张杨洋

(西北水利水电工程有限责任公司，西安 710065)



岩体工程地应力测定方法综述及展望

张杨洋

(西北水利水电工程有限责任公司，西安 710065)

原始地应力是岩石地下工程及部分露天开挖工程进行稳定性评价和设计的基本参数，同时也是该类工程发生变形、失稳和破坏的根本因素之一。随着国防、水利、交通、石油、采矿、核能源等领域工程深度及规模的不断加大，地应力测试对指导工程科学、安全、经济开展的作用越发显著，而目前中国地应力测量技术水平和应用范围还难以满足众多工程需要，这就对加强地应力测量理论、技术和应用的研究提出了更高要求。文章对地应力成因和分类、影响因素及目前主要的测量方法进行了总结，并对未来发展做出了展望。

岩体工程；地应力；测定方法；展望

地应力是引发各类露天及地下岩体工程变形和破坏的根本力源，是围岩稳定性判断的基础，同时也是进行岩体工程科学设计和决策的必要前提[1]。随着，国防、交通、水电、采矿、石油及煤层气、核能源开发利用等工程发展需要的加深，给地应力测量工作提出了新的挑战，加强地应力测量理论、方法、技术的研究，对促进地球科学及岩体工程相关领域的发展具有重要意义[2-7]。

1 地应力成因及分类

1.1 地应力成因

地球的各种动力运动是地应力形成的主因，具体包含：板块间挤压、地幔热对流、地球内应力、引力、地球自转、岩浆体侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温差、水压梯度以及其他物理、化学变化也能引发应力场的改变。不同环境下形成因素不同，但基本以自重应力和构造应力为主导。

1.2 地应力分类

依照形成因素不同地应力可分为：构造、自重应力、残余应力及变异应力。需要注意的是，残余应力不具有方向性，但残余应力引起的高水平应力具有方向性，且二者常相差较大。

2 地应力的影响因素

关于地应力的影响因素，世界各国都开展了一定研究，但研究结果存在一定差别。如何正确认识每种因素对地应力产生和分布的影响，是合理应用地应力场资料的基础。Brudy[8]和Brown[9]对影响地应力的因素进行了如下归纳，包括：地形、残余应力、侵蚀、岩浆侵入、构造、破裂和结构面以及温度场的变化因素等；Amadei[10]和Stephansson[11]把影响地应力的因素归结为岩性(地层)、各向异性、构造和非均称性、地形及构造运动、侵蚀作用、超固结作用、以及边界和时间、地球球面弯曲等；陈宗基[12]认为地应力的产生是岩体自重、板块运动、剥蚀、地形、及封闭应力引起；王思敬[13]从岩石的地质本质性出发对地应力受地质作用的影响机理进行了论述。总之，地应力的影响因素多样，各因素的影响效应各不相同，但应当强调的是，总体而言断裂构造是地应力场的主控因素。

3 地应力测试方法

3.1 地应力测量的基本方法及分类

根据弹性力学，1点的应力可由6个应力分量来表达，即(σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx)，如图1所示。当该6个值确定后，即可得出过该点的主应力状态。

图1 任一点的应力状态图

早期地应力测定多采用硐室开挖扁千斤顶系数修正法，该方法存在修正系数选取经验性较强并且难以准确还原扰动前原岩应力的问题。目前多采用钻孔测量法，即在壁面上开钻小孔，打至原岩应力区，以保证数据理论上的可靠性。测量方法的分类尚无统一定论，根据测量手段和原理不同可进行分类，见表1。

表1 测试方法分类表

国外一般根据测量基本原理的不同而分为直接法和间接法，见表2。

直接法的特点是所测量值直接与应力值相关，计算公式较为简单，无需知道岩体物理力学参数及本构关系。间接法通过测取与应力有关的参数如变形、密度、孔隙率、渗透性、导电率、波速等，再通过参数-应力函数关系计算原岩应力，此方法须事先知道岩体的相关参数，从而确定函数关系。

表2 直接、间接法分类表

1987年国际岩石力学学会试验专业委员会在《岩石应力测定的建议方法》中推荐了5种比较成熟并最具代表性的方法，即：扁千斤顶法、水压致裂法、孔径变形法、孔壁应变法和空心包体应变法，后2种方法可实现单一钻孔的三维应力测量。表3为根据操作特点进行的分类。

表3 地应力测试方法分类表

关于地应力测量的理论和方法国内相关学者如陈宗基、蔡美峰、苏恺之[14]、葛修润、王连捷[15]、杨永杰[16]、苏生瑞[17]等都进行了相关研究。

3.2 直接测量法

3.2.1 扁千斤顶法

扁千斤顶法的基本原理是应力补偿，通过扁千斤顶对开槽加压，使得测柱间距恢复初始值, 此时压力值等于原先岩体的竖向压力值，测量原理见图2。

图2 扁千斤顶应力测量图

该方法的优点在于操作简便，无需测算岩体本构关系及物理力学参数。缺点是单槽只能进行一维应力测量，且要求该方向为主应力方向，虽然可采用多槽测量推算原岩应力，但此方法假设前提较多计算结果往往不准。另外，该方法是基于线弹性岩体的基本假设，而岩体加、卸载具有路径相关性，加之开槽本身形成了次生应力场，故所测量值可能存在较大偏差。类似该方法，还有刚性包体应力计、压磁式、液压式、刚弦式及光弹式应力计等。

3.2.2 水压致裂法

水压致裂法测量的关键是对测点封隔段注高压水，使该段岩体产生初始裂隙并扩展到3倍孔径深度，加压过程记录水压、流量的时间曲线，由此根据弹性力学理论解算出垂直于钻孔平面的二维应力场量值，后利用印模器或井下摄影等获得主应力方向，测量设备见图3。

图3 水压致裂法测量图

该方法的突出优点在于可适用于深部应力测量(已超5 000 m)，并且无需获得岩体参数，操作较为简单；缺点是需假定一个主应力方向与钻孔轴线平行，即只能测得垂直于钻孔平面的地应力，当假定主应力方向与实际偏差超15°时，结果偏差较大。当封隔段存在原生节理时，因裂纹尖端的应力场集中，初始破裂很可能在该节理处产生，而非理论上的孔壁切应力最小点，因此该方法主要用于脆性完整岩石。

3.2.3 声发射法

声发射法的基本原理是基于岩石的凯泽效应。当材料受外载时，所储应变能会释放并产生弹性波和声响，即声发射。凯泽(1950年)发现，当材料受力小于先期最大应力时，不会发生声发射；当所受应力接近或超过先期最大应力时声发射频率会明显增加，此现象称凯泽效应，测试中将声发射频率突增点称凯泽点，对应的应力值为历史最大应力值。试验中通过对不同方向的岩石试件进行凯泽点测试，进而寻找该点的三维原岩应力。声发射方法的优点是成本低、操作简便、效率高、限制条件少。缺点是只适用于较坚硬脆性岩石，测试工作量大，受水影响数据离散度较大。

3.3 间接测量法

3.3.1 应力解除法

应力解除法是为减少人为测试扰动的常用实测方法，主要包括表面应力解除法和钻孔应力解除法。

表面应力解除法一般用于巷道或硐室表面的应力测试，操作时，将传感器布设在岩壁表面，当解除该点后，岩块发生弹性恢复，故可以通过该应变恢复值测得原始地应力。

钻孔应力解除法属于完全应力解除法，是目前发展最成熟的方法之一，示意图如图4所示。其将空心包体应变计放入钻孔并粘合在内壁上，再用套钻将应变计解除，记录取芯后岩芯的相关应变值，通过弹性力学公式计算原岩应力。依据测量原理和部位的不同，套芯应力解除法又可细分为钻孔孔壁、孔底和孔径3种应变测量法。

图4 钻孔应力解除法示意图

该法的优点是理论成熟、误差小，单孔即可实现三维应力测量，成本相对较低。缺点是套钻取芯时难度较大，易发生断芯，且需要测定该处岩体的变形参数，操作相对繁琐。

3.3.2 局部应力解除法

局部应力解除法只能实现测点的局部应力解除，常用方法如下：

(1) 径向切槽法。用特定的钻头在钻孔壁上沿半径方向开槽，并记录开槽后切向应变值。垂直于钻孔轴向并过该切槽的平面上再开凿2个同样尺寸的切槽，即可测得该面上的应力状态。

(2) 全息干涉测量法。在钻孔内垂直于孔壁的方向打一小钻孔，小钻孔因局部应力解除而产生孔壁位移。当孔壁发生微小位移就会引起全息干涉仪中相干光的全息干涉，据此可测出孔壁变形，从而导出垂直于孔壁平面的二维应力。

(3) 平行钻孔法。钻孔打好后，安装孔径应变计，再在钻孔周围打1个或数个钻孔，并记录第1个钻孔的孔径变化值。由含有1个或几个圆孔的无限大板的弹性理论解或数值计算，即可算出垂直于钻孔平面的应力状态。

(4) 中心钻孔法。先在岩体壁面上打直径为200～250 mm钻孔，并在圆周上等间距地布设3对测量柱，之后在孔底中心处打直径为150 mm的钻孔，并测量由于打小钻孔所引起测量柱的间距变化。由此即可推导出岩石表面的二维应力状态。

3.4 地球物探法

(1) 超声波测量法：研究发现岩体中弹性波特别是纵波的传播，波速和衰减具有应力相关性。因此可以通过测定岩体弹性纵波速的大小，再由已标定的应力-波速关系推导出岩体的当前应力值。值得注意的是，该方法测得的是平面内的主应力状态。

(2) 超声波谱法：向岩体发射超声剪切波时，受岩体应力的影响会发生双折射现象，研究表明，双折射率是应力的函数。故可以通过事先标定的双折射率与应力关系获得原始应力值大小。

实际操作中，由于岩体的非均质不连续地质特点，测量难度很大。地球物理方法测定地应力的技术尚未成熟，测值的可靠度有待考证，故此类方法只能作为一种参考的技术手段。

3.5 震源机制分析法

震源机制分析法对分析深部地应力比较有效。当研究区域相对震源较大时，那么该震源可视为点震源。通过写出一组地震矩阵张量或震源机制解，来推算该研究区域内的平均构造应力、主应力方向及相对比值。

弹性模型是目前常用震源模型，由此计算出的因地震引起的位移场、应变场和应力场，实质上是相对于震前的相对值，所以理论上只能推出震源地震引起的应力变化、区域构造应力的方向及相对大小量。另一方面，地震波从震源发出后，传播过程中可携带路径中介质的应力信息，所以，有利于用地震波来研究地壳的空间受力。

3.6 深部地应力测量方法

当前，世界范围内对深部地应力的测量主要采用水压致裂法以及对其进行的改进方法。蔡美峰[18]利用煤矿的地质勘查测孔，进行了水压致裂的测量工作，测量深度达1 105 m。康红普[19]等在针对传统水压致裂法的改进上做了相关研究，使其能更方便地适用于较深部环境的地应力测量。卢云虎[20]等，利用粘滞剩磁分量对深部岩芯进行地理方位标定，为Kaiser地应力测试获取方位角信息提供了解决方法。

葛修润[21]等研究出一种三维地应力测量方法(BWSRM)——钻孔局部壁面应力解除法及配套的测井机器人，在锦屏水电站获得成功应用，取代了沿钻孔轴向套取岩芯的传统方法，降低了取芯难度，也摒弃了水压致裂法必须假定一个主应力方向和钻孔轴线一致的前提. 王连捷[22]等针对腾冲科学钻探孔，进行了非弹性应变恢复法(ASR)的地应力测量，实测结果和震源机制解一致，同时具有较高的经济实用性，该方法为深部三维应力测量提供了新思路。

4 展 望

(1) 深部地层地应力的测量问题

随着中国经济的快速增长，对能源的要求逐步增加，煤炭的开采深度以每年15 m左右的速度向下延伸，核能的逐渐使用涉及到核废料的储存问题，采油、煤层气的开发，这都涉及到深部地应力的确定问题。所以深部地层地应力的测量显得尤为重要，地应力确定不了，将严重制约深部工程技术的发展。

(2) 测试方法的推新和优化

目前地应力测量的应用还较低，主要用于大型工程和部分采矿工程，这主要是测试费用较高及精度不够导致。因此，如何对已有设备进行改进或者研制出更有普遍适用意义的新设备，将大大提高地下工程建设的科学性和经济效益。

(3) 复杂地貌地应力场的分析

地壳作为地质体，具有地质本质性，复杂地貌和断裂构造等处地应力异常复杂。中国还有相当储量的资源由于储藏条件复杂，限于工程技术条件，难以开发。因此，如何根据测试数据提出复杂地貌下的地应力场的分析方法或是设计出针对局部复杂地质结构的地应力测试设备，这对资源合理开发和指导工程设计意义重大。

[1] 蔡美峰.地应力测量原理和技术[M].北京:科学出版社,2000.

[2] 张文忠.当金山隧道区域地应力特征分析与应用[J].铁道工程学报,2014,31(12):18-22.

[3] 袁风波,刘建,李蒲健,等.拉西瓦工程河谷区高地应力场反演与形成机理[J].岩土力学,2007,28(04):836-842.

[4] 高魁,刘泽功,刘健.地应力在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用[J].岩石力学与工程学报,2015, 34(02):305-312.

[5] 宋连腾,刘忠华,李潮流,等. 基于横向各向同性模型的致密砂岩地应力测井评价方法[J].石油学报,2015(06):707-714.

[6] 李志强,鲜学福,黄滚.地应力地温场中煤层气富集区高精度定量预测的力学方法[J].煤炭学报, 2012, 37(S2):395-400.

[7] 赵星光,王驹,马利科,等.高放废物地质处置库北山预选区新场岩体地应力场分布规律[J].岩石力学与工程学报, 2014,33(z2):3750-3759.

[8] BRUDY M,ZOBACK M D,FUCHS K,et al. Estimation of the complete stress tensor to 8 km depth in the KTB scientific drill holes:implications for crustal strength[J].Journal of Geophysical Research,1997,102(B8):453-475.

[9] BROWN E T, HOEK E.Echnical note trends inrelationships between measured in-situ stress and depth[J]. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr.1978(15): 211-215.

[10] AMADEI B, STEPHANSSON O. Rock stress and its measurement[M]. London:Chapman and Hall，1997:95-476.

[11] Stephansson.Stress estimation in rock:a brief history and review[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2003,40(7/8):957-973.

[12] 陈宗基.地球构造动力学[M].北京:北京大学出版社,1982.

[13] 王思敬.论岩石的地质本质性及其岩石力学演绎[J].岩石力学与工程学报.2009,28(03):433-450.

[14] 苏恺之.地应力测量方法[M].北京:地震出版社,1985.

[15] 王连捷,潘立宙.地应力测量及其在工程中的应用[M].北京:地震出版社,1991.

[16] 杨永杰.地应力测量及综放沿空掘巷支护技术[M].北京:煤炭工业出版社,2010.

[17] 苏生瑞,黄润秋,王士天. 断裂构造对地应力场的影响及其工程应用[M].北京:科学出版社,2002.

[18] 蔡美峰,陈长臻,彭华,等.万福煤矿深部水压致裂地应力测量[J].岩石力学与工程学报, 2006,25(05):1069-1074.

[19] 康红普,林建,张晓.深部矿井地应力测量方法研究与应用[J].岩石力学与工程学报,2007,26(05):929-933.

[20] 卢运虎,陈勉,金衍,等.深层地应力地理方位确定的新方法[J].岩石力学与工程学报,2011，30(02):233-237.

[21] 葛修润,候明勋.三维地应力 BWSRM 测量新方法及其测井机器人在重大工程中的应用[J].岩石力学与工程学报. 2011,30(11):2161-2180.

[22] 王连捷,崔军文,孙东生,等. 腾冲科学钻探孔非弹性应变恢复法三维地应力测量[J].地球学报, 2016(01):111-115.

Description and Prospect of Determination Method for Crustal Stress of Rockmass Engineering

ZHANG Yangyang

(Northwest Water Resources and Hydropower Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065,China)

The original crustal stress is the basic parameter for stability assessment and design of the underground engineering in rockmass and partial excavation engineering in open air. Meanwhile, the parameter is also one of essential factors of deformation, instability and failure of the engineering. With the increasing of the engineering degree and scale in the fields such as the national defense, water resources, transportation, petroleum, mining and nuclear energy, etc, function of determination of crustal stress in guiding engineering to develop scientifically, safety and economically is quite obvious. But in China, the technical level and application scope of the crustal stress determination currently cannot satisfy requirements of projects in a large quantity. Therefore, study of theory, technology and application of the crustal determination is required to reinforce. In the paper, causes, classification and impact factors of the crustal stress, and main determination methods at present are summarized. Meanwhile, prospects on the future development of the crustal stress determination are performed. Key words: rockmass engineering; crustal stress; determination method; prospect

1006—2610(2016)05—0001—04

2016-07-12

张杨洋(1991- )，男，陕西省兴平县人，助理工程师，硕士，主要从事岩土工程支护与数值计算工作.

TU45;TV223.31

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.001