地应力测试方法

地应力主要测试方法总结

摘要：本文总结了目前使用较为广泛的26种地应力测试，并对这些方法的基本原理做了简

要介绍。这26种方法按照数据源途径可以分为5大类，分别为基于岩芯的方法、基于钻孔的

方法、地质学方法、地球物理学方法以及基于地下空间的方法。最后文章对这些方法进行了

的优缺点和适用范围进行了分析对比。

蓄存在岩体内部未受到扰动的应力称之为地应力，地应力可以分为两类，原地应力和诱发应力，而原地应力主要来自五个方面:岩体自重、地质构造活动、万有引力、封闭应力和

外部荷载。地应力具有多来源性且受到多种因素的影响，因此地壳岩体地应力分布复杂多变。

从海姆假说认为“岩体中赋存的应力近似为静水压力状态，且等于上覆岩体自重”到金尼克

假说认为“垂直应力等于上覆岩体自重，水平应力等于岩体泊松效应产生的应力”，人们对

岩体应力的认识逐步提高，并利用实测数据否定了以上两种假说。社会发展的需求直接催生了大量地应力测试和估算方法，而这些方法的发展又进一步促进了人类社会的基础设施建设、

资源和能源开发。随着人类对能源和矿产资源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部矿

产资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开发状态，而深部开采中遇到的“三高”

问题(高地应力、高地温、高水压) 将成为深部开采岩体力学研究中的焦点和难点问题。准

确确定深部开发空间区域的原地应力状态是解决以上难题的必要途径之一，这就需要进行地应力测试方法和技术的研究。

从地应力概念提出至今，各国科学家提出了数十种地应力测试方法，将其按照数据来源

进行归类，大概可以分为五大类:基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物

理方法( 或地震学方法)、基于地下空间的方法。下面将对各种方法的测试原理和方法发展

的脉络作一些简要介绍，表1包括了目前认可程度和使用范围较广的各种方法.

表1 原地应力测试和估算方法汇总 分类 序号 名称

基于岩心的方法 1 非弹性应变恢复法

2 差应变曲线分析法

3 差波速分析法

4 饼状岩心/岩心诱发裂纹法

5 声发射法

6 圆周波速各向异性分析法

7 岩心二次应力解除法

8 微裂隙研相分析法

9 轴向点载荷分析法

基于钻孔的方法 10 微型水压致裂法

11 套筒压裂法

12 原生裂隙水压致裂发

13 套芯解除 14 钻孔崩落

15 孔壁诱发张裂缝

16 钻孔变形

17 钻孔渗漏实验

地质学方法 18 地倾斜调查

19 断层滑动反演

20 新构造运动节理测绘

21 火山口排列调查

地球物理方法 22 震源机制解

23 地球物理测井

基于地下空间

的方法 24 扁千斤顶

25 表面解除法

26 反分析法

1 基于岩心的方法

1.1 非弹性应变恢复法

非弹性应变恢复法(ASR)是通过测量现场从井孔取得的定向岩芯与时间相关的应变松弛

变形来反演原地应力场方向和量值的一种方法。岩芯从井孔取出后，由于作用在岩芯上的原地应力场突然消失，岩芯会沿周向产生差别松弛变形，变形包括岩芯从母岩解除下来后立即

产生的弹性变形和随岩芯放置时间延长逐步产生的非弹性变形。非弹性应变恢复过程原理如

图1-1 所示。这些变形都与原来加载在岩芯上的原地应力场密切相关，因而可以通过测量这

些变形量来分析原地应力场。

目前可以通过两种方法测试岩芯的非弹性应变量，一种是高精度卡夹，一种是应变片。该方法主要适用于深孔和软岩的岩芯应力测量，当岩芯从深孔中取出后，由于原来经受的应

力很高，非弹性应变恢复现象会非常明显，对于浅孔和硬岩，由于非弹性应变量较小，使得

测试结果的可靠性降低。

图1-1 非弹性应变恢复法原理示意图

1.2 差应变曲线分析法

差应变曲线分析法(DSCA) 是在实验室内对定向岩样施加围压，观测比较岩样不同方向

上的相对应变，进而估算原地应力方向和量值。DSCA 法基于四个重要假设:①岩样内部的微

裂隙是由于岩芯围压消失而产生松弛变形所导致的;②微裂隙基本按照原始应力场的方向排

列;③任何方向上微裂隙所产生的体积变化与原地应力场量值成正比;④ 在静水围压作用下，任一特定方向上的岩样体积收缩与该方向上的岩芯从母岩上解除下来的应力松弛变形过程

是可类比的。在均匀的围压作用下，岩芯不同方向产生的应变是完全不同的，如微裂隙闭合，

而这种应变信息可以用来分析原地应力场，测试原理如图1-2(a)所示。

图1-2 DSCA法测试原理及岩样差应变曲线示意图 (a) DSCA 法测试原理;(b)岩样差应变曲线示意

图1-2(b)是岩样在均匀静水围压作用下的应变响应曲线。当施加的围压应力较低时，由

于岩样内部存在的张开微裂隙或者半张开微裂隙，岩样表现出高度柔性。随着围压逐步增加，

微裂隙开始全部闭合(转换区)，过了转换区后，仅有岩样本体的弹性变形。实际上，实验应

力-应变曲线的起始段范围内，包括两部分应变量，微裂隙闭合的应变表现和岩样本体的应变，岩样本体的应变可以通过高压段的应变曲线观测获得，在起始段范围内将岩样本体应变

剔除，就可以计算出微裂隙闭合所反映的应变量。当然，如果岩样均匀且各向异性，那么可

以不必考虑岩样本体的应变。利用DSCA的应变记录曲线可以直接得到原地应力场的方向和三

个主应力之比，应力量值还需要通过其它一些假设或者测试数据再结合主应力之比来确定。

DSCA 法测试的立方体样品准备及测试设备组成参见图1-3 所示。

图1-3 DSCA 法测试样品准备及测试设备示意图

(a)试样立方块应变计布设方式;(b)测试设备组成示意 但是实际上应力松弛变形过程是不可逆的，已有很多实验证明了这点。但是该方法在很

多应用条件下仍然能提供很好的测量结果。该方法的优点是可以不考虑岩芯放置时间对实验结果的影响，这一点可以大大弥补ASR法的不足，并可以与非弹性应变恢复法配对使用。该

方法的适用范围与ASR法类似。

1.3 差波速分析法

差波速分析法(DWVA)与差应变曲线分析法所遵循的基本原理一致，但是差波速分析法是沿岩样周边测量声波速度。对不同测点( 不同方位) 上在不同应力状态下的声波速度进行测

试比较分析，就可以对原地应力状态进行估算。该方法只能给出地应力方向，不能给出应力

量值。该方法的适用范围与DSCA 法类似。

1.4 圆周波速各向异性分析法

圆周波速各向异性分析法(CVA) 可以用来确定应力方位并分析岩芯内部结构。由于岩芯

内部的微裂隙一般会成组定向分布，如图1-4所示，因此沿岩芯圆周的波速分布呈现出各向

异性特征如图1-5所示，岩芯圆周波速会随测试位置的不同而发生变化，因为每个测试方向

所穿过微裂隙数目会不完全相同。在测试过程中，一般会沿着岩芯圆周按照固定角度间隔测

试多个点的声波速度，通常最大主应力方向上所产生的张开微裂隙最多，故岩芯波速最低的方位即为最大主应力方向。如果能进一步比较分析岩芯声波速度分布的理论曲线和实测曲线

之间的差异，将能揭示更多关于测试岩芯的信息.

图1-4 岩芯微裂隙效应的示意图

(a) 好的CVA 法测试结果 (b) 差的CVA 法测试结果

图1-5 CVA 法测试结果示意图 在实际测试过程中，有很多因素会给CVA测试带来困难。例如有些岩石内部很难发育微裂隙，有时微裂隙或许被其它因素所掩盖或者微裂隙对声波速度影响很小，那么波速各向异

性就很小了。最好的例子就是高孔隙率岩石，微裂隙对声波速度各向异性影响很小。当测点

声波速度差异小于2% ～3%时，推算的应力方向认为是不可靠的。第二个比较大的因素是岩

石结构对速度各向异性的影响，然而岩石结构的波速特征与微裂隙完全不同，特别是利用理

论模型和实测数据进行拟合对比分析时，这种差异更为明显，而且这种差异也能为岩石结构研究提供定量分析数据。图1-5就展示了一个良好的CVA 测试结果和一个不好的CVA 测试结

果，同时也给出了测试时所需要依据的测点布设原则。CVA 方法的好处是如果能拿到定向岩

芯，可以在任何时候开展，即使是存放时间很久的岩芯，有时也能得到很好的测试结果。与

此同时，CVA是一种无损测试方法，因此可以在各种岩样上开展实验而取得丰富的数据。故

CVA方法也能作为ASR或者DSCA/DWVA方法一种补充或者验证方法。

1.5 饼状岩芯/岩芯诱发裂纹法

在高应力区开展钻孔施工时，岩芯经常呈现为薄饼状或者片状，大多数情况下，这些岩

芯呈马鞍状，有时岩芯顶面和底面也相互平行，人们一般把这种现象称之为饼状岩芯。众多

研究成果显示，这种饼状岩芯主要是由于当最小主应力方向和岩芯轴线方向平行时钻孔取芯过程中产生的张应力造成的。一般饼状岩芯均出现在深孔钻探过程中，因此可以利用该现象

提取应力信息。饼状岩芯的形态可以给出最大主应力和中间主应力方向，如图1-6 所示，饼

状岩芯的鞍状凹面轴线方向即为最大主应力方向，与轴线方向垂直的方向为中间主应力方向。

图1-6 饼状岩芯鞍状断面以及最大和中间主应力方向示意 在实践中，饼状岩芯现象只能被用作估算岩芯应力状态的一个指标。当出现该种现象时，

我们当然可以认为岩石应力集中超过了岩石强度。这样的类似信息在钻探阶段取得，当然对后续的应力确定非常宝贵，也可指导后续应力确定和估算策略的选取。但是由于饼状岩芯出

现的几率是非常低的，因此其使用机会非常少。另外，饼状岩芯的定向和岩石力学参数取得

非常困难，这就制约了其在实践中的应用范围。鉴于以上原因，饼状岩芯所产出的应力信息

可靠性相对较低。

不同的应力条件下开展钻探取芯，钻探过程会对岩芯产生不同的作用效果。上面提到的饼状岩芯只是其中的一种现象。在有些情况下，

会在岩芯上产生花瓣状裂纹或者中心线花瓣裂纹。通常花瓣状裂纹均匀分布，从岩芯外沿向岩芯中心延伸，花瓣状裂纹弯曲方向与岩芯

轴线平行。中心线花瓣裂纹一般会延伸至岩芯的中心部位或者接近岩芯中心的部位，并沿与

钻孔轴线或者平行于钻孔轴线延伸传播一段距离。花瓣状裂纹的几何形状平行于钻头下部的主应力迹线，如图1-7（a）所示。花瓣状裂纹沿σ1和σ2所定义的平面(与σ3垂直)发展，

其中σ1是垂直应力、钻头自重和液压加载应力之和σ2是原位最大水平应力σ3为原位最小

水平应力，花瓣状裂纹形成的力学示意图如图1-7（a）所示。因此花瓣状裂纹走向与原地应

力场最大水平主压应力方向一致。花瓣状裂纹间距通常大于饼状岩芯的厚度，裂纹间距有时

呈现出均图1-7（b）岩芯花瓣状裂纹形成的力学示意图。

(a) 岩芯钻头前部的主应力迹线分布示意图 (b)花瓣状裂纹的形成与三向主应力关系示意图

图1-7 岩芯花瓣状裂纹形成的力学示意图 应力状态下，容易出现饼状岩芯现象。岩芯的诱发裂纹检测要求使用定向岩芯，获取

花瓣状裂纹和中心线花瓣状裂纹的数据过程中需要认真仔细检查岩芯，并且认真记录花瓣状

裂纹的规则间距和花瓣的形状特征( 例如前面所说的倾向、倾角以及倾角变化等)。记录数据的异常值需与钻探地质志相对照，例如扭矩、贯入度等其它可能影响花瓣状裂纹的因素相

对比。花瓣状裂纹的测量主要是测量岩芯上所形成的裂纹数据，并不需要特别专用的设备。

饼状岩芯或者岩芯诱发裂纹法主要取决于这两种现象是否会出现，利用两种现象得到的应力

方向相对较为准确，应力量值一般误差较大。

1.6 声发射法

凯瑟效应指有应力状态下的材料发射声波的现象，故也称之为声发射(AE)，这种现象仅

在所受应力超过样品所经受的最大应力时激发。在材料科学领域，约瑟夫·凯瑟是第一位描