地应力
地应力测量的国内外研究现状
摘要：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.
关键词：地应力；测量方法；适用范围；发展趋势
Abstract：With the construction of a large of rock engineerings，especial the deep buried rock engineerings in western China，the geo-stress state directly influences the stability of engineerings and region，and the stress measurement and study have been given a great deal of attention by researchers and engineers．Through collecting a great deal of geo-stress measurement research achievements in China and foreign，the development history of geo-stress measurement is reviewed。the merits and demerits of all geo—stress measurement methods is generalized，the characteristics and questions of following rock engineerings are analyzed，and the discussion and prospects are made for the future development orientation of geo-stress measurement．
Key words：geo-stress；measurement method；suit range；developing tendency
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。他是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天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，实现岩石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件［1］。随着我国西部大开发的持续推进，将兴建一大批高海拔、超埋深、高温差的大型地下工程，地应力对工程的稳定性影响越来越大，如岩爆、瓦斯突出、围压大变形、顶板垮落、底板突水等一系列地质灾害都与地应力有关．因此，地应力测量与研究已成科研人员和工程界最关心的问题之一［2］。
1 国内外地应力测量的研究历程
世界第1次地应力实测是美国1932年对哈佛大坝的泄水隧道表面应力的解除法测量［3］．但是直到20世纪50年代，哈斯特利用压磁应力计在瑞典拉伊斯瓦尔铅矿和斯堪的纳维亚半岛4个矿区进行了大规模地应力测量，并首次发表了近地表地层中的实测水平应力高于垂直应力的成果，此后地应力测量才迅速在欧洲、北美洲、南澳洲和亚洲开展，仅在1960-1974年间，在0.5～3.0m 的钻孔中就完成了3万多次的地应力测量．Brown & Hoek (1978)统计了全球实测地应力随埋深的分布规律［4］
5.0150023.0100min max +<+≤+H
H v σσσ (1) 式中：v σ，max σ，min σ 分别为垂直应力、最大和最小水平主应力(MPa)；H 为埋深(m)。
Brown & Hoek 研究表明，地壳浅部垂直应力基本等于岩层自重，而水平地应力普遍大于垂直应力，并随埋深增加，应力呈向静水压力状态过渡的趋势，静水压力假设只是地应力状态的一个特例，简化了对地应力成因和分布规律的认识。
20世纪60年代中期前，地应力测量还处于平面应力水平，方法有：扁千斤顶法、光弹应力计法、应变计法、孔径变形计法、孔底应变计法等，测深多在几十米内．文献[5]完善了水压致裂法地应力测量原理和技术，使美国率先进入了实用阶段．60年代中期，南非科学和工业研究委员会(CSIR)研制成功了三轴孔壁应变计，可在单点获得三维地应力，澳大利亚联邦科学和工业研究组织(CSIRO)研
制出了CSIRO型三轴空心包体应变计．80年代，瑞典国家电力局研制了水下钻孔三向应变计，配有井下采集，测深达500多m．随着震源机制分析逐步成熟,60年代建立了世界地震台网.Zoback(1992年)根据大量实测资料编制了首张世界应力图(WSM)。
我国地应力测量与研究起于20世纪50年代后期由李四光和陈宗基两位教授分别指导的地质力学研究所和三峡岩基专题研究组开始的。尽管国外表面应力解除法早在30年代就有了，但当时我国处于封闭状态。例如，解除岩心的掏槽法，无不经过艰苦努力，完全是在一穷二白的基础上逐渐摸索出经验，直到1962～1964年在三峡平善坝坝址才获得表面岩石应力量测的成果，60年代初，中国科学院武汉岩土力学研究所又在大冶铁矿摸索浅层钻孔应力测量技术，获得可贵成果。与此同时，著名地质学家李四光教授指导地质力学研究所，研制压磁式应力计，并于1966年3月首先在河北建立了第一个地应力观测站。70年代以后，我国钻孔应力测量的到迅速发展1980年10月在河北易县首次成功进行了水压致裂法地应力测量，现测量深度已突破2 000 m．1984年引进并改进了瑞典的深钻孔水下三向应变计，使其最大测量深达530 m．之后，空心包体应变计研制成功．再后相继对我国以前的地震记录进行了初步的震源机制分析和对我国大陆构造应力环境进行了系统研究［5］。
2 地应力测量方法［6--20］
地应力测试方法有上百种，不同的划分标准有不同的划分结果，从测量原理上可分为地应力直接测量法和地应力间接测量法。直接测法通过扰动岩石的初始条件，以产生应变、变形、裂隙张开等；间接地应力测量是基于对与地应力有关现象分析。根据地应力测量时的操作特点，又可分为钻孔应力测量、利用岩芯地应力测量、岩石表面应力测量、地质构造分析等几类方法，见表1。
表1 根据操作特点的地应力测量方法分类
2.1 水压致裂法
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。
2.1.1 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6000m和9000m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，Y MizutaI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 15 ，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。
2.1.2 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。
2.2 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。探孔应力解除法根据传感器的类型可分为孔壁应变法和孔径变形法。
2.2.1 孔壁应变法
在三维应力的作用下，一个无限体中钻孔表面及周围的应力分布可以由现代弹性理论给出精确解。通过应力解除测出钻孔表而的应变，即可求出钻孔表面的应力。并进而给出原岩应力状态 南非科学和工业研究委员会的CSIR 三轴孔壁应变计就是根据这一原理制造出来的［10］。应力解除测得的孔壁应变值可通过下列公式和原岩应力场联系起来：
(){()()[]z xy y x y x v v E
σθτθσσσσεθ----++=2sin 22cos 1212 ()[]
y x z z v E
σσσε+-=1 ()()θτθτγθsin cos 14zx yz z v E
-+= ()z z θθγεεε±+=±2145 式中的 z ε，θε，z θγ 分别为孔壁周向应变、轴向应变和剪切应变；
45±ε则为与钻孔轴线成 45±方向的应变。 CSIR 三轴孔壁应变计的优点是三组应变花直接粘贴在孔壁上。应变计本身对测量结果没有任何影响．使用该应变计的关键是三组应变花必须和孔壁牢固地胶结在一起。然而由于触头表面积很小，如果钻孔表面不光滑或有裂隙缺陷，则胶
结状态可能会很差．在此情况下，应变计的工作性能就会受到很大影响。
2.2.2 孔径变形法
由应力解除引起的孔径变形可用孔径变形计来测量，其中最著名的是美国矿山局的USBM 孔径变形计，它盈测直径38mm钻孔中间隔为60。的三个直径方向上的
变形。根据测得的三个方向的孔径变形，即可求出垂直于钻孔的平面内的应力状
态。如果要测量三维应力状态，就必须打三个互不平行的钻孔．由测得的九个变
形量，用最小二乘法求出三维应力值。
美国矿山局孔径变形计的突出优点是它采用全桥电桥线路因而受温度变化的影响较小，而且探测元件与孔壁直接接触，不受胶结状态等附加条件影响，所以工作比较可靠．但由于接触顶杆和孔壁处于点接触状态。因此要求孔壁必须规则和光滑，不能有明显的缺陷、裂隙及钻孔碎，测量结果易受岩石节理、裂隙和不均质性的影
响，因而它适用于比较连续完整的岩石中。
类似的孔径变形计还有数十种之多，可测一至六个方向的钻孔变形，有的
还设有附加应变片或位移传感器测量轴向变形，测量钻孔的直径由16mm到97mm
不等。
2.2.3 孔底应变法
孔底应变法可分为平底和锥体2种，在底面贴上3个以上的应变片进行测量，
不需要先钻小导孔，对岩芯的完整性要求不高，仅5 cm长即可，适合破碎岩体以
及高应力岩芯易饼化区，测试成功率高，周期短，我国曾进行过大量的测试，但
目前应用已较少，在国外却得到了广泛应用。
孔底应变法的缺点是仅能获得平面应力，且孔底必须打磨平滑或磨成锥体，在水下测试成功率低，若想获得三维地应力结果，通常需在3个以上不同方向钻孔中进行测试。
2.3 应力恢复法
应力恢复法有时也被称为应力补偿方法，应用最广泛的是扁千斤顶法．扁千
斤顶法最初主要是在土木工程中作为监测应力变化的一种手段，它的主要缺点
是：在测量时，由于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，要确定测点的6个应力分量就必须沿测点不同方向切割6个扁槽，这样可能
会使扁槽之间相互干扰而使得测量的结果失去意义；该法仅局限于地下巷道、洞
室表面的应力测量，受开挖扰动影响大；测试结果的可靠性受测量时的环境条件
影响较大，因而在一定程度上限制了它在实际工程中的应用．目前该法已很少被
用于地应力测量，但在矿山中仍被作为监测矿柱和围岩应力变化的一种方法。2.4 钻孔崩落法
钻孔崩落是孔壁岩石在高应力作用下发生破坏脱落掉块的现象，最初仅能获
得钻孔横截面上的最大主应力方向。它借助于地球物理测井、深部岩体的变形破
坏机理和室内试验研究结果，根据崩落形状要素及岩石的内聚力和内摩擦角可估
算应力大小。
该法最大水平主应力方向测试较精确，但应力量值计算精度还需进一步的提高；当钻孔不存在崩落时，就不能获得相关的地应力信息；另若岩石各向异性或非均质性突出，也会给地应力量值和方位的确定带来很大误差。
2.5 震源机制分析法
震源机制分析法是了解地下深处应力状态的最主要方法。当震源体积相对于
所研究区域很小时，可将其近似看成是点源，根据一组震源机制解或地震矩张量
确定该组地震所在区域的平均构造应力场的主应力方向和应力比．震源机制解通
常给出地震断层面及与地震断层面正交的辅助面的空间位置，多数情况只能给出
这一对垂直面的空间位置。现在实际中还发展了多震源机制解法．但震源实际过
程复杂，难用沿平面的纯剪切错动描述．目前，已用测定震源的地震矩张量来代
替双力偶模型的震源机制解答，也可用求多个地震的平均地震矩张量的主轴方向
来推断地震所在地区的主应力方向。
常用震源模型建立在线弹性理论基础上，其导出的地震引起的位移场、应变
场和应力场本质上都是以某个不为零的初值作为参考状态，理论上只能确定震源
区地震引起的应力变化、大区域的空间构造应力方向以及3个主应力的相对大小，
而不能得到绝对值．但地震波从震源发出后，在传播途径中可携带传播介质受应
力作用的信息。因此，有利用地震波研究传播介质的应力状态的可能性。
2.6 凯塞效应法(Kaiser法)
1950年德国学者凯塞(Kaiser)发现，受过应力作用的岩石被再次加载时，在
未达到上次加载应力前，岩石基本没有声发射，在达到并超过上次加载的应力后，
声发射显著增加。从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点被称为Kaiser
点，Kaiser点所对应的应力即为材料在历史上受到的最高应力．古德曼(Goodman)
在20世纪60年代初通过实验验证了岩石材料具有Kaiser效应。若利用岩芯地下定位或古地磁法确定岩芯方位，确定不同方向岩芯的最大应力值，可得三维应力状态．Kaiser法地应力测量可方便测量其他方法很难到的深度。
Kaiser法存在记忆的多期性和记忆衰退问题，且试验围压对结果影响大．当钻孔很深时，岩芯定位多采用古地磁法，但岩芯从被磁化到现在，岩芯的方位在地下可能发生变化。
2.7 应变恢复法
应变恢复法包括非弹性应变恢复法和差应变曲线分析法。尽管非弹性应变恢复法测定原位应力由沃伊特(Voight)1968年提出，但首次成功应用则是由图菲尔(Teu~1)在1982年首次完成的当岩芯从周围岩体分离之后会因应力释放而产生变形，认为变形由瞬时弹性变形和非弹性恢复变形组成。假定非弹性恢复应变和总的恢复应变成正比，主非弹性恢复的方向和原岩石主应力方向相一致，并已知岩石的本构关系，就可以确定原位应力的大小和方向。
应变恢复法在岩芯中存在温度变化、岩芯失水崩解、孔隙压力变化、岩石各向异性、应变恢复时间长、岩芯定位精度差等影响时，测量精度差．实际中会碰到应力恢复法测得的应力方位与解除法不符，这主要与应变恢复法仅能测得部分小应变有关．但随着测试精度的提高，以及大测深的优势，应变恢复法也是深部和非常深部岩体的一种有效的地应力测量方法。
2.8 其它的应力或应变解除方法
2.8.1 局部应力解除方法
和套孔解除法的完全应力解除不同，某些方法采用对钻孔做部分应力或应变解除以测量原始地应力。
(a)径向切槽法：使用金钢石钻具在钻孔壁上沿径向切槽，并用切向应变计记录切槽前后的应变变化．通过三个同样的切槽测量，即可决定垂直予钻孔的平面内的应力状态。这种方法经过改进也有可能用来测定三维应力状态
(b)全息干涉测量法：在垂直于孔壁的方向钻一小孔，使孔壁应力部分解除，从而产生微小位移并引起全息干涉仪中相干光的全息干涉．由于涉条纹可定出孔壁上的二维应力状态和岩石的弹性模量.
(c)平行钻孔法：将孔径变形计安装在一个钻孔内，然后在该孔周围再打一个或数个与之平行的钻孔．由测得的第一个孔的孔径变形，根据含两个或多个圆孔的无限大平板的弹性理论解或运用数值法，即可算出垂直于钻孔的平面内的应力状态.
(d)中心钻孔法：在岩石表面沿一个直径为2OO～250ram的圆周等间距地布置三对径向测量柱．然后在圆心处打_个直径为150mm的钻孔，测量钻孔所引起的三对对测量柱之间的径向距离变化，即可确定岩石表面的二维应力状态.
(e)钻孔延伸法：将钻孔变形计安装在靠近钻孑L底部的地方。然后延伸钻孔，从而引起孔径变化．当钻孔延伸超过二倍孔径时，变形趋于稳定．通过有限元计算等方法，即可由测量的钻孔变形求出垂直于钻孔的平面内的二维应力状态.
(f)千斤顶压裂法：用一自平衡双向千斤顶沿一直径方向向孔壁加压。直至在孔壁的另一径向相对的部位出现纵向开裂。、从而引起局部应力解除．用事先压贴在开裂部位的摩擦式电阻应变计，可以测出该部位的切向应变．沿三个不同方向加压并测量。由测量结果就可计算出垂直于钻孔的平面内的二维应力状态.
2.8.2 松弛应变测量
(a)微应变曲线分析：此法基于这样的假设。即在应力解除后，在暴露的岩芯基体上会出现一系列的微裂隙．微裂隙的数量和方向均和原岩的应力状态有关，对从岩芯中截取的立方体试样加静水压力，使试样中的所有裂隙闭合．在试件表面不同方向粘贴应变片，记录下闭合过程中的应变变化，据此即可推断出原岩应力状态
(b)钻孔张裂测量法：在钻孔表面暴露以后，由于岩石膨胀，会在与最小主应力方向平行的钻孔径向相对的两个区域出现平行于钻孔表而的纵向张裂．如果钻孔与一主应力方向重合，那么通过测量钻孔张裂即可决定其它两个主应力的方向，主应力的大小由张裂的深度和宽度来决定
(C) 非弹性恢复应变测量法这种方法是应力解除法的延伸．在应力解之后，立即在作好方位标记的岩芯表面沿不同方向贴上应变片，以测量岩芯从钻孔取出后一段时的部分恢复应变.原岩主应力的方向和主恢复应变的方向相重合。主应力的大小由恢复应变值、有效自重应力及岩石的弹性性质所决定.
3 地球物理探测法
3.1 超声波测量法：岩石中的弹性波特别是纵波的波速和衰减随应力状态而依一定的定量关系变化．测量弹性波在岩体中的传播速度，并根据在该岩石中标定的应力和波速的关系，即可确定测量平面内的主应力状态.
3.2 超声波谱法：向岩石中发射超声剪切波，波将因岩石应力而发生双折射，其双折射率是应力的函数.为了确定地应力状态。需要首先标定超声剪切波在岩石中双折射随岩石应力变化的规律.
3.3 放射性同位素法：岩体对放射性同位素幅射的吸收率是密度的函数.随着压缩应力增加,岩体密度显著增加.故通过测定辐射吸收率即可确定岩体密度并进而估计出应力的大小.
3.4 原子磁性共振法：已经发现纯核子四极共振受应力和温度变化所引起的晶格扭曲的影响．若已知共振频率和应力的关系，则岩体中的每个晶格都可被用作应力传感器,应力作用所引起的电阻率,电容,电磁等性质的变化，也可用来推算岩体应力状态．
由于岩体是复杂多变的，并且人们尚未完全弄清所测地球物理量与岩石条件及地应力的关系，因而用地球物理方法不能精确测定地应力的大小和方向，只能对大范围的应力状态进行大致的探索。
4 地应力测量的发展趋势
随着深部岩体工程出现的新特征，如：岩体处于高应力、高地温、高孔隙水压力环境中，岩体结构特征呈埋深越大，岩块越小，小结构面越多的趋势；深部岩体的非线性、非连续性与非协调性突出等．传统连续介质力学在部分情况下已无法解释，相应的测试技术和理论需进一步完善．
对于一般工程目的的局部地应力测量，由于测深相对浅，传统的套钻孔应力解除法和HF法经过多年发展，可满足需要.
而深部构造应力场的测试与研究，是地球物理学和地球动力学的基本课题，又是难题．目前深部地应力直接测量的惟一方法是HF法，国外改进的设备已可测9000 m，而我国目前最大测深约2000 m．根据国际上对深钻、超深钻的划分标准(3000 m以下为中浅钻，5000 m 以上为超深钻)，我国还停留在中浅钻孔地应力测试水平．因此，需对我国传统水压致裂设备进行升级，研制新型耐高温、高压的封隔器以及深孔成像技术，并从理论上考虑岩体的非线性、孔隙弹性效应和相
应的破裂准则．
在目前的地应力测量水平下，对于具体的研究对象，应根据实际情况采取多种方法．如当钻孔超过2000 m后，钻孔崩落的可能性大，此时应结合钻孔崩落法和其他如应变恢复法、Kaiser法等。因此，利用2种或2种以上方法综合确定原地应力是深部地应力测量最现实的手段和一个发展趋势［21］。此外，随着计算机技术的迅速发展。应用计算机进行控制、数据采集与处理的各种智能化仪器仪表不断被研制出来。智能化应力测量仪的研制成功地解决了深孔应力测量中应力解除过程的应变变化的全过程，实现了孔内探头应变数据的采集与处理全过程的计算机化，通过微机接13可快速处理数据，计算应力，绘制曲线．并对测量结果的可靠性与有效性作出及时而正确的判断，可及时采取补救措施，提高了测量效率和水平。
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