国际岩石力学学会关于岩石应力估算的建议方法：第一部分：岩石应力估算策略

国际岩石力学学会关于岩石应力估算的建议方法：第一部分：岩石应力估算策略1引言国际岩石力学学会关于岩石应力估算的建议方法第一部分:岩石应力估算策略国际岩石力学学会关于应力估算方法所给出的四个新建议主要包括以下四个部分:第一部分:岩石应力估算策略;第二部分:套芯应力解除法;第三部分:水压致裂法及原生裂隙水压测试法;第四部分:岩石应力估算中质量的控制.1.这些建议与一系列关于岩石应力估算多个方面的相关稿件发表于国际岩石力学与采矿科学岩石应力估算专刊中(2003年,40卷,78期).此处需要强调的是这些新的建议是2003年专刊中相关稿件的研究成果,且这些稿件提供了大量的岩体应力测量方面的细节及实例.的建议H2】.岩石应力估算涉及多方面内容,在实现岩石应力估算这一目标的过程中,采取切实可行且连贯一致的方法来考虑相关方面的内容是非常重要的.因而,本论文在详细讨论核心要点如表1所示.表1文章各段主要内容一3一2应力的概念及具体值3.进行应力估算前,必须明白应力的概念.应力与压力或力不同,它既不是标量也不量和沿单元体面作用的六个剪应力分量,共有九个应力分量(如图1所示).各应力分量如图2中应力矩阵所示.4.图l中单元体处于平衡状态,各相邻面上的剪应力相等(如图3所示).这就意味着九个应力张量只有六个独立分量.因而,在确定岩石应力时,必须给定六个独立应力分量的信息.对所关注的应力进行描述时,只有较少的信息且没有进一步的限制时是没有意义的,如描述为应力为30MPa.定义应力状态时需包含:(a)作用于由X,Y,Z轴所定义的三个正交平面上的三个正应力及三个剪应力;或(b)三个主应力的大小及方向(见第5段).处方位中有且仅有一个使作用其上的剪应力分量为零.处于这一位置时,单元体面就是主应力面,法向应力即为主应力,见图4.一一一l:I右手坐标系食指)X(拇指)图1作用于岩体中无穷小立方体上的各应力张量-T一作用于平面上的应力()-zzI此列为作用于某一方向的应力分量;第一列为方向图2对应于X,Y,Z轴的应力矩阵(亦可见图1)OH:客xz0,工应力矩阵中=TT=图3应力矩阵中对称应力分量相等,所有应力张量只具有六个独立分量一Z一一一一田.图4垂直作用于无剪应力面上的主应力图5应力场类型(见表2所列)大小(标量)或大小与方向的结合(矢量)来定义的,同时需用应力分量作用的平面方位来定义.在纯数学意义上【3】,张量是与一组可允许在n维空间坐标里转换的一种多线性微分形式的不变量.7.应力分量的单位是牛顿每平方米,N/m,如帕斯卡,Pa.8.特别需要注意的是,虽然在岩石应力中压应力一般为正,但是对于通常从结构工程代码中发展的计算机数值分析程序来说拉应力为正,故而,通常需要检查符号的约定.线的方位的参数:倾向是指线的罗盘方向或方位角;倾角是指线与水平面之间的夹角.(倾向和倾角用于平面方位的确定上.倾角是指面内最陡的线与水平面间的夹角;倾向是倾线的罗盘方向或方位角.)10.国际上还没有公认的应用于描述岩体应力状态的术语.Hyett,Harrison,Hudson【4j等所推荐的用语如表2及图5所示.表2当前通用术语的解释(参考图5中的数字)11.已有室内试验测试所用术语,它们有时被用来描述岩石初始和扰动应力,如下所示:单轴应力:一个非零主应力作用,O1O,a2=a3=0.双轴应力:两个非零主应力作用,盯lO,tr2:0,a3=0.一5一三轴应力:承受三个主应力作用但其中两个主应力相同.这个术语在室内试验中使用:圆柱型岩石样品轴向承受一主应力压缩作用,侧面作用静水压力,应力状态为盯10,02030.对作用于三轴的三个应力分量这个术语是可行的,但由于其中的两个应力分量的相等会产生些许误解.多轴或真三轴应力:承受三个非零主应力作用,0,t72:0,也是不相等的.12.无支护岩石开挖面即为主应力面是岩石工程应力张量的一个特点,因为在这些面上没有剪应力作用(根据牛顿第三法则).因而,开挖的一个影响就是局部定义了主应力的方位,如:它们平行或垂直于无支护开挖面.而且,垂直作用于无支护开挖面法向的主应力分量为零,或严格意义上为大气压力值(亦是根据牛顿第三法则得到).将作用于开挖面的主应力列于应力矩阵中时,有许多分量为零(z轴垂直于开挖面),见图6.如果意识到这一点,则很容易理解地下洞室变形和开挖所导致的破裂.0O应力平行于应力垂直于此处对应于岩石中无张拉应力存在情况,如a3=O且为最小主应力图6无支护开挖面对主应力的局部影响0-3=0开裂隙中法向应力或剪切应力无法恒定地垂直和平行于裂隙表面,所以裂隙面就成为主应力岩体中不同尺度的不连续面附近均产生作用,那么将可能导致局部原地应力值及现场测量值较为离散,甚至极为离散.图7张开裂隙将扰动应力场并使得主应力局部平行和垂直于裂隙面3数学表达式及应力连续面14.以上所描述的应力,可用以下多种形式表示.连续体中任一点X,具有法向n,面6一积的微面可表示为ds(ds=nda).当连续体受到面力或体力作用时,微面凼的面力df由作用于微面上的应力张量盯决定:dr=anda.对于三个正交面元,当面积减少至零时应力张量由力的极限来定义.分布于体内和面内的力偶的缺失,由于动力平衡就意味着二元面积的面力t为(dt=tda):t=on.15.由于应力张量仃对称,因此具有三个主应力分量,与主应力分量对应的方向称为主应力方向.主应力方向的方位利用三个欧拉角几何参照系定义.因此,应力张量矩阵可用任一参照系中的六个独立系数或三个特征矢量的主应力值及在几何参照系中定义的特征向量的三个欧拉角来表示.平衡连续体的最小体积被称为表征单元体.通常,只有研究的体积比表征单元体至少大两个数量级时连续体概念才有意义.表征单元体代表物质点的体积,它与数学上的点不同,数学上点的体积为零.和体力的平衡连续体中的应力,被称之为残余应力(如表2所示).残余应力的合力及总动量为零.4应力估算方法及策略需要阐明的问题是所关注的环境中的应力概念的适应性,如对给定问题定义REV是否可行.大于组成岩体的岩块时,连续体的方法是可用的.但此种情况下,大的表征单元体的尺寸可能与较小体积上的应力测量值不相适应.因而,应力测量所包括的体积或面积要大于表征单元体的体积或面积.当无法避免这种情况且开展应力测量的尺寸比表征单元体小时,必须用点附近区域地质的各向异性是非常重要的.同样,数值模型也有助于说明由于地质特征而可能导致的应力场的扰动.19.当进行应力测量区域的尺寸大于表征单元体的尺寸时,第二个关注的问题应该是应均匀性下建立测量尺寸时,也是非常重要的.果的临界估算有助于验证先前的连续性,各向同性以及岩体本构方程的假设.21.应力估算不能局限于一组测量值,将许多点的测量值进行整合更加有利.如上所述,得到各种各样的测量值时,则必须采用插值的方法,并确定与连续性假设有关的插值方法的定.通过不同应力数据的综合,许多方法都可以用来推断更大区域的应力值.此时,必须尽的是地形,地质条件以及岩性的变化都会影响应力张量,但只有直接测量才能确定这一影响.信息?主应力方向?一个或更多主应力分量的值?全部的应力张量?区域的应力状态变化?需要大体的估算还是通过实测来决定?测量值需要结合场地情况进行整体解释吗?需要达到什么样的精度?不确定性和空间的变化怎么来评定?需要验证程序吗?为了最终数值的一致,是否需要多种补充的方法?测量结果是否需要后续的数值模型的支持?怎么样表示测量的结果?是需要严格质量控制还是一个可满足要求的非正规步骤?5已有资料及地质现象的评估23.第一步是尽可能多地收集所关注岩体的应力资料.这包含有对地质环境,世界应力计,可用于新的地应力估算结果的对比.24.早期的地质调查应该包括应力测试区域的岩石构成,地质构造环境,存在的断裂以及岩石的岩组学描述.这对于建立应力估算的策略及岩石表现为弹脆性,塑性变形或黏塑性效应的确定很关键.同样,这对于获得孔隙压力潜在作用的依据也很有用.此外,基于地质及地貌学上的考虑通常有利于得到应力场的前期认识,且有利于通过地形学与后期地质改变的可能性确定主应力是否可以假设为竖直和水平的.同时,也提供了一些局部地质构造信息及相对于竖直应力的水平主应力相对值【oj.25.地球表面法向应力分量为零,也就是最小主应力(假设无张拉).事实上,深度小作用很明显时,便不易于假定主应力的大/J,H方向.选取应力测量位置及插值方法时,必须的不同,接近于断层区域的位置可以避开或选择局部测量.26.文献收集和初步地质调查结束后,可大致地形成具有误差为巴的前期应力场评估.接下来是指出拟用模型的可靠性.例如,假如知道岩石的相对密度在2.03.0之间,此时相对密度可能设为2.5,误差为O.5,其他参数与此相类似.这些考虑有利于测量技术,测量地点及解释方法的选取.个应力张量通过三个主应力盯02,03f(i=1,2,J)的大小和方向定义后,为了得到平均主应力张量,只对主应力大小及它们的方向进行平均是不正确的.例如,假如一个作用于正北方向最大主应力为5MPa和另一个作用于正西方向最大应力值10MPa的应力,平均应力并不是作用于北西方向最大主应力为7.5MPa的应力.首先必须对每个应力分量进行平均,进而确定平均主应力的大小和方向.例如假设需对两个应力张量进行平均,如由,Y,Z轴定义的应力状态A和,首先应该获得其相应的应力分量的平均值.如:一8一_+l,2=j.1式中:彻=A+B,余式相同,然后就可以计算出主应力./26岩石应力张量的渐进完善及总的岩石应力状态28.此处推荐逐步建立对岩石应力张量认知的方法和策略.对应力张量分量的有序确定,会增大对结果的信心.表3为每一步骤的说明.表3增加岩石应力张量认识的步骤利用原有场地岩石应力资料利用地形,地质现象以及其他资料考虑竖直方向是否是主应力方向利用岩石密度及埋深估算竖直方向应力分量大小利用震源机制解反演或根据地震剪切波的各向异性考虑主应力方向及应力差的比率利用水压致裂或钻探致裂以及地上钻孔崩落方向,确定最小主应力方向(实际应力或最小水平应力)利用Kaiser效应及差应变分析等其他间接方法从钻孔岩芯中寻找应力张量分量利用钻孔中水压致裂测试确定最小主应力利用套芯应力解除法确定一点或多点的利用钻孔中水压致裂测试和钻孔破坏分析确定最大主应力值全应力状态利用原生裂缝水压致裂法(HTPF)确定一点或多点的全应力状态.确定由于不同的地层及裂隙导致应力状态的场地变化(如数值分析和进一步测量)注:上表中左列为套芯应力解除法,右列为水压致裂法.29.随着测量目的,测量方法的可行性(钻孔的深度,倾斜角及稳定性以及水的作用精心考虑,以避免将一些不合适的量加入到众多的数据中.30.开始着手应力估算前,须拟定一个基于目标及场地环境的实施计划,这将形成一个包含估算可信度描述的报告.如果可能,应该区分由于岩体的连续性及各向同性因素而导致的仪器观测资料的有关变化.如果在测试区域发现有大尺度的裂缝,那么应该对其作用加以讨论,并对数值分析及应力解释过程中所采用的本构关系的有效性进行论述.此外,需对应力估算结果的区域地质意义进行说明(地形影响,存在的构造活动要素等),并结合以前的评估结果进行对比分析.可查阅国际岩石力学学会测试专业委员会所出版的关于岩石应力估算方面的一系列相关文章的专刊及由Amadei和Stephansson71编写的岩石应力及测试一书.+叶=心坟蛩参考文献MechMinSciGeomechAbstr1987;24(1):5373.2SugawaraK,ObaraYDraftISRMSuggesdMethodforinsitustressmeasurementusingthecompactconicalRockMinSci1999;36(3):307-322.3BorowskiEJ,BorweinJM.Dictionaryofmathematics.London:HarperCollins,1989.659pp.ofRockStressandRockStressMeasurementConference.Stockholm:Centek,1986.396.5】HarrisonJP,HudsonJA.Engineeringrockmechanics:Part2一Illustratedworkedexamples.Oxford:Elsevier,2000.506pp.RockMechSci2003;40(781.7】AmadeiB,StephanssonO.Rockstressanditsmeasurement.London:Chapman&