地应力测量方法
目前，我所地应力测量主要采用四种方法进行，分别为基于钻孔的深孔套芯解除法、深孔水压致裂法和基于岩芯的差应变法、滞弹性恢复法。其中套芯法测试精度最高，水压致裂法次之，但套芯法测试周期长，建议根据项目需求选择合适地段进行测试。几种测试方法可以联合使用，综合比对各种方法的测试结果，最终确定测试钻孔的地应力状态及规律。
一、实验参数
①深孔套芯解除法
应变、弹性模量
②深孔水压致裂法
应力
③岩芯的差应变法
声波波速、应力
④岩芯的滞弹性恢复法
应变、时间
二、实验仪器设备及技术参数
①深孔套芯解除法
2006型-深孔套芯地应力测量仪是中国地质科学院地质力学研究所研制的深孔专用地应力测量仪（实物见图2和图3），包括井下专用空心包体探头和井下应变记录仪，另外还有配套的井下专用安装工具，在青藏铁路沿线、南水北调西线和西气东输等国家重大工程中得到应用。
图2 中国地质科学院地质力学研究所2006型-深孔套芯地应力测量仪
a b
c
图3 井下应变记录仪（深孔型外壳为无磁不锈钢）
a.井下应变记录仪操作面板；
b.36Ф全应力测量探头;
c. 井下应变记录仪分解图
KB-2006-J型井下专用空心包体探头，是我所获地质部科技成果一等奖的KX－81型空心包体全应力计的基础上改进发展的全应力测量探头，12个120Ω箔式应变片（三组90°、0°、±45°应变花，呈径向120°排列），一次测量即可获得该点的三维应力。水下胶为丙烯酸树脂或可水下低温固化的双组份环氧树脂两种，下井前配好，适应期2小时。
KB-12-J型深孔应变仪是超小型智能化数字仪器，是我所研制的钻孔专用定时记录式微型应变仪，采用目前最先进的msc1200微处理器芯片和Flash存贮器及独立知识产权的电子开关技术研制开发的技术先进、方便实用的智能数字应变仪。主要特点是：①外壳采用高强度不锈钢和高强度钢化玻璃视窗，端面密封圈防水结构耐静水压40MPa；②独立微功耗电子定时器，可按事先设定的时间定时启动主机，一次充电可在井下定时待机数月，连续采集工作时间＞20小时；③1秒～12小时采集控制时间间隔；④RS232C接口可以实现事后通讯，事后回访主机为PC机或笔记本电脑，简明快捷的人机对话窗口，利用主机或PC双向设置控制；⑤理想实用的PC处理软件--多点曲线实时显示同时生成数据文件，σ-ε曲线自动生成。除此之外为满足不同用户需要还设计了功能丰富的隐含菜单。
主要技术指标
（1）精度：测量值的± 0. 1%±1个字；
（2）分辩度：1个με；
（3）量程: ±19999με；
（4）供桥电压：2.4V或1.2V；
（5）灵敏系数：0.001~999.999数字设置；
（6）适用电阻应变片阻值:60Ω~1000Ω；
（7）平衡方式：自动；
（8）平衡范围：±6000με；
（9）存贮空间：主机32K字节；当实时通讯时为海量存贮；
（10）通信方式：定时和事后传输；
（11）采集速率：1秒/点；
（12）测量点数：16；
（13）软件操作平台：Windows98/2000/XP系统；
（14）软件特性:曲线显示/文件存贮/σ-ε曲线生成等功能;
（15）电源：DC6V;
（16）体积重量：Ф55×280 mm,重约2.5Kg;
（18）工作环境：0℃-85℃，井下1000米以内。
②深孔水压致裂法
2007型-深孔水压致裂地应力测量系统是中国地质科学院地质力学研究所研制的深孔专用地应力测量设备，包括高压泵、数据采集器、工控机、封隔器、印模器、拉推开关、高压管道、定向器、压力表、压力传感器、转接头及辅助设备，在水电、铁路隧道、矿山、油田等领域的国家重大工程中得到广泛应用（现场测试见图4）。
主要技术指标
（1）精度：0.1MPa；
（2）分辩度：1MPa；
（3）压力表量程: 100MPa；
（4）高压泵供电电压：6KW；
（5）通信方式：定时传输；
图4 SY-2007封隔器安装测试现场
（6）数采采集速率：100次/秒；
（7）软件操作平台：Windows98/2000/XP系统；
（8）软件特性:曲线显示/文件存贮/σ-t曲线生成等功能;
（9）单体积重量：小于80Kg;
（10）工作环境：0℃-100℃，井下2500米以内。
③岩芯的差应变法
岩芯差应变压力容器是中国地质科学院地质力学研究所研制的岩芯差应变地应力测量仪器，与地质力学研究所古地磁实验室的美制立式2G－755R超导磁力仪、美制TD－48热退磁炉联合测试。目前，地应力测量实验室已应用岩芯差应变地应力测试技术在油田领域完成7个2000米以上测孔的地应力测量工作（见图5和图6）。
图5 差应变测试岩芯图6 差应变测试成果主要仪器和设备：
（1）试验压力容器；
（2）加载设备：德国产-200压力试验机；
（3）记录设备：数字16通道电阻应变仪；
（4）多通道数字记录仪；
（5）多通道高精度超声波仪；
（6）美制立式2G－755R超导磁力仪；
（7）美制TD－48热退磁炉。
主要技术指标：
（1）精度：0.1MPa；
（2）分辩度：0.01MPa；
（3）压力表量程: 100MPa；
（4）高压泵供电电压：10KW；
（5）数采采集速率：100次/秒；
（6）软件操作平台：Windows98/2000/XP系统；
（7）软件特性:曲线显示/文件存贮/σ-t曲线生成等功能;
（8）单体积重量：小于60Kg;
（9）工作环境：0℃-100℃；
（10）岩芯加工精度：小于0.02mm。
④岩芯的滞弹性恢复法
试验涉及的仪器设备主要有数据采集仪、数据接收机、保温设备、应变传感器及其辅助设备，如下图为我所自行研制的滞弹性地应力测试仪及试验照片。
图7 地质力学所36L滞弹性地应力测试仪及试验照片
三、质量控制
①深孔套芯解除法
1）地应力测量工艺控制
测量步骤与套芯法基本相同，分如下9个步骤：
施工大孔→磨平孔底→打小孔→清孔→仪器参数和定时参数设定→安装孔底探头→套芯→地表率定→数据回访。
安装和套芯过程需要钻机密切配合，需要配备特种钻具，建议钻孔和测试工作由同一家单位或合作过的两家单位实施，测量要求如下：
随钻孔进行地应力测量，测试段应避开裂隙，在岩石较完整的孔段进行，测试段要求有300-400mm长完整岩芯。
●钻孔直径建议开孔段Ф91，穿过基岩风化带，套管插入完整基岩1～2米，套管
底部用水泥密封，后变径为Ф76。
●测量小孔Ф28mm，深度400～500mm。
●建议测点间隔10～20米，每孔5～10点，最少每孔测5点。主要是考虑到要
实测地应力随深度的变化规律、测点的代表性、数学统计计算的需要。
●钻机必须绝对服从测试人员的指挥。
2) 地应力测量步骤控制
在井下空心包体环氧树脂三轴应变法的应力解除过程如下（如图8）：
●打大孔：在用钻机向围岩钻进应力解除孔，钻孔深度以巷道围岩应力场的范围为
准，终孔点应不受环境围岩应力场的影响。钻头直径取76mm。
●磨平钻孔孔底，消除残余岩芯和岩块、岩粉，岩芯管后带取粉筒。
●换锥形钻头做锥形孔底：以保证后面的小孔与大孔同轴心。
图8 井下空心包体应变法应力解除过程示意图
1．施工钻孔；2．磨平孔底；3．孔底磨锥槽；4．施工小孔；
5．安装地应力探头；6．套芯解除；7．套芯结束；8．取岩芯和应变仪
●打小孔：采用特制的液压钻具，换上φ36mm的小钻头，打50cm深的一段小
钻孔。钻具不同深度上开有泻水孔，通过水压的变化，判断小孔的深度。
●空心包体安装：用砂纸将空心包体外侧圆柱面打毛；按比例配制好粘结剂（A，
B两种液态材料按1:3），在空心包体的空腔内倒入适量的粘结剂，固定好销钉，将包体安装在定向器上。用钻杆慢慢地将其送入大孔中，不断地接长钻杆，并记下长度，在剩余长度为5m左右时要特别注意慢推，以保证包体能够完好地进到小孔中。前端近入小孔20cm 左右，应注意包体筒体部分缓慢推入，探头和安装器脱钩，包体成功地安装于小孔中。
●应变初始数据：一般在安装包体20小时左右，环氧树脂固化。将安装器小心地
从钻孔中提出，安装器中电子罗盘记下探头安装角，所显示数字为应力计的安装
角。
●套芯地应力解除与应变测试：在井下应变仪到达预定时间时，应变仪将自动启动，
开始测量，此时应按预定深度开始缓慢钻进，进行套芯解除，套芯解除至一定深
度后，应变计读数趋于稳定。每隔10秒读数一次，连续记录10小时以上，达
到预定深度后，不再解除。将包含包体的岩芯折断并取出，并对岩芯的岩性进行
描述。
每个测孔第一测点完成后，在孔底重新锥形孔底，再打小孔，重复以上步骤，进行第二测点的测试。
3）套芯法地应力测量工作周期
单段测试工作周期为48小时（单段：就是应力解除一次所用的时间）。
②深孔水压致裂法
1）水压致裂法地应力测量原理
水压致裂地应力测量原理就是利用水压致裂装置将一对封隔器把钻孔的一段岩壁密封，向封隔段内施加压力，进而使所压部位撑裂，形成沿是大水平主应力方向的裂缝，测出相应力学参数，通过计算，获得所测部位的地应力状态，具体原理见图9。
图9 水压致裂应力测量原理图
水压致裂原地应力测量是以弹性力学为基础，以测量地点为依托，并以三个假设为前提的。
三个假设分别为：
(1)岩石是线弹性和各向同性的；
(2)岩石是完整的，压裂液体对岩石来说是非渗透的；
(3)岩层中有一个主应力分量的方向和孔轴平行。在上述理论和假设前提下，水压致裂的力学模型可简化为一个平面应变问题，如图9所示。
根据弹性力学原理，在作用有两向主应力σ1和σ2的无限大平板内，有一半径为a 的圆孔，则圆孔外任何一点M 处的应力为：
θσστθσσσσσθσσσσσθθ2sin 32122cos 312122cos 341212442221442122214422212221??????
-+--=??????+--??????++=?????
?+--+??
????-+=r a r a r a r a r a r a r a r r (1)
图9 水压致裂应力测量的力学模型
式中σr 为M 点的径向应力，σθ为切向应力，τr θ为剪应力，r 为M 点到圆孔中心的距离；θ为σ１方向起反时针量测的角度。当r=a 时，即为圆孔壁上的应力状态：
()()02cos 20
2121=--+==θθτθ
σσσσσσr r (2)
由式(2)可得出如图9(2)所示的孔壁A 、B 两点及其对称处(A ′、B ′)的应力集中分别为：
123σσσσ-=='A A (3)
213σσσσ-=='B B (4)
液压大于孔壁上岩石所能承受的应力时，将在最小切向应力的位置上，即A 点及其对称点A ′处产生张破裂。并且破裂将沿着垂直于最小主应力的方向扩展。此时把孔壁产生破裂的外加液压P b 称为临界破裂压力。临界破裂压力等于孔壁破裂处的应力集中加上岩石的抗张强度T hf ，即：
hf b T P +-=123σσ (5)
若考虑岩石中所存在的孔隙压力0P ，将有效应力换成区域主应力，则式(5)将变为：
0123P T S S P hf b -+-= (6)
此处的2S 、1S 分别为原地应力场中的最小和最大水平主应力。在垂直钻孔中测量地应力时，常将最大、最小水下主应力分别写为H S 和h S ，即H S S =1，h S S =2。当压裂段
的岩石被压破时，b P 可用下列公式表示：
03P T S S P hf H h b -+-= (7)
孔壁破裂后，若继续注液增压，裂缝将向纵深处扩展。若马上停止注液增压，并保持压裂回路密闭，裂缝将停止延伸。由于地应力场的作用，裂缝将迅速趋于闭合。通常把裂缝处于临界闭合状态时的平衡压力称为瞬时关闭压力s P ，它等于垂直裂缝面的最小水平主应力，即：
h s S P = (8)
如果再次对封隔段增压，使裂缝重新张开时，即可得到裂缝重新张开的压力r P 。由于此时的岩石已经破裂，抗张强度0=hf T ，这时即可把(3.7)式改写成：
03P S S P H h b --= (9)
用(7)式减(9)式即可得到岩石的原地抗张强度：
r b hf P P T -= (10)
根据(7)、(8)、(9)式又可得到求取最大水平主应力H S 的公式：
03P P P S r s H --= (11)
垂直应力可根据上覆岩石的重量来计算：
gd S v ρ= (12)
式中ρ为岩石密度，g 为重力加速度，d 为深度。
以上是水压致裂法地应力测量的基本原理及有关参数的计算方法。
2）现场钻杆式测试体系的工艺流程控制：
SY-2007钻杆式深孔水压致裂地应力测试体系的现场测试示意图，见图10。
●选择试验段
根据岩芯编录选择完整岩芯所处的深度位置作为测试段，在钻孔条件允许的情况下应尽可能多选测试段。
●检验测量系统
在正式压裂前，要对测试所使用的封隔器及压裂系统进行检漏试验，一般试验压力不低于40MPa。另外，还要对封隔器、印模器所使用的低压卸压阀进行现场调试，开启压力根据测试段深度而定。
●密封测试段
首先用钻杆将一对可膨胀的橡胶封隔器放置到测试段所在的深度，然后通过地面的加压系统，给两个1m长的封隔器同时增压，使其膨胀并与孔壁紧密接触，即可将压裂段隔离，形成一个密闭空间(即压裂试验段)。
●测试段压裂试验
利用高压泵通过高压管和钻杆向压裂试验段注高压水，压裂段内的岩石在足够大的水压作用下，将会在最小切向应力的位置开裂（即沿最大水平主应力的方向开裂）,记临界开裂压力值为P b。
图10 SY-2007钻杆式深孔水压致裂地应力测试体系示意图
岩石开裂后压力将急剧下降，当裂隙扩展到3～4倍钻孔直径处，关闭高压泵。在岩体应力的作用下，裂缝趋于闭合，裂缝处于临界闭合状态时的压力称为关闭压力，记为P s。
此后卸压使裂隙闭合，然后再注高压水使裂隙重新张开，记裂隙重张时的压力为P r。接着再关泵，记录P s值。此过程重复3～5次，以确定P r和P s的统计值。根据P r和P s 值，就可计算出测试段水平面内两个主应力的值。
印模试验
水压致裂试验完成后，将封隔器卸压后提升至地面，并从钻杆上卸下；然后将印模定向系统装（包括印模器和定向器）上钻杆并送至井下，使印模器对准压裂裂缝的位置。通过给印模器加压膨胀将钻孔裂隙印刻到印模器上，其定向器可确定裂缝在井下的方位，该方位就是最大水平主应力的方位。
通过上述试验工艺流程，测试段水平面内两个主应力的大小和方位就全部确定了。
3）水压致裂法地应力测量工作周期
1000米以内的单孔测试工作周期为24小时，1000～2000米的单孔测试工作周期为3天，2000～2500米的单孔测试工作周期为7天。
③岩芯的差应变法
1）测试原理控制
差应变分析法地应力测量是利用从井下采取的新鲜岩芯通过加压试验装置在实验室进行地应力测量的方法。
地应力测量原理是利用岩石应力解除后松弛应变，岩石的膨胀而出现微裂隙，裂隙的空间分布形态与原岩应力的方向有关，裂隙的数量和发育强度与原岩应力大小成正比。通常岩石压缩变形是由岩石固体颗粒变形和空隙变形两部分组成，空隙变形又由与岩石天然孔隙变形和与岩石受力释放后所产生的次生裂隙变形及孔隙变形组成，只有后部分变形才包含岩石先前的受力信息，如何分离出岩石受力释放后所产生的次生裂隙变形及孔隙变形是差应变法地应力测量的关键。如果将岩石样品置于压力容器中逐步加压，在加压过程中裂隙逐步闭合，将引起岩石应变率的改变，当岩石表面压力大于原岩应力时，微裂隙将闭合，测量裂隙闭合前后岩石的应变率变化，与标准试验数据进行比较，可确定不同压力下不同方向的裂隙应变差，用最小二乘法回归计算其对应的应变椭球形状，将不同压力下主应变轴投影到吴氏网上，其差应变主轴极密较稳定，不随围压变化而变
动。根据差应变椭球的形状可确定三个主应变比值和空间方位。如果已知岩石围压与差应变的比值，即岩石差应变弹性模量，或已知铅直应力的大小，就可以计算出该处地应力大小和方位角。
2）测试条件
为保证试验结果的一致性，必须保证仪器有足够高的分辨率和足够高的试样加工精度。保证试验条件一致，包括试验环境条件和探头。
试验多通道应变仪分辨率：1με。
试样研磨加工精度：直径0.001mm，不平整度0.01mm。
隔离绝缘层：环氧树脂或硫化硅橡胶。
压力传感器分辨率：0.1MPa。
高压容器：耐压200MPa。
加温温度限制：小于350℃。
3）岩芯的古地磁定向
此项试验由地质力学所古地磁实验室加工标准古地磁样品。全部样品的系统剩磁测试是在中国地质科学院地质力学研究所古地磁实验室美制立式2G-755R超导磁力仪上进行的，样品的系统热退磁处理是使用美制TD-48热退磁炉完成。热退磁温度间隔为40℃，样品的剩磁组分均利用主向量法分析获得。
4）试验流程
a.从现场取回定向岩芯，记录该岩芯相应的位置和深度。
b.将岩芯加工成边长为长径比1:1的圆柱体试样，加工过程中不允许出现新的裂隙。
c.将3支特制的相互成45o的4轴应变花粘贴在三个相互垂直的端面上(见图11)，在岩心上画上标线。
d.将试样和补偿块一起放入一个压力容器中，并加静水压至100～140MPa，加压大小取决于原来岩芯所在的深度．按0.1MPa/min的增压速率增加，在加压过程中裂隙逐步闭合。记录加压过程中应变片的应力-应变值，描绘出应变片的应力-应变曲线。
e.以上步骤加压和卸压重复3次以上。
f.对每一应力—应变曲线进行微分分析。
g.由多个方向的裂隙闭合应变率可求得三个主裂隙应变的方向，它们对应着三个主应力的方向。由于试样是确定了原始方向的，那么试样所在点的三个主应力方向也即已知了，主应力的大小可由瞬时关闭压力值来确定。在每一应变片所在方向，地应力大小对应于应力—应变曲线的过渡段。
6）岩芯差应变法地应力测量工作周期
古地磁单孔岩芯定向实验的工作周期为14天；单孔岩芯差应变测试工作周期为7天；合计为21天。
④岩芯的滞弹性恢复法
图11 差应变分析法应变片粘贴位置及编号
利用岩芯的滞弹性恢复理论，记录刚取出的岩芯滞弹性应变松弛曲线，分析带弹性应变松弛与初始应力的关系，进而获得主应力及其方向，并将其测试结果与其它测试方法进行对比。
1）试验质量控制
滞弹性应变恢复的工作原理就是在解除应变稳定后，仍然可观测到一个微小的应变增加，这种应变增加可以延续数百个小时，被称为滞弹性应变松弛，通过测试能够将岩芯取出后数百个小时内的应变恢复量记录下来，并进行计算、分析得出岩芯所处位置的主应力方向和大小。
岩芯测试必需在现场进行，测量时，要把岩芯和测量装置一起放入保温装置中，保
水、保温，以保证测量结果的可靠性。
2）工作周期
滞弹性应变恢复的工作周期一般为40天。
四、深孔综合地球物理监测系统
另外，我所自行研制ZH-2002型深孔综合观测仪，观测内容包括高精度应变、倾斜、应力、孔隙压力、位移、地电、地磁、温度、速度和加速度。可用于研究断层近场变化和地球物理场的变化规律，监测断层破裂过程中近场参数（上述各物理量）随时间的变化，有助于解决长期没能很好解决的地震和破裂物理问题。
采用地质力学所ZH-2002型深孔综合观测仪(见图12-图14)，建立钻孔地球动力学观测系统，构建现场观测测量基站和北京中心端数据采集和数据共享服务器和网站，实现数据采集、编码、传输、解码、数据存储、数据分类、数据处理和数据共享及数据发布网站，同时实现测量基站的遥控操作。基站由井下、地面观测仪器和电源及通讯三部分构成，电源采用风-电联合DC-DC电源，系统通讯基于internet技术。
图13 综合型高精度应变仪6舱段及舱段连接法兰
图14 综合型高精度应变仪
其中应变仪探头为3分量仪器，具体参数见表1。
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2010年11月，项目组完成了山丹地应力台站的建设与监测系统安装工作，并开始组网进行。在2011年3月份，山丹地应力台站捕捉到日本东海9.0级地震和云南盈江5.8级地
震过程中的地应变反应。
山丹地应力监测台站记录到日本M w
日本M w9.0级地震引起了2011年12-14日固体潮异常
1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？ 答：地壳是变动的。 自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。 2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。 答：未受影响的应力称为初始应力 工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力 地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。 3. 何谓海姆假说和金尼克假说？ 答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中 任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即???= ????=???? 金尼克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，其值应为乘以一个修正系数K。他根据弹性力学理论，认 为这个系数等于?? 1-??，即????=????，???=?? 1-?? ???? 4. 地应力是如何形成的？ 答：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。 5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。 关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板 块边界作用力。 土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。 6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。 答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能 够计算的应力场。地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即????=????。 重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但 是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非 均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。 构造应力是由地质构造运动形成的。当前的构造应力状态主要由最近一次的构 造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。构造应力主要表现为以水平应力为 主，“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。” 7. 岩体原始应力状态与哪些因素有关？ 答：地形地貌；岩体结构；岩石力学性质；地下水。 8. 简述地应力场的分布规律 答：1）地应力场的特性 （1）地应力场是一个以水平应力为主的三向不等压应力场 （2）地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场 2）垂直应力的分布规律 在深度为25~~2700m的范围内，????呈线性增长，大致相当于按平均容量??γ等于273kN???-3?计算出来的重力????。 3）水平应力的分布规律
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
地应力测试步骤、所需仪器及注意事项总结从淮南到淮北，地应力测试做了五个孔了，成功率60%。虽然成功率刚刚过半，但这都是我们课题组在没有任何前辈莅临指导的情况下，经过多个井下不眠之夜，独立摸索完成的。虽然做地应力测试比较苦，但是虽苦犹乐，因为我们又掌握了一样新知识，新技术。 现根据我们在朱集矿和孙疃矿做地应力测试的情况，总结经验吸取教训，总结地应力测试步骤、所需仪器及注意事项如下： 1、地质钻打孔。 1.1步骤： (1) 地点选取。选取整体岩性较好区域的巷道，安设测点。测点巷道内应水电方便，地质钻工作时应不影响巷道运输。 (2) 打孔取芯。使用75/105型地质钻机，配直径为42mm/50mm的接长钻杆，并运用特制的取芯套筒（长度为2m和1m，直径为127 mm）及平钻头（直径为127 mm），在所测巷道岩壁上打直径为127 mm的水平钻孔，至巷道跨度的2～3倍深处，以保证应变计安装位置位于原岩应力区。当钻孔至预定长度时，取出岩芯，并编号套袋保护岩芯。 (3)打空心包体孔。利用自备的钻头（直径为127 mm），其上带有长370mm，直径36mm的小钻头，打同心小孔并取岩芯，同时将孔底磨平，并用锥形钻头打出7cm长的喇叭口，小孔深35～40cm。此小孔一杆打到底，钻孔过程中，必须利用2m长岩芯管定向。 (4) 冲洗钻孔。小孔成形后，抽出钻杆5cm，用钻机的水管冲洗。 1.2注意事项 (1) 钻孔要稍向上倾斜，并测量倾斜角度确切数值，一般控制在3°~5°，以便排水并易于清洗钻孔； (2) 打孔要一次用一种钻头，不要先打孔再扩孔，因为孔长度较大，容易导致两钻头轴向不在同一条直线上，进而产生台阶，安装时定位器会被卡住，孔就废掉了。 1.3仪器准备 (1) 矿方准备：75/105型地质钻机；42mm/50mm钻杆；长度2m和1m，直径127 mm 取芯套筒；直径127 mm平钻头，岩芯箱：1000mm×500mm×150mm。 (2) 矿大自备：记号笔；记录本；塑料袋；直径127 mm带有直径36mm的小钻头
地应力平衡方法 熊志勇陈功奇 第一部分地应力平衡方法简介 地应力平衡有三种方法: (1 *initial conditions,type=stress,input=FileName.csv(或 inp 该方法中的文件 FILENAME.INP 获取方法为 :首先将已知边界条件施加到模型上进行正演计算 , 然后一般是将计算得到的每个单元的应力外插到形心点处并导出6个应力分量 (也可以导出积分点处的应力分量 , 视要求平衡的精确程度而定。其所采用的几何模型可以考虑地表起伏不平的情况以及岩土材料极其不均匀的情况 , 适用范围广。但由于外插的应力有一定误差 , 因此采用弹塑性本构模型时 , 可能会导致某些点的高斯点应力位于屈服面以外 , 当大面积的高斯点上的应力超出屈服面之后 , 应力转移要通过大量的迭代才能完成 , 而且有可能出现解不收敛的情况。在仅考虑自重情况下只能考虑受泊松比的影响带来的侧压力系数效应 , 因此平衡后的效果不一定很理想 , 但无疑其适用性很强。 (2 *initial conditions,type=stress,geostatic 该方法需给出不同材料区域的最高点和最低点的自重应力及其相应坐标。所采用的几何模型一般较规则 , 表面大致水平 , 地应力平衡的好坏一般只受岩体密度的影响 , 无论采用弹性或弹塑性本构模型都能很好的达到平衡 , 可以不必局限于仅受泊松比的影响 , 能够通过考虑水平两个方向的侧压力系数值来施加初始应力场。计算速度快 , 收敛性好。缺点就是不能够很好平衡具有起伏表面的几何模型 , 需知道平整后模型的上覆岩体自重。 (3 *initial conditions,type=stress,geostatic,user
ABAQUS岩土隧道入门地应力平衡基本问题 一：Abaqus地应力平衡方法理解 Abaqus地应力平衡现常用分为两种方法：（6.10版以前那种笨拙修改csv文件和添加keywords自己计算每层土应力的方法，就真的很折腾，而且适应性还不好） 1.通过Geostatic中Automatic平衡，这种方法是自动平衡，通过设置最小位移精度，迭 代计算达到平衡的最小位移精度；算盘放小胖版主案例说法“依据小胖的经验，对于标准的隧道开挖，几何简单，采用1e-5的位移准则是可以的。但如果比较复杂的模型，宝宝们也不要太吝啬，放宽到0.5 mm以下也是可以的。毕竟我们玩的是大尺度模拟，半个毫米都不一定能测得出来。”，而对于单元数量巨大的模型，本身计算一次就需要不短的时间，再通过迭代自动计算地应力平衡，这个时间。。。。。。；并且Automatic只有100个increment，如果100到了还没平衡好，虽然“可以在上次计算的应力基础上再平衡一次。”但是这样下去如果遇见不收敛，就是何年何月才能算好地应力平衡。So，再看第二种方法咯 2.通过导入自重变形结果odb文件，定义应力场来计算。若用Geostatic分析步换成Fixed 平衡固定计算一次的自重变形结果odb；再通过Predefined field导入这个自重变形结果odb；具体小胖版主有实例截图，就是在Predefined field中initial分析步stress进行设置“从外部文件导入”这个自重变形结果，Geostatic分析步Fixed 下也只有一步step 和Increment，所有就应是1。 但是再计算七万别忘啦，再复制重命名或者新建一个job，要是覆盖了自重变形结果的odb，就白搭 若采用的static general分析步，控制初始增量步默认是Automatic，初始和最大控制一步计算就行，与geostatic的fixed的自重变形计算结果是一样滴，导入平衡方法也一样，结果可以比较一下，具体可以看看算盘坊小胖的地应力平衡初、中、高教程，这个只能算基础入门的概念理解 二：keywords语言基本单元生死法以及场变语言理解 （注：自用的6.14-1和新版，全部都可以通过UG窗口界面设置逻辑了，不用向上世纪那样自己编语言，当 然后期还是要学习一下编程） ▲原始方法地应力平衡语句： *initial conditions, type=stress, geostatic 土层名,大力，竖向坐标，小力，竖向坐标，侧向系数 ▲单元生死（可通过相互作用控制）： *model change, add XXXX *model change, remove XXXX
地应力测量的国内外研究现状 0 引言 地应力（in-situ stress），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（雷化南，等译.1976）。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。因此，岩石中的原地应力是由主动施加的力和积蓄的残余应变两者引起的。 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，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。地应力测量是一项综合性的测试，可以说任何一种单一的方法都不能很好地完成，往往需要几种方法结合起来对比使用，才可以保证结果的可靠性。即使如此，地应力测量中也往往会出现同一测点测量值分散的情况。 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。 1 地应力测量在国外发展概况及研究现状 人们最初对地应力概念的认识以及地应力测量技术的发展都源于早期的矿山工程建设，最早的原位地应力测量起始于20世纪30年代。1932年，美国人劳伦斯(Lieurace)在胡佛坝(HooverDam)下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量。此后，地应力测试技术一直停留在岩体表面应力测量上，发展十分缓慢，在20世纪50年代，哈斯特(Hast)采用应力解
- 矿山地应力测试工作方案 省XXXXXX勘察院 2015年4月
目录 1 前言 (2) 2 地应力的基本原理 (2) 2.1 地应力的基本概念 (2) 2.2 地应力的组成部分和影响因素 (3) 2.3 地应力场的变化规律 (5) 2.4 我国地应力场的区域划分 (8) 3 水压致裂法试验介绍 (9) 3.1 水压致裂法基本原理 (9) 3.2 水压致裂法地应力测量的主要设备 (14) 3.3 水压致裂法测试步骤 (15) 4 测试结果 (17) 4.1 参数确定 (17) 4.2 现场实测 (18) 5 测试成果综合分析 (21) 5.1 试验结果的可靠性分析 (21) 5.2 最大水平主应力的量级 (21) 5.3 最大水平主应力的方向 (21) 5.4 侧压系数及应力构成分析 (21) 5.5 分析最大、最小水平主应力与岩层深度的关系 (22) 6 地应力场反演分析 (23) 6.1 有限元数学模型多元回归分析法基本原理 (24) 6.2回归结果分析 (25)
1 前 言 地应力是引起采矿和其他各种地下或露天岩土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，实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。 地应力是所有地下工程，包括地下采场、巷道地压显现的根本来源。地应力是存在于地层中的天然应力，也称原岩应力。在没有开挖工程扰动的情况下，岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖，打破了原始平衡状态，导致地应力的释放，从而引起岩体的变形和向自由面的位移，引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏，这就是地压形成的过程和机理。因此，从本质上来定义，地压就是岩体因受开挖扰动而产生的力学效应。它与岩体的受力状态、岩体结构和重量、岩体物理力学性质、工程地质条件以及时间等因素有关。 2 地应力的基本原理 2.1 地应力的基本概念 蓄存在岩体部未受扰动的应力，称之为地应力(Insitu stress 或Geostress)，它是岩体中存在的一种固有力学状态，是岩体区别于其它固体如土体的最基本特征。 地应力的概念最早是由瑞士地质学家海姆(Heim ，1905-1912)提出。他认为，岩体中有应力存在，并处于近似静水压力状态。应力的大小等于上覆岩体的自重，即岩体中各个方向的应力均等于H γ(γ为岩体的重度，H 为研究点的深度)。此后，金尼克(1926)又根据弹性理论分析，假定岩体是均匀、连续的弹性介质，提出岩体的铅垂应力为H γ，而水平应力应等于H γμμ -1的假说(μ为岩石的泊松比，μ μ-1为侧压系数)。按照金尼克的理论，海姆假说只是金尼克假说在5.0=μ时的一个特例。 然而，随着地应力现场实测资料的积累，表明在浅层的地应力并不
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
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，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
地应力测量方法 1.水压至裂法 水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流体，从而确定原位地应力的一种方法。水压致裂法的2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生新裂隙或使原生裂隙重张。 常规水压致裂法(HF法) HF法是从射井方法移植而来，假定钻孔轴向为1个主应力方向，岩石均质、各向同性、连续、线弹性，采用抗拉破坏准则，在垂直于最小主应力方向出现对称裂缝，其仅能测得垂直于钻孔横截面上的二维应力。在构造作用弱和地形平坦区，垂直孔所测结果可代表2个水平主应力，垂直应力约等于上覆岩体自重，裂缝方位为最大水平主应力方位。 HF法测试周期短，不需要岩石力学参数参与计算，适合工程初勘阶段，不需试验洞，可进行大深度测量，是目前惟一一种可直接进行深部地应力测定的方法。通过对HF法的改进，德国大陆科学深钻计划(KTB)在主孔6 000 m和9 000 m处已成功获得了地应力资料。HF法是一种平面应力测量方法，为获得三维应力，YMizutaI和M KuriyagawaE提出3孔交汇地应力测量，我国长江科学院和地壳所也进行了大量的测试。但研究表明，当钻孔轴向偏离主应力方向，其结果就有疑问，要精确获得三维地应力较困难。为此，文献[7]基于最小主应力破坏准则，对3孔交汇HF法测试理论进行了完善，其有助于提高测量结果的计算精度，但还有待足够的测量数据来验证。
原生裂隙水压致裂法(HTPF法) HTPF法是HF法的发展，其要求在含有原生节理和裂隙的钻孔段进行裂隙重张试验以确定原位应力。HTPF法假定裂隙面是平的，且面上应力一致。对于深孔三维地应力直接测量，HTPF法可进行大尺度的地壳地应力测试，很有发展前途。HTPF法同HF法相比，假设少，不需考虑岩石 破坏准则和孔隙水压力，在单孔中便可获得三维地应力。但用HTPF法测试费时，且裂隙产状和位置的确定误差都可降低计算精度。 2.套钻孔应力解除法 套钻孔应力解除法根据解除方式和传感器的安装部位分为探孔应力解除法、孔底应变解除法和孔壁切割解除法。探孔应力解除法根据传感器的类型可分为孔壁应变法和孔径变形法。 孔壁应变法 孔壁应变法基于岩石各向同性、均质、连续、线弹性的假设，通过孔壁6个以上不同方向的应变值来计算岩体的三维地应力。孔壁应变法又可分为直接粘贴方法和包体方法。CSIR型三轴应变计就是将应变元件直接贴到孔壁中。空心包体是将应变元件贴到薄筒壁中，再用胶将薄筒和孔壁粘结。还有一种实心圆柱式包体技术，由于受包体材料和岩石物理力学性质差异影响大，已基本不用。 孔壁应变法最大的优点是单孔单点可准确测量岩体的三维地应力，缺点是:对岩石的完整性要求高，岩芯解除长度大于40～60 cm，并且在岩芯易饼化时测试很难成功；存在应变元件的粘贴、防潮、全过程测量和定向等问题;受温度变化、岩性差异影响大，测量结果离散性大。
地应力知识 简介 地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。 随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。 一地应力的成因 产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。30多年来的实测和理论分析表明，地应力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、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。 1大陆板块边界受压引起的应力场 以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。2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。地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽。 3由地心引力引起的应力场（也称为重力场） 重力场，是各种应力场中唯一能够计算的应力场。重力应力为垂直方向应力，是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全
等于自重应力，因为板块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。 4岩浆侵入引起的应力场 岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。 岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。 5地温梯度引起的应力场 地层的温度随着深度增加而升高，一般为a=3℃/100m。由于地温梯度引起地层中不同深度不相同的膨胀，从而引起地层中的压应力，其值可达相同深度自重应力的数分之一。6地表剥蚀产生的应力场 地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用。剥蚀后，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度引起的自重应力还要大得多的水平应力值。因此，在某些地区，水平应力除与构造应力有关外，还和地表剥蚀有关。 二地应力的研究观点 对地应力的研究已有一百多年的历史了，但总的说来，现在主要有三种观点： 1“静水应力式”分布的观点 它最早是海姆(Heim)于1878年提出的“静水压力”假说。 以后（1905~1912年），又提出相应的应力计算公式。1925年，金尼克也提出了弹性理论计算法及相应的公式。但事实表明，它们只能适用于一定的环境条件下，如，埋深较大的未受到扰动的地层。
地应力及其测试技术 1、引言 岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的因素。在漫长的地质年代里，地壳始终处于不断运动、变化之中，由此引起构造应力。引起岩体的应力除了构造应力，还有上覆岩体的自重应力、气温变化引起的温度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、固结作用、脱水作用所引起的应力等。这些在人类工程活动之前存在于岩体中的应力，就称为地应力或天然应力。 由于岩体中的地应力分布是及其复杂的，特别是岩体遭受地质构造运动之后应力状态更为复杂，分布规律千变万化。因此目前对于岩体中地应力的大小以及其分布规律的研究尚缺乏完整系统的理论成果。尽管近年来很多学者对于地应力的现场测量和理论研究都做了大量的工作，并取得一定的进展。但是，要达到能够确切掌握岩体中的初始应力大小及其分布规律，目前还有较大的距离。 虽然目前仍难以对岩体中地应力的大小及其分布规律达到确切的掌握，但是地应力状态与岩体稳定性的关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。在高地应力区所进行的岩体开挖，常常会引起一系列与开挖卸载回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象。在高地应力的脆性岩体开挖时，甚至能发生岩爆现象。这些不利现象都极大程度上影响着施工和运营安全，因此，岩体地应力状态对工程建设有着重要的意义。 2、地应力的组成及其特点 2.1 地应力的组成 地应力的组成成分是地应力的来源，它主要来自五个方面，即岩体自重、地质构造运动、地形势、剥蚀作用和封闭应力。自重应力是地心对岩体的引力。地质构造运动引起的应力，包括古构造运动应力和新构造运动应力。前者是地质史上由于构造运动残留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力；后者是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。地形势与剥蚀作用引起的应力仅限于局部的应力场受到影响，例如，高山峡谷或者深切河谷底部的应力往往比较集中；地表剥蚀会使该处地应力的铅垂应力分量降低较多，而水平应力基本保持不变等等。封闭应力是地壳经受高温高压引起岩石变形时，由于岩石颗粒的晶体之间发生摩擦，部分变形受到阻碍而将应力积聚封闭于岩石之中，并处于平衡状态，即使卸载，其变形往往不能完全恢复，故称封闭应力。 2.1.1 自重应力
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。电桥不平衡时，G的电流IG与R1，R2，R3，R4有关。利用这一关系也可根据IG及三个臂的电阻值 求得第四个臂的阻值，因此不平衡电桥原则上也可测量电阻。在不平衡电桥中，G应从“检流计’改称为“电流计”，其作用而不是检查有无电流而是测量电流的大小。可见，不平衡电桥和平衡电桥的测量原理有原则上的区别。利用电桥还可测量一些非电学量。 1）根据惠斯顿电桥的原理自行设计并制成1个应变一电阻一电压转换装置，在每一桥路中，除工作应变桥臂外，其他3个桥臂均为电阻，其温度系数为1×10.6／℃，这样电阻在温度变化1℃时只产生5 X 10～P变化，从而可以忽略不计。 2)增加1个热敏电阻，在应力解除过程中连续不断地测量测点的温度变化。 3)在每一次应力解除完成后，进行温度、应变标定试验，为计算地应力给出正确的测量数据。 测点的布置 测点布置 测点应布置在裂隙、孔隙少且均匀致密的完整岩体中，且不受开采影响的区域，一般选择在开拓巷道或专门硐室内布置测试钻孔。钻孔要施工到巷道或硐室扰动应力场范围之外，避开巷道和采场的弯、叉拐、顶部等应力增高区，保证应力测点处于原岩应力区，钻孔深度一般
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。在水压致裂技术提出之前，科学家们主要使用应力解除法来测定原地应力，包括平面应力解除法、钻孔套芯应力解除法、扁千斤顶法（平面应变恢复法）等。Hubbert和Willis于1957年提出井孔液体压裂所产生的裂缝与岩体中所赋存的应力状态密切相关，并指出岩体压力并非处于静水压力状态[4]。Scheidgger（1962）是第一位利用油井孔底压力曲线分析地壳应力的科学家。Fairhurst（1964）是第
1、地质雷达检测隧道支护情况 包括隧道衬砌厚度是否满足设计要求、钢筋保护层厚度是否满足设计要求、隧道衬砌钢筋布臵是否满足设计要求、隧道衬砌钢架布臵是否满足设计要求、隧道衬砌的密实情况（包括二衬背后脱空及初支背后空洞、不密实）。 评判标准：《公路工程质量检验评定标准》（GTG F80/1-2004）；参考《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB10233-2004）。 2、地应力检测 我国地应力测量试验和研究开始于20世纪50年代后期，迄今为止，地应力测量的主要方法虽然很多，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．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．我们采用水压致裂法 地应力测量存在的问题与展望：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。目前，国际上最大地应力测量深度已达5100m．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．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．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，
地应力测量方法 目前，我所地应力测量主要采用四种方法进行，分别为基于钻孔的深孔套芯解除法、深孔水压致裂法和基于岩芯的差应变法、滞弹性恢复法。其中套芯法测试精度最高，水压致裂法次之，但套芯法测试周期长，建议根据项目需求选择合适地段进行测试。几种测试方法可以联合使用，综合比对各种方法的测试结果，最终确定测试钻孔的地应力状态及规律。 一、实验参数 ①深孔套芯解除法 应变、弹性模量 ②深孔水压致裂法 应力 ③岩芯的差应变法 声波波速、应力 ④岩芯的滞弹性恢复法 应变、时间 二、实验仪器设备及技术参数 ①深孔套芯解除法 2006型-深孔套芯地应力测量仪是中国地质科学院地质力学研究所研制的深孔专用地应力测量仪（实物见图2和图3），包括井下专用空心包体探头和井下应变记录仪，另外还有配套的井下专用安装工具，在青藏铁路沿线、南水北调西线和西气东输等国家重大工程中得到应用。
图2 中国地质科学院地质力学研究所2006型-深孔套芯地应力测量仪 a b c 图3 井下应变记录仪（深孔型外壳为无磁不锈钢） a.井下应变记录仪操作面板； b.36Ф全应力测量探头; c. 井下应变记录仪分解图 KB-2006-J型井下专用空心包体探头，是我所获地质部科技成果一等奖的KX－81型空心包体全应力计的基础上改进发展的全应力测量探头，12个120Ω箔式应变片（三组90°、0°、±45°应变花，呈径向120°排列），一次测量即可获
得该点的三维应力。水下胶为丙烯酸树脂或可水下低温固化的双组份环氧树脂两种，下井前配好，适应期2小时。 KB-12-J型深孔应变仪是超小型智能化数字仪器，是我所研制的钻孔专用定时记录式微型应变仪，采用目前最先进的msc1200微处理器芯片和Flash存贮器及独立知识产权的电子开关技术研制开发的技术先进、方便实用的智能数字应变仪。主要特点是：①外壳采用高强度不锈钢和高强度钢化玻璃视窗，端面密封圈防水结构耐静水压40MPa；②独立微功耗电子定时器，可按事先设定的时间定时启动主机，一次充电可在井下定时待机数月，连续采集工作时间＞20小时； ③1秒～12小时采集控制时间间隔；④RS232C接口可以实现事后通讯，事后回访主机为PC机或笔记本电脑，简明快捷的人机对话窗口，利用主机或PC双向设置控制；⑤理想实用的PC处理软件--多点曲线实时显示同时生成数据文件，σ-ε曲线自动生成。除此之外为满足不同用户需要还设计了功能丰富的隐含菜单。 主要技术指标 （1）精度：测量值的± 0. 1%±1个字； （2）分辩度：1个με； （3）量程: ±19999με； （4）供桥电压：2.4V或1.2V； （5）灵敏系数：0.001~999.999数字设置； （6）适用电阻应变片阻值:60Ω~1000Ω； （7）平衡方式：自动； （8）平衡范围：±6000με； （9）存贮空间：主机32K字节；当实时通讯时为海量存贮；
地应力测量方法
地应力测量方法 地应力测量方法 1.水压至裂法 水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流体，从而确定原位地应力的一种方法。水压致裂法的2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生新裂隙或使原生裂隙重张。 常规水压致裂法（HF法）
HF法是从射井方法移植而来，假定钻孔轴向为1个主应力方向，岩石均质、各向同性、连续、线弹性，采用抗拉破坏准则，在垂直于最小主应力方向出现对称裂缝，其仅能测得垂直于钻孔横截面上的二维应力。在构造作用弱和地形平坦区，垂直孔所测结果可代表2个水平主应力，垂直应力约等于上覆岩体自重，裂缝方位为最大水 平主应力方位 HF法测试周期短，不需要岩石力学参数参与计算，适合工程初勘阶段，不需试验洞，可进行大深度测量，是目前惟一一种可直接进行深部地应力测定的方法。通过对HF法的改进，德国大陆科学深钻计划（KTB）在主孔6 000 m和9 000 m 处已成功获得了地应力资料。HF法是一种平面应力测量方法，为获得三维应力，YMizutal和M KuriyagawaE 提出3孔交汇地应力测量，我国长江科学院和地壳所也进行了大量的测试。但研究表明，当钻孔轴向偏离主应力方向，其结果就有疑问，要精确获得三维地应力较困难。为此，文献［7］基于最小主应力破坏准则，对3孔交汇HF法测试理论进行了完善，其有助于提高测量结果的计算精度，但还有待足够的测量数据来验
证。 原生裂隙水压致裂法（HTPF法） HTPF法是HF法的发展，其要求在含有原生节理和裂隙的钻孔段进行裂隙重张试验以确定原位应力。HTPF法假定裂隙面是平的，且面上应力一致。对于深孔三维地应力直接测量，HTPF法可进行大尺度的地壳地应力测试，很有发展前途。HTPF法同HF法相比，假设少，不需考虑岩石破坏准则和孔隙水压力，在单孔中便可获得三维地应力。但用HTPF法测试费时，且裂隙产状和位置的确定误差都可降低计算精度。 2.套钻孔应力解除法 套钻孔应力解除法根据解除方式和传感器的安装部位分为探孔应力解除法、孔底应变解除法和孔壁切割解除法。探孔应力解除法根据传感器的类型可分为孔壁应变法和孔径变形法。 孔壁应变法 孔壁应变法基于岩石各向同性、均质、连续、线弹性的假设，通过孔壁6个以上不同方向的应变值来计算岩体的三维地应力。孔壁应变法又可分为直接粘贴方法和包体方法。CSIR型三轴应变计就是将应变元件直接贴到孔壁中。空心包体是将应变元件
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，