1、巖體地應(yīng)力及其測量方法綜述論文導(dǎo)讀：在高地應(yīng)力區(qū)鉆探取得的巖芯呈餅狀，也可說明有封閉應(yīng)力的存在。地形地貌對地應(yīng)力的影響是復(fù)雜的，剝蝕作用對地應(yīng)力也有顯著的影響，剝蝕前，巖體內(nèi)存在一定數(shù)量的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力，剝蝕后，垂直應(yīng)力降低較多，但有一局部來不及釋放，仍保存一局部應(yīng)力數(shù)量，而水平應(yīng)力卻釋放很少，根本上保存為原來的應(yīng)力數(shù)量，這就導(dǎo)致了巖體內(nèi)部存在著比現(xiàn)有地層厚度所引起的自重應(yīng)力還要大很多的應(yīng)力數(shù)值。應(yīng)力解除法是巖體應(yīng)力測量中應(yīng)用較廣的方法。(2)對于地表剝蝕作用因素是導(dǎo)致常規(guī)初始應(yīng)力反演中重力因子大于1的原因,易達(dá)根據(jù)地表剝蝕作用對地應(yīng)力場反演影響的研究成果對此問題做了假定分析。關(guān)鍵詞：地應(yīng)

2、力，剝蝕作用，應(yīng)力解除法，重力因子1 地應(yīng)力的成因及其分類地應(yīng)力一般是質(zhì)地殼巖體處在未經(jīng)人為擾動的天然狀態(tài)下所具有的內(nèi)應(yīng)力，或稱初始應(yīng)力，主要是在重力和構(gòu)造運(yùn)動綜合作用下形成的應(yīng)力，有時(shí)也包括在巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿浸入等作用下形成的應(yīng)力【1】。1.1 地應(yīng)力的成因產(chǎn)生地應(yīng)力的原因是十分復(fù)雜的，地應(yīng)力的形成主要與地球的各種動力運(yùn)動過程有關(guān)，其中包括：板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿浸入和地殼非均勻擴(kuò)容等。另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其它物理化學(xué)變化等也可引起相應(yīng)的應(yīng)力場。其中，構(gòu)造應(yīng)力場和自重應(yīng)力場為現(xiàn)今地應(yīng)力場的主要組成局部【1】。1.2 地應(yīng)力的分

3、類地應(yīng)力按不同起源分為：自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、剩余應(yīng)力卸荷作用在巖體內(nèi)引起高的水平應(yīng)力和變異應(yīng)力由巖體的物理狀態(tài)、化學(xué)性質(zhì)或賦存條件方面的變化而引起的應(yīng)力。值得注意的是剩余應(yīng)力與剩余構(gòu)造應(yīng)力是完全不同的：剩余應(yīng)力不具有方向性，常是x=y；而剩余應(yīng)力引起的高水平應(yīng)力具方向性，x與y相差較大【2】。1980年陳宗基曾提出封閉應(yīng)力的概念。由于巖石是非均質(zhì)介質(zhì)，它的顆粒大小、力學(xué)性質(zhì)及熱傳導(dǎo)系數(shù)等各不相同。當(dāng)?shù)貧そ?jīng)受壓力或溫度變化后，巖石中各種晶體將產(chǎn)生變形。由于晶體間的摩擦力使其在變形過程中局部將受到阻礙，引起應(yīng)力積累。在這種情況下，即便卸載，變形也往往不能完全恢復(fù)。因此，巖石中有局部應(yīng)力被封存著，并

4、且出于平衡狀態(tài)，這局部應(yīng)力稱為封閉應(yīng)力。他認(rèn)為開挖巷道或地下洞室的施工中出現(xiàn)的巖爆，是封閉應(yīng)力釋放的結(jié)果。在高地應(yīng)力區(qū)鉆探取得的巖芯呈餅狀，也可說明有封閉應(yīng)力的存在。2 巖體地應(yīng)力的分布規(guī)律及影響因素地殼深層巖體地應(yīng)力分布復(fù)雜多變，造成這種現(xiàn)象的根本原因在于地應(yīng)力的多來源性和多因素影響，但主要還是由巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動和剝蝕決定。綜上所述，水平初始應(yīng)力隨深度的變化并不存在線性增大的變化關(guān)系，在地殼淺部與深部的變化規(guī)律是不同的。在眾多的地應(yīng)力分布影響因素中，地質(zhì)構(gòu)造歷史、巖性和河谷切割地貌是主要因素。2.1巖體自重的影響巖體應(yīng)力的大小等于其上覆巖體自重RH，研究說明【3】：在地球深部的巖體如距

5、地表千米以上的深度的地應(yīng)力分布根本一致。但在初始地應(yīng)力的研究中人們發(fā)現(xiàn)，雖然巖體初始應(yīng)力場的形成因素眾多，在常規(guī)的反演分析中，由于剝蝕作用難以合理考慮，因此，通常只考慮巖體自重和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(用計(jì)算域的邊界力或位移表示)。以重力因子表示反演重度與實(shí)測重度的比值。在初始應(yīng)力場的反演中發(fā)現(xiàn)，重力因子往往大于 1，即反演所得巖體重度大于實(shí)測重度。這一現(xiàn)象未得到合理解釋，常引起研究者和工程師的困惑。易達(dá)、陳勝宏2003【4】運(yùn)用有限元數(shù)學(xué)模型回歸分析法，考慮自重、剝蝕和構(gòu)造作用，通過算例進(jìn)行了分析，得出地表剝蝕作用是導(dǎo)致重力因子大于 1的主要原因。2.2地形地貌和剝蝕作用對地應(yīng)力的影響地形地貌對地應(yīng)力

6、的影響是復(fù)雜的，剝蝕作用對地應(yīng)力也有顯著的影響，剝蝕前，巖體內(nèi)存在一定數(shù)量的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力，剝蝕后，垂直應(yīng)力降低較多，但有一局部來不及釋放，仍保存一局部應(yīng)力數(shù)量，而水平應(yīng)力卻釋放很少，根本上保存為原來的應(yīng)力數(shù)量，這就導(dǎo)致了巖體內(nèi)部存在著比現(xiàn)有地層厚度所引起的自重應(yīng)力還要大很多的應(yīng)力數(shù)值。2.3構(gòu)造運(yùn)動對地應(yīng)力的影響在地殼深層巖體，其地應(yīng)力分布要復(fù)雜很多，此時(shí)由于構(gòu)造運(yùn)動引起的地應(yīng)力對地應(yīng)力的大小起決定性的控制作用。研究說明：就巖體的應(yīng)力狀態(tài)一般而言，其鉛垂應(yīng)力分量是由其上覆巖體自重產(chǎn)生的，而水平應(yīng)力分量那么主要由構(gòu)造應(yīng)力所控制，其大小比鉛垂應(yīng)力要大得多。2.4巖體的物理力學(xué)性質(zhì)的影響從能量

7、的角度看，地應(yīng)力其實(shí)是一個(gè)能量的積聚和釋放的過程。因?yàn)閹r石中地應(yīng)力的大小必然受到巖石強(qiáng)度的限制，可以說，在相同的地質(zhì)構(gòu)造中。地應(yīng)力的大小是巖性因素的函數(shù)，彈性強(qiáng)度較大的巖體有利于地應(yīng)力的積累，所以地震和巖爆容易發(fā)生在這些部位,而塑性巖體因容易變形而不利于應(yīng)力的積累。2.5水對地應(yīng)力的影響地下水對巖體地應(yīng)力的大小具有顯著的影響，巖體中包含有節(jié)理、裂隙等不連通層面，這些裂隙面里又往往含有水，地下水的存在使巖石孔隙中產(chǎn)生孔隙水壓力，這些孔隙水壓力與巖石骨架的應(yīng)力共同組成巖體的地應(yīng)力。2.6溫度對地應(yīng)力的影響溫度對地應(yīng)力的影響主要表達(dá)在兩個(gè)方面：地溫梯度和巖體局部受溫度的影響。由于地溫梯度而產(chǎn)生的地溫

8、應(yīng)力，巖體的溫度應(yīng)力場為靜壓力場，可以與自重應(yīng)力場進(jìn)行代數(shù)迭加。此外，如果巖體局部寒熱不均，就會產(chǎn)生收縮和膨脹，導(dǎo)致巖體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。曹建玲、石耀霖(2004)【5】 利用有限元方法，對存在復(fù)雜地形時(shí)，氣溫變化的影響深度及造成的地應(yīng)力和地傾斜變化的量值進(jìn)行了估算。計(jì)算結(jié)果說明：地形造成的熱會聚和熱發(fā)散會造成地下溫度的不均勻分布，而不均勻的熱脹冷縮會導(dǎo)致地應(yīng)力和地傾斜復(fù)雜變化，其影響深度大于平地溫度年變化涉及的深度。在地應(yīng)力和地形變臺站的選址和觀測中應(yīng)該注意氣溫年變化影響及其干擾排除問題。綜上所述，巖體中的地應(yīng)力場是一個(gè)具有三維空間的復(fù)雜應(yīng)力場，它的大小和分布規(guī)律受到多種因素的影響，這也對地應(yīng)力

9、場的測量帶來了很大的影響和不確定因素。3. 巖體地應(yīng)力測量應(yīng)注意的問題3.1測量孔位的選定地應(yīng)力測量孔位的選定應(yīng)考慮地形地貌、測孔周圍的斷裂分布、巖性、人工活動、地表風(fēng)化等因素(陳慶宣等,1998)【6】。為配合重大工程建設(shè)需要,測量孔位應(yīng)盡量較均勻分布在研究區(qū)具有代表性的構(gòu)造部位，以便對研究區(qū)應(yīng)力分布有總體了解，并與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證。研究區(qū)測孔應(yīng)盡量選同一巖性，這樣可防止測值之間的巖性校正，便于比照分析。3.2 地形地貌對地應(yīng)力測量狀態(tài)的影響分析關(guān)于地形地貌對地應(yīng)力的影響，國內(nèi)外許多科學(xué)家已作了大量研究。譚成軒等人(2006)【7】在前人研究的根底上，依據(jù)實(shí)測資料，運(yùn)用大量室內(nèi)三維模擬分

10、析討論了地形地貌對地應(yīng)力大小的影響，并提出構(gòu)造應(yīng)力面的概念，即由三維空間不同地點(diǎn)非構(gòu)造應(yīng)力影響消失的深度點(diǎn)構(gòu)成的曲面在構(gòu)造應(yīng)力面之上，非構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力同時(shí)存在，而在構(gòu)造應(yīng)力面之下，僅構(gòu)造應(yīng)力存在。相關(guān)認(rèn)識如下：(1)溝谷寬度影響非構(gòu)造應(yīng)力集中范圍大小和形狀，而不影響構(gòu)造應(yīng)力面的深度。(2)山體高度(或山體坡度)不僅影響非構(gòu)造應(yīng)力集中范圍大小和形狀，還影響構(gòu)造應(yīng)力面的深度。(3)水平側(cè)壓力是引起非構(gòu)造應(yīng)力集中的主要因素。當(dāng)山體坡度小于40時(shí)，重力作用不會在溝谷或坡角引起非構(gòu)造應(yīng)力集中，但當(dāng)山體坡度大于40時(shí)，重力作用會在溝谷或坡角引起一定程度的非構(gòu)造應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中強(qiáng)度較弱。(4)水平側(cè)

11、壓力和山體高度是影響構(gòu)造應(yīng)力面深度的主要因素。當(dāng)水平側(cè)壓力隨深度變化梯度與重力梯度相等時(shí)，在溝谷底部構(gòu)造應(yīng)力面深度近似等于山體高度。當(dāng)水平側(cè)壓力隨深度變化梯度增大構(gòu)造應(yīng)力面深度與其呈線性增加，同時(shí)在溝谷或坡角非構(gòu)造應(yīng)力集中強(qiáng)度加強(qiáng)。3.3 斷裂對地應(yīng)力測量狀態(tài)的影響分析斷裂發(fā)育的復(fù)雜程度與地應(yīng)力狀態(tài)的變化密切相關(guān)，斷裂越發(fā)育，地應(yīng)力狀態(tài)的變化幅度越大，在斷裂極為發(fā)育的地區(qū)，應(yīng)力方向極為分散，應(yīng)力大小變化異常，并且斷裂對地應(yīng)力的影響范圍與斷裂的規(guī)模成正比。斷裂往往構(gòu)成地應(yīng)力局局部區(qū)的界面斷裂面以上的應(yīng)力狀態(tài)常常代表被斷裂擾動的局部應(yīng)力場，而斷裂面以下的應(yīng)力狀態(tài)代表區(qū)域應(yīng)力場(高建理等.1990，

12、李方全等.1982)。與區(qū)域主應(yīng)力方位相比，斷裂附近的主應(yīng)力方位往往發(fā)生不同程度的變化，變化幅度從幾度到近90。加拿大地下研究實(shí)驗(yàn)室(URL)通過穿越兩個(gè)逆斷層豎井現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，測定最大水平主應(yīng)力方位在斷裂上下相差近90。斷裂及其附近應(yīng)力量值的變化較為復(fù)雜，既有應(yīng)力增大的，也有降低的，這主要與斷裂帶附近應(yīng)力隨時(shí)間的變化有關(guān)蘇生瑞等。3.4 地應(yīng)力測量深度確實(shí)定地應(yīng)力測量孔位應(yīng)盡可能選在地形相對平緩地段，對于峽谷區(qū)，在測量之前應(yīng)作一定的前期分析，大致確定所測地段非構(gòu)造應(yīng)力的影響深度，以確定測孔鉆探深度，防止測量未超過非構(gòu)造應(yīng)力影響范圍而影響研究區(qū)區(qū)域應(yīng)力場分析。4. 巖體地應(yīng)力的測量方法巖體地應(yīng)力是

13、巖體工程最根本也是最重要的工程荷載，它是進(jìn)行巖體工程問題數(shù)值計(jì)算的初始條件之一，也是分析工程巖體破壞和位移特征的根本因素。巖體中初應(yīng)力的測量不僅在礦山、石油開采、水利工程和地下工程的建設(shè)中起著非常重要的作用，而且對地球物理的研究也有重大的理論與實(shí)際意義。自從 1932 年美國人勞倫斯(R. S.Lieurace)在胡佛水壩下面的一個(gè)隧道中首次成功進(jìn)行了原巖應(yīng)力測量之后，國內(nèi)外學(xué)者在過去的七十余年里對地應(yīng)力測量做了大量卓有成效的開創(chuàng)性工作，并且局部測量方法和設(shè)備已在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。一般由地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)、測量學(xué)方法可以求得現(xiàn)代地應(yīng)力場的方向和近似應(yīng)力值。儀器直接量測方法如水力壓裂法、應(yīng)

14、力恢復(fù)法、應(yīng)力解除等，還有套孔應(yīng)力解除法和其他的應(yīng)力或應(yīng)變解除法以及地球物理方法等是間接測量地應(yīng)力的方法中較常用的。4.1 聲發(fā)射Kaisr效應(yīng)測量地應(yīng)力巖石聲發(fā)射試驗(yàn)(Kaiser 效應(yīng)試驗(yàn))是材料在外力作用下的聲學(xué)特性對其受力歷史的記憶性。金屬材料的 Kaiser 效應(yīng)記憶的是歷史上受到的最大應(yīng)力。Goodman 等曾對巖石材料進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖石的聲學(xué)特性也具有對其受力歷史的記憶性。后來，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)巖石材料的 Kaiser 效應(yīng)在低應(yīng)力范圍(彈性范圍)內(nèi)具有近似的方向獨(dú)立性，其記憶的最大應(yīng)力不超過破壞應(yīng)力的 50%，在此根底上，可將Kaiser 效應(yīng)方法應(yīng)用于巖體地應(yīng)力的測試。論文檢測。

15、將 Kaiser 效應(yīng)用于研究地應(yīng)力開始于 20世紀(jì)70 年代。近年來利用巖石 Kaiser 效應(yīng)確定巖體地應(yīng)力的室內(nèi)測試方法逐漸應(yīng)用于工程實(shí)踐。對 Kaiser 效應(yīng)的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，巖石在 Kaiser效應(yīng)理論上不應(yīng)具有多期性。與現(xiàn)場測試結(jié)果比擬，巖石 Kaiser 效應(yīng)也不像金屬材料記憶的是歷史上最大應(yīng)力，而是現(xiàn)代地應(yīng)力狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算地應(yīng)力值時(shí)，可借助微構(gòu)造法成果，最后計(jì)算出地應(yīng)力的大小和方向。同時(shí)，研究認(rèn)為，運(yùn)用 Kaiser 效應(yīng)法測得的巖石試樣地應(yīng)力值應(yīng)該是新構(gòu)造應(yīng)力場最近時(shí)期的地應(yīng)力。利用巖石聲發(fā)射的Kaiser 效應(yīng)法實(shí)測現(xiàn)代地應(yīng)力場，與傳統(tǒng)的應(yīng)力解除法、水力壓裂法相比，

16、具有速度快、本錢低、限制少等優(yōu)點(diǎn)，便于大量測試，以尋求區(qū)域性地應(yīng)力變化規(guī)律。因此，該法是一種很有前途的測量地應(yīng)力方法。但是Kaiser效應(yīng)測量地應(yīng)力還存在許多的問題尚待進(jìn)行深入的研究，其中與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系最為密切的最關(guān)鍵問題是地應(yīng)力的方向如何確定。以往人們使用Kaiser效應(yīng)測量原巖應(yīng)力需要180的范圍內(nèi)進(jìn)行全方位測試(一般每隔5取樣)。因此試樣數(shù)量多，測試工作量大，費(fèi)用高；同時(shí)，由于多周期構(gòu)造運(yùn)動的作用，使巖體的構(gòu)造發(fā)生了變化，也使區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力或原巖應(yīng)力的大小、方向發(fā)生了量和質(zhì)的變化。而以往所進(jìn)行的Kaiser效應(yīng)測定原巖應(yīng)力均在水平或垂直方向取樣，故可能所取得試樣中無一是真正處在主應(yīng)力方

17、向上的。由此測試所得的結(jié)果就應(yīng)是地應(yīng)力場的一個(gè)分力，與真正的原巖應(yīng)力值就會有一定的差異，甚至相去甚遠(yuǎn)。正是這些原因，大大影響了Kaiser效應(yīng)測量原巖應(yīng)力這一種方法在實(shí)際中的運(yùn)用，不能充分發(fā)揮其簡單、經(jīng)濟(jì)、便于多點(diǎn)測量以尋求區(qū)域地應(yīng)力變化規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在，國內(nèi)外都在試圖將聲發(fā)射技術(shù)推向新的實(shí)用化階段。主要表現(xiàn)為，通過實(shí)地的定向取芯技術(shù)，在室內(nèi)測定三維應(yīng)力，即三個(gè)主應(yīng)力的大小及其方向，并進(jìn)一步提高主應(yīng)力數(shù)值的測定精度。4.2 水壓致裂法測量地應(yīng)力水壓致裂法是利用兩個(gè)相隔數(shù)米的可膨脹的橡膠封隔器放在深度，封隔一段井眼，然后通過泵入流體對該段井眼增壓，同時(shí)記錄流體壓力隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。這種方法的

18、理論根底是假定巖體是線彈性的，各向同性的，非滲透性的，巖體的一個(gè)主應(yīng)力方向與井眼軸平行。由此可對記錄曲線進(jìn)行分析計(jì)算，得到與井眼軸相垂直的平面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)力值的大小，并可通過裂縫的方位求出這兩個(gè)主應(yīng)力的方位。當(dāng)井眼為垂直井眼時(shí)，沿井眼軸方向的主應(yīng)力值按照上覆巖層的重量計(jì)算。在上述假定前提下，水壓致裂法的力學(xué)模型可以簡化為一個(gè)平面問題，按兩個(gè)對稱的均布應(yīng)力作用于具有圓孔的無限大平板四周的彈性理論求解。水壓致裂法是廣泛應(yīng)用的一種最有效的原地應(yīng)力測量方法。這種方法可以直接測量地應(yīng)力，且測量的結(jié)果為一較大范圍的應(yīng)力平均值，它可以在數(shù)千米的井中測量，并取得與聲發(fā)射法的比照資料。水壓致裂法與其它方法相比，

19、存在一個(gè)較大的缺陷，就是主應(yīng)力方向確定不十分準(zhǔn)確。但該方法最大優(yōu)點(diǎn)是：在無需知道巖體的力學(xué)參數(shù)下，就可獲得地層中現(xiàn)今地應(yīng)力的多種參量，并具有設(shè)備簡單、操作方便，可在任意深度進(jìn)行連續(xù)或重復(fù)測試，測量速度快、測值直觀、測值代表性大等優(yōu)點(diǎn)。因此這一方法越來越受到重視和推廣，是目前國際上能較好地直接進(jìn)行深孔應(yīng)力測量的先進(jìn)方法。水壓致裂法測定地應(yīng)力，除操作技術(shù)要標(biāo)準(zhǔn)化外，對測試數(shù)據(jù)的解釋也有待于統(tǒng)一，但這些并不阻礙它在油田中大量而有效的實(shí)際應(yīng)用。4.3 應(yīng)力解除法應(yīng)力解除法是巖體應(yīng)力測量中應(yīng)用較廣的方法。它的根本原理是：當(dāng)需要測定巖體中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，人為地將該處的巖體單元與周圍巖體別離，此時(shí)，巖體單

20、元上所受的應(yīng)力將被解除。同時(shí)，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。論文檢測。利用儀器測定這種彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，把巖體假定是連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，就可以借助彈性理論的解答來計(jì)算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。具有初始應(yīng)力的巖體用人為的方法解除其地應(yīng)力，使巖體變形恢復(fù)，再通過某種手段測出巖體恢復(fù)的變形，然后按彈性理論計(jì)算出巖體3個(gè)主應(yīng)力的大小、方向和傾角。應(yīng)力解除法測量地應(yīng)力的方法有：孔底應(yīng)變計(jì)、孔徑應(yīng)變計(jì)、孔壁應(yīng)變計(jì)、空心包體應(yīng)力計(jì)等方法，其中孔底應(yīng)變計(jì)、孔徑應(yīng)變計(jì)只能測出二維應(yīng)力，假設(shè)用它測三維應(yīng)力，那么需要打交于1 點(diǎn)互不平行的3個(gè)鉆孔。采用孔壁應(yīng)變計(jì)和特殊制作的空心包體式孔壁的應(yīng)力

21、計(jì)只需要打1個(gè)鉆孔就可測出三維應(yīng)力。邱賢德(2004)等人在危巖邊坡地應(yīng)力測量中采用空心包體應(yīng)力計(jì)、完全溫度補(bǔ)償技術(shù)和自動化實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)進(jìn)行測量，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理并應(yīng)用地應(yīng)力專用計(jì)算程序計(jì)算分析得出了某危巖邊坡地應(yīng)力的大小、方向、傾角以及分布的根本特征，此種應(yīng)力解除法測量危巖邊坡地應(yīng)力技術(shù)方法，為邊坡危巖治理工程設(shè)計(jì)與施工提供了理論依據(jù)，并在現(xiàn)場實(shí)施中，取得了良好的效果。4.4 應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力恢復(fù)法測定地應(yīng)力的根本原理是：在選定的測試點(diǎn)安裝測量元件，然后在巖體中開挖一個(gè)扁槽埋設(shè)液壓枕或千斤頂，對其加壓，使測量元件的讀數(shù)恢復(fù)到掏槽前的值，那么液壓鋼枕或千斤頂?shù)膲毫ψx數(shù)便是該方向的巖體應(yīng)力。其優(yōu)點(diǎn)

22、是可以不考慮巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系而直接得出巖體的應(yīng)力。其局限性在于：第一，扁千斤頂法只是一種一維應(yīng)力測量方法，一個(gè)扁槽的測量只能確定測點(diǎn)處垂直于扁千斤頂方向的應(yīng)力分量。為了確定該測點(diǎn)的幾個(gè)應(yīng)力分量，就必須在該點(diǎn)沿不同方向切割幾個(gè)扁槽，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)楸獠鄣南嗷ブ丿B造成不同方向測量結(jié)果的相互干擾，使之變得毫無意義。第二，如果應(yīng)力恢復(fù)時(shí)，巖體的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)力解除前并不完全相同，也必然影響測量的精度。有鑒于此，在川藏公路二郎山隧道課題研究中，以王蘭生教授為主的課題組提出了方便、可行、易于現(xiàn)場操作的洞壁外表二次應(yīng)力測試方法改良應(yīng)力恢復(fù)法。改良應(yīng)力恢復(fù)法的優(yōu)點(diǎn)在于：無需測定巖石的彈性模量便可

23、計(jì)算巖體的應(yīng)力，單孔可以測定平面內(nèi)多方向應(yīng)力。本方法簡單、易行、經(jīng)濟(jì), 適于現(xiàn)場操作。論文檢測。改良應(yīng)力恢復(fù)法的關(guān)鍵是等效應(yīng)力系數(shù)A確實(shí)定。因此，我們做了室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬，來求解應(yīng)力等效系數(shù)并驗(yàn)證其正確性，同時(shí)進(jìn)行了影響因素的敏感性分析。靳曉光、王蘭生教授(2000)從室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬及野外現(xiàn)場測試，系統(tǒng)地研究了應(yīng)變應(yīng)力恢復(fù)法測定地下硐室外表二次應(yīng)力的可行性和正確性。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬非常接近，現(xiàn)場測定結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果也根本相同，對二次應(yīng)力場的測定及研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。4.5 鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除法葛修潤、侯明勛提出了一種測定深部巖體地應(yīng)力的新方法鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除法

24、，該方法不僅可以解決套孔應(yīng)力解除法在較深鉆孔中應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的斷芯問題，而且也克服了水力壓裂法必須假定地應(yīng)力張量的一個(gè)主方向與鉆孔軸向一致的前提條件，并且從理論上講，本文提出的巖體應(yīng)力測定方法將不受測量深度的限制。它將為地應(yīng)力測量，尤其是深部地應(yīng)力測量提供新的方法和途徑，完全可以適應(yīng)大陸科學(xué)鉆探方案中深部巖體地應(yīng)力測量的需要。總的說來，基于鉆孔進(jìn)行地應(yīng)力測量的方法不外乎以上幾種類型：水力壓裂法，Kaiser效應(yīng)法，孔壁軸向切槽法。套孔應(yīng)力解除法，可以測定二維及三維地應(yīng)力的主值及方向，但由于需要進(jìn)行套鉆，當(dāng)鉆孔較深時(shí)容易產(chǎn)生斷芯問題，因此，該方法在深孔，尤其是在大陸科學(xué)深鉆孔鉆探方案中將無法得到應(yīng)用

25、。水力壓裂法是目前深部應(yīng)力測量中應(yīng)用較廣的一種方法，通過對傳統(tǒng)水力壓裂法進(jìn)行改良，該方法已在德國大陸科學(xué)深鉆方案(KTB)中用于6000m以上深孔的地殼應(yīng)力測量和評價(jià)。但水力壓裂法的理論根底是地應(yīng)力張量的一個(gè)主方向必須與鉆孔軸向一致，從而影響了測量結(jié)果的可靠性。Kaiser效應(yīng)法是基于巖石材料的聲發(fā)射效應(yīng)來測定巖體地應(yīng)力的一種方法，實(shí)際上測的是巖體在歷史上所受的最大應(yīng)力值，在測定現(xiàn)今地應(yīng)力方面顯得無能為力，因而只能作為鉆孔應(yīng)力測量的一種輔助手段。而孔壁軸向切槽法只能測得垂直于鉆孔軸線平面內(nèi)的二維應(yīng)力狀態(tài)，并且只能用于孔深不超過 30 m 的干鉆孔中 。5. 巖體地應(yīng)力測量研究分析的主要問題5.

26、1 地應(yīng)力測量狀態(tài)影響因素與可靠性分析對于所測地應(yīng)力狀態(tài)需要進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)背景和各種影響因素分析，確定測值的可靠性，否那么測值的質(zhì)量大大降低。從Zoback所編世界應(yīng)力圖可以看出，我國已有的地應(yīng)力數(shù)據(jù)需加強(qiáng)地質(zhì)背景和影響因素分析。地應(yīng)力測量狀態(tài)影響因素與可靠性分析的重要性在某種程度超過測量本身，一個(gè)不確定的測值是沒有意義的，甚至?xí)a(chǎn)生誤導(dǎo)作用。一個(gè)典型的實(shí)例是長江三峽地區(qū)，地應(yīng)力測量與區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)分析、震源機(jī)制等所得的應(yīng)力狀態(tài)存在差異，如果沒有必要的影響因素和可靠性分析，將會給構(gòu)造應(yīng)力場分析和地殼穩(wěn)定性評價(jià)帶來很大困難，甚至可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。為了從有限的應(yīng)力測值推廣到區(qū)域范圍，需進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場

27、分析和模擬，而模擬的應(yīng)力邊界條件該如何確定，是當(dāng)時(shí)研究的一個(gè)難題，因?yàn)椴徽_的應(yīng)力場模擬結(jié)果將直接影響地殼穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果(袁登維等,1996)。5.2 巖石力學(xué)性質(zhì)對地應(yīng)力測量大小的影響及其校正分析眾所周知，不同巖性的強(qiáng)度差異導(dǎo)致應(yīng)力測值的差異，高強(qiáng)度巖石中所測應(yīng)力較低強(qiáng)度巖石中高，一個(gè)典型實(shí)例是長江三峽庫區(qū)秭歸測孔的泥巖段測值較其上下砂巖段低許多。不同地點(diǎn)測值的比照分析的前提是同一巖性和同一測量深度，否那么比照分析是不確切、不科學(xué)的。這就需要對不同地點(diǎn)的測值在巖石物理力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場和室內(nèi)測試的根底上進(jìn)行巖性校正，然后在同一深度或同一高程進(jìn)行比照分析。5.3 地應(yīng)力測量狀態(tài)代表性分析對所測地應(yīng)力

28、狀態(tài)需進(jìn)行代表性分析，確定測值是代表局部應(yīng)力場，還是代表區(qū)域應(yīng)力場。在進(jìn)行實(shí)測應(yīng)力代表性分析過程中，要考慮構(gòu)造應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，往往在重大地質(zhì)事件(如地震)的前后，由于構(gòu)造應(yīng)力存在積累、加強(qiáng)、釋放和調(diào)整的變化過程，在一定時(shí)間和地區(qū)范圍內(nèi)，應(yīng)力場可能發(fā)生較大變化。5.4 地應(yīng)力狀態(tài)沿地下工程設(shè)計(jì)線路變化的分析由于具體地下工程設(shè)計(jì)線路穿越不同構(gòu)造部位、不同巖性、不同巖體結(jié)構(gòu)、不同埋藏深度，以及工程本身不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、尺寸等，均會造成沿地下工程線路不同地點(diǎn)局部地應(yīng)力狀態(tài)的變化和差異。因此，在工程設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮這種變化，在工程施工過程中預(yù)防工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。隨著我國西部大開發(fā)的不斷深入，由于

29、我國西部構(gòu)造強(qiáng)烈活動，地下工程建設(shè)將面臨越來越多的工程地質(zhì)和災(zāi)害問題。一個(gè)典型的實(shí)例是我國甘肅境內(nèi)的亞洲第一特長山嶺隧道烏鞘嶺隧道在建設(shè)過程，由于對地應(yīng)力狀態(tài)沿隧道設(shè)計(jì)線路的變化考慮不夠充分，而直接運(yùn)用局部地點(diǎn)所測地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行穿越隧道設(shè)計(jì)，結(jié)果在施工過程中出現(xiàn)了許多沒有預(yù)期到的重大工程地質(zhì)問題，如塌方、隧道變形等。5.5 地應(yīng)力狀態(tài)在不同深度的變化分析地應(yīng)力測量和各種工程建設(shè)已證實(shí)，在深切峽谷地區(qū)地殼淺表層，地應(yīng)力大小隨深度變化分為應(yīng)力降低(或卸荷)區(qū)、應(yīng)力增高(或集中)區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，最大水平主應(yīng)力方向一般隨深度也發(fā)生變化。但到目前為止，尚沒有從理論和實(shí)踐中總結(jié)出具有普遍實(shí)用性的三個(gè)應(yīng)力深

30、度區(qū)間參考值和最大水平主應(yīng)力方向隨深度的變化規(guī)律。三個(gè)應(yīng)力區(qū)間的巖體特征和地應(yīng)力狀態(tài)存在顯著差異：應(yīng)力降低(或卸荷)區(qū)巖體由于卸荷作用而較為破碎，實(shí)測地應(yīng)力大小較正常值偏低，最大水平主應(yīng)力方向離散度大；應(yīng)力增高(或集中)區(qū)巖體結(jié)構(gòu)又分為兩種情況，一種由于應(yīng)力長期集中作用已造成巖體出現(xiàn)餅狀巖芯而使應(yīng)力釋放，實(shí)測地應(yīng)力大小僅稍高于正常值，另一種巖體仍為完整狀態(tài)，應(yīng)力集中尚未造成巖體出現(xiàn)餅狀巖芯現(xiàn)象而釋放應(yīng)力，實(shí)測地應(yīng)力大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常值，應(yīng)力增高(或集中)區(qū)最大水平主應(yīng)力方向離散度一般也較大；原始應(yīng)力區(qū)一般巖體較完整，實(shí)測地應(yīng)力大小趨于正常值，最大水平主應(yīng)力方向相對較穩(wěn)定、離散度小。因此，地下工程應(yīng)盡量避開應(yīng)力降低(或卸荷)區(qū)和應(yīng)力增高(或集中)區(qū)，前者在工程施工和平安運(yùn)營過程中將會出現(xiàn)一系列工程地質(zhì)和災(zāi)害問題，后者一方面會造成建設(shè)本錢大大提高，另一方面受應(yīng)力集中長期作用，地下工程也將會出現(xiàn)不同程度的工程地質(zhì)和災(zāi)害問題。從平安施工和運(yùn)營、節(jié)約建設(shè)本錢等方面考慮，根據(jù)具體地下工程，適當(dāng)增大地下深度而把工程設(shè)