岩体地应力及其测量方法综述
地应力测量的国内外研究现状综述
地应力测量的国内外研究现状综述地应力测量（In situ stress measurement），就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态。
本文以岩石Kaiser效应为例，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。
标签：地应力测量岩石声发射凯塞尔效应1引言地应力测量，就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态。
岩石在外载荷的作用下产生微破裂时，一部分应变能将以弹性波的形式释放出来，称为岩石的声发射（Acoustic Emission，简称AE）[1]。
对花岗岩、大理岩、砂岩等岩石进行加载时，当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，即岩石声发射的Kaiser 效应，其为测量岩石应力提供了一个途径，即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声发射试验，测定Kaiser点，即可找出每个试件以前所曾受到的最大应力，并进而求出取样点的原始三维应力状态[2]。
2国外研究现状早在二十世纪三十年代，Obert 和Duvall 在发现岩石中存在声发射现象的基础上经过不懈的努力成功的将声发射技术应用到矿山岩体稳定性监测和岩爆的监测预报中（Black W，1982）。
在研究中发现岩石作为一种脆性材料，内部孔隙、微裂纹等缺陷在外荷载作用下扩展贯通直至破坏，在这一过程中内部颗粒破坏失效所产生的能量突然以应力波的形式释放，通过仪器对传至岩石表面的弹性应力波的监测和分析，探讨岩石在外部荷载作用下内部裂纹的变化和发展规律，通过研究这些规律发现矿山岩体失稳破坏的前兆特征，制订出一套适用于工程实际的预测预报机制，为安全生产和作业人员的人身安全提供了强有力的保障。
现代声发射技术的开始主要应归功于德国科学家凯塞（Kaiser）的研究工作（Kaiser J，1950）。
岩体地应力及其测量方法综述
岩体地应力及其测量方法综述明有封闭应力的存在。
地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。
应力解除法是岩体应力测量中应用较广的方法。
(2)对于地表剥蚀作用因素是导致常规初始应力反演中重力因子大于1的原因,易达根据地表剥蚀作用对地应力场反演影响的研究成果对此问题做了假定分析。
关键词：地应力，剥蚀作用，应力解除法，重力因子1 地应力的成因及其分类地应力一般是质地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，或称初始应力，主要是在重力和构造运动综合作用下形成的应力，有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆浸入等作用下形成的应力[1]。
1.1 地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。
其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分[1]。
1.2 地应力的分类地应力按不同起源分为：自重应力、构造应力、剩余应力（卸荷作用在岩体内引起高的水平应力）和变异应力（由岩体的物理状态、化学性质或赋存条件方面的变化而引起的应力）。
值得注意的是剩余应力与残余构造应力是完全不同的：剩余应力不具有方向性，常是x=y；而残余应力引起的高水平应力具方向性，x与y相差较大[2]。
1980年陈宗基曾提出封闭应力的概念。
由于岩石是非均质介质，它的颗粒大小、力学性质及热传导系数等各不相同。
当地壳经受压力或温度变化后，岩石中各种晶体将产生变形。
由于晶体间的摩擦力使其在变形过程中局部将受到阻碍，引起应力积累。
4、岩体地应力及其测量方法
4.3高应力区特征-11
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1、高应力区判别准则和高地应力现象
①高应力判别准则 高应力为一相对概念，埋深大不一定存在高应力问题，埋 深小可能存在高应力问题。当围岩内部最大应力与围岩强 度比值达到一定水平时，才能称为高应力，即：
Rb 围岩强度比 = σ max
极高地应力 法国隧道协会 <2 <4 >2 <2 高地应力 2-4 4-7 4-6 2-4 一般地应力 >4 >7 >6 >4
4.4地应力测量方法-21
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1、地应力测量基本原理
①地应力的种类 岩体中的应力可分为原始应力和二次应力。岩体中一点的 三维应力状态可以用 (σ x , σ y , σ z ,τ xy ,τ yz ,τ zx ) 来表示，坐标系可 根据实际需要任意选择。 ②地应力测量方法 开挖硐室后，进入硐室测量； 在地表或硐室表面打洞进行测量； 直接测量法：测量值和原岩应力的相互关系，进行转换。 间接测量法：测量某些物理量通过间接物理计算。
4.1地应力成因组成及影响因素-1
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1、地应力基本概念
存在于岩体中的未受扰动的自然应力，或称原岩应力。工 程进行后应力受到影响而产生二次分布，重新分布后的应 力为二次应力或诱导应力。
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2、地应力的成因、组成影响因素
①地应力成因 1878年瑞典地质学家海姆提出静水压力概念； 1926年前苏联学者金尼克修正了海姆静水压力公式，提 出侧压力与正压力的关系为：
4.3高应力区特征-14
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2、岩爆及其防治措施
①概述 围岩处于高应力条件下所产生的岩片飞射抛散，以及洞壁 片状剥落等现象。我国岩爆事故在煤矿及水电工程中都有 发生，特别是矿井工程中岩爆现象突出。 岩爆现象机理复杂，至今人们仍未形成统一认识。 ②岩爆类型、性质及特点 根据现场调查的岩爆特征，将其分为：破裂松脱型、爆裂 弹射型、爆炸抛射型。 破裂松脱型：围岩成块状、板状、鳞片状，弹射距离短， 岩壁上形成破裂坑。
4-地应力及其测量解析
e) 对地应力的传统认识有误。
1912年A.Heim h v H
1926年A.H.Динник
h
H 1
20世纪50年代N.Hast实测发现存在于地壳 上部的最大主应力方向接近水平的，而且 最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍， 甚至更多。
6
4.1.3 地应力的成因
1）地幔热对流
• 硅镁质组成的地幔因高温，上 下对流、蠕动，深部地幔上升 到顶部时变成2股方向相反的 平流：与反向平流相遇，转为 下降流进入深部，形成封闭的 循环体系。
Pb0 Pb0
Ps
Ps
Ps0
Ps
Ps0
Ps
P0
P0 ④Ps0-关闭压力
⑤Pb0-重张压力
图 压裂过程泵压变化及特征压力
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• 各特征压力的物理意义 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
y 1 sin
z 1 sin
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（4）当松散介质有一定粘聚力时 (c>0 )
侧压力为：
x
H
1 sin 1 sin
2c cos 1 sin
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注：当 x 0
说明无侧压力
x 0
无侧压力深度
HO
2C cos
1 sin
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5)地质构造应力
20
5)地质构造应力
Fujianshanghang，
平均水平应力 K 垂直应力
K 1500 0.5 Z
K 100 0.3 Z
4.4 高地应力地区的主要岩石力学问题
地应力基本概念及测量方法
地应力基本概念及测量方法应力等因素导致岩体具有初始地应力（或简称地应力）是最具有特色的性质之一。
就岩体工程而言，如不考虑岩体地应力这一要素，就难以进行合理的分析和得出符合实际的结论。
岩体应力天然应力是指未经人为扰动的，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。
天然应力构成：岩体自重自重应力构造运动构造应力流体作用静水压力梯度，渗流应力其他（低温、地球化学作用）地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极大，它不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且往往对各类建筑物的设计和施工造成直接的影响。
比如，地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏。
这都是由于在具有初始地应力场的岩体中进行开挖所致，因为这种开挖荷载通常是地下工程问题中的重要荷载。
由此可见，如何测定和评估岩体的地应力，如何合理模拟工程区域的初始地应力场以及正确和合理地计算工程问题中的开挖荷载，是岩石力学与工程问题中不可回避的重要问题。
已有的研究和工程实践表明，浅部地壳应力分布主要有如下的一些基本规律：地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。
实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。
水平应力普遍大于垂直应力。
平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。
最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。
最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。
地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。
高应力区实践表明，在高应力区，地表、地下工程施工期间所进行的岩体开挖工作，往往能在岩体内引起一系列与卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，其结果是不仅会恶化地基或边坡岩体的工程地质条件，而且作用的本身有时也会对建筑物造成直接的危害。
地应力测量方法综述
地应力测量方法综述张重远1，2，吴满路1，2，陈群策1，2，廖椿庭2，丰成君2（1．国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京100081；2．中国地质科学院地质力学研究所，北京100081）摘要：通过回顾地应力测量的起源及发展历程，对地应力测量方法进行了归类分析，明确了各种方法的基本原理、优缺点及应用范围；同时，对地应力测量的最新发展趋势以及目前我国在地应力测量方面面临的问题与挑战进行了剖析．研究成果对于采用较好的地应力测量方法以提高地应力测量精度无疑具有重要的指导意义．关键词：地应力测量；绝对应力；相对应力中图分类号：P553文献标识码：A文章编号：1673-9787（2012）03-0305-06Review of in-situ stress measurement methodsZHANG Chong-yuan1，2，WU Man-lu1，2，CHEN Qun-ce1，2，LIAO Chun-ting2，FENG Cheng-jun2（1．Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard，Ministry of Land and Resources，Beijing，100081，China；2．Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing，100081，China）Abstract：After reviewing the origin and development process of in-situ stress measurement，major present-day methods to measure in-situ stress are classified and their fundamental principles，advantages and disadvanta-ges，and applications are introduced．Meanwhile，new development trends about in-situ stress measurement as well as the problems and challenges that emerge in in-situ stress measurement in China now are analyzed in detail．The study has a guiding significance for using different methods of in-situ stress measurement and thereby improving its measuring accuracy．Key words：methods of in-situ stress measurement；absolute stress measurement；relative stress measurement0引言地应力是指客观赋存于地壳岩体内且未受工程扰动的一种自然力，亦称原岩应力．它是导致地壳岩体产生变形、断裂、褶皱乃至地震的根本作用力．李四光教授认为，岩层中发生的种种变形或破裂，是应力活动的结果［1］．随着我国采矿、隧道、水利水电、地热能开发、核废料处置等工程的持续增加，岩爆、巷道变形、高边坡失稳等一系列问题愈加突出．再加上我国又是当今世界上构造活动最为强烈的国家之一，陆内地震、山体滑坡等地质灾害频频发生．因此，开展地应力测量和监测，探知地壳应力状态，不仅可以服务各类岩体的工程建设，而且还能为地球动力学研究、断裂活动性研究和地质灾害预警研究提供重要的科学依据．目前，随着地应力测量在工程建设、地质灾害预警以及断裂活动性研究等领域的广泛应用，地应力测量方法日益增多．本文在回顾地应力测量起源及发展历程的基础上，对地应力测量方法进行了系统的归纳分析，以期为地应力测量方法的第31卷第3期2012年6月河南理工大学学报（自然科学版）JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）Vol．31No．3Jun．2012收稿日期：2012-02-23基金项目：国家科技专项（SinoProbe-06-01）．作者简介：张重远（1987—），男，河南周口人，主要从事地应力测量与区域应力场稳定性研究．E-mail：zhchongyuan@126．com合理应用提供借鉴．1地应力测量的起源与发展1932年，美国人R S Lieurace率先在胡佛大坝坝底泄水隧洞采用岩体表面应力解除法测量洞壁的围岩应力状态，开辟了地应力测量的先河．20世纪50年代初，瑞典人N Hast采用压磁套芯应力解除法在斯堪的纳维亚半岛进行了大规模的地应力测量试验，首次测得近地表地层中水平应力大大超过垂直应力，证明了A Heim的静水压力假说和A H Gennik的垂直应力大于水平应力的理论不具普遍性［2］；同时，他还认为这种现象与斯堪的纳维亚半岛的缓慢地壳构造运动有关．另外，他还将地应力测量引入了地质构造分析与地壳应力场研究之中．20世纪60年代以后，地应力测量理论和方法呈现多样化发展趋势，除了套芯应力解除法和水压致裂法等主流方法外，还涌现了诸如声发射法、应变恢复法、钻孔崩落法、岩芯饼化法、地质构造分析法及应力场反演法等一系列间接测量地应力的方法．20世纪80年代以后，地应力测量受到世界各国的广泛关注，特别是一些发达国家相继开展了深部应力（应变）监测计划．如美国的板块边界计划（PBO）在美国西部圣安德森断层边界计划安装200套钻孔应变仪，以研究美国西部板块边缘地区的变形；日本在京都地区与伊豆半岛等地安装了近40套深井地壳活动综合监测装置，用于地震活动性研究及地震预警监测［3］．我国地应力测量试验和研究开始于20世纪50年代后期，是由著名地质学家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率先组织实施的．1966年邢台地震之后，在李四光教授的指导下，在河北省隆尧县建立了全国第一个、也是世界上第一个地应力监测台站．该台站发现了地应力与地震活动有密切的联系．在过去的几十年间，我国原地应力测试技术得到了迅速发展，相继成功研制了压磁应力解除法、空芯包体应力解除法、水压致裂法、声发射法地应力测试系统仪器设备．汶川地震后，我国在南北地震带及首都圈安装了最新研制的圧磁应力监测仪器，显示了良好的地震前兆及响应信息．为了提高地球深部资源勘查和灾害预警水平，我国近期启动了深部探测技术与实验研究，这为建立我国地应力测量及监测网络、提高地震预警能力提供了坚实的物质基础和技术保障［4］．2地应力测量的主要方法迄今为止，可用于地应力测量的方法虽然很多，但尚未形成统一的分类标准．根据测量数据特点的不同，地应力测量大体分为绝对应力测量和相对应力测量．前者主要是确定地壳应力背景值，即主应力的大小和方向；后者则是观测应力随时间变化的动态变化规律，通常也称为地应力监测．根据测量基本原理的不同，绝对应力测量方法又可分为直接测量法和间接测量法．所谓直接测量法就是利用测量仪器直接测量和记录各种应力量，并由这些应力量和原岩应力的相互关系直接换算得到原岩应力值．间接测量法则是借助某些传感元件或媒介，测量和记录与岩体相关物理量的变化（如密度、泊松比、弹性波速等变化），然后通过相应的公式换算间接得到原岩应力值［5］．目前，较为常用的绝对应力测量方法主要有水压致裂法、声发射法、钻孔崩落法、套芯应力解除法、应变恢复法等．其中，前3种方法属于直接测量方法，后2种方法属于间接测量方法．相对应力测量方法包括压磁法、压容法、体应变法、分量应变法及差应变法等．其中，最为常用的方法是钻孔应变测量，它包括钻孔分量应变法和钻孔体积应变法．2．1套芯应力解除法套芯应力解除法既是2003年国际岩石力学测试专业委员会（ISRM）新推荐的一种地应力测量方法［6］，也是当前国内外最为常用的一种地应力测量方法．它是以平面应力状态为理论基础，假定岩体是连续、均匀、各向同性、线弹性的［7］．具体测量方法见图1．603河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷目前，主要采用的套芯应力解除法有空芯包体应力解除法和压磁应力解除法．空芯包体应力解除法采用空芯包体应变计进行测量，压磁应力解除法采用以铁磁体磁致伸缩原理为基础设计的传感器进行应力测量［7］．压磁应力解除法地应力测量技术最早起源于瑞典，经过地质力学所的长期改进和创新，该方法已在国内许多重大工程应用中取得了良好的效果［7-11］．相比较而言，空芯包体应力解除法操作简单，经济实用，精确度较高，且可测量三维应力状态，但是其测量深度较浅（仅数10m ），且多用于隧道、矿山、地下硐室安全设计等方面．压磁应力解除法是一种平面测量方法，在3个相互正交的钻孔中可测得三维应力值，其测量探头稳定性好、灵敏度高，测量深度大（可达100 200m ［10-11］），多用于对变形控制要求较高的隧道、硐室及核废料处置等工程中．2．2水压致裂法水压致裂法地应力测量是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，向封隔段注入高压流体（通常为水），并通过孔壁岩体的胀裂来确定地应力的一种方法（图2）．由于该方法可以在无需岩石力学参数的情况下直接测量应力值，特别是可以直接确定最小主应力值，再加上其具有操作简单、测量深度较大等优点，目前已被广泛应用．2003年，国际岩石力学测试专业委员会推荐了经典水压致裂法（HF ）和原生裂隙水压致裂法（HTPF ）［12］．HF 法地应力测量假设岩体为理想、非渗透性的且有一个主应力为垂直方向，大小等于上覆岩层重量．严格意义上讲，HF 法是一种平面测量方法，若要获取全应力张量，需采用三孔交汇测量．HF 法选择岩性完整的测试段，进行3 5个压裂循环试验并生成压力-时间曲线．最小水平主应力大小可从曲线中分析得到，其中关闭压力的准确判读是关键，ISRM 推荐至少用2种方法保证其可靠性［12］．孔壁的破裂方向即为最大水平主应力方向，一般用带有定位系统的印模器确定，但也可用地球物理成像技术记录裂隙方向［12-14］．当岩体中存在较多原生裂隙时，可以选用HTPF 法［12］．HTPF 法是HF 法的发展，能够估算全应力张量，且不涉及孔隙压力、钻孔方向和材料属性等参数，若裂隙间距大于50m ，需假设应力梯度，这会增加测试次数［12-16］．作为目前能完整测量深部地应力的最有效方法，水压致裂法广泛应用于水电、石油、地热及科研钻探中．2．3应变恢复法应变恢复法的原理是岩芯从周围岩体分离后即发生体积恢复（一部分是立即发生的弹性恢复，一部分是随时间缓慢发生的滞弹性恢复），且各方向的应变恢复量与之前所受压力正相关［16］．应变恢复法可分为滞弹性应变恢复法（ASR ）和微分应变曲线分析法（DSCA ）．目前，该技术在日本发展的较为成熟，并在科研及工程中取得了较好的应用效果．ASR 法通过对岩芯在径向和轴向测量应变恢复，可获得主应变方向，进而得到主应力方向，但对主应力值的估计较为困难，需要针对不同岩性建立准确的本构模型．DSCA 法认为，解除应力后，定位岩芯将随着膨胀而出现微裂隙，裂隙分布和原岩应力方向有关，裂隙密度与原岩应力大小成正比［17］．通过对试件正交面上应变片施加静水压力、记录各应变片的应变值并描绘应变-压力曲线，可以分析得到3个主应力方向及比值．若已知其中一个主应力大小（通常假设垂直应力为上覆层岩体重量），即可确定另外两个主应力大小［18-19］．ASR 法岩芯定向费用较高，且影响测量结果的因素很多［16］．DSCA 法操作复杂，仅为二维测量．但在一些大深度钻井条件下，当水压致裂法和应力解除法无法有效实施时，或者当需要其他方法的补充性数据来确保测量结果可信度时，应变恢复法具有较高的应用价值．2．4钻孔崩落法钻孔崩落指大深度的钻孔孔壁自然坍塌、掉703第3期张重远，等：地应力测量方法综述块现象［20］．同一地区井孔深部孔壁多发生塌陷，且具有相似的优势坍塌方位．钻孔孔壁挤压应力最大集中区通过剪切破碎而形成崩落，崩落的方向与最小水平主应力平行．有人认为，可利用崩落形状和岩石强度参数来确定水平主应力的大小，以及根据孔壁崩落的深度和宽度来估算应力值［21］．崩落方位可以用井下电视等辅助工具描述．钻孔崩落法的优点是速度较快，而且能在其他手段效率较低的深孔乃至超深孔获取有效信息．但也有很多不足，比如需要有崩落段的存在，岩体的各向异性会扰乱崩落方位、损害已获信息的有效性、尚无令人满意的理论与方法确定应力值的大小等［16］．钻孔崩落法广泛应用于石油工业及科研深钻中，如德国KTB深钻、日本海洋钻探计划（ODP）、中国台湾TCDP深钻和大陆科学钻探（CCSD）等［22-27］．2．5声发射法声发射（AE）是材料内部储存的应变能快速释放时所产生的弹性波现象．德国人J Kaiser研究发现，多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载时，若应力未达到先前的最大应力值，则很少有声发射产生；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［28］．把从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称之为Kaiser点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力．据此，在实验室对岩石试件进行6个以上不同方向的单轴压缩试验，可获得6个以上不同方向的压应力，并进一步根据弹性理论确定岩石取芯点的全应力张量［28］．岩芯的定位多采用古地磁法．由于声发射与弹性波传播有关，且高强度的脆性岩石通常具有较明显的Kaiser效应，而多孔隙低强度及塑性岩体的Kaiser效应往往不明显，所以一般不建议用AE法测定比较软弱疏松及塑性岩体中的应力．不过，M Seto通过试验认为，即使脆弱的岩芯，若采用多次加载也可以较好地分辨出Kaiser点［29］，这为利用AE法测定软弱疏松岩体提供了可能．目前，AE法在矿山和油田等工程中应用较多．2．6相对地应力测量方法长期以来，相对地应力测量的主流方法是钻孔应变观测，包括钻孔分量应变监测法和钻孔体积应变监测法．当前的监测台站多使用这类方法，限于篇幅，仅简要介绍这两种方法．钻孔分量应变观测法是观测钻孔直径的相对变化量，原理上沿不同方位布设3个压磁式、振弦、电容或半导体应变片就可以测出钻孔所在的平面应变状态．我国主要使用四分量式应变仪（其4个顺次标记元件相隔45ʎ夹角），其优点是可以利用奇数与偶数元件位移量之和的相关性自行检验观测的正确性，且当其中1个元件不能正常工作时，其余3个元件仍然可以完成测量［30］．钻孔体积应变监测法是测量岩石的体积应变，测量探头为液压式或液位式传感器．该法对岩石的完整性要求相对宽松，也容易获取长期稳定的资料，而且能在土层或松软岩层中测量［31］．地壳的构造运动、地球的固体潮汐作用、气压变化、地下水位变化、温度的变化以及人类的活动等都会造成地壳中的应力（应变）变化，而钻孔应力应变监测关心的又是构造运动引起的地壳中的应力（应变）变化，因此，需要对影响观测值变化的各种因素同时进行辅助监测［30］．目前，钻孔应变监测主要用于地震预警，但也可以用于矿山安全监测．3地应力测量存在的问题与展望3．1存在的问题随着我国工程建设不断向深部发展，地应力测量及监测正面临着严峻的考验．与发达国家相比，尚存在许多问题与不足．首先，在宏观层面上存在的问题与挑战有：第一，测量和监测深度不足［3］．目前，国际上最大地应力测量深度已达5100m［32］．在德国的KTB深钻及美国的SAFOD计划中，应力测量深度一般达到2000 3000m；日本也建立了数10座深度为1000 3800m的深井观测台站［3，30］．我国的绝大部分应力测量深度仅数百米，超过1000m的深井观测极为稀少，这严重制约了测量数据在空间上的代表性．第二，缺乏合理系统的地应力监测网络［3］．我国虽然积累了大量的地应力测量数据，但数据分布不均且质量参差不齐，地应力监测台站少、布局不合理，大部分监测台站数据网络传输、数据分析处理能力也亟待加强，这些问题制约了地学领域的创新性发现．第三，统一的地应力测量规范和标准亟待解决［3］．ISRM早在1987年即发布了“确定岩石应力的建议方法”．2003年，结合地应力测量方法的最新进展，又发布了新的建议规范．然而，在这些权威的地应力测量方法技术规范起草和编写过程中，没有我国相关领域科学803河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷家的参与．其次，在技术与操作层面上存在的问题与挑战有：第一，测量深度引起的仪器设备性能问题．深部岩体的苛刻环境要求钻探设备和监测仪器具备足够的耐高压、耐高温、抗干扰、防水能力，而仪器在这种环境下，长期工作的稳定性以及与孔壁的耦合性不容忽视．第二，测量仪器和方法的精度与可重复性问题．测量的精度是确保数据可靠的关键，对此，除了改进已有仪器，更需要新技术、新材料的研发．测量过程和结果的可重复性既是测量工作科学、严谨的体现，又是测量仪器与方法广泛应用的保障，具有重要意义．第三，测量仪器及测量平台的现代化程度问题．提高测量与数据采集的质量与效率、推进测量成果网络传输与共享、建立测量方法标定平台，既需要增强地应力测量体系的现代化水平，又需要地应力测量系统向自动化、集成化、智能化方向发展．3．2展望近年来，人们逐渐认识到，由于地壳结构的高度复杂性和非均质性，加之地形等因素的影响，基于浅部及孤立测点所获得的地应力测量数据的代表性十分有限．因此，只有提高地应力测量深度，加大监测密度，才可能比较准确地认识和把握某一构造单元地质构造活动的动力学成因和内在机制．有鉴于此，在绝对应力测量方面，深部乃至超深部应力测量已成为必然趋势．同时，考虑到目前尚没有哪一种地应力测量方法能够适应和胜任所有目的和环境的测试，采用多种方法联合观测，实现不同观测方法之间的优势互补已成为提高测量结果可信度的必然举措．此外，在相对应力测量方面，高密度深井综合监测已成为未来的发展方向．这不仅是深部地质研究的客观需要，也是消除气压、温度、地下水以及地面噪音等自然和人为因素干扰的现实需要．有鉴于此，钻孔分量应力和应变监测方法无疑将成为重点发展方向．目前，地应力相对测量正朝着多元化方向迈进，钻孔地应力（应变）监测以及其他物理参数检测技术将一起作为地球物理观测的重要手段在未来深部地壳研究中发挥重要的作用．参考文献：［1］李四光．地质力学方法［M］．北京：科学出版社，1976．［2］HAST 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Abstr，1978，15（4）：167-178．（责任编辑杨玉东）013河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷。
地应力及其确定方法综述
地应力及其确定方法综述【摘要】通过对比通过地应力测量方法、计算方法的分析和对比，为以后利用常规测井资料和成像测井资料计算地应力的多种方法奠定基础，进而从不同的角度对地应力进行了研究，不仅有助于提高地应力的计算准确率，而且可以多角度对地应力的形成过程进行因素分析。
【关键词】地应力；测量；水力压裂；凯瑟效应实验1.地应力地应力主要由垂力应力、构造应力、孔隙压力等组合而成。
在油田应力场研究中，孔隙压力对地应力的影响是非常重要的，实际上，由于地层岩石力学性质的非线性特征，地应力的各种成因分量间不是独立的，人们只是从其成因和研究分析问题的方便才对地应力进行分类的。
构造应力与上覆岩层压力构成了地应力，它作用于整个地质体上。
对于某一特定的地质体来说，将作用于其单位表面上的法向地应力定义为主应力。
在主应力方向上剪切应力为零，这样就可以把复杂的地应力归结为三个相互垂直的主应力，即三轴向应力（图1）。
通常其中一个基本上是垂直的，叫做垂向应力（sv）；另外两个主应力基本上是水平的，称为最大、最小水平应力（sh、sh）。
垂向应力由重力应力（上覆岩层压力）所构成，水平应力则主要由构造应力所构成。
在三个主应力中，垂向应力是比较容易确定的，其大小可由密度测井曲线确定，其方向是垂直的。
对于水平应力的方向，现在有许多方法，在油田中广泛采用井壁崩落法确定水平应力的方向，取得了良好的效果，测量水平应力大小的方法有水力压裂法、凯瑟效应实验、差应变法等。
2.地应力测量方法2.1水力压裂法用水力压裂法确定最小水平应力是目前进行深部绝对应力测量最精确的方法，在国内外都有着广泛的应用。
1989年3月30日测井公司在川西南界石场界19井进行了地应力测量试验，整个工艺是成功的，井口密封装置可以在68mpa高压下正常工作，仪器系统工作正常，记录到了类似于标准地应力曲线形状的压力曲线，但由于水泥环窜漏及施工时开压太快，未能反映出地层破裂压力，这口井的试验为今后进行地应力测试提供了宝贵的经验。
地应力及其测量原理
地应力及其测量原理地应力是指地壳内部受到的力的情况，是地壳变形和破裂的重要因素。
地应力的测量原理主要有古应力法、浅层应力法、深部应力法和孔隙压力法等。
古应力法是通过分析岩石中保存的古代应力信息，推断出地下岩层的应力状态。
岩石中保存的古代应力信息主要有构造岩浆岩的变形特征、断层的形态及断层面上的应力痕迹等。
通过对这些古代应力信息的研究，可以了解地下岩层的应力分布特征和变化规律。
浅层应力法是通过测量地表上的地壳应变，进而推导出地下岩层的应力状态。
测量地壳应变的方法主要有测量地表沉降、测量地表水位变化和测量地震波的传播速度变化等。
通过测量这些地表变化的参数，可以计算出地下岩层的应力状态。
深部应力法是通过对地下岩层应力的直接测量，来了解地下岩层的应力状态。
深部应力测量常用的方法主要有测量地区应力差和测量钻井中的岩层应力等。
测量地区应力差的方法是通过分析地震波的传播路径和速度差异来推导地壳内应力的分布，从而计算出地下岩层的应力状态。
测量钻井中的岩层应力则是通过在钻井过程中使用测力器测量地下岩层的应力情况。
孔隙压力法是通过测量地下岩体中的孔隙压力来推导地下岩层的应力状态。
孔隙压力是指地下岩体内孔隙中的水或气体的压力，可以通过测量地下水位、测量浅孔压力和测量深孔压力等方法来获得。
通过计算这些孔隙压力的变化规律，可以推导出地下岩层的应力状态。
总的来说，地应力的测量主要有古应力法、浅层应力法、深部应力法和孔隙压力法等方法。
这些方法各有特点，可以通过综合运用来获得地下岩层应力状态的全面信息。
地应力的测量对于地下工程的设计和地震研究等具有重要的科学意义和工程价值。
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岩体地应力及其测量方法综述
明有封闭应力的存在。
地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。
应力解除法是岩体应力测量中应用较广的方法。
(2)对于地表剥蚀作用因素是导致常规初始应力反演中重力因子大于1的原因,易达根据地表剥蚀作用对地应力场反演影响的研究成果对此问题做了假定分析。
关键词：地应力，剥蚀作用，应力解除法，重力因子
1 地应力的成因及其分类地应力一般是质地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，或称初始应力，主要是在重力和构造运动综合作用下形成的应力，有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆浸入等作用下形成的应力[1]。
1.1 地应力的成因
产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。
其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分[1]。