称为天然应力、初始应力或一次应力（相对于二次应力），是存在于地壳岩体中的没有受到工程扰动的原始应力状态。地应力根据其成因总体上分两类（对工程影响较大），即自重应力和构造应力。另外，温度变化、岩浆侵入、地表剥蚀等也会在岩体中产生应力。地应力是各类应力的叠加。天然应力是引起岩土工程变形和破坏的根本作用力，其地位相当于工程习惯中所理解的外部荷载，但又与材料力学、弹性力学中泛指的外荷载又有不同。地下工程是在原岩应力作用下开挖的，即地下工程是先受力、后开挖，并且地应力从开挖前到最终一直对围岩起作用。原岩应力是涉及地壳问题各个学科领域最基础性的原始资料。在地球物理领域，科学家们汇集了全球陆地与海底大量的地应力测量资料，编制了地壳应力分布图，并用于建立地壳构造模型和研究地壳运动规律，这项工程促进了地球动力学，包括地震机制研究的发展。在采矿工程领域，原岩应力的大小和方向是井巷断面形状优化设计、方位的合理选择以及井巷支护、采场矿山压力控制的最主要依据之一。在其它领域，如水利水电坝基选择和大坝稳定性，石油钻孔孔壁稳定性和增加采油率的裂井工程，核废料处理中防止泄露和污染、地热利用工程以及地质灾害防治工程等等，都要用到地应力这个基本参数。在岩土工程的数值分析方法如有限元法等中地应力的大小和方向也是最原始的输入参数。显然，没有可靠正确的地应力资料，任何数值分析便没有意义。因此，地应力是确定工程岩体力学属性、进行工程岩体的稳定性分析、实现岩体工程设计和决策科学化的前提。4.2自重应力由岩体的自重所引起的应力称为岩体的自重应力，其在空间有规律的分布状态称为自重应力场。自重应力是地心引力的结果。自重应力是上覆岩体重力叠加的结果。其铅直分量恰好是单位面积上覆岩体的重量。在均质岩体中，自重应力的铅直分量Gz=yz，其中Y岩体重度；z计算点距地表的深度。如果计算点至地表间岩体是由n层厚度不等、重度不同的岩体构成的，则该点处的自重应力的铅直分量为各层岩体自重应力铅直分量的叠加，Q=Y.h.；其中丫.一一第i层岩体的重度；h.第iziiii层岩体的厚度。自重应力的两个水平分量Q、Q是相互正交且一般是相等的。其大小与岩体的性质和水平方向xy的约束条件决定。在地面水平且地壳岩体均匀连续的条件下，自重应力的水平分量Q、Q为：xyQ=Q乂xy1一pzz其中g侧压力系数，匚。1一p上述公式是根据连续介质力学原理（弹性理论）推出的。如果水平成层的岩体，根据广义虎克定律，岩体自重水平分量为Q=QxyLIE-4Q1-uEz厂丄其中，E平行于层理方向的弹性模量；E垂直于层理方向的弹性模量。自重应力场是地质历史的产物，相对人类的工程、经济和社会活动而言，形成历史一般是很漫长，因此，通常认为自重应力是稳定的应力场，不随时间变化。垂直和水平自重应力都是压缩应力，而且均为主应力，且铅直应力大于水平应力。上述是自重应力的理论计算，与实际情况有一定的差异，其原因是多方面的。其中之一是由于岩体的泊松比不是常数，是随深度的增加而加大的变量。在地壳深处，岩体处软塑状态时，泊松比达到最大值0.5,此时就有Q=Q=Q，即自重应力场为静水压力状态，这就是著名的海姆假设。而对xyz于接近于地表的岩体，或具有垂直张裂隙、张断层的岩体，在自重应力作用下侧向变形不受限制，此时水平自重应力可为0。另外，岩体中存在地下水，也使岩体的自重应力分布进一步复杂。4.3构造应力构造应力通常指大如地球转动、地壳板块运动，小到区域性构造、断层、褶皱以及山川河流等引起的局部应力集中。由于地球转动、地壳板块运动时间上的不均匀性，地壳运动区域上的不平衡性、构造形迹分布的地域差别以及地形地貌的差异，各地在不同时间的构造应力场是不同的，因此，构造应力场是时间和空间的函数，是随构造变动而产生的非稳定应力场。但与人类活动相比，通常将构造应力近似地、相对地看成是不随时间变化的，而仅仅将其看成是空间的函数。构造应力多数以水平方向为主。构造应力是引起同一深度不同地方地应力水平分量不同，以及同一地点两个水平分量不等的主要原因。因此，地应力的确定关键是确定构造应力。如果假设构造应力主要来源于水平的X方向上的压缩应力Q，则其他方向的构造应力分量为QXX所派生。在地壳较深处，Q=Q=；接近于地表时，可认为Q=0，Q=LQ。yz1-Lxzyx由于构造应力的形成原因很复杂，并且构造应力的存在受很多因素尤其是各种地质因素的影响，理论计算是不可能的。因此，实践中，构造应力必须通过测量来获取。4.4地应力场的分布规律原位实测应力的大小和方向是掌握地应力最可靠的方法。最早的地应力现场测量，是1932年在美国的胡佛水利水电工程的隧道围岩的表面进行的。1950年代瑞典为解决矿井岩爆、煤与瓦斯突出等机理问题，首创应力解除法测量地应力，并开展了区域性的地应力实测工作。瑞典的实测发现，在两个水平方向上的水平应力往往不相等，且其中的一个往往大于铅直应力。该结果引起的各国的广泛关注。1960年代后，各国开展了规模不等的地应力实测。1978年，Brown和Hoek汇集了世界各地地应力的实测结果，经整理统计分析，作出铅直应力与深度、水平应力与深度的相关关系图（见图4-1、图4-2），由此可得出了地应力场分布的一些重要规律。1地应力一般是三轴压应力状态，且受地表地形地貌、山川河流和构造的影响，其分布往往十分复杂。在断层及结构面附近，地应力分布状态受到明显的扰动。断层的端部、拐弯、交叉等部位是地应力集中的部位。谷底是应力集中的地方。斜坡面附近主应力面趋于与之平行，往坡内则近正常。2三个主应力方向的大小一般互不相等，其中两个（近）水平主应力也不同，且最大水平主应力的方向与区域性构造行迹密切相关，往往是构造应力影响的结果。3三个主应力的方向一般偏离铅直或水平方向不大。引起偏离的主要原因是构造、岩层倾角或局部不均质的影响。仇辭G_,图4-1垂直应力Qv随深度H的变化规律图4-2平均水平应力与垂直应力的比值随深度的变化规律4地应力中的铅直应力分量基本上等于上覆岩体的自重，且随深度呈线性增长（图4-1）。5地应力的两个水平应力分量分布十分复杂，因地而异，且随深度而变化。根据两个水平应力的平均值与铅直应力的比值（平均侧压力系数）的统计资料（图4-2），可知，平均侧压力系数的变化范围较宽但随深度增加逐渐变窄并以两条双曲线为上、下限。上限曲线方程为罟+3；下限曲线方程为1500+0.5。几乎所有的实测数据均位于其间。总体上，平均侧压力系数与深度呈H双曲线关系，越接近于地表平均水平应力相对高于铅直应力，表明水平方向的构造运动对地壳浅层地应力的形成具有控制作用；往深部则越相接近，一定深度后变得小于铅直应力。6地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，是时间和空间的函数。地应力在空间上的变化，从小范围来看，其变化是明显的，从某一点到相距数十米外的另一点地应力的大小和方向也可能是不同的。但就某个地区整体而言，地应力的变化是不大的。如我国华北地区，地应力场的主导方向为NW至近EW的主压应力。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，在地震前，处于应力积累阶段，应力值不断升高，而地震时使集中的应力得到释放，应力值突然大幅度下降。主应力方向在地震发生时会发生明显改变，在震后一段时间又会恢复到震前的状态。7地应力的分布还受到岩石的力学性质、地温、地下水、风化剥蚀以及其他地质因素的影响。4.5地应力的测量地应力状态具有复杂性和多变性，即使同一工程区域，不同点地应力状态也可能很不相同，因此，地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得。要了解一个地区的地应力状态，唯一的方法是进行地应力测量。1实测方法基础（1）地应力测量的原理与方法原位测量是目前取得工程需要的不同深度地应力可靠资料的唯一方法。虽然人们对地应力提出了一些假设和总结了有些地应力的规律，但对工程来说，由于地应力受各种地质因素的影响，使地应力的大小和方向显得十分的复杂，因而没有也不可能有任何一种理论可以完全代替实测方法来给出工程所需要的地应力的可靠资料。国内外很多领域都开展大量的地应力实测工作。实测方法因所使用传感器原理和结构的不同而分很多种类。国际岩石力学学会（SRM）试验专业委员会于1987年制定了规范性文件岩石应力测定的建议方法，汇集并推荐了5种最具有代表性的比较成熟的方法，也是我国目前使用最广泛的方法。这5种方法是：扁千斤顶法、水压致裂法、孔径变形法、孔壁应变法和空心包体应变法。近年来，声发射方法测定原岩应力的技术发展很快，它利用岩石的KAISER效应，即所谓岩石的记忆能力：当岩石再次加载时，未达到其历史上所承受的最大应力前，岩石不发生明显的声发射现象。地应力是岩体内一点各个方向上应力分量的总体，即测量地应力一般要测量其大小和方向。一般情况下，地应力的6个分量均不为零，处于相对静止状态，无法直接测定。因此，任何一种实测方法都要通过扰动（通常是打钻）来打破原有的状态，在从一种平衡状态向新的平衡状态的过渡中通过对力或应力的效应的间接测量来实现。力或应力引起的最常见的效应是产生应变和位移，借助于传感器将感受到的应变或位移的变化传递给仪表，取得测量资料。因此，地应力的测量需要精巧的、完备的和先进的测量仪器和测试技术，同时应有正确的理论（原理）来指导。对观测到的数据资料进行处理也是很重要的步骤。它一般是一个由观测的应变到应力的反分析过程，并最终获得地应力状态的结果。在单轴应力情况下，这一分析较简单。在一般三维应力情况下，6个应力分量均不为零，应变或位移与应力各分量之间的关系较复杂。地应力测量方法很多，根据测量的原理可分为直接测量法和间接测量法。直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力等，并由这些应力量和原岩应力的关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变的关系。常用的直接测量法包括扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法等。其中水压致裂法目前使用最广，其次是声发射法。间接测量法是借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变、岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容、弹性波传播速度的变化等，然后由这些间接物理量的变化，通过已知公式计算岩体中的应力值。为了计算应力值，必须首先要确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量与应力的相互关系。套孔应力解除法和其他应力或应变解除法以及地球物理方法等是间接法中常见的方法，其中套孔应力解除法是目前最普遍采用的发展较为成熟的一种地应力测量方法。（2）应力解除法现场实施步骤应力解除技术是实现对地应力扰动、开展实测的最普遍的方法。孔径变形法、孔壁应变法和空心包体应变法的应力解除过程具有完全相同的步骤（图4-3）。图4-3应力解除法的原理与步骤1）自地面或地下井巷、隧道围岩暴露面，用钻机钻进应力解除孔（俗称大孔）至原岩应力区。该地点应不受钻孔以外的其他工程的影响。解除孔直径以D表示。2）磨平孔底后，再同心钻进小直径钻孔穿过待测点，该孔为测量孔，直径以d表示。大、小孔应满足D=（35）d。同时，为了尽可能减少大孔孔底端部效应，测量截面与大孔孔底的距离不小于（23）d。3）在测量孔内按扎安装测量应变或位移的传感元件。4）用大直径（D）钻具对测量孔作取芯钻进，至超过测量孔孔底以后即可折断岩芯，实现应力解除。这一过程中岩芯在原岩应力作用下，经过钻进测量孔受到一次扰动并很快达到新的平衡状态。传感元件感受到的则是取芯钻进，直至卡断岩芯，即第二次扰动时的应力场的效应。最终读数是该次实测的原始数据。（3）地应力分量的确定向原岩内钻孔，即使测量孔再小，也会引起扰动，测量孔周围将产生应力集中现象，大直径孔作应力解除时，通过仪器记录下的是小孔扰动后的应力场引起的应变或位移。为此，必须知道扰动后应变或位移与原岩应力的内在关系，才能由应变或位移确定应力。这种关系普遍用弹性理论关于圆孔问题的解析解所建立起来的方程来表示。测量方法不同，具体的确定方法有所差别。2孔径变形法孔径变形法是利用应力解除时钻孔直径的变化量为原始数据来确定地应力的一种方法。由美国矿业局首创和应用（1962）,又称USBM法。中国科学院武汉岩土力学研究所研制的36-2型钻孔变形计就是属于这种类型的测量仪器，该变形计的直径为32mm,适应的测量孔直径为36mm。这种方法适用于能取得较完整岩芯的岩体，一般至少能取得达到大孔直径两倍长度的岩芯。在破碎或弱面多的岩体中，或在极高的地应力区岩心发生饼状断裂时不宜使用。该方法要求取得足够长的完整岩芯，一方面保障直径变化测量的可靠性，确保处于弹性状态，弹性理论适用；另一方面是要用岩芯测定岩石的弹性模量。设应力解除时，用孔径变形计测出测量钻孔直径的变化量为Ad,该变化量直接与圆孔截面上的孔壁的径向位移有关。按弹性理论平面应变问题的解，圆孔孔径的变化量为-M2丿K）1Ad=d切+p丿+2一p心os20+4psin20xyxyxy其中，p、p、p待确定的与钻孔垂直截面上的原岩应力。xyxy由上述公式可以看出，至少要有三个不同方向的孔径变化的测量值，才能解出三个未知的应力值三孔汇交实测法（图4-4）。耒杀出）图4-4三孔交汇法3孔壁应变法这种方法的传感元件称为三轴应变计。是由南非科学与工业委员会CSIR首创应用，一般称为CSIR型应变计法。是1966年开发成功的第一种只需单孔且一次就可测定三维全应力的技术。其特点是依靠在测量孔壁直接粘贴三组应变花，每组应变花有三个应变片，共计有9个应变片实现应变测量（图4-5）。图4-5应变花布置图用专用的机具将应变计推进至测量小孔内，并通过专门的定向和粘贴机构将应变片按预定方位粘贴在岩石面上。应力解除时，原来处于原岩应力作用下的岩芯被套在外面钻进的大孔所卸载，岩心的弹性恢复被各应变片所感受，应变仪或数据采集仪器记录下的最终稳定的应变读数，就是孔壁应变法的原始数据。孔壁应变计的适用孔径为3638mm。4空心包体法空心包体应变计是在预制的空心的环氧树脂外圆柱面上粘贴类似于CSIR元件上所布置的应变花而成。使用时，由安装仪定向地将应变计推进至测量孔内，达到预定为止后，靠推力挤出储罐内的环氧树脂胶液，充满应变计外圆柱面与孔壁之间的间隙，待胶液完全固化后，便牢固地将应变计和岩石粘接在一起。应力解除时，岩心的弹性恢复牵制着应变计变形，被其上的应变片感受而取得原始测量数据。该类应变计1970年代由澳大利亚科学与工业研究院（CSIRO）首先研制，一般称为CRIRO型应变计。我国最早的空心包体应变计是中国矿业学院1981年研制成功的，取名为YH3B-3型环氧树脂三轴应变计，后来又开发了YH3B-4型环氧树脂三轴应变计。与孔壁应变计相比，空心包体法具有现场安装简便可靠的优点，尤其突出的优点是防水、防潮成功率高。环氧树脂弹性好、弹模低、变形量大，可将岩石的变形放大几至十倍，能提高测量的灵敏度和精确度。但空心包体应变计制作要求十分精细、成本高、同时附加了空心包体，增加了制造和安装的环节，并且大大增加了原始测量数据分析解释上的复杂性和难度。5水压致裂法这种测试技术是在石油工业为增加石油产量而在一定部位压裂孔壁岩石，促进导油的技术上发展形成的。它不需要作套芯解除，省去小孔钻进，是由美国学者提出的。方法要点是：在待测试地点的钻孔上、下段用特制的封隔器封闭，将高压水通过管路压入密封段，对钻孔壁产生水压力。逐渐加大压力直至岩壁开裂，记录下开裂时的压力Pb为初次破裂压力，压降稳定后关闭液压系统，记录下关闭压力Ps。待破裂面闭合后，重复上述过程几次并作相应的记录。此后利用配备有定向仪表的橡胶印模下放至测试段，印下岩壁的破裂情况（图4-6）。实施过程中压力及其变化的记录以及岩壁的开裂方位与分布等资料，是在原岩应力与水压力共同作用下，造成圆孔周围岩石破坏效应的原始测量资料。目前该技术已经发展改进到采用钻孔电视在封孔前和加压后记录孔壁破裂情况，为合理解释原岩应力大小和方向提供更加翔实的资料。性理论中有解析解。利用该解析解（公式）可以计算应力。计算时需要有弹模和泊松比参数，可利用取出的岩心测定获得。水压致裂法的使用条件是：测量钻孔是铅直的；铅垂自重应力不是最小主应力；岩石原生裂隙不发育，渗透性弱。否则要进行修正。很适宜于由地表向地下作深孔应力测量，是现有各种方法中测量所达深度最大的一种，已知最深的已超过5000m。6扁千斤顶法这是一种测定岩石表面应力的方法。扁千斤顶又称为压力枕，由两块薄钢板沿周边焊接而成，在周边处有一个油压入口和一个出气阀（图4-7）。测量步骤如下：（1）在准备测量应力的岩石表面，如巷道、隧道等的表面，安装两个测量柱，并精密测出两柱间距。（2）在与两柱对称的中间位置向岩体内开挖一个垂直于两柱连线的扁槽，槽的大小、形状和厚度与扁千斤顶相一致。一般槽的厚度510mm,用盘锯切割而成。由于槽的开挖，造成局部应力释放并引起两柱间距的变化。测量并记录这一变化。（3）将扁千斤顶完全塞入槽内，必要时需注浆将扁千斤顶与槽壁岩石胶结在一起。然后向扁千斤顶加压，该压力通过扁千斤顶加到岩石上，随着压力的增大，两柱间距逐渐增大。当两柱间距恢复到扁槽开挖前的大小时，停止加压，记录下此时扁千斤顶中的压力，该压力称为平衡压力或补偿压力，等于扁槽开挖前表面岩体中垂直于扁千斤顶方向即平行于两测量柱连线方向的压力。本方法的优点是简单。但缺点很多，只能测定一个方向的应力；只能在岩石表面进行，测定的是岩体开挖后的变化了的应力（二次应力），无法测定原岩应力；测定的理论基础是岩石为线弹性材料，遇到非线性岩体时，出现较大的误差。