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

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·凯瑟是第一位描述受拉金属、岩石和木材材料的这种记忆效应的科学家。图9中展示了理想的实验室凯瑟效应测试图。如果声发射(AE)现象明显发生时的压力(所谓的回放最大应力(RMS)，等于PMS(先前经受最大应力)(如图1-8 中所示，RMS=PMS)，那么记忆实验室封存应力的凯瑟效应(KE)现象就被完美地证实了。然而如果施加应力越来越接近岩石的破裂强度时(如图1-8（a），第三循环)，声发射(AE)现象明显发生时的压力水平会低于先前所施加的最大应力(如图1-8（b）所示，RMS＜PMS)。这种现象称之为费利西蒂(Felicity)效应。

图1-8 原始岩芯在实验室内循环加载时的应力—时间曲线(a)

第二和第三个加载循环过程中测量得到的声发射事件和时间或者加载应力关系曲线( b) 概括来讲，单轴凯瑟效应应力测试法是利用从深部取得的主岩芯六个不同方向上钻取得到的小岩芯开展试验室单轴压缩测试确定原地应力张量的方法。单轴凯瑟应力的声发射触发点测试能够给出可信的结果。然而这种方法仍然处于发展阶段，还不能提供完全可靠的结果。一般情况下，凯瑟效应应力测试与其它基于岩芯的应力测试方法(SAR、DSA、WVA)联合使用

1.7 岩芯二次应力解除法

岩芯的二次应力解除法可以用于确定应力方向，也有可能用于确定应力量值。岩芯二次应力解除法的概念起始于测量岩石的残余应力(或者应变)。在取芯过程中，岩芯通过内部产生微裂隙以及形变释放掉了岩芯所存储的主要能量，但是岩芯内仍存在部分残余应力。成功地利用更小尺寸的应力解除过程也可以释放部分残余能量，这种能量变化可以通过残余应变的测量来获取。测试过程非常简单，在岩芯上粘贴应变花，然后进行二次取芯。在每个方向上在取芯前和取芯后的应变变化即反应了岩芯所存储的残余应变或应力。这种应变一般是与原地应力密切相关的。

存放岩芯的二次应力解除简便易行，并且非常方便用于各种存放岩芯上，因此其潜在的使用价值就十分明显。该方法有两个主要缺陷，第一是并不是所有的岩石都对二次解除呈现出明显的应力解除特性，第二是岩石结构在测量中会造成较大的误差。

1.8 微裂隙岩相分析法

对岩芯开展切片分析或者CT 扫描分析非常有价值，这种分析不仅可以提供应力信息，也可以提供丰富的岩芯结构信息。岩相检测分析通常可以区别应力松弛微裂隙和构造微裂隙。应力松弛微裂隙一般存在于晶粒间，宽度均一或者宽度沿某一方向单调变化。构造微裂隙有可能存在晶粒间也有可能切穿晶粒，宽度变化不稳定，特别是有些构造裂隙经历过溶蚀作用，更容易辨别。当然，经验丰富的检测人员完全可以区分各种微裂隙，因而岩芯的微裂隙岩相分析法完全可以用来确定应力方向和岩芯内部结构。这种方法可以作为其它基于岩芯的应力测试方法的一种补充，特别是在其它因素对测试数据影响较为明显时，用这种方法可以立即判定误差来源。

1.9 轴向点荷载分析法

定向岩芯的强度各向异性也可以用于确定地应力方向。点荷载测试是岩样强度各向异性中较为简单的测试方法。测试过程中，利用半球状压头对饼状岩样顶面和底面进行施压，直至岩样破坏。对岩样的破坏模式进行统计分析，得到岩石的微结构特征。如果微结构主要与松弛微裂隙有关，那么诱发破坏裂缝方位会与实验前的微裂隙分布方位一致，而这一方位与最大主应力垂直。如果微裂隙与构造微裂纹相关，那么诱发破坏裂缝方位与实验前的微裂隙分布方位一致，而这一方位不会与最大主应力方位是垂直相交。

在点荷载测试中，要求准备的岩饼应该有相互平行的端面;如果为了得到最大水平应力，那么在岩饼的端面必须水平面内相互平行。在实验阶段，特别注意的是应该使用中等的加载速率以将动载效应降到最低。因此一般情况下，建议该方法和CVA 法或者微裂隙岩相分析法联合使用。该方法非常大的困难是很难判断点荷载测试所产生的强度各向异性到底是由于应力松弛裂隙造成的，还是由于岩样本身的内部结构特征造成的;因此不建议单独依靠该方法对应力方向进行估算。该方法的优点是测试设备和技术简单便宜，开展大量测试方便快捷，因此在样品数量较大的情况下非常适合进行统计研究。

2 基于钻孔的方法

2.1 水压致裂法

应力测量中的水压致裂法又称微型水压致裂法，微型是相对于油田压裂而言。水压致裂的基本原理是利用一对封隔器在钻孔中隔离出一段试验段，然后用高压流体将试验段岩体压裂，产生竖直缝，同时记录压力－时间曲线，通过曲线来判断液体压力和原地应力的平衡点，进而得到原地应力状态。

水压致裂法测地应力的优点非常明显，对测试设备和测试环境的要求相对较低，测试过程简便迅速，数据处理分析也简便易行。但是水压致裂法也存在很多的问题，首先是最大水平主应力SH的计算受到较多因素的影响;其次是在深孔测量时，一般系统柔性较大，而且岩体的渗透性也会对测试过程产生较大影响，同时深孔测量对水压致裂测试的井下设备提出了更高的要求。

2.2 套筒压裂法

如前面所述，传统水压致裂测试中由于压裂液渗透的问题会对原地应力测量中的破裂压力发生影响。为了解决这一问题，Stephasson提出了套筒压裂法，套筒压裂使用旁压仪的高容量薄膜对围压施加压力，当施加的压力超过岩石的抗拉强度，孔壁围岩上就会产生竖直裂缝，并且沿着垂直于最小水平主应力的方向传播。由于没有液体渗透进入孔壁围岩岩体，故可以直接通过破裂压力和重张压力获得原地最大最小水平主应力。

套筒压裂法的缺点也较为明显，非常难确定加压过程中的破裂压力和重张压力，而一些能准确确定破裂压力和重张压力的设备又非常复杂，在井下应用困难，这些缺点大大制约了

套筒压裂技术的推广使用。

2.3 原生裂隙水压致裂法

原生裂隙水压致裂法是利用一对封隔器在钻孔中隔离出一条闭合原生裂隙，利用高压流体将闭合原生裂隙张开，通过压力－时间曲线可以得到作用在裂隙面上的法向应力，完成在至少6 个走向和倾角完全不同的闭合原生裂隙上的测试，就可以求解测试点的全应力张量值。

原生裂隙水压致裂法(HTPF)优点很明显，测试过程只需要测试作用在闭合裂隙面上的法向应力和裂隙面方位角，不需要测试其它岩石力学参数，方法原理假设很少，测试过程和测试参数可靠。同时HTPF法中，仅有精度较高的关闭压力Ps参与计算，测量精度提高。HTP法在实际计算中，由于测量过程中存在误差，仅以6 段原生裂隙进行计算，有可能造成计算机计算无法收敛，所得到的各应力量值与实际值之间存在很大差距。HTPF 法测量过程较经典水压致裂法复杂许多，测量过程中需要对每条裂隙进行精确定位，且对原生裂隙的赋存状态要求很高。在同一个钻孔内寻找不同产状的原生裂隙难度非常高，原生裂隙附近可能存在其他裂隙，对原生裂隙的封隔加压很难保证将该裂隙独立分隔开来;同时保证测量过程中没有液体渗入裂隙内亦很困难。

2.4 套芯解除法

套芯应力解除法的基本原理和第一节提到的基于岩芯的方法有些类似，通过监测岩芯从母岩解除下来过程中的应变和变形，进而反演原地应力场。钻孔套芯应力解除法是基于平面应变解除法发展起来的。

根据测量元件安装和测量的物理量不同，套芯应力解除测量法又可分为钻孔孔壁应变测量法、钻孔孔底应变测量法和钻孔孔径变形测量法三种分别通过监测解除过程中孔壁应变、孔底应变和孔径变形来计算原地应力场。一般来说，孔径变形仪只能测量平面应力状态;而孔底应变仪和孔壁应变仪则能单孔测试全应力张量，使用相对较为方便;孔底应变仪测量操作相对孔壁应变仪困难些，因此到目前为止，空心包体式孔壁应变仪使用相对更为广泛。

套芯解除法最大的缺陷是测试过程相对其它方法较为复杂，测试成功受到的影响因素较多，故对现场测试的要求较多。同时需要注意的是套芯应力解除所反应的是应变计周边的岩石应力状态，故其测试数据所代表的岩石体量较小。

2.5 钻孔崩落

每个钻孔都相当于在地壳岩体上开展的一次岩石力学实验，因此钻孔孔壁对造孔取芯的响应深刻反映了原位的应力状态和岩体属性特征。由于地壳岩体中的应力状态不是均一的，当钻孔成形后，在钻孔孔壁形成应力集中，在最小主应力方向上为压应力集中最强的点，而在最大主应力方向上易形成张应力集中点。当压应力集中强度超过孔壁岩石强度，孔壁开始发生破坏，当孔壁周边的二次应力状态再次达到平衡后，钻孔孔壁的破坏停止，这就形成了新的钻孔形态，这种现象称之为钻孔崩落。一般钻孔崩落的长轴方向为最小水平主应力方向，地应力量值可以通过钻孔崩落破坏区角度范围结合孔壁围岩强度属性的研究参数进行估算。

井孔内的钻孔崩落现象可以通过光学(照相机)，机械式测井仪(井径仪)，超声波测井仪(钻孔电视)或者电阻测井仪(地层微扫描器，简称FMS)观测。超声波钻孔电视(BHTV)能够提供井孔壁连续且定向的超声波图像。当测井工具沿钻孔逐步上移时，BHTV 能按照螺旋线的方式以细窄的脉冲式超声波射束扫描钻孔壁。高级设备如FMS(斯伦贝谢)能够产出高精度的钻孔壁电阻率图像，这种测井图像可以用于确定水压致裂裂缝、钻井诱发张裂缝和钻孔崩落方位。钻孔崩落可以帮助准确确定区域应力场方向，但是对于应力量值，需要针对钻孔围岩的强度、围岩的破裂条件进行相关测定和假设，进而限定应力量值的范围。钻孔崩落的应用

依赖于该现象是否出现，一般在深度超过1000m的钻孔中，可以考虑采用该种方法，浅孔(＜1000m)中该现象一般不会出现。

2.6 孔壁诱发张裂缝

如前面所述，如果钻孔孔壁形成张应力集中或者钻井液压力过大，就会在钻孔孔壁上产生张裂缝。孔壁诱发裂缝走向一般与最大水平主应力方向一致，孔壁诱发张裂缝的基本原理与前面提到的水压致裂法类似。一般情况下，钻孔孔壁出现诱发张裂缝意味着① Sh是最小主应力;②水平主应力SHmax与Shmin之间的差值很大)。有时候钻孔孔壁张裂缝也与高泥浆密度和钻孔孔壁冷却有关。地应力量值估算则需要结合钻井液参数、孔壁围岩强度属性的参数进行估算。孔壁诱发裂缝现象一般可在高应力区和深孔中观察到，孔壁诱发张裂缝一般均限制在距离井壁很近的范围内，穿透深度一般为几毫米或者几厘米，可以利用前面所述图像测井技术(BHTV、FMS)以及一些其它精度较高的地球物理测井技术进行观测。井孔孔壁张裂缝的优缺点与钻孔崩落类似，属于一种现象分析的方法。

2.7 钻孔变形

当钻孔孔壁的应力集中不足以导致岩壁破坏时，钻孔孔壁会产生一定程度的变形，钻孔变形是一种非常常见的现象，特别是超过特定深度后(＞100m)。由于各种测试条件、要求和精度的问题，很多情况下，我们无法测试这一变形值。如果钻孔孔壁光滑规则，通过高精度的仪器还是能观测到钻孔变形程度，钻孔的长轴方向为最小水平主应力方向，短轴方向为最大水平主应力方向。

钻孔变形法目前仍在研发中，未来的推广应用情况仍然有待检验。目前能想到的该方法的问题包括:①钻孔孔壁岩石的蠕变变形;②在测试过程中消除由于钻探原因所造成的钻孔扩径现象;③如何将实验室岩石力学实验数据与钻孔孔壁的岩体数据建立联系。

2.8 钻孔渗漏实验

钻孔渗漏实验测试地应力原理与微型水压致裂测试法原理相同，但是该方法主要在油田上使用较为广泛，通过渗漏实验的压力—时间曲线估算最小水平主应力。

3 地质学方法

3.1 地倾斜调查

地倾斜调查主要用于油田区域应力场分析，在进行油井压裂的过程中，地表会发生形变，地表的这种形变与地下的油井压裂裂缝扩散和分布密切相关。在油井区域的地表布置地表倾斜仪，通过测量地表形变及其分布特征，可以得到地下压裂裂缝的分布特征，进而得到区域应力场的方向特征。一般情况下，这种地表倾斜仪的精度能够检测到水平距离400km长度上

2mm的地表变形所产生的角度变化，或者更高的精度。理想条件下，需要在井下水压致裂前几个周就将地表倾斜仪埋入地下3 ～5m的预设孔内，一方面可以让仪器获得一定的稳定时间，另外一方面也可以得到研究区的环境背景地倾斜噪声，这种噪声包括日月潮汐，地表温度变化所产生的热弹性变形以及其它如风力、降水、地下水位变化、地表人类活动等所造成的地表变形。当基于钻孔或者基于岩芯的方法不能足以提供可靠的区域应力数据时，就可以开展这种地倾斜观测，但是压裂深度不能超过1500m，同时这种方法费时、花费高而且需要足够好的后勤保障。

地震预测研究中也使用了相应的跨断层地倾斜仪，常见的有水管仪、摆式倾斜仪和伸缩仪，也可以在一定程度上反应中长期的地壳中的地应力场变化趋势，但是到目前为止仅见到利用其进行地震预报的报道，未见到相关的利用其进行反演区域应力场的报道，或许这在今

后也是一项值得开展的研究工作，因为地震部门积累了大量的地形变观测资料。

3.2 断层滑动反演

断层运动是地壳构造运动的基本表现形式之一，是地壳岩石中构造应力直接作用的产物。岩石中存在的大量断面构造(擦痕、阶步等) 真实地记录了断层受构造应力作用而产生滑动的方向特征。该方法的实质是用计算出的断面上的剪应力方向拟合断面上的滑动方向，也称滑动方向拟合法。该方法基本原理如图3-1所示，其中假定①在一定的研究区域范围构造应力场是均匀的，这种均匀性包括了构造事件在空间和时间上的相对稳定和持续;②断层运动相互独立，即断层的存在不改变应力场的均匀性;③断层沿断面剪应力方向(L)滑动，即断层擦痕方向(S)与断面剪应力方向(τ)一致;④断层所在岩体为各向同性体。在野外测量过程中，需要认真测量擦痕所在断面的产状，包括走向、倾角、倾向三个参数，以及断层面上的擦痕侧伏角、侧伏向和动向。该方法的一个很大的缺陷是非常难确定断层滑动擦痕发生的具体时间或者年代。

图3-1 断层面上擦痕有关数据测量及计算的结果表示

3.3 新构造运动节理测绘

新构造运动节理测绘的统计结果可以估算新构造运动发生年代的区域应力场方向，其所基于的主要原理是安德森理论。安德森理论认为主要的断层类型可以分为三类，正断层、走滑断层和逆断层，三种断层类型所对应的应力状态分别为SV＞SH＞Sh，SH＞SV＞Sh和SH＞Sh ＞SV，而三种断层的走向与最大最小水平主应力的夹角也有一定的分布规律，这一统计规律就可以用来分析区域应力场方向。拜尔利总结了众多岩石力学实验的结果，认为地壳岩石的内摩擦系数为0.6～0.85，少数岩石除外，这就是著名的拜尔利定律或拜尔利范围。其它一些研究成果表明，绝大多数岩石的摩擦系数在0.5～1.0之间(。研究人员进行的原地应力实测证明实验室测得的摩擦系数适用于上地壳，且限定了上地壳的应力水平。由拜尔利定律可知，符合安德森理论的断层(以下简称安德森断层)，中间主应力与断层面共面，当断层面上的摩擦系数为0. 6～1.0之间，最大主应力与断层面的夹角较小，一般为23°～30°。

3.4 火山口排列调查

火山口排列调查法所依据的力学原理与水压致裂相似，但是这里压裂液为低粘度的熔岩岩浆，所需要调查的参数包括: ①火山口的形状( 圆形或者椭圆形);②火山口周边或者火山

岩侵入围岩所形成岩脉的分布方式;③同期次火山口的排列方式;④火山附近的断层活动分布特征(展布和活动)。通常情况下，火山口排列或者岩浆岩岩脉的延伸方向与火山爆发时的区域最大水平主应力平行，与最小水平主应力垂直，如图3-2所示，该方法对于古应力场分析研究非常有用。在实际运用该方法的过程中，需要仔细辨别不同期次火山形成过程的地质背景和构造条件、同时需要利用DEM或者遥感手段对火山口的地貌性态进行细致分析。该方法给出的古应力方向可靠度较高，但是对于一些古火山和复杂形态和多成因火山，需要开展更为细致的研究工作来确定形成时的古应力方向。

图3-2 地表火山裂隙出露形态示意及其与应力场方向的关系

4 地球物理学方法

4.1 震源机制解

震源机制解的求解，主要是通过假定震源模型参数，计算得到给定地震波速度结构下各台站产生的波形特征，再将其与各台站实际观测波资料进行对比，得到拟合最好的模型参数。求解震源机制解的常用方法主要包括初动符号法和波形反演法，初动符号法主要依据波形的初动极性信息来获取震源机制解，而波形反演法则充分利用了波形资料求解矩张量解。目前，美国、日本、欧洲、我国台湾等都建立了实时波形自动反演系统，并将震源机制解的确定纳入了台网的日常工作。震源机制解能较为准确地得到地震发生时断层两盘的相对运动方向，这种相对运动方向反应了当时的区域应力状态，因而可以给出区域应力场方向和三个应力量值之间的比值关系。

4.2 地球物理测井

地球物理测井方法确定区域应力场方向主要在石油工业中使用广泛，同时由于测井工作是油田储层分析的一项基础工作，因此应用广泛。但是由于地球物理方法多解性的问题，在使用地球物理测井方法开展相应的应力分析时，同时应该对其它影响因素予以考虑以提高获得应力数据的可靠性。

5 基于地下空间的方法

5.1 扁千斤顶法

扁千斤顶法是测量岩壁表面应力的一种方法，也称岩体表面应力恢复法。该方法是国际岩石力学学会试验方法委员会岩石应力测量的推荐方法之一。首先在测量点按照特定规则埋设测量元件，一般埋设在预定测量槽的两侧，埋设完毕后，在预定位置开挖测量槽，同时监

测测量元件所反应的开挖过程中岩体的变形行为(位移或应变量)，再在槽中埋设压力钢枕，测量压力钢枕施压引起的变形，直至能抵消由凿槽引起的变形和该压力下的残余变形时，相对应的压力钢枕压力值就是窄缝槽中垂线方向的围岩法向应力值。当拓展到三维地应力测量时，一般需要在洞室断面岩壁上不同部位布置6个测点，测试设备及测点布置如图5-1所示。

(a)扁千斤顶法原地应力测量方法示意图 (b)测量槽的布置示意图

图5-1 扁千斤顶法原地应力测量方法及测量槽布置示意图

扁千斤顶法测量地应力有以下不足:①该方法只能测量地下洞室围岩表面的地应力，而围岩表面的应力容易受到洞室开挖工艺、围岩二次应力场等因素的影响;②围岩表面的结构面和岩体的各向异性对测试结果影响较大，而且不容易消除;③由于加载工艺的问题，千斤顶施加的应力不是理想均匀状态，同时应力加载过程与解除过程可能并不一致;④在一些软岩中开展实验时，切槽过程中的蠕变现象对测试结果影响明显。这种测试方法的优点也很明显: ①可以直接测试地应力，而且无需知道岩石的弹性模量;②测试设备简单、耐用、稳定;

③所测得的应力是基于一个平面的平均应力，同时对岩体的扰动相对较小。

5.2 表面应力解除法

平面应力测量法是最早的应力测量方法，早在20 世纪初就有工程师利用这种方法测量土木结构组件内部的应力。表面应力解除法是在测试点安装变形测量装置，一般采用几组固定的测量元件，成对按照特定形状规则固定，然后在测量元件周边开展。图5-2三种主要表面应力解除法的测点和切割作业布置示意图:(a)小型岩体切割法;(b)平行钻孔法;(c)中心钻孔法。岩体切割或者小型开挖作业，在这一过程中，监测测量元件之间距离的相对变化，进而得到开挖过程中测量点岩体的变形量，同时求得该区域岩体的弹性模量，就可以估算测量点原地应力状态。这种方法在应力测量发展的早期起到了很大的作用，近年来该方法的使用率已经很低了。

(a) 小型岩体切割法 (b)平行钻孔法 (c)中心钻孔法

图5-2 三种主要表面应力解除法的测点和切割作业布置示意图

表面应力解除法在应力测量发展早期起到了很大的作用，但是这种方法也有很大的局限性，包括①测量环境对应变计或者测量柱影响较大，例如湿度、灰尘和地下温度等;②与扁千斤顶法类似，平面应力解除仅能测量地下洞室围岩表面的地应力，而围岩表面的应力容易受到洞室开挖工艺、围岩二次应力场、洞室表面应力集中等因素的影响，同时围岩表面的结构面和岩体的各向异性对测试结果影响较大，而且不容易消除;③这种方法测出的只是岩石表面的两个主应力，属于平面应力测量。

5.3 反分析法

地下空间开挖后，周边围岩必然会变形，而且这种变形非常明显，只要仔细观测地下空间围岩的变形过程，并求得地下空间围岩的岩体弹性模量或者变形模量，就可以估算工程区的原地应力场状态，通常人们称这种方法为反分析法。这种方法中是首先在岩体中预埋设应变仪、伸缩仪、闭合仪、倾斜仪等位移或者应变观测装置，然后观测后续开挖进行时这些仪器的记录响应，进而利用数值分析法(三维有限元或者三维边界元)来分析区域应力场。在深部高地应力区开挖过程中，基于地下空间变形的反分析法得到的原地应力状态更为准确，但是通常科技人员低估该方法的价值。

6 结语

以上内容对目前所使用的较为常见的应力测试方法进行了回顾总结，不同的方法有不同的适用范围，也有不同的误差范围，这些方法的优缺点和适用范围列于表2。

表2 原地应力测试和估算方法对比

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