岩石力学作业

地应力测试方法1地应力及其测试的必要性地应力，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是指存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。地应力是蓄存在岩体内部的一种内应力，不是岩体的一种固有特性，而是岩体存在的一种力学状态。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，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。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。地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天岩石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，实现岩石工程设计和决策科学化的必要前提条件。由于地应力的多变性和复杂性，其大小和方向不可能通过数学计算或者模型分析的方法来获得，要了解某个地区的地应力状态，唯一的方法就是进行地应力测试。地应力测试，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，这种测试通常是通过多个点的量测来完成的。地应力测试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。地应力测试在矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践中起着至关重要的作用，对地应力的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。2地应力测量技术的发展概况美国进行地应力测量的时间较早，美国人劳伦斯于1932年在胡佛大坝泄水隧洞中首次成功进行了原岩应力测量。1962年，美国又相继研制出了USBM钻孔变形计，它是由美国人欧贝特研制出的，其依据是孔径变形法，这种方法是测量钻孔直径变化的测量方法。20世纪60年代末，水压致裂法的相继提出，使美国地应力测量技术空前提高，该方法是由海姆森和费尔赫斯提出的，即垂直钻一个孔，将其封隔，然后向孔内注入高压液体，通常是水，然后通过孔壁的膨胀和裂缝来判断地应力的方向以及大小。它最初是起源于石油的开发工作，为了增加石油产量，向储油的岩层加压，使其出现裂缝，导出石油，但是为了不让其通道闭合，就往里填充材料，这个方法逐渐完善后就产生了现在的水压致裂法，该测量方法在美国的20世纪中后期得到了广泛的传播与推广，水压致裂法有测量深度比以往的所有地应力测量方法测得深度都要深，达到5000米，空前未有的深度，而且它不需要过于精密的仪器，测试周期短、方法简便易懂、操作简单等优点，是目前世界上最受常用的地应力测量方法，对研究地矿深度的构造应力场有非常重要的意义。南非是世界上钻石储量最多的地区，因而它们的地应力测量和发展与采矿业是密不可分的，南非是世界上测量地应力最早的国家也是最有成效的国家之一，因而它们的钻石开采越来越顺利。南非有一个叫南非科学与工业研究委员会力学工程研究所，20世纪50年代末期，研制出了孔径变型仪，它有两种型号，即Mark1和Mark2，这两种型号的孔径应变仪就是由利曼及这个研究所的岩石力学部研发出来的，主要用来矿山岩爆和研究应力场的状态的监测。1966年南非学者利曼根据弹性力学理论提出了含圆柱形孔的无限介质体在无限远处三维应力场作用下孔周围应力场的解析解，推动了地应力测量技术的发展和进步。20世纪的70年代，南非科学家提出了孔壁应变测量地应力的方法，首次研制出了SCIR三轴孔壁应变法，实现了从二维测量向三维测量的跨越，实现了之前从未有过的单孔径全地应力测量，可以获得某个点的三维的地应力测量数据，现在这种方法己经在全世界得到推广，推动了地应力测量技术的发展和进步。瑞典是世界上最早进行地应力测量的国家之一，早在1951年瑞典人哈斯特进行大量的磁致伸缩效应，成功了运用这种效应研制出了铝合金钻孔应力计，并与套孔应力解除法相结合，对斯堪的纳维亚半岛的矿区进行了测量，在主应力的垂直应力与水平应力之间，水平应力竟然大于垂直应力，从而对传统的观念产生质疑，推翻了地应力以垂直应力为主的禁锢，也打破了地应力是静水压力的假说，使得地应测量技术又得到进一步的发展。瑞典电力局于20世纪60年代研制出叫二维孔底应变计的新型应变计。20年后，又研制出深钻孔水下三维孔壁应力解除测量仪器，测量的孔深有500多米，90年代初又研制出无电缆遥控自动记录深孔钻孔应变计，地应力测量技术又达到一个更高层的水平。澳大利亚的第一个地应力测量是开始于新南威尔士的一个雪山电站，是由沃罗特尼基和亚历山大在1957年初实验成功的，他们采用的方法是扁千斤顶法，对于澳大利亚整个国家来说，这个方法使澳大利亚的地应力测量技术掀开了序幕。沃罗特尼基是澳大利亚联邦科学与工业研究组织的一名研究成员，这个组织是澳大利亚CST公司的前身，沃罗特尼基和组织的其他成员研制出了一种叫空心包体应变计的新型测量地应力的仪器，这种仪器比同时期的其他测量方法更方便更准确，现在己经得到广泛的推广使用。为了使这个测量仪器的功能更加完善，空心包体应变计的岩体应力场的解析解被邓肯破解，1980年空心包体应变计测量方法得到更完善、可靠]。彭德和米尔斯在研制了一种叫ANZ的应变计之后，通过这种应变计对矿区的测量，测绘出了矿区的汇编图，并总结出锚杆支护工程的成功因素之一在于对地应力的准确测量。在一个煤矿中，地应力测量地点很多，有时几乎几十个，所以可以通过这些测量地点来绘制地应力的分布图，然后规划巷道的支护，有利于矿区的稳定性发展和系统的规划布置。前苏联开展地应力测量的时间比一般国家较晚一些，为了对大地的构造进行深度研究和对地球动力学进行解析，前苏联地理或者物理方法进行地应力测量，而且这种方法使用较为通用。作为前苏联黑色冶金工业部的矿业研究所的研究成员费洛赫于在20世纪的60年代初，对乌拉尔矿区进行了地应力测量，采用的测量方法是他们新型研究出的全应力解除法和半应力解除法，并对此矿区进行了成功了测量。20世纪70年代，前苏联的研究院物理研究所发表一本有关于地壳、地球应力状态的书，该书中记载和收集了有关这个国家的矿区和水电等方面的大量的实测资料，研究学者格佐夫斯基根据这些实测资料和地震机制解析解的资料绘制出了该国家的应力场图。在20世纪的80年代后期，加卢什等前苏联物理研究者在顿巴斯煤田进行了地应力测量，采用的方法是套孔应力解除法，推进了前苏联地应力测量技术的发展。英国对地应力测量的研究也属于世界前列，起步于20世纪的50年代。英国研究学者进行地应力测量的主要方法是应力解除法和扁千斤顶法，过了20多年，英结出一个重要的规律:地应力的水平方向上分布着地应力的最小和最大主应力，最大主应力约在西北一东南方向，而垂直方向上分布的是地应力的中间应力。日本的地应力测量工作展开的比其他国家要早很多，20世纪的30年代，日本开展地应力测量工作是为了矿山的开采和地下工程的需要。起初所采用的方法是仅能测量围岩巷道表面的应力恢复法，这种测量方法比较简便，它只能测量岩石的表面，直接能测量出地应力的大小，如果知道地应力的主应力时，这种方法更为简单。因为应力恢复法是一种无需知道岩石的弹性特定、受岩石内的非均质的影响较小的一维应力测量方法，它有操作简单、费用较少等优点[}ls}020年之后，日本为了研究岩石内部应力，开始使用应力解除法等向岩石打钻的方法进行岩石内部应力的测量研究。葡萄牙进行地应力测量的工作也比较早，罗洽对扁千斤顶进行了改进，跟其一起研究的还有土木工程研究所，后来他们又一起研制出了实心空心包体应变计，之后没多久就研制出空腔包体应变计。罗洽等人在地应力研究方面取得的显著的成绩，因此参加了里斯本的国际岩石力学大会和国际地应力测量研讨会，因此，他们显著的发明传给了世界各国，因此，这两次大会推进了世界范围内的地应力测量技术的发展。除了这些国家之外，还有很多国家进行了地应力的实测和研究工作，推进自己国家矿业和水利等方面的进步，比如法国、芬兰、赞比亚、挪威、新西兰等国家，都开始了对地应力有关方面的探索，并取得初步的成绩。我国对地应力钻研开始于20世纪40年代初，最早是李四光教授把地应力致力于地质力学中的内容来钻研。自50年代后期，随着三峡工程、长江大桥等大型工程的规划和设计任务的提出，在著名地质学家李四光和陈宗基教授倡导下，正式开始了地应力测量和理论研究。我国的原岩应力的测量开始于20世纪的60年代初期，测量深度最高达到30米，同时这个时期也开始利用千斤顶法测得矿山酮室的围岩表面的应力状态。同时在李四光教授指引下，地质研究所成员成功研制出了压磁应力计，之后在河北的隆尧县建立了中国第一个观测站，随之又在我国各地等21个地方成功建立了观测站，形成了一个中国地应力观测网。1972年，郭增建、王妙月等人组织成立了地震源机制研究小组，对我国和邻区发生的地震进行震源解析，结出了我国大地构造主要以水平方向为主的理论。70年80年代以后，地壳应力研究所率先在国内开展了水力压裂地应力测量的研究工作，并于1980年10月在河北易县首次成功进行了水力压裂法地应力测量，从而迈出了我国深钻孔地应力测量的第一步。我国的地应力测量技术和设备从无到有，经过近40余年的发展，己经取得了长足的进步，但与国际先进水平相比尚有一定的差距。研究新的测量方法和测试技术解决目前地应力测量中存在的各种问题和不足，仍然是一个重大的研究课题。3地应力测试方法及其原理3.1地应力测试方法分类近半个世纪以来，特别是近30年来，随着地应力测量工作的不断开展，各种测量方法和测量仪器也不断发展起来。就世界范围而言，目前主要测量方法有数十种之多，而对测量方法的分类并没有统一的标准。目前各国采用和正在研究的测定地应力的方法主要有：应力解除法，水压致裂法，钻孔锯法，非弹性应变恢复法等。利用从钻孔中采取的岩芯实验室测量方法有：变形率分析，Kaiser效应法，微分应变曲线分析等。近年来发展的有超声波检测原岩应力的方法等。根据测量手段的不同，将地应力测量方法分为五大类，即：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。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、应变恢复法、应变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，如声发射法、X射线法；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。按测试空间分为钻孔内测试及洞内测试和洞内钻孔测试。钻孔中的测试又分为孔径变形法和孔壁应变法。按照测量数据特点，地应力测量方法可分为绝对地应力测量和相对地应力测量。绝对地应力是要获得地壳应力原有的应力值，也就是岩层主应力的大小和方向；相对地应力是获得工程开挖前后岩体应力所发生的相对变化值或者规律。根据国内外多数人的观点，依据测量基本原理的不同，将测量方法分为间接测量和直接测量法两大类。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，并由这些应力量和原岩应力的互相关系，通过计算获得原岩应力值，在计算过程中不涉及不同物理量的换算，不需要知道不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法。其中，水压致裂法在目前的应用最为广泛，声发射法次之。间接测量法不是直接测量应力值，而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、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式，计算岩体中的应力值。因此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。套孔应力解除法和其它应力或应变解除方法以及