水压破裂法（岩石力学）

岩石力学,1,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( ， )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，钻孔周边的应力为式中， 和 分别为钻孔周边的切向应力和径向应力； 为周边一点与 轴的夹角。 当 0时， 取得极小值，此时,原岩应力测量方法,五,水压致裂法,岩石力学,2,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 和岩石抗拉强度T之和后，在 0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 ，则有,原岩应力测量方法水压致裂法,五,岩石力学,3,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s2， 即,原岩应力测量方法水压致裂法,五,岩石力学,4,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,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,原岩应力测量方法水压致裂法,五,岩石力学,5,由以上两式求s1和s2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。,原岩应力测量方法水压致裂法,五,岩石力学,6,1）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。,原岩应力测量方法水压致裂法,五,岩石力学,7,3）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23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、裂隙的位置、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。,原岩应力测量方法水压致裂法,五,岩石力学,8,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。,原岩应力测量方法水压致裂法,五,岩石力学,岩体初始应力及其测量,9,感谢聆听！,