对 Kaiser 效应的试验研究发现,岩石在 Kaiser效应理论上不应具有多期性。与现场测试结果比较,岩石 Kaiser 效应也不像金属材料记忆的是历史上最大应力,而是现代地应力状态。研究发现,在计算地应力值时,可借助微构造法成果,最后计算出地应力的大小和方向。同时,研究认为,运用 Kaiser 效应法测得的岩石试样地应力值应该是新构造应力场最近时期的地应力。
利用岩石声发射的Kaiser 效应法[12]实测现代地应力场,与传统的应力解除法、水力压裂法相比,具有速度快、成本低、限制少等优点,便于大量测试,以寻求区域性地应力变化规律。因此,该法是一种很有前途的测量地应力方法。
但是Kaiser效应测量地应力还存在许多的问题尚待进行深入的研究,其中与生产实际联系最为密切的最关键问题是地应力的方向如何确定。以往人们使用Kaiser效应测量原岩应力需要180°的范围内进行全方位测试(一般每隔5°取样)。因此试样数量多,测试工作量大,费用高;同时,由于多周期构造运动的作用,使岩体的构造发生了变化,也使区域内的构造应力或原岩应力的大小、方向发生了量和质的变化。而以往所进行的Kaiser效应测定原岩应力均在水平或垂直方向取样,故可能所取得试样中无一是真正处在主应力方向上的。由此测试所得的结果就应是地应力场的一个分力,与真正的原岩应力值就会有一定的差别,甚至相去甚远。正是这些原因,大大影响了Kaiser效应测量原岩应力这一种方法在实际中的运用,不能充分发挥其简单、经济、便于多点测量以寻求区域地应力变化规律的优点。
现在,国内外都在试图将声发射技术推向新的实用化阶段。主要表现为,通过实地的定向取芯技术,在室内测定三维应力,即三个主应力的大小及其方向,并进一步提高主应力数值的测定精度。
4.2 水压致裂法测量地应力
水压致裂法是利用两个相隔数米的可膨胀的橡胶封隔器放在已知深度,封隔一段井眼,然后通过泵入流体对该段井眼增压,同时记录流体压力随时间变化的关系曲线。这种方法的理论基础是假定岩体是线弹性的,各向同性的,非渗透性的,岩体的一个主应力方向与井眼轴平行。由此可对记录曲线进行分析计算,得到与井眼轴相垂直的平面内的两个主应力值的大小,并可通过裂缝的方位求出这两个主应力的方位。当井眼为垂直井眼时,沿井眼轴方向的主应力值按照上覆岩层的重量计算。在上述假定前提下,水压致裂法的力学模型可以简化为一个平面问题,按两个对称的均布应力作用于具有圆孔的无限大平板四周的弹性理论求解[13]。
水压致裂法是广泛应用的一种最有效的原地应力测量方法。这种方法可以直接测量地应力,且测量的结果为一较大范围的应力平均值,它可以在数千米的井中测量,并取得与声发射法的对比资料。
水压致裂法与其它方法相比,存在一个较大的缺陷,就是主应力方向确定不十分准确。但该方法最大优点是:在无需知道岩体的力学参数下,就可获得地层中现今地应力的多种参量,并具有设备简单、操作方便,可在任意深度进行连续或重复测试,测量速度快、测值直观、测值代表性大等优点。因此这一方法越来越受到重视和推广,是目前国际上能较好地直接进行深孔应力测量的先进方法。
水压致裂法测定地应力,除操作技术要标准化外,对测试数据的解释也有待于统一,但这些并不妨碍它在油田中大量而有效的实际应用。
4.3 应力解除法
应力解除法是岩体应力测量中应用较广的方法。它的基本原理是:当需要测定岩体中某点的应力状态时,人为地将该处的岩体单元与周围岩体分离,此时,岩体单元上所受的应力将被解除。同时,该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。论文检测。利用仪器测定这种弹性恢复的应变值或变形值,把岩体假定是连续、均质和各向同性的弹性体,就可以借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。
具有初始应力的岩体用人为的方法解除其地应力,使岩体变形恢复,再通过某种手段测出岩体恢复的变形,然后按弹性理论计算出岩体3个主应力的大小、方向和倾角。应力解除法测量地应力的方法有:孔底应变计、孔径应变计、孔壁应变计、空心包体应力计等方法,其中孔底应变计、孔径应变计只能测出二维应力,若用它测三维应力,则需要打交于1 点互不平行的3个钻孔。采用孔壁应变计和特殊制作的空心包体式孔壁的应力计只需要打1个钻孔就可测出三维应力。
邱贤德(2004)[14]等人在危岩边坡地应力测量中采用空心包体应力计、完全温度补偿技术和自动化实时记录系统进行测量,通过实验数据整理并应用地应力专用计算程序计算分析得出了某危岩边坡地应力的大小、方向、倾角以及分布的基本特征,此种应力解除法测量危岩边坡地应力技术方法,为边坡危岩治理工程设计与施工提供了理论依据,并在现场实施中,取得了良好的效果。
4.4 应力恢复法
应力恢复法测定地应力的基本原理是:在选定的测试点安装测量元件,然后在岩体中开挖一个扁槽埋设液压枕或千斤顶,对其加压,使测量元件的读数恢复到掏槽前的值,则液压钢枕或千斤顶的压力读数便是该方向的岩体应力。其优点是可以不考虑岩体的应力-应变关系而直接得出岩体的应力。其局限性在于:第一,扁千斤顶法只是一种一维应力测量方法,一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的应力分量。为了确定该测点的几个应力分量,就必须在该点沿不同方向切割几个扁槽,这是不可能实现的。因为扁槽的相互重叠造成不同方向测量结果的相互干扰,使之变得毫无意义。第二,如果应力恢复时,岩体的应力和应变关系与应力解除前并不完全相同,也必然影响测量的精度。
有鉴于此,在川藏公路二郎山隧道课题研究中,以王兰生教授为主的课题组提出了方便、可行、易于现场操作的洞壁表面二次应力测试方法――改进应力恢复法。
改进应力恢复法的优点在于:无需测定岩石的弹性模量便可计算岩体的应力,单孔可以测定平面内多方向应力。本方法简单、易行、经济, 适于现场操作。论文检测。改进应力恢复法的关键是等效应力系数A的确定。因此,我们做了室内试验及数值模拟,来求解应力等效系数并验证其正确性,同时进行了影响因素的敏感性分析。
靳晓光、王兰生教授(2000)[15]从室内试验、数值模拟及野外现场测试,系统地研究了应变-应力恢复法测定地下硐室表面二次应力的可行性和正确性。试验结果与数值模拟非常接近,现场测定结果与理论计算结果也基本相同,对二次应力场的测定及研究具有重要的理论意义和实用价值。
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