王从颜

[摘要]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。本文以岩石Kaiser效应为例，通过收集大量的国内外有关地应力的研究资料，回顾了地应力测量的发展历程，总结了地应力测量方法的适用范围，基于今后岩石工程所呈现的新特点和新问题，探讨了地应力测量的发展趋势。

[关键词]地应力测量 岩石声发射 凯塞尔效应

[中图分类号] P315.72+7 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-177-1

1引言

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。岩石在外载荷的作用下产生微破裂时，一部分应变能将以弹性波的形式释放出来，称为岩石的声发射（Acoustic Emission，简称 AE）[1]。对花岗岩、大理岩、砂岩等岩石进行加载时，当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，即岩石声发射的 Kaiser 效应，其为测量岩石应力提供了一个途径，即从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行声发射试验，测定Kaiser点，即可找出每个试件以前所曾受到的最大应力，并进而求出取样点的原始三维应力状态[2]。

2国外研究现状

早在二十世纪三十年代，Obert 和 Duvall 在发现岩石中存在声发射现象的基础上经过不懈的努力成功的将声发射技术应用到矿山岩体稳定性监测和岩爆的监测预报中（Black W， 1982）。在研究中发现岩石作为一种脆性材料，内部孔隙、微裂纹等缺陷在外荷载作用下扩展贯通直至破坏，在这一过程中内部颗粒破坏失效所产生的能量突然以应力波的形式释放，通过仪器对传至岩石表面的弹性应力波的监测和分析，探讨岩石在外部荷载作用下内部裂纹的变化和发展规律，通过研究这些规律发现矿山岩体失稳破坏的前兆特征，制订出一套适用于工程实际的预测预报机制，为安全生产和作业人员的人身安全提供了强有力的保障。现代声发射技术的开始主要应归功于德国科学家凯塞（Kaiser）的研究工作（Kaiser J， 1950）。他在二十世纪五十年代发表了博士论文，最重要的发现是材料在加载过程中，受力达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号，这项重要发现在后来被命名为凯塞尔效应。Kaiser 的工作在很大程度上促进了各国对声发射技术的深入研究。二十世纪六十年代 Goodman 通过试验证明了岩石在受力加载过程中凯塞效应同样成立，利用声发射技术测定岩石应力得到了广泛发展（Goodman， 1963）。研究发现岩石凯塞效应的基本机理是加载过程中，岩石内部微裂纹萌生、扩展产生大量声发射现象，并且产生微破裂系统，再次加载时如果荷载没有超过之前所受的最大荷载，已经产生的裂纹不会进一步扩展，也不会产生声发射现象，如果超过之前的荷载，那么已经产生的缺陷将产生不可逆的破坏，并随之出现大量的声发射现象。Lockne 通过声发射技术研究了岩石的破坏机理，并且指出岩石在单轴压缩试验中，当应力大于岩石峰值强度的70%时，凯塞尔效应可能失效。1963 年，Dunegan 等研究人员对声发射仪器进行改进，使声发射的测试频段从原来的声频范围提高到现在的超声频段范围，解决了背景噪声过大的问题，这对于声发射技术的发展起到重大的作用，将声发射技术从过去只能在试验室中的理论研究转向实际生活应用。这一时期，由于声发射监测设备的不断改进完善、电子技术的突飞猛进，更多国家开始对声发射技术进行研究，如南非、日本、波兰等国，美国、日本等国还陆续成立了专门研究声发射的机构。六十年代末，声发射仪器制造厂商如雨后春笋般出现在许多发达国家，声发射仪器的各方面性能都有了质的飞跃，更新换代非常迅速，具有里程碑式的声发射仪器从另一方面极大的推动了声发射这门检测技术的飞速发展。日本学者茂木发表了大量关于岩石声发射的研究成果，于 1968 年根据方形试件的四点弯曲进行了拉伸破坏情况下的声发射震源确定（腾山邦久，1996）。此后日本进入了声发射技术研究的崭新时代。在理论上，漱户政宏还对声发射技术测定地应力的方法，测定过程中时间的影响，测定地应力时侧向压力的影响等一些问题发表了许多论文进行论述，同时他还用声发射方法测定了垂直地应力分量，并且对用声发射方法确定三维地应力进行了探讨。工程应用中，大津政康具体描述了声发射在边坡监测、混凝上施工监测、地下注浆监测等工程监测中的应用，青木谦治用声发射评价了地下储藏罐周边围岩的松弛变形，金川忠发进行了地下发电站建设过程中的声发射法在隧道岩爆检测中的应用研究。二十世纪八十年代，在此期间声发射制造厂商制造出体积更小、重量更轻、便于携带的第二代声发射源定位检测仪，配套开发出一系列具有数据分析、高级检测等功能的软件，通过计算机控制对被检构件进行声发射信号实时监测和数据处理显示，在极大的程度上提高了声发射数据处理的速度。二十世纪九十年代，计算机领域的迅猛发展同时带动了声发射仪器的更新换代，出现了各方面都非常出色的新一代声发射检测系统，可以通过声发射仪器直接进行声发射波形的观察，通过记录下的声发射波形进行更加形象的频谱分析，对声发射信号数据的处理能力显著提高。总之，国外声发射技术在短短的几十年内得到了飞速的发展，并在各个领域得到了应用。

3国内发展状况

我国声发射技术的应用研究开始于二十世纪七十年代，李典文等开始将声发射技术应用在金属矿山工程中，通过多年对矿山危险工程进行安全监测，结合各种突发状况的实际经验，发明了多种易于携带、适合复杂环境的声发射监测系统，并且成功预报了多起地压灾害。秦四清、李造鼎等对岩石声发射进行了大量的研究（秦四清，1992-1994）。二十世纪八十年代我国声发射技术研究主要集中在航空航天和压力容器检测等领域，取得了可喜的成果。同时，声发射仪器的研制也随计算机技术的提高而飞速发展，北京矿冶总院制造出新型声发射仪器，使声发射技术在更多领域得到应用发展，如建筑材料、矿山开采、交通运输、土木工程等。从八十年代至今研究学者对声发射技术进行了大量研究，在很多方面都取得了很大研究进展。谢和平等人运用分形理论对岩石材料的声发射进行研究，取得很大研究进展（谢和平，1991）。陈颙通过对岩石进行不同应力途径下的三轴压缩试验，得出加载情况下存在的卸载过程很可能是造成声发射不同特征的主要原因，在此基础上对声发射技术在岩石力学中得应用进行了更加深入的研究（陈颙，1977、1981）。吴刚、赵震洋通过比较岩石在加荷和卸荷状态下声发射的变化，对岩石材料破坏过程中的声发射现象进行了深入的分析（吴刚，1998）。唐春安对岩石破裂失稳过程的声发射、损伤量之间的关系进行了研究（唐春安，1997）。马瑾、曾正文、马文涛等对岩石破裂扩展过程中声发射b值动态特征及岩石摩擦滑动中的声发射多普勒效应进行了研究（刘立强，2001；曾正文，1995）。殷正刚、唐礼忠等发现声发射能率比事件率更加适合反应岩石的破坏程度（殷正刚，2005）。张茹等人研究了单轴多级加载岩石破坏声发射特性（张茹，2006）。赵兴东、唐春安等应用声发射技术，对单轴加载过程中花岗岩的声发射事件进行了定位，得出声发射事件在加载初期散乱分布。声发射事件数在岩石破坏之后由于应力场寻求新的平衡并没有马上停止反而增加（赵兴东，2006）。纪洪广等人研究了混凝土材料破坏过程中声发射现象具有突变性，并建立了声发射参数的灰色尖点突变模型（纪洪广，2004）。李元辉等研究得出岩石受压产生费利希蒂效应的主要原因是塑性变形（李元辉，2006-2007）。席道英、万志军等研究了加载速率对岩石声发射参数规律和岩石力学性质的影响（席道英，1994；万志军，2001）。陈忠辉对两种岩体互相作用下的声发射模式进行了研究（Chen Z H， 1997）。孙吉主等认为声发射现象是由于岩石内部分微元突然破裂所产生的能量以弹性波的形式释放引起的（孙吉主，1997）。随着时代的变迁和社会的进步我国声发射技术依然保持高速发展，在许多领域发挥着举足轻重的作用。2011 年在北京召开的世界声发射会议让中国的声发射学者们近距离的与世界各国声发射专家进行交流学习，了解到了世界上先进的声发射技术和最新的发展动态，找到与国际最前沿的差距，推动了我国声发射技术的国际化进程，标志着我国声发射技术的新发展和国际影响力。

目前声发射技术主要应用在：

（1）矿山采场稳定性监测

利用声发射信号参数对矿山岩体进行声发射实时监测，预测预报矿山失稳破坏具有极高的经济和社会意义。美国生产有色金属的重要矿区位于爱达华州北部的Coeur d'Alene 地区，由于进行深部开采，采场附近原岩应力可达 50 MPa 之高。而且，这一地区地质构造复杂，所以经常发生大规模岩爆事故。美国矿务局从六十年代末开始对这一地区的岩爆进行大规模的研究和声发射监测工作。他们使用二十多个频率响应为 10-2500HZ的探头，布置在宽 200m、长 500 m、高 250 m的范围内，探头之间最小距离为 50 m，对分层充填法开采时的声发射活动进行长期监测，成功预报灾害的发生。

（2）地应力测试

地应力状态是影响岩土工程稳定性的一项非常重要的因素，确定岩体未受工程扰动的初始地应力和工程进展中周围岩体受到扰动，应力重新分布所产生的次生应力对岩土工程设计和施工具有重要意义。采用声发射技术测量地应力是在试验室通过对现场采集的岩样进行再次加载，根据其破坏过程中的凯塞尔效应测定出岩石应力。声发射法将地应力测量从现场移进试验室，降低了现场恶劣环境的影响，比其它方法经济、简单、有效而且容易获得大量准确性更高的实测数据。Goodman 证实了岩石中同样也存在凯塞效应，这一重大发现为利用声发射技术测定地应力奠定了坚实的基础。

（3）边坡工程中的应用

由于我国地处特殊自然地理环境，边坡地质灾害分布广泛，公路、铁路、采矿、水利水电等工程中经常要面对边坡稳定问题，因此它的安全稳定在国民经济建设中具有重要意义。秦四清曾介绍了日本某公路建设时Chichibu等人对这一区域开展声发射监测工作情况（秦四清，1993）。由于公路建设处于断裂带，经常发生不同程度大小的自然灾害，于是他们开始对建设区域进行声发射监测，当工程开挖到某预定水平时，部分边坡突然崩塌，但位移桩却没有明显移动。为了防止边坡进一步的破坏，立即在暴露面修筑了一道护堤，同时利用声发射和位移桩监测护堤的稳定性。从监测开始（11月4日）一周内，声发射活动异常活跃，声发射事件不断增加并且位移速率也达到了2.7 mm/d，边坡已经有破坏失稳的趋势，随时有可能崩塌。于是在14日至15日修筑了一道附加路堤，此后声发射率逐渐变小，于11月19日几乎消失。此后七天内没有声发射活动出现，这表明声发射信号会随着护堤的稳定逐渐减小。11月26日午夜开始由于连续的降雨，边坡又开始出现不稳定的现象，声发射仪器显示声发射活动突然活跃。但是两周后，边坡随着降雨的结束也逐渐趋于稳定，测得的声发射事件逐渐较少，同时位移桩的位移也减少。所以可以利用声发射活动和位移的变化相结合的方式方法来监测护堤的稳定程度。在不影响工程进度，保护施工人员及设备的安全的情况下，对边坡稳定性进行声发射监测预报，取得了良好效果，避免不必要损失。记录资料表明，在声发射率与裂缝张开位移之间具有极其明显的相关性，因而可以通过声发射来监测露天开采时边坡的稳定性。

（4）随着岩石声发射技术的日趋成熟，声发射越来越多的应用在石油工程、水利工程和各类土木工程中。对确定地下天然气储存的稳定性；检测大型混凝土桥、钢桥内部缺陷，确定其安全性；对大坝、堤岸、大型建筑物基础的土体稳定性进行实时监测等方面都有成功的案例。声发射技术在许多领域都有着广泛的应用，声发射技术凭借其独有的特点与优势经受着历史的考验，在更多的领域起到越来越关键的作用。

参考文献

[1]倪兴华.地应力研究与应用[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[2]李炜.围岩应力的测试及原岩应力的推算[D].淮南：安徽理工大学，1995.

[3]丁建民等.国外地应力研究中的几个问题，地应力测量与研究[M].北京：地质出版社，1982： 237-252.

[4]陈彭年等.世界地应力实测资料汇编[M].北京：地震出版社，1990.

[5]B.C.Haimson，C.Fairhust. In-situ Stress Determination at Grate Depth by means ofHydraulic Fracturing[M]， Proceedings of 11th symposium on Rock Mechanics，June， 1969.

[6]B.C.Haimson. The Hydrofracturing Stress Measuring Method and Recent Field Results[J].Int. J.Rock Mech.Min.Sci.，1978，15（3）： 167 ～178.