初始地应力场分析方法的研究

地应力测量的国内外研究现状综述地应力测量（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。

标签：地应力测量岩石声发射凯塞尔效应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）。

建材发展导向2018年第18期120人们都知道，地球的公转以及自传时时刻刻都在进行，同时在地球运动的过程中，还会产生很多天然的应力，这种应力在地层中的破坏力以及能量都比较大。

原岩应力属于潜藏在未受到地层干扰中的一种天然的应力。

人们在挖掘井下巷道时，就会被扰动，从而在巷道中出现一种新的应力。

此时的应力就被称之为次生应力。

煤矿在开采的过程中，需要做好巷道德掘进工作，同时，还需要对工作面进行回采处理，和其他的地下工程采矿工作一样，对该项工作进行研究具有非常重要的意义。

1　地应力概述所谓的地应力，又可以将其称为岩体的初始应力以及绝对应力，也就是潜藏在没有被干扰的地层中的天然应力。

地球的公转以及自传、地球内部应力、地幔热对流、地心引力、板块边界受压等地球的各种运动过程是产生地应力的主要原因。

在目前存在的这些地应力中，构造应力以及重力应力是其中的重要内容，人们在进行井下巷道挖掘工作时，就会干扰到原始的应力，并且在巷道中形成一种新的应力。

岩石所表现出的力学特征以及地应力场都能够直接影响到煤矿井下巷道围岩的矿压特征。

1.1　原岩应力原始岩石应力也称为绝对应力和初始应力。

它通常在采煤前留在岩体中。

应力的原因通常包括构造运动，岩体质量和地质构造应力。

1.2　开采中地应力地应力场的变化与工程有直接关系。

如果岩石受到压力损坏，将影响项目的正常运行。

因此，在设计矿山并支持设计时，必须准确掌握地应力的方向和大小。

重要信息，在开采煤矿的过程中，大多数挖掘工程都会影响周围的地面应力而不是岩石的强度。

在煤矿建设中，如果能够全面分析地应力，可以在很大程度上避免地应力。

岩石造成的破坏确保了道路的稳定性。

2　煤矿开采中地应力的特点分析随着社会经济的不断发展，科学技术也不断提高，人们对矿山工程地应力的认识也在不断提高。

人们对采矿工程中的地应力有一定的了解，并对项目可能的地应力进行了大量的检查，为研究煤的地应力特征提供了一定的技术依据。

分层地应力分析评价技术用于油气田开发分层地应力分析评价技术可有效地指导压裂设计、注水方案设计等工作,有重要的研究意义。

目前,人们已提出了多种地应力模式,本文在理论分析和资料调研的基础上,提出了一新的地应力模式。

利用理论研究成果,开发了分层地应力分析评价软件,介绍了软件的主要功能模块,软件的计算精度满足了工程设计的需要,与测试结果吻合程度较高,对方案设计具有一定的指导意义。

地应力的研究与分析分析地应力的成因和确定的方法,确保重大土木工程前期和施工的安全进行。

地质力学模型试验技术的进展根据长江科学院2 0多年来地质力学模型试验的经验和国内外的发展现状,分别从相似原理、模型材料选择、关键模拟技术和在不同工程地质问题中的应用等方面介绍了地质力学模型试验技术的特点及发展趋势。

认为地质力学模型试验技术应向深度(即模拟和量测技术)和广度方向发展,在发现新的力学机理和验证数学模型等方面有广泛的应用前景。

地质力学模型试验技术的进展根据长江科学院2 0多年来地质力学模型试验的经验和国内外的发展现状,分别从相似原理、模型材料选择、关键模拟技术和在不同工程地质问题中的应用等方面介绍了地质力学模型试验技术的特点及发展趋势。

认为地质力学模型试验技术应向深度(即模拟和量测技术)和广度方向发展,在发现新的力学机理和验证数学模型等方面有广泛的应用前景。

地应力测量方法研究综述对于深埋岩石工程,岩体的地应力状态直接关系到工程和区域的稳定性.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,总结了各种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.岩体地应力及其测量方法综述岩体中的地应力场是一个具有三维空间的复杂应力场,它的大小和分布规律受岩体自重、地质构造运动、地形地貌及剥蚀作用等多种因素的影响,选择合理有效的地应力测量方法对地应力场的测量至关重要。

作者对地应力的分布规律、影响因素、地应力测量前后应考虑的问题进行分析,对几种常用的地应力测量方法进行对比,对地应力测量研究中的主要问题进行分析。

地应力测量方法1.水压至裂法水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流体，从而确定原位地应力的一种方法。

水压致裂法的2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生新裂隙或使原生裂隙重张。

常规水压致裂法(HF法)HF法是从射井方法移植而来，假定钻孔轴向为1个主应力方向，岩石均质、各向同性、连续、线弹性，采用抗拉破坏准则，在垂直于最小主应力方向出现对称裂缝，其仅能测得垂直于钻孔横截面上的二维应力。

在构造作用弱和地形平坦区，垂直孔所测结果可代表2个水平主应力，垂直应力约等于上覆岩体自重，裂缝方位为最大水平主应力方位。

HF法测试周期短，不需要岩石力学参数参与计算，适合工程初勘阶段，不需试验洞，可进行大深度测量，是目前惟一一种可直接进行深部地应力测定的方法。

通过对HF法的改进，德国大陆科学深钻计划(KTB)在主孔 6 000 m和9 000 m处已成功获得了地应力资料。

HF法是一种平面应力测量方法，为获得三维应力，YMizutaI和M KuriyagawaE提出3孔交汇地应力测量，我国长江科学院和地壳所也进行了大量的测试。

但研究表明，当钻孔轴向偏离主应力方向，其结果就有疑问，要精确获得三维地应力较困难。

为此，文献[7]基于最小主应力破坏准则，对3孔交汇HF法测试理论进行了完善，其有助于提高测量结果的计算精度，但还有待足够的测量数据来验证。

原生裂隙水压致裂法(HTPF法)HTPF法是HF法的发展，其要求在含有原生节理和裂隙的钻孔段进行裂隙重张试验以确定原位应力。

HTPF法假定裂隙面是平的，且面上应力一致。

对于深孔三维地应力直接测量，HTPF 法可进行大尺度的地壳地应力测试，很有发展前途。

HTPF法同HF法相比，假设少，不需考虑岩石破坏准则和孔隙水压力，在单孔中便可获得三维地应力。

但用HTPF法测试费时，且裂隙产状和位置的确定误差都可降低计算精度。

2.套钻孔应力解除法套钻孔应力解除法根据解除方式和传感器的安装部位分为探孔应力解除法、孔底应变解除法和孔壁切割解除法。

地应⼒研究现状以及在⼯程应⽤中存在的问题地应⼒研究现状以及在⼯程应⽤中存在的问题。

地应⼒存在於地壳中的应⼒。

⼴义上也指地球体内的应⼒。

它包括由地热﹑重⼒﹑地球⾃转速度变化及其他因素产⽣的应⼒。

地质⼒学认为﹐地壳内的应⼒活动是使地壳克服阻⼒﹑不断运动发展的原因﹔地壳各处发⽣的⼀切形变﹐如褶皱﹑断裂(见节理﹑断层)等都是地应⼒作⽤的结果。

通常﹐地壳内各点的应⼒状态不尽相同﹐并且应⼒随(地表以下)深度的增加⽽线性地增加。

由於所处的构造部位和地理位置不同﹐各处的应⼒增加的梯度也不相同。

地壳内各点的应⼒状态在空间分布的总合﹐称为地应⼒场。

与地质构造运动有关的地应⼒场﹐称为构造应⼒场。

通常指导致构造运\动的地应⼒场。

有⼈也将由於构造运动⽽产⽣的地应⼒场简称为构造应⼒场。

在地质⼒学中﹐构造应⼒场是指形成构造体系和构造型式的地应⼒场﹐包括构造体系和构造型式所展布的地区﹐连同它内部在形成这些构造体系和构造型式时的应⼒分布状况。

有多少类型的构造体系﹐就有多少种类的构造应⼒场。

⼀定型式的构造体系所代表的应变图像﹐反映了其构造应⼒场的特徵。

通过对构造应⼒场的分析研究﹐可以推演构造运\动的⽅式和⽅向﹐把各个⼤陆及地区运动的⽅式和⽅向综合起来﹐可以推断地壳运\动的⽅式和⽅向﹐进⽽探索地壳运动的起源。

存在於某⼀地质时期内的构造应⼒场称为古构造应⼒场。

现今存在的或正在活动的地应⼒场称为现今构造应⼒场。

现今构造应⼒场的研究﹐既要实地考察挽近地质时期﹐特别是第四纪以来﹐岩⽯﹑地层发⽣的构造变形以及地区的升降﹐也要⽤适当的仪器装置及其他⽅法﹐直接测量现今地应⼒的活动。

进⾏地应⼒测量时要根据活动的构造体系﹑活动的构造带(如地震带)和重⼤⼯程建设要求来布置测点﹐同时配合相应的地质⼯作。

地应⼒活动会产⽣或影响地质构造。

剧烈的地应⼒活动会引起地震。

地应⼒活动还可影响地壳内岩⽯﹑矿物的物理性质和化学性质。

因此﹐也可以利⽤这种物理和化学性质的改变来分析地应⼒的活动情况。

弥玉高速公路登楼山隧道地应力场分析研究
王玉杰;余磊;杨科
【期刊名称】《甘肃水利水电技术》
【年(卷),期】2021(57)12
【摘要】研究区地处云南高原山区、扬子准地台滇东台褶带,隧道位于小江断裂东支与西支之间,断裂构造尤为发育。

为了分析隧道开挖过程中可能出现的岩爆、大变形等问题,需了解登楼山隧道工程区的地应力状况。

故采用水压致裂法在钻孔XSZK3进行了地应力测量与分析,再通过采用地质过程动态模拟的有限元数值分析方法,揭示了登楼山隧道工程区岩体初始地应力场的空间发育分布规律。

结果表明:登楼山工程区最大水平主应力方向主要在NNW-N之间;最大水平主应力基本小于20 MPa,仅局部隧道段地应力大于20 MPa,但都小于25 MPa,基本属于低-中等地应力水平。

【总页数】5页(P38-42)
【作者】王玉杰;余磊;杨科
【作者单位】成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】U451
【相关文献】
1.鹧鸪山隧道地应力反演模型与三维地应力
2.高速公路隧道口液态防风栅流场数值分析研究
3.登楼山隧道断面布置形式与工法选择研究
4.登楼山隧道1^(#)斜井涌突水问题及主洞涌突水原因分析
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地应力及其分布规律1 、地应力的基本概念地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。

广义上也指地球体内的应力。

它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。

地应力是各种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，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。

此外地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。

2、地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。

另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。

其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。

当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。

由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外，地应力场还受到其他多种因素的影响，造成地应力状态的复杂性和多变性，地应力成因之一：地幔热对流（图1、图2）地应力成因之一：板块边界受压（图3）地应力成因之一：岩浆浸入（图4）3、地应力的影响因素地壳深层岩体地应力分布复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响，但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。

1)岩体自重的影响岩体应力的大小等于其上覆岩体自重，研究表明：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。

但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑，在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动2)地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。

二．地应力研究的理论基础井眼不稳定性是全球范围内油田勘探、开发普遍存在的问题。

在钻井工程作业中，受各种因素的影响，井眼多发生垮塌、崩落、缩径、压裂、变形，甚至发生井涌、渗漏、卡钻等事故，这些问题在今天都被包含在井眼稳定的内容中。

因此，研究解决此类问题的办法对安全生产、提高作业效率、节约成本等具有非常重要的现实意义。

造成井眼不稳定的原因很多，包括自然的和人为的两个方面。

①在自然因素方面有：地质构造类型和原地应力、地层的岩性和产状、含粘土矿物的类型方面原因；同时，地层倾角、层面的胶结，以及地层强度、裂隙节理的发育情况、孔隙度、渗透性及孔隙中的流体压力等也会导致井壁不稳定。

②在人为方面有：钻井液的性能（失水、黏度、流变性、密度）、钻井液的成分与井壁岩石矿物的化学作用的强弱（水化、膨胀作用）、井周钻井液侵入带的深度和范围、井眼裸露的时间、钻井液的环空上返速度、对井壁的冲蚀作用、循环动压力和起下钻的波动压力、井眼轨迹的形状、钻柱对井壁的摩擦和碰撞等因素。

井眼的不稳定性问题，从广义上讲应包括脆性泥页岩井壁的坍塌剥落、塑性泥页岩井壁的缩径和井眼的粘弹塑性变形及地层在钻井液压力作用下的水力压破裂（多发生在砂岩层段）。

由于问题的复杂性，不可能对上述影响因素一一作出定量分析。

解决井眼不稳定壁问题主要从钻井液化学和岩石力学两个方面入手，抓住主要影响因素进行分析，才能获得较好的结果。

长期以来，由于种种原因，研究的焦点多集中于化学防塌机理方面（主要是研制钻井液体系），使得井眼不稳定现象大为减少，井眼不稳定技术研究取得了较大的进展。

但是，至今仍未能很好地解决水化程度弱的脆性泥页岩井壁的坍塌问题。

井眼岩石失稳坍塌，一般都可归结为井壁岩石所受的应力超过它在井眼状态下所能承受强度的结果，钻井液的侵蚀作用会减弱泥页岩的强度，同时产生的水化作用会改变泥页岩中的应力状态。

岩石的力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。

为了研究井眼稳定性问题，有必要研究岩石的力学性质及其在物理环境下应力场中的反映。

地应力测值评价方法研究韩晓玉;李永松;李峰【摘要】为了对地应力测值进行评价,探讨了地应力测值评价方法,提出采用测值平均测量误差对洲值进行评价,主要用数学模型回归分析法和模型加载试验法对地应力测值进行评价,给出了两者的优缺点和适用范围.其中对数学模型回归分析法进行了应用分析,对物理模型加载试验法介绍了一般试验过程和试验准备.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2011(042)024【总页数】3页(P7-9)【关键词】地应力;测值评价;应力测量;应力观测;数学模型回归分析法;物理模型加载试验法【作者】韩晓玉;李永松;李峰【作者单位】长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北武汉430010;长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北武汉430010;湖北省地震局,湖北武汉430071【正文语种】中文【中图分类】TV223在工程建设活动中，地应力测试是必不可少的环节，它对于建筑物的安全设计至关重要，因地应力测试方法众多，不少方法有着前提性假设，对地质条件有一定要求，而单个工程的地应力测试方案，从测试方法选用、孔位布置、测试数量到具体测点部位均具有随意性。

因此，地应力测值不可避免地具有离散性，甚至可能不具有代表性。

因此，进行地应力测值评价是必要的。

1 测值评价方法地应力测值评价可分为对单个测值的评价和不同方法间的测值评价。

单个方法的测值评价是该技术(方法)的基础研究内容，关系到该方法存在的必要性。

不同方法间的测值评价可以消除单个方法带来的系统误差，并促进整个行业测试技术的发展与进步。

单个工程的地应力测值评价可为工程建设服务。

长期以来，国内外对地应力测值的评价研究较少，更少进行测试方法间的评价。

单方法的测值评价一般仅从原理上进行适应性公式修正，或对使用测试的技术进行误差和精度分析，或采取数值模型方法进行校验等［1－3］。

专门进行的多方法间测值评价试验仅在文献［4］中提到过，且结论未知。

根本而言，地应力测值评价是地应力测值对真实值的反映，误差小者为优。

地应力知识简介地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。

随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。

一地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。

30多年来的实测和理论分析表明，地应力形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。

另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。

1大陆板块边界受压引起的应力场以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。

在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。

2地幔热对流引起的应力场由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动。

地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽。

3由地心引力引起的应力场（也称为重力场）重力场，是各种应力场中唯一能够计算的应力场。

重力应力为垂直方向应力，是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。

4岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。

熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。

岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。