張楊洋

(西北水利水電工程有限責(zé)任公司，西安 710065)

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巖體工程地應(yīng)力測定方法綜述及展望

張楊洋

(西北水利水電工程有限責(zé)任公司，西安 710065)

原始地應(yīng)力是巖石地下工程及部分露天開挖工程進(jìn)行穩(wěn)定性評價和設(shè)計的基本參數(shù)，同時也是該類工程發(fā)生變形、失穩(wěn)和破壞的根本因素之一。隨著國防、水利、交通、石油、采礦、核能源等領(lǐng)域工程深度及規(guī)模的不斷加大，地應(yīng)力測試對指導(dǎo)工程科學(xué)、安全、經(jīng)濟(jì)開展的作用越發(fā)顯著，而目前中國地應(yīng)力測量技術(shù)水平和應(yīng)用范圍還難以滿足眾多工程需要，這就對加強(qiáng)地應(yīng)力測量理論、技術(shù)和應(yīng)用的研究提出了更高要求。文章對地應(yīng)力成因和分類、影響因素及目前主要的測量方法進(jìn)行了總結(jié)，并對未來發(fā)展做出了展望。

巖體工程；地應(yīng)力；測定方法；展望

地應(yīng)力是引發(fā)各類露天及地下巖體工程變形和破壞的根本力源，是圍巖穩(wěn)定性判斷的基礎(chǔ)，同時也是進(jìn)行巖體工程科學(xué)設(shè)計和決策的必要前提[1]。隨著，國防、交通、水電、采礦、石油及煤層氣、核能源開發(fā)利用等工程發(fā)展需要的加深，給地應(yīng)力測量工作提出了新的挑戰(zhàn)，加強(qiáng)地應(yīng)力測量理論、方法、技術(shù)的研究，對促進(jìn)地球科學(xué)及巖體工程相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義[2-7]。

1 地應(yīng)力成因及分類

1.1 地應(yīng)力成因

地球的各種動力運動是地應(yīng)力形成的主因，具體包含：板塊間擠壓、地幔熱對流、地球內(nèi)應(yīng)力、引力、地球自轉(zhuǎn)、巖漿體侵入和地殼非均勻擴(kuò)容等。另外，溫差、水壓梯度以及其他物理、化學(xué)變化也能引發(fā)應(yīng)力場的改變。不同環(huán)境下形成因素不同，但基本以自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)。

1.2 地應(yīng)力分類

依照形成因素不同地應(yīng)力可分為：構(gòu)造、自重應(yīng)力、殘余應(yīng)力及變異應(yīng)力。需要注意的是，殘余應(yīng)力不具有方向性，但殘余應(yīng)力引起的高水平應(yīng)力具有方向性，且二者常相差較大。

2 地應(yīng)力的影響因素

關(guān)于地應(yīng)力的影響因素，世界各國都開展了一定研究，但研究結(jié)果存在一定差別。如何正確認(rèn)識每種因素對地應(yīng)力產(chǎn)生和分布的影響，是合理應(yīng)用地應(yīng)力場資料的基礎(chǔ)。Brudy[8]和Brown[9]對影響地應(yīng)力的因素進(jìn)行了如下歸納，包括：地形、殘余應(yīng)力、侵蝕、巖漿侵入、構(gòu)造、破裂和結(jié)構(gòu)面以及溫度場的變化因素等；Amadei[10]和Stephansson[11]把影響地應(yīng)力的因素歸結(jié)為巖性(地層)、各向異性、構(gòu)造和非均稱性、地形及構(gòu)造運動、侵蝕作用、超固結(jié)作用、以及邊界和時間、地球球面彎曲等；陳宗基[12]認(rèn)為地應(yīng)力的產(chǎn)生是巖體自重、板塊運動、剝蝕、地形、及封閉應(yīng)力引起；王思敬[13]從巖石的地質(zhì)本質(zhì)性出發(fā)對地應(yīng)力受地質(zhì)作用的影響機(jī)理進(jìn)行了論述。總之，地應(yīng)力的影響因素多樣，各因素的影響效應(yīng)各不相同，但應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，總體而言斷裂構(gòu)造是地應(yīng)力場的主控因素。

3 地應(yīng)力測試方法

3.1 地應(yīng)力測量的基本方法及分類

根據(jù)彈性力學(xué)，1點的應(yīng)力可由6個應(yīng)力分量來表達(dá)，即(σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx)，如圖1所示。當(dāng)該6個值確定后，即可得出過該點的主應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 任一點的應(yīng)力狀態(tài)圖

早期地應(yīng)力測定多采用硐室開挖扁千斤頂系數(shù)修正法，該方法存在修正系數(shù)選取經(jīng)驗性較強(qiáng)并且難以準(zhǔn)確還原擾動前原巖應(yīng)力的問題。目前多采用鉆孔測量法，即在壁面上開鉆小孔，打至原巖應(yīng)力區(qū)，以保證數(shù)據(jù)理論上的可靠性。測量方法的分類尚無統(tǒng)一定論，根據(jù)測量手段和原理不同可進(jìn)行分類，見表1。

表1 測試方法分類表

國外一般根據(jù)測量基本原理的不同而分為直接法和間接法，見表2。

直接法的特點是所測量值直接與應(yīng)力值相關(guān)，計算公式較為簡單，無需知道巖體物理力學(xué)參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系。間接法通過測取與應(yīng)力有關(guān)的參數(shù)如變形、密度、孔隙率、滲透性、導(dǎo)電率、波速等，再通過參數(shù)-應(yīng)力函數(shù)關(guān)系計算原巖應(yīng)力，此方法須事先知道巖體的相關(guān)參數(shù)，從而確定函數(shù)關(guān)系。

表2 直接、間接法分類表

1987年國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗專業(yè)委員會在《巖石應(yīng)力測定的建議方法》中推薦了5種比較成熟并最具代表性的方法，即：扁千斤頂法、水壓致裂法、孔徑變形法、孔壁應(yīng)變法和空心包體應(yīng)變法，后2種方法可實現(xiàn)單一鉆孔的三維應(yīng)力測量。表3為根據(jù)操作特點進(jìn)行的分類。

表3 地應(yīng)力測試方法分類表

關(guān)于地應(yīng)力測量的理論和方法國內(nèi)相關(guān)學(xué)者如陳宗基、蔡美峰、蘇愷之[14]、葛修潤、王連捷[15]、楊永杰[16]、蘇生瑞[17]等都進(jìn)行了相關(guān)研究。

3.2 直接測量法

3.2.1 扁千斤頂法

扁千斤頂法的基本原理是應(yīng)力補償，通過扁千斤頂對開槽加壓，使得測柱間距恢復(fù)初始值, 此時壓力值等于原先巖體的豎向壓力值，測量原理見圖2。

圖2 扁千斤頂應(yīng)力測量圖

該方法的優(yōu)點在于操作簡便，無需測算巖體本構(gòu)關(guān)系及物理力學(xué)參數(shù)。缺點是單槽只能進(jìn)行一維應(yīng)力測量，且要求該方向為主應(yīng)力方向，雖然可采用多槽測量推算原巖應(yīng)力，但此方法假設(shè)前提較多計算結(jié)果往往不準(zhǔn)。另外，該方法是基于線彈性巖體的基本假設(shè)，而巖體加、卸載具有路徑相關(guān)性，加之開槽本身形成了次生應(yīng)力場，故所測量值可能存在較大偏差。類似該方法，還有剛性包體應(yīng)力計、壓磁式、液壓式、剛弦式及光彈式應(yīng)力計等。

3.2.2 水壓致裂法

水壓致裂法測量的關(guān)鍵是對測點封隔段注高壓水，使該段巖體產(chǎn)生初始裂隙并擴(kuò)展到3倍孔徑深度，加壓過程記錄水壓、流量的時間曲線，由此根據(jù)彈性力學(xué)理論解算出垂直于鉆孔平面的二維應(yīng)力場量值，后利用印模器或井下攝影等獲得主應(yīng)力方向，測量設(shè)備見圖3。

圖3 水壓致裂法測量圖

該方法的突出優(yōu)點在于可適用于深部應(yīng)力測量(已超5 000 m)，并且無需獲得巖體參數(shù)，操作較為簡單；缺點是需假定一個主應(yīng)力方向與鉆孔軸線平行，即只能測得垂直于鉆孔平面的地應(yīng)力，當(dāng)假定主應(yīng)力方向與實際偏差超15°時，結(jié)果偏差較大。當(dāng)封隔段存在原生節(jié)理時，因裂紋尖端的應(yīng)力場集中，初始破裂很可能在該節(jié)理處產(chǎn)生，而非理論上的孔壁切應(yīng)力最小點，因此該方法主要用于脆性完整巖石。

3.2.3 聲發(fā)射法

聲發(fā)射法的基本原理是基于巖石的凱澤效應(yīng)。當(dāng)材料受外載時，所儲應(yīng)變能會釋放并產(chǎn)生彈性波和聲響，即聲發(fā)射。凱澤(1950年)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料受力小于先期最大應(yīng)力時，不會發(fā)生聲發(fā)射；當(dāng)所受應(yīng)力接近或超過先期最大應(yīng)力時聲發(fā)射頻率會明顯增加，此現(xiàn)象稱凱澤效應(yīng)，測試中將聲發(fā)射頻率突增點稱凱澤點，對應(yīng)的應(yīng)力值為歷史最大應(yīng)力值。試驗中通過對不同方向的巖石試件進(jìn)行凱澤點測試，進(jìn)而尋找該點的三維原巖應(yīng)力。聲發(fā)射方法的優(yōu)點是成本低、操作簡便、效率高、限制條件少。缺點是只適用于較堅硬脆性巖石，測試工作量大，受水影響數(shù)據(jù)離散度較大。

3.3 間接測量法

3.3.1 應(yīng)力解除法

應(yīng)力解除法是為減少人為測試擾動的常用實測方法，主要包括表面應(yīng)力解除法和鉆孔應(yīng)力解除法。

表面應(yīng)力解除法一般用于巷道或硐室表面的應(yīng)力測試，操作時，將傳感器布設(shè)在巖壁表面，當(dāng)解除該點后，巖塊發(fā)生彈性恢復(fù)，故可以通過該應(yīng)變恢復(fù)值測得原始地應(yīng)力。

鉆孔應(yīng)力解除法屬于完全應(yīng)力解除法，是目前發(fā)展最成熟的方法之一，示意圖如圖4所示。其將空心包體應(yīng)變計放入鉆孔并粘合在內(nèi)壁上，再用套鉆將應(yīng)變計解除，記錄取芯后巖芯的相關(guān)應(yīng)變值，通過彈性力學(xué)公式計算原巖應(yīng)力。依據(jù)測量原理和部位的不同，套芯應(yīng)力解除法又可細(xì)分為鉆孔孔壁、孔底和孔徑3種應(yīng)變測量法。

圖4 鉆孔應(yīng)力解除法示意圖

該法的優(yōu)點是理論成熟、誤差小，單孔即可實現(xiàn)三維應(yīng)力測量，成本相對較低。缺點是套鉆取芯時難度較大，易發(fā)生斷芯，且需要測定該處巖體的變形參數(shù)，操作相對繁瑣。

3.3.2 局部應(yīng)力解除法

局部應(yīng)力解除法只能實現(xiàn)測點的局部應(yīng)力解除，常用方法如下：

(1) 徑向切槽法。用特定的鉆頭在鉆孔壁上沿半徑方向開槽，并記錄開槽后切向應(yīng)變值。垂直于鉆孔軸向并過該切槽的平面上再開鑿2個同樣尺寸的切槽，即可測得該面上的應(yīng)力狀態(tài)。

(2) 全息干涉測量法。在鉆孔內(nèi)垂直于孔壁的方向打一小鉆孔，小鉆孔因局部應(yīng)力解除而產(chǎn)生孔壁位移。當(dāng)孔壁發(fā)生微小位移就會引起全息干涉儀中相干光的全息干涉，據(jù)此可測出孔壁變形，從而導(dǎo)出垂直于孔壁平面的二維應(yīng)力。

(3) 平行鉆孔法。鉆孔打好后，安裝孔徑應(yīng)變計，再在鉆孔周圍打1個或數(shù)個鉆孔，并記錄第1個鉆孔的孔徑變化值。由含有1個或幾個圓孔的無限大板的彈性理論解或數(shù)值計算，即可算出垂直于鉆孔平面的應(yīng)力狀態(tài)。

(4) 中心鉆孔法。先在巖體壁面上打直徑為200～250 mm鉆孔，并在圓周上等間距地布設(shè)3對測量柱，之后在孔底中心處打直徑為150 mm的鉆孔，并測量由于打小鉆孔所引起測量柱的間距變化。由此即可推導(dǎo)出巖石表面的二維應(yīng)力狀態(tài)。

3.4 地球物探法

(1) 超聲波測量法：研究發(fā)現(xiàn)巖體中彈性波特別是縱波的傳播，波速和衰減具有應(yīng)力相關(guān)性。因此可以通過測定巖體彈性縱波速的大小，再由已標(biāo)定的應(yīng)力-波速關(guān)系推導(dǎo)出巖體的當(dāng)前應(yīng)力值。值得注意的是，該方法測得的是平面內(nèi)的主應(yīng)力狀態(tài)。

(2) 超聲波譜法：向巖體發(fā)射超聲剪切波時，受巖體應(yīng)力的影響會發(fā)生雙折射現(xiàn)象，研究表明，雙折射率是應(yīng)力的函數(shù)。故可以通過事先標(biāo)定的雙折射率與應(yīng)力關(guān)系獲得原始應(yīng)力值大小。

實際操作中，由于巖體的非均質(zhì)不連續(xù)地質(zhì)特點，測量難度很大。地球物理方法測定地應(yīng)力的技術(shù)尚未成熟，測值的可靠度有待考證，故此類方法只能作為一種參考的技術(shù)手段。

3.5 震源機(jī)制分析法

震源機(jī)制分析法對分析深部地應(yīng)力比較有效。當(dāng)研究區(qū)域相對震源較大時，那么該震源可視為點震源。通過寫出一組地震矩陣張量或震源機(jī)制解，來推算該研究區(qū)域內(nèi)的平均構(gòu)造應(yīng)力、主應(yīng)力方向及相對比值。

彈性模型是目前常用震源模型，由此計算出的因地震引起的位移場、應(yīng)變場和應(yīng)力場，實質(zhì)上是相對于震前的相對值，所以理論上只能推出震源地震引起的應(yīng)力變化、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的方向及相對大小量。另一方面，地震波從震源發(fā)出后，傳播過程中可攜帶路徑中介質(zhì)的應(yīng)力信息，所以，有利于用地震波來研究地殼的空間受力。

3.6 深部地應(yīng)力測量方法

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)對深部地應(yīng)力的測量主要采用水壓致裂法以及對其進(jìn)行的改進(jìn)方法。蔡美峰[18]利用煤礦的地質(zhì)勘查測孔，進(jìn)行了水壓致裂的測量工作，測量深度達(dá)1 105 m?？导t普[19]等在針對傳統(tǒng)水壓致裂法的改進(jìn)上做了相關(guān)研究，使其能更方便地適用于較深部環(huán)境的地應(yīng)力測量。盧云虎[20]等，利用粘滯剩磁分量對深部巖芯進(jìn)行地理方位標(biāo)定，為Kaiser地應(yīng)力測試獲取方位角信息提供了解決方法。

葛修潤[21]等研究出一種三維地應(yīng)力測量方法(BWSRM)——鉆孔局部壁面應(yīng)力解除法及配套的測井機(jī)器人，在錦屏水電站獲得成功應(yīng)用，取代了沿鉆孔軸向套取巖芯的傳統(tǒng)方法，降低了取芯難度，也摒棄了水壓致裂法必須假定一個主應(yīng)力方向和鉆孔軸線一致的前提. 王連捷[22]等針對騰沖科學(xué)鉆探孔，進(jìn)行了非彈性應(yīng)變恢復(fù)法(ASR)的地應(yīng)力測量，實測結(jié)果和震源機(jī)制解一致，同時具有較高的經(jīng)濟(jì)實用性，該方法為深部三維應(yīng)力測量提供了新思路。

4 展 望

(1) 深部地層地應(yīng)力的測量問題

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速增長，對能源的要求逐步增加，煤炭的開采深度以每年15 m左右的速度向下延伸，核能的逐漸使用涉及到核廢料的儲存問題，采油、煤層氣的開發(fā)，這都涉及到深部地應(yīng)力的確定問題。所以深部地層地應(yīng)力的測量顯得尤為重要，地應(yīng)力確定不了，將嚴(yán)重制約深部工程技術(shù)的發(fā)展。

(2) 測試方法的推新和優(yōu)化

目前地應(yīng)力測量的應(yīng)用還較低，主要用于大型工程和部分采礦工程，這主要是測試費用較高及精度不夠?qū)е?。因此，如何對已有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)或者研制出更有普遍適用意義的新設(shè)備，將大大提高地下工程建設(shè)的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)效益。

(3) 復(fù)雜地貌地應(yīng)力場的分析

地殼作為地質(zhì)體，具有地質(zhì)本質(zhì)性，復(fù)雜地貌和斷裂構(gòu)造等處地應(yīng)力異常復(fù)雜。中國還有相當(dāng)儲量的資源由于儲藏條件復(fù)雜，限于工程技術(shù)條件，難以開發(fā)。因此，如何根據(jù)測試數(shù)據(jù)提出復(fù)雜地貌下的地應(yīng)力場的分析方法或是設(shè)計出針對局部復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地應(yīng)力測試設(shè)備，這對資源合理開發(fā)和指導(dǎo)工程設(shè)計意義重大。

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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

張楊洋(1991- )，男，陜西省興平縣人，助理工程師，碩士，主要從事巖土工程支護(hù)與數(shù)值計算工作.

TU45;TV223.31

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.001