地应力测量方法

4.2.4 声发射法
声发射：材料在受到外载荷作用时，其内部贮存的应变能快速释 放产生弹性波，发生声响。 Kaiser效应：1950年，德国人凯泽（J.Kaiser）发现多晶金属的应 力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最 大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高 水平后，则大量产生声发射，这一现象叫做Kaiser效应。 Kaiser点：为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取 回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行加载 声发射试验，测定凯泽点，即可找出每个试件以前所受的最大应 力，并进而求出取样点的原始（历史）三维应力状态。
2
2 ( 1 2 ) cos 2

r
0
式中， 和 r 分别为钻孔周边的切向应力和径向应力； 为周边一点与 1 轴的夹角。 当 ＝0º 时， 取得极小值，此时 3 2 1
Hale Waihona Puke 4.2.3 水压致裂法如果采用图所示的水压致裂 系统将钻孔某段封隔起来， 并向该段钻孔注入高压水， 当水压超过 3 2 1 和岩石 抗拉强度T之和后，在 ＝ 0º 处，也即所在方位将发生 孔壁开裂。设钻孔壁发生初 始开裂时的水压为 Pi ，则有
4.2.3 水压致裂法
3）重新向密封段注射高压水，使裂隙 重新打开并记下裂隙重开时的压力Pr 和随后的恒定关闭压力Ps。这种卸压重新加压的过程重复2-3次，以提高测 试数据的准确性。Pr和Ps同样由压力时间曲线和流量-时间曲线确定。
4）将封隔器完全卸压，连同加压管等 全部设备从钻孔中取出。
5）测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天 然节理、裂隙的位臵、方向和大小， 测量可以采用井下摄影机、井下电视、 井下光学望远镜或印模器。
①P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力 ②Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力 ③Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开 裂压力 ④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩渗 透性大，该压力将逐渐衰减 ⑤Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力
4.2.3 水压致裂法
Pi 3
2
P
3
1 T
水压致裂应力测量原理
4.2.3 水压致裂法
如果继续向封隔段注入高压 水，使裂隙进一步扩展，当 裂隙深度达到3倍钻孔直径时， 此处已接近原岩应力状态， 停止加压，保持压力恒定， 将该恒定压力记为Ps，Ps应 和原岩应力相平衡σ2， 即
Ps
测试步骤
1、试件制备 从现场钻孔提取岩石试样，试样在原环境状态下的方向 必须确定。将试样加工成圆柱体试件，径高比为1:2~1:3。 为了确定测点三维应力状态，必须在该点的岩样中沿六 个不同方向制备试件。 设局部坐标系为oxyz，则三个方向取坐标轴方向，另外三 个方向取oxy、oyz、ozx平面内的轴角平分线方向，每个 方向取样15~25块。 为消除端部效应，试件两端浇铸由环氧树脂或其他复合 材料制成的端帽。
4.2.3 水压致裂法
20世纪50年代广泛应用于油田，通过在钻井中制造人工 的裂隙来提高石油的产量。 从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔 受到无穷远处二维应力场( 1 ， 2 )的作用时，离开钻孔端 部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔 周边的应力为
1
测试步骤
由声发射监测所获得的应力-声发射事件数曲线，即可 确定每次试验的Kaiser点，并进而确定该试件轴线方向 先前受到的最大应力值。15-25个试件获得一个方向的 统计结果，六个方向的应力值即可确定取样点的历史 最大三维应力大小和方向。 声发射与弹性波传播有关，所以 高强度的脆性岩石有较明显的声 发射kaiser效应出现，而多孔隙低 强度及塑性岩体的kaiser效应不明 显，所以不能测定比较软弱疏松 岩体中的应力。
4.2.3 水压致裂法
（2）加液压将孔壁 压裂与重开 Pb Pb Pb0 Ps Ps
P0
①P0-孔隙水压力或 地下水压力 ②Pb-初始压裂压力
Ps Ps
Pb0 Ps0 Ps0 P0
③Ps-稳定开裂压力
④Ps0-关闭压力
P0
⑤Pb0-重张压力
图 压裂过程泵压变化及特征压力
4.2.3 水压致裂法

各特征压力的物理意义
测试步骤
2、声发射测试 将试件放在单轴压缩试验机上加压，并同时监测加压过程 中从试件中产生的声发射现象。
Kaiser效应一般发生在加载的初期， 因此，加载系统应选用小吨位的 应力控制系统，并保持恒定加载 速率。
声发射速率和加载速率有关，在 加载初期，人工操作很难保证加 载速率恒定，在声发射事件速率 曲线上可能出现多个峰值，难于 判定真正的Kaiser点。
水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力 和最小主应力的大小和方向，所以从原理上讲，它是一种二维应 力测量方法。 水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位， 亦即平行于最大主应力的方向，这是基于岩石为连续、均质和各 向同性的假设。水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中。 水压致裂法的突出优点是能测量深部应力，已见报道的最大 测深为5000m，这是其它方法所不能做到的。因此这种方法可用 来测量深部地壳的构造应力场。同时，对于某些工程，如露天边 坡工程，由于没有现成的地下井巷、隧道、峒室等可用来接近应 力测量点，或者在地下工程的前期阶段，需要估计该工程区域的 地应力场，也只有使用水压致裂法才是最经济实用的。
Pr 3
2
水压致裂应力测量原理
1 P0
4.2.3 水压致裂法
Ps
Pr 3
2
2
1 P0
P
3
由以上两式求σ1和σ2就无须 知道岩石的抗拉强度。因此， 由水压致裂法测量原岩应力 将不涉及岩石的物理力学性 质，而完全由测量和记录的 压力值来决定。
水压致裂应力测量原理
4.2.3 水压致裂法
1）打钻孔到准备测量应力的部位，井将 钻孔中待加压段用封隔器密封起来，钻 孔直径与所选用的封隔器的直径相一致。 封隔器一般是充压膨胀式的，充压可用 液体，也可用气体。 2）向二个封隔器的隔离段注射高压水， 不断加大水压，直至孔壁出现开裂，获 得初始开裂压力Pi；然后继续施加水压以 扩张裂隙，当裂隙扩张至3倍直径深度时， 关闭高水压系统，保持水压恒定，此时 的应力称为关闭压力，记为Ps；最后卸压， 使裂隙闭合。在整个加压过程中，同时 记录压力-时间曲线图和流量-时间曲线图， 确定Pi，Ps值。
2
P
3
水压致裂应力测量原理
4.2.3 水压致裂法
在钻孔中存在裂隙水的情况 下，如封隔段处的裂隙水压 力为P0 ,则
Pi 3
2
1 T P0
P
3
在初始裂隙产生后，将水 压卸除，使裂隙闭合，然 后再重新向封隔段加压， 使裂隙重新打开，记裂隙 重开时的压力为Pr，则有