张璇
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摘要：近年来，地应力的测量在地下工程的施工中是非常重要的内容。一般地绝对应力的测量有应力解除法、水压致裂法、钻孔崩落观测法、简单理论计算等方法。相对相力是对某地点应力状态进行实时监测的方法，相对应力测量是测量某位置点不同时刻地应力的变化值，相对应力的监测结果反映了开挖工程受到地应力的改变值，为开采工程支护、稳定性分析、工程灾害预警与调控提供支撑。
关键词：相对地应力测量设备；现状；发展趋势
引言
地应力可解释为在长期的地层自然形成的年代里，由于地球经过无数次的地壳运动及其他原因而赋存于地壳物质内的初始岩体应力。我国的基础建设需求日益增加，无论是在深山中开挖隧道等建设还是在城市中兴建地铁等工程，地应力对于工程来说都是无法避免的重要影响参数。在工程建设中，尤其是大型地下工程，对于地上和地下开挖的岩体稳定性以及工程安全性来说，地应力的影响可谓是决定性因素。因此，如何测定地应力就成为学术界及工程人员的当务之急。
1地应力概述
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。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。
2地应力测量的主要方法
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。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。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)，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。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。当岩体中存在较多原生裂隙时，可以选用HTPF法。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。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。
2.2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JKaiser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，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，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，MSeto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，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．
2.3应力解除法
用一句话来概括应力解除法，就是人为解除应力，并根据应力解除所产生的应变转而求得相应应力的一种测量地应力的方法。用这种方法测量地应力时必须规定其前提条件，那就是必须假设待测岩体为均质连续且各向同性的弹性体，在测定岩体所受的地应力时，岩体本身是处于三向受压状态，通过切割或钻孔等方式人为地破坏待测岩体与周围岩体的联系，使之互相分离，即人为解除其应力，那么就一定会产生弹性恢复，再利用测量仪器测得其恢复的形变，最后应用理论及定理相结合计算出地应力。我国专家、学者对于钻孔应力解除法技术进行了深切的讨论与研究，目前技术也相对纯熟，测量准确度好，可靠性强，尤其适用于矿山地区，但也限制了其测量区域，导致该方法有其局限性。由于所应用测量原理与所测部位不尽相同，本文又可将应力解除法划分为如下几类：钻孔孔径形变测量法、钻孔孔壁应力测量法、钻孔孔壁应变测量法和钻孔孔底应变测量法。其中，钻孔孔壁应变测量法和钻孔孔底应变测量法可统称为钻控应变测量法。
2.4钻孔崩落法
在高地应力的作用下，利用岩石孔壁周围上的小型岩体发生脱落掉块的现象来测定地应力的方法称为钻孔崩落法。钻孔自然崩落破坏机理通常是因为孔壁所受切向应力太大，导致孔壁岩体剪切破坏而崩落。通过分析和判别钻孔崩落的形状要素既可以估算应力值，又可定位出岩体中原生裂缝及可能产生裂缝的位置。由于钻孔崩落法对于最大水平主应力的大小及方向测量精确度大，广泛用于石油勘探开发、钻井稳定性分析等领域，但由于需要钻孔崩落才能测出应力值，并且岩石的各向异性会导致测出应力量值的有效性而造成较大误差。
结束语
从人类首次提出地应力的概念至今，人们已经在地应力测量的道路上留下一座座里程碑。时至今日，为了满足人类物质文化日益增长的需求，我国乃至世界上的隧道开挖、矿山开采、核能运用等地上地下工程也日渐增多，地应力测量的重要性也越来越被人们所熟知。虽然现在对于一般工程来说，测深无需太深，也有技术相对成熟的测量方法，但在不久的将来，随着地下工程的增多，深部地应力测量会是新的难题，毕竟目前的测量技术、理论、方法还是存在局限性。但有挑战才会有动力，随着科技的进步与发展，未来对于地应力的测量及监测定会更加完善。我国在世界地应力测量工作中起步较晚，虽然经过五十几年的努力，也在地应力测量工作中取得不少成绩，但相比其他国家还是有些差距。当然，地应力成因是复杂的，应把地应力的测量看作综合测试，只应用单一的测量方法必定会产生误差。为了削弱误差的作用力，提升测量的精确性，理当将多种测量方法组合起来，互相取长补短，为中国测量地应力的事业锦上添花。
参考文献
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