地应力测量方法及其需要注意的问题
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摘要:对于深埋岩石工程,岩体的地应力状态直接关系到工程的稳定性。本文通过收集大量的国内外有关地应力的研究资料,总结了地应力测量的各种方法及地应力测量需要注意的问题。探讨了地应力测量的发展趋势。
Abstract: To the deep rock engineering, stress state of rock mass directly influences the stability of project. Through collecting a large number of domestic and foreign research data on geo-stress, the various methods of geo-stress measurement and the problems that need consideration are summarized. The discussion are made for the future developing trendency of geo-stress measurement.
关键词:地应力;测量方法;发展趋势
Key words: geo-stress;measurement;developing trendency
中图分类号:TU19文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)25-0136-02
0引言
地应力是指存在于地壳中的内应力。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[1]。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,近年来 随着我国社会经济的持续快速发展,我国水电领域工程建设保持着较快增长势头,工程建设地点向江河源头、高山峡谷地带延伸,工程建设内容往往包含深埋长深隧道,大跨度、大尺度地下厂房等,在这种情况下,我国地应力测试事业也取得了长足的进步,各种试验手段、测试方法层出不穷,并取得一定的成果。
1地应力测量方法
1.1 应力解除法应力解除法是以弹性理论为基础,它把一定范围内的岩体视为均质的、各向同性的完全弹性体。这一测量方法的实质是在被测虚力场的岩体中选定测点,在测点位置安设测量元件,然后在所安装的测量元件周围掏槽或套孔,使安设有测量元件的岩石与周围岩体分离,也就是使这一部分岩石从被测应力场作用之下解脱出来。此时,测点岩石将由于外力的消失而产生弹性恢复变形。通过测量元件将这一变形记录下来,即可按弹性理论来确定被测应力场的3个主应力的大小、方向和倾角[7]。应力解除法测量地应力的方法有:孔底应变计、孔径应变计、孔壁应变计、空心包体应力计等方法,其中孔底应变计、孔径应变计只能测出二维应力,若用它测三维应力,则需要打交于一点互不平行的三个钻孔。采用孔壁应变计和特殊制作的空心包体式孔壁的应力计只需要打1个钻孔就可测出三维应力[7]。
1949年奥尔森(O.J.Olson)第一次将应力解除法用于岩石应力测试以来,套孔应力解除法发展为技术上比较成熟的一种原岩应力测量方法。套孔应力解除法具有测量灵敏度高、测量结果可靠、可以在深孔中进行测量测点的三维应力状态(需要利用三孔交汇的方法)等特点[2]。因此,利用套孔应力解除法可以较为准确地测量矿山岩体的原岩应力。2004年,邱贤德等学者[8]在危岩边坡地应力测量中采用空心包体应力计、完全温度补偿技术和自动化实时记录系统进行测量,通过实验数据整理并应用地应力专用计算程序计算分析得出了某危岩边坡地应力的大小、方向、倾角以及分布的基本特征,此种应力解除法测量危岩边坡地应力技术方法,为边坡危岩治理工程设计与施工提供了理论依据,并在现场实施中,取得了良好的效果。葛修润等[23]基于线弹性岩石力学理论提出了一种在深孔中测定岩体地应力的新方法―钻孔局部壁面应力全解除法。该方法理论基础可靠,不仅可以解决套孔应力解除法在应用中出现的断芯问题,而且还克服了水力压裂法必须假定地应力张量的一个主方向与钻孔轴向一致的前提条件。
1.2 水压致裂法水压致裂法是测量地壳深层岩体地应力状态的一种有效方法,对地应力测量的测试原理基于三个基本假设:①地壳岩石是线性均匀、各向同性的弹性体;②岩石为多孔介质时,流体在孔隙内的流动符合达西定律;③主应力方向中有一个应力方向与钻孔的轴向平行[3]。具体做法是在岩体中钻一个垂直的孔,将其封住后向孔中注入高压液体,直至这个孔产生裂缝。岩体中主应力大小和方向可根据岩石的力学性质、裂缝方位以及出现裂缝的压力来确定[9]。刘允芳[4]在钻孔围岩的力学分析的基础上,提出了的原理和方法,并严格地推导了计算公式。马凤良等[9] 提出对地质条件比较复杂的地区用三维地应力测量进行测量,还需要进一步的改进。水压致裂法是广泛应用的一种最有效的原地应力测量方法。这种方法可以直接测量地应力,且测量的结果为一较大范围的应力平均值,它可以在数千米的井中测量,并取得与声发射法的对比资料。该方法最大优点是:在无需知道岩体的力学参数下,就可获得地层中现今地应力的多种参量,并具有设备简单、操作方便,可在任意深度进行连续或重复测试,测量速度快、测值直观、测值代表性大等优点。因此这一方法越来越受到重视和推广,是目前国际上能较好地直接进行深孔应力测量的先进方法。水压致裂法与其它方法相比,存在一个较大的缺陷,就是主应力方向确定不十分准确。
1.3 应力恢复法应力恢复法有时也被称为应力补偿方法,其基本原理是:在选定的测试点安装测量元件,然后在岩体中开挖一个扁槽埋设液压枕或千斤顶,对其加压,使测量元件的读数恢复到掏槽前的值,则液压钢枕或千斤顶的压力读数便是该方向的岩体应力。其优点是可以不考虑岩体的应力―应变关系而直接得出岩体的应力[5]。靳晓光、王兰生等研究学者[11]提出了方便、可行、易于现场操作的洞壁表面二次应力测试方法以改进应力恢复法。改进的应力恢复法的优点在于:①无需测定岩石的弹性模量便可计算岩体的应力,单孔可以测定平面内多方向应力;②改进应力恢复法的关键是等效应力系数的确定。通过室内试验、数值模拟及野外现场测试,系统地研究了应变―应力恢复法测定地下硐室表面二次应力的可行性和正确性。试验结果与数值模拟非常接近,现场测定结果与理论计算结果也基本相同,对二次应力场的测定及研究具有重要的理论意义和实用价值。
1.4 钻孔崩落法早在1964年,利曼(R.Leaman)在南非威特沃斯兰德大约2000m德金矿钻井中发现,在坚固的石英岩和砾岩中普遍存在孔壁破碎的现象,并具有优势方向崩落的趋势,他指出是压应力的结果,并且横截面上的崩落椭圆的长轴垂直于最大水平主应力的方向[7]。事实上钻孔崩落是孔壁岩石在高应力作用下发生破坏脱落掉块的现象,最初仅能获得钻孔横截面上的最大主应力方向。借助于地球物理测井、深部岩体的变形破坏机理和室内试验研究结果,根据崩落形状要素及岩石的内聚力和内摩擦角可估算应力大小[6]。该法最大水平主应力方向测试较精确,但应力量值计算精度还需进一步的提高;当钻孔不存在崩落时,就不能获得相关的地应力信息,因此此法只是适用于测试地下深处应力状态;另若岩石各向异性或非均质性突出,也会给地应力量值和方位的确定带来很大误差。
1.5 凯塞效应法(Kaiser法)岩石声发射的凯塞效应是指岩石对所承受应力的记忆性,岩石如果曾经受过某一应力作用,当在试验机上对其加载时,所加载荷未达到岩石先前所承受的某一应力水平时,岩石中裂纹闭合,其产生的声发射信号很少甚至没有,这一现象也称为岩石的不可逆性。1950年德国学者凯塞(Kaiser)发现,受过应力作用的岩石被再次加载时,在未达到上次加载应力前,岩石基本没有声发射,而当荷载达到或超过其先前所承受的应力水平后,岩石内部原有裂纹或新产生的裂纹端部由于应力集中,积聚的应变能较高,这些部位承受不了较高的应力,造成微观屈服、裂纹扩展,从而使得应力松弛,积聚的一部分能量迅速释放,这时的声发射信号开始急增[13]。从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点被称为Kaiser点,Kaiser点所对应的应力即为材料在历史上受到的最高应力。古德曼(Goodman)[12]在20世纪60年代初通过实验验证了岩石材料具有Kaiser效应。若利用岩芯地下定位或古地磁法确定岩芯方位,确定不同方向岩芯的最大应力值,可得三维应力状态。丁原辰等人提出了“视凯泽效应”的概念,认为在声发射试验中可获得两个凯泽点,一个对应与引起岩石饱和残余应变的应力,称为视凯泽点,在其之后可以获得另个真正的凯泽点,它对应于历史最高应力[16],从而更深入的揭示了凯塞点的真正涵义。周小平等[24]用赤平投影地质力学方法分析确定地应力的主方向,用Kaiser效应测量地应力大小。将两者有机结合起来可以克服Kaiser效应测量地应力时,主应力方向难以确定的最大缺点。
利用岩石声发射的Kaiser效应法实测现代地应力场,与传统的应力解除法水力压裂法相比,具有速度快成本低限制少等优点,便于大量测试,以寻求区域性地应力变化规律因此,该法是一种很有前途的测量地应力方法。但是Kaiser效应测量地应力还存在许多的问题尚待进行深入的研究,其中与生产实际联系最为密切的最关键问题是地应力的方向如何确定以往人们使用Kaiser效应测量原岩应力需要180°的范围内进行全方位测试。因此试样数量多,测试工作量大,费用高;现在,声发射技术发展到了新的实用化阶段,通过实地的定向取芯技术,在室内测定三维应力,即三个主应力的大小及其方向,进一步提高主应力数值的测定精度。
2.1 测量孔位和深度的确定地应力测量孔位的选定应考虑地形地貌 测孔周围的断裂分布、岩性、人工活动、地表风化等因素[17]。地应力测量孔位应尽可能选在地形相对平缓地段,对于峡谷区,在测量之前应作一定的前期分析,大致确定所测地段非构造应力的影响深度,以确定测孔钻探深度,避免测量未超过非构造应力影响范围而影响研究区区域应力场分析。为配合重大工程建设需要,测量孔位应尽量较均匀分布在研究区具有代表性的构造部位,以便对研究区应力分布有总体了解,并与模拟实验结果相互验证研究区测孔应尽量选同一岩性,这样可避免测值之间的岩性校正,便于对比分析。
2.2 地形地貌对地应力测量状态的影响分析关于地形地貌对地应力的影响,国内外许多科学家已作了大量研究,谭成轩[18]等学者在前人研究的基础上,依据实测资料,运用大量室内三维模拟分析讨论了地形地貌对地应力大小的影响,并提出构造应力面的概念,即由三维空间不同地点非构造应力影响消失的深度点构成的曲面。在构造应力面之上,非构造应力和构造应力同时存在,而在构造应力面之下,仅构造应力存在。相关认识如下:①沟谷宽度影响非构造应力集中范围大小和形状,而不影响构造应力面的深度。②山体高度不仅影响非构造应力集中范围大小和形状,还影响构造应力面的深度。③水平侧压力是引起非构造应力集中的主要因素。当山体坡度小于40°时,重力作用不会在沟谷或坡角引起非构造应力集中, 但当山体坡度大于40°时,重力作用会在沟谷或坡角引起一定程度的非构造应力集中,但应力集中强度较弱。④平侧压力和山体高度是影响构造应力面深度的主要因素,当水平侧压力随深度变化梯度与重力梯度相等时,在沟谷底部构造应力面深度近似等于山体高度,当水平侧压力随深度变化梯度增大构造应力面深度与其呈线性增加,同时在沟谷或坡角非构造应力集中强度加强。
2.3 断裂对地应力测量状态的影响分析[19,22]断裂发育的复杂程度与地应力状态的变化密切相关,断裂越发育,地应力状态的变化幅度越大,在断裂极为发育的地区,应力方向极为分散,应力大小变化异常,并且断裂对地应力的影响范围与断裂的规模成正比。断裂及其附近应力量值的变化较为复杂,既有应力增大的,也有降低的,这主要与断裂带附近应力随时间的变化有关。
3地应力测量的发展趋势
随着深部岩体工程出现的新特征,如:岩体处于高应力、高地温、高孔隙水压力环境中,岩体结构特征呈埋深越大,岩块越小,小结构面越多的趋势;深部岩体的非线性、非连续性与非协调性突出等。传统连续介质力学在部分情况下已无法解释,相应的测试技术和理论需进一步完善。我国科学家廖椿庭对今后地应力测量工作提出:必须在国内开展较系统的测量研究工作,建立4条贯穿我国不同构造单元的地表主干地应力测量剖面,在关键地域建立地应力监测系统,进行长期的地应力实时监测,开展深部地应力测量和构造应力场研究,为深部地下工程建设以及深部资源开发提供更好的服务。
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