压磁套芯三维原地应力测量研究

压磁套芯解除法是20世纪50年代开始发展起来的原地应力测试技术。为了实现在单一钻孔中进行三维地应力测量研制了单孔全应力计。在简单介绍压磁全应力计结构和计算原理的基础上,通过现场测试,对在锦屏二级水电站地下厂房洞群区压磁套心解除3孔交汇法三维地应力测量和单孔三维地应力测量及水压致裂地应力测量进行了比较分析研究。测量结果表明,在探洞浅部,受局部地形影响,测点的应力分布主要受自重和地形地貌控制,形成特有的“V”型河谷岸坡内的局部应力状态,最大主应力为11 MPa左右,作用方向NNW基本近水平;在探洞深部地应力应力值较高,最大主应力为40 MPa左右,作用方向近直立;随水平埋深的增大最大主应力由近水平状态转变为近直立状态,说明在洞深部自重应力起主导作用。通过三种方法测量结果的对比分析,说明压磁套心解除单孔三维地应力测试技术与压磁套心解除3孔交汇法和水压致裂地应力测试技术具有相同测试精度。     

锦屏深部地下实验室初始地应力测量实践

地应力条件是大型地下洞室稳定性分析与工程设计的必要信息之一,对于深部高应力地下工程的安全评价与灾害防治尤为重要。以埋深2 400 m的中国锦屏地下实验室为例,首先重点阐述了高应力下条件下应力解除法测量地应力的原理与方法,并提出了针对在高应力条件下使用36-2型钻孔变形计地应力测量的改进技术：（1）采用新式阶梯状钻头,分级逐步解除,减小岩芯根部应力集中区域的范围和应力大小;（2）使用大直径解除钻头来增加套孔空心圆柱状岩芯的厚度,即增大裂隙贯通整个岩芯的时间;（3）在测点附近钻取勘探孔以获知测点岩体完整性条件,对是否适合开展测试进行评估。在此基础上,通过现场岩体地应力测试获得每个测孔不同深度垂直钻孔轴线平面上的平面应力状态以及三孔交汇处的三维应力状态（3个主应力的大小和方向）,分析开挖扰动导致的围岩应力重分布规律与原始应力场分布。依据洞室围岩重分布应力特征与现场实际破坏的空间位置对应关系,结合现场破坏情况和工程区域地质条件,多角度验证了三维应力结果是可靠的,可为进一步的工程稳定性评价以及围岩支护设计提供依据。     

深圳抽水蓄能电站水压致裂法三维地应力测量和分析

由于水压致裂法地应力测量的突出优点已在国内外得到广泛应用,但以往只能测量钻孔横截面上的二维应力状态。近期兴起的水压致裂法三维地应力测量,已在多个工程中得到应用。深圳抽水蓄能电站采用了3个不同方向钻孔测量法和单钻孔测量法进行了三维地应力测量,得到了很好的测量成果。其中单钻孔三维地应力测量,在近水平向和铅垂向两个钻孔中应用。三维地应力测量成果不仅得到了相应钻孔横截面上和原生裂隙面上二维应力实测值的检验,而且得到了同一位置两种不同三维地应力测量方法的相互印证,和同一个钻孔（铅垂向）中套芯应力解除法三维地应力实测值的印证。两种水压致裂法三维地应力测量成果（单钻孔测量法包含了非铅垂向和铅垂向钻孔的两种测量法）非常一致,能够代表该测量区的地应力状态。     

单孔三维地应力测试原理及其应用

近些年水压致裂原生裂隙地应力测试理论和实践得到了一定的发展。本文详细介绍了水压致裂单孔三维地应力测试的基本原理,阐述了在钻孔内选择2条以上原生裂隙段进行重张试验的测量,或者在完整岩体水压致裂测试的基础上,结合2条或2条以上原生裂隙段进行重张试验的测量,就可确定岩体的三维地应力状态;并将该方法应用到了某国外水电站调压井部位的钻孔应力测试中,较为准确的确定了该工程区域的三维应力状态。该方法原理清晰,操作简单经济,具有较为广泛的工程应用前景。     

两种地应力测量方法在某抽水蓄能电站中的应用

简述了深孔套芯解除法三维地应力测量和水压致裂法测量地应力的试验方法及其在某抽水蓄能电站中的测试结果,并结合地下厂房和高压岔管区时地应力测试结果进行了分析。     

基于钻孔形态分析的地应力测量方法研究

地应力作用下的钻孔孔壁会发生一定程度的变形,导致钻孔横截面形状会发生变化,变形后的钻孔几何形态也反映了钻孔受力状态。在经典岩石力学理论的基础上,研究钻孔在平面二维应力作用下的几何形态,建立应力与变形后圆孔几何参数的关系,实现基于钻孔椭圆参数的应力解算,并提出钻孔椭圆参数的测量方法和测量技术,形成一种新的基于钻孔形态分析的地应力测量方法。结果表明,（1）在平面二维应力作用下圆孔变形后的几何形态为椭圆,推导了椭圆参数与应力的关系表达式;（2）利用3个不同方向的孔径值可以实现椭圆参数的解算,研发触头式显微光学孔径测量技术,实现了钻孔形态的测量,从原理上分析了技术实现的可行性,并就该技术进行地应力测量过程中可能存在的问题进行了探讨;（3）通过室内模拟试验,验证了技术原理的可行性,并通过误差分析和实例计算对该方法测量结果的准确性进行了讨论。     

垂直孔应力解除法地应力测试技术及工程应用

针对应力解除法在垂直深孔中应用的局限性,提出一种适用于垂直深孔的应力解除法地应力测试技术。研制基于显微光学成像原理的触头式孔径变形测量装置,通过对单动双管钻具进行优化配接,形成了适用于垂直深孔的地应力快速测试技术。孔径变形测量装置采用孔径变形感知、显微成像及测量定向等关键技术,简化了测试过程,缩短了测试时间,能够实现高地温、高水压垂直深孔中多方向孔径变形测量;引入单动双管钻具,对其钻进、取芯以及过流进行优化配接,形成了地应力辅助测试装置。在金山店铁矿张福山矿床–410 m和–500 m水平进行了地应力测试,获取到的环形岩芯内径稳定,且完整性高,验证了辅助装置具备精确成孔和完整取芯的技术优势,为孔径变形准确测量提供了保障;计算得到了4个点位处的地应力数据,其主应力基本随深度增加而增大,最大水平主应力约在NNW～NNE方向上。研究表明,垂直孔应力解除法地应力测量技术能够在垂直深孔中快速、可靠地实现地应力测试     

空心包体孔壁应变计及某些层状岩体中应力分布特征

现场岩体应力测量和岩体工程应力分析一直是岩石力学研究非常活跃的领域之一,而软弱岩体的现场应力测量与分析又是其中一个亟待解决的难题。针对软弱、破碎岩体现场应力测量技术上的困难,从1983年至1984年,中国科学院武汉岩土力学研究所白世伟、方昭茹等人研制出空心包体式孔壁应变计。空心包体式孔壁应变计是现场地应力测量的一种新式传感器,它利用套孔应力解除法原理通过电阻式应变片测量应变来实现地应力测量,能够在一个钻孔中进行空间应力状态的测量。该传感器利用软塑料空心筒和水下低温粘贴固化剂技术,因此比其它传感器更适合软、碎岩体。该传感器采用均布圆筒表面的出浆孔和完整的安装定向系统,保证了粘贴的方便,也保证了测试的准确可靠,经系统验证,该方法测量地应力的综合误差小于18％。     

汶川地震断裂带科学钻一号孔ASR法地应力测量

大地震后发震断裂附近的应力状态是认识和理解地震机理的重要参数.5.12汶川地震后,我国开展了基于地震机理研究的汶川地震断裂带科学钻探项目(Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project,简称WFSD),为研究震后龙门山断裂带附近深部应力状态提供了条件.本文主要介绍适合深部应力测量的非弹性应变恢复法(Anelastic strain recovery method,简称ASR法)的测试设备和流程,并利用ASR法对WFSD-1号钻孔岩心进行了原地应力测量,取得了该钻孔424～1173 m深度范围内7个岩心样品的非弹性应变恢复实测数据,并根据成像测井对岩心进行了定向,确定了原地应力方向,估算了原地应力的大小.WFSD-1钻孔最大主应力的方位为NW69°～NW35°,主应力的大小随深度的增加而增大.     

桃子垭深埋特长隧道地应力预测及复核

深埋特长隧道工程的高地应力问题越来越受到重视,如何准确高效地确定工程区地应力状态,是目前关注的重点和难点。针对深埋特长隧道地应力状态的确定问题,我们提出了基于多源数据的初始原地应力方向综合确定和应力量值预测及复核的综合解决方案。通过勘察阶段有限钻孔的地应力测试,并结合区域多源地应力资料,可以综合确定地应力方向并利用修正的Sheorey模型预测隧道轴线地应力;针对预测结果,在隧道开挖施工过程中,进一步利用有限钻孔的水压致裂地应力测试检验预测结果并复核隧道应力状况。结果表明,桃子垭隧道水平最大主应力方向为N15°W~N40°W,实测三向应力关系为S_H≥S_v＞S_h;钻孔附近的应力预测值在区域实测应力量值变化范围内,隧道埋深最大处的水平最大、最小应力值分别达24 MPa和16 MPa;隧道施工过程中的4个钻孔应力量值复核结果显示,除了局部受到岩性变化、断裂破碎带等影响出现偏差,本文预测结果与实测应力量值基本一致。笔者发展的原地应力综合预测及复核方法,一方面可以快速有效地预测深埋特长隧道等线状工程的原地应力状态,有效降低初始勘察阶段地应力测试成本,另一方面,应力量值的复核保证了应力预测结果的可靠性,可以为隧道施工方案的及时变更及预算调整等提供有力依据和数据支撑。     

The Assembling Art and Operation in Fields of Type-36-2 Borehole Deformeters

The assembling of a borehole deformeter is introduced in detail. Surface processing of transducers and the art of sticking strain gauges and the techanological process of operation and the requirements for performance check are presented. The operating method of 36-2 borehole deformeters used in field measurements for stresses in rock is stated.     

36-2型钻孔变形计的组装工艺及现场使用

本文详细地介绍了36-2型钻孔变形计的组装、传感器的表面处理、电阻片粘贴技术以及性能检验等方面的工艺、操作过程和要求。此外还介绍了36-2型钻孔变形计在现场实测岩体应力的方法,供参考使用。     

水力压裂法地应力测量中的几个问题

回顾了应用水力压裂法测量地应力的基本原理。简要地分析了对水力压裂法地应力测量结果的可靠性影响较大的几个参数。最后,对水力压裂法在深部地应力测量中的应用及其在深钻孔地应力测量方面的发展前景也做了讨论,指出了今后深部地应力测量研究努力的方向。     

三维地应力计算模型研究

简要回顾了现有的三维地应力实测方法在实际工程应用中存在的局限性。对钻孔局部壁面应力全解除法进行了系统的研究,从理论上说明了由它确定三维地壳应力张量的可行性。采用线弹性有限元法对钻孔局部壁面应力解除过程做了数值模拟研究,分析了应力解除曲线的变化特征,给出了达到完全应力解除时解除深度和被解除岩芯直径之间的定量关系,还进一步分析了环形解除槽引起的应力集中对其附近局部孔壁应力分布的影响,从而为在钻孔孔壁的局部壁面上如何合理的布置应变计（花）提供了参考依据。最后对本课题的研究前景做了展望。     

我国原位地应力测量与地应力场分析研究进展

随着我国交通、能源和水利水电等行业快速发展,在复杂地形地貌和地质条件下兴建大量岩土工程,尤其是深埋长隧道,原位地应力测量及其相关研究逾加重要。我国自20世纪60年代首次成功进行原位地应力实测以来,在地应力测量及相关研究方面已取得了长足进展。文中扼要介绍了我国地应力测量的发展历程,着重总结了在钻孔应力解除法、水压致裂法和其他常用原位地应力测量法及工程区初始地应力场分析研究方面所取得的进展,并结合我国区域构造应力环境和岩土工程的特点,对地应力测量和工程区初始地应力场研究方面的展望阐述了一点认识。     

考虑地应力分布形式的坝址区初始应力场二次反演方法

在建的乌东德水电站区域构造运动强烈,断层、褶皱及节理较为发育,加之河谷纵横、沟谷深切,导致该区域岩体地应力分布极为复杂,非线性特征显著。为准确获取坝址区初始地应力场的分布特征,通过对地应力分布形式进行优化,提出了考虑地应力张量分布特征的岩体应力场二次反演方法。首先,将地应力张量分解成自重应力、构造应力及非线性应力3个部分,同时依据坝址区地形地貌、地质构造及非均匀性岩层等因素,构建FLAC3D计算模型,利用叠加法原理对坝址区初始地应力场进行一次反演。然后,主要考虑坝址区附近小规模构造及局部开挖条件的影响,构建三维离散元（3DEC）精细模型,同时从一次反演中提取精细模型的初始地应力侧压系数和自重修正系数,并利用均匀设计法进行优化,对精细模型进行二次反演。研究结果表明：一次反演计算获得的初始应力场整体上与实际情况吻合较好,但在局部构造附近与实测值相差较大;二次反演考虑局部地质构造及开挖条件的影响,同时结合一次反演的计算成果,各测点的应力计算值与实测值基本一致;通过将大型商业软件FLAC3D和3DEC相结合来反演复杂条件下工程区初始应力场,在一定程度上实现了岩体应力场在大范围内整体连续、小范围内受局部地质构造等影响导致不连续分布的特点。该研究方法可为类似工程提供借鉴。     

正交各向异性岩体孔径变形法的二维地应力分析方法改进

根据正交各项异性材料的弹性理论,推导出偏轴坐标系下的三维、二维本构方程;利用应力变分法对钻孔周围的应力分布作出修正,进一步得出孔壁径向位移的计算公式。结合孔径变形法测量地应力的特点,建立正交各向异性岩体地应力的分析理论,通过一典型工程与传统的各向同性理论进行了对比。