不同应力解除法地应力测试方法对比及工程应用

李强　曾平　许静　韩晓玉

摘要：介绍了钻孔空心包体式应变计与孔壁切缝解除法地应力测试的基本原理和测试方法，同时对两种应力解除地应力测试方法的适用性进行对比分析。将两种应力解除法应用于锦屏一级导流洞边墙的地应力测试中，并就同一钻孔进行了对比测试。通过对测试结果的对比分析可知，两种方法的测试结果相符，应力量值误差均小于20%，钻孔横截面最大主应力方位误差也在20°以内。鉴于孔壁切缝解除法地应力测试方法可用于极高应力条件下的应力测量，对于西部的深埋高-极高应力条件下的地下工程来说，该方法非常行之有效。

关键词：地应力;钻孔空心包体式应变计;孔壁切缝解除法;锦屏一级水电站

中图法分类号：P642

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.027

1研究背景

地应力场信息是进行地下洞室、壩基和边坡稳定性分析，进行合理的开挖支护设计必不可少的资料之一[1]。目前确定地应力或地应力场的方法主要有两大类[2]：其一是直接测量法，其二为间接推断法。直接测量地应力大小和方向的方法主要有应力解除法、应力恢复法、水压致裂法、钻孔崩落分析法等;间接推断地应力大小和方向的方法也有许多种，如测量岩芯波速各向异性法、岩芯微裂隙取向统计法、震源机制推断法、横波分裂法、井孔管道偏振分析法、地质学的断层或节理走向统计法、断层滑动方向拟合法、显微构造分析法、火山锥定向排列分析法、水系走向统计分析法、X-射线法（测残余应力）、Kaiser效应法（测岩石经受的最大应力）等。

目前，西部水利水电工程大都具有深埋大、高地应力及构造复杂等特点[3]。在极高应力环境中，常规的钻孔孔壁应变解除测量法在取芯过程中岩芯饼化现象易造成试验失败[4];水压致裂法试验过程需要用到超高压设备，从而加剧了试验难度，因此高应力环境中的地应力测量成为一大难题[5]。长江科学院相关技术人员在锦屏一级右岸导流洞右边墙（靠近厂房位置）布置了4个水平钻孔（95mm），采用国内首次引进的钻孔孔壁切缝解除法和目前最广泛使用的空心包体式孔壁应变套芯解除法进行岩体应力测量[6]，并对不同应力解除法地应力测试结果进行对比。

2不同应力解除法地应力测试原理

2.1钻孔孔壁切缝解除法测试原理

钻孔孔壁切缝法地应力测试是一种基于原位应力释放原理的二维平面应力测量方式，其原理见文献[7]。测试设备示意图见图1。试验测试过程中，金刚石锯片在钻孔孔壁上切出若干条按一定角度分布的平行于钻孔轴线方向的切缝（切缝宽约1～2mm，最大深度20mm）。该方法的优点是不需要水压致裂法的高压设备，也不需要套芯解除法的完整岩心，特别适用于特高应力条件

在切缝前，通过液压设备将紧邻切缝的接触型应变传感器紧贴在预设切缝附近岩体上，通过测读岩体切缝前后应变值变化量，从而计算得切缝法向应力。如图2所示，假定钻孔横截面水平方向为X轴，铅直向上方向为Z轴，令Szz，Sxx及Sxz为钻孔横截面的原岩应力（造孔前岩体应力）分量，则孔壁上与Z轴夹角为θ位置的孔周岩壁的应力状态为

公式

如果切缝后，测得该部位应变为ε，岩体弹性模量为E，则

公式

在理论上，布置最少3个独立的切缝进行单独测量，并通过3个独立的法向应力结果可计算出钻孔横截面的二维应力张量。测试过程中若测量结果的规律性较差时，可增加额外的切缝数量，直到取得较为一致的测试结果。

2.2空心包体解除法应力测试原理

空心包体式套芯解除法测试测量元件采用的是CKX-97型空心包体三向应变计，是长江科学院对澳大利亚CSIRO应变计进行改进研制的，与其它孔壁应变计相比的优点是，能适应于比较软弱的岩体，操作方便，测试成功率较高。该应变计由嵌入环氧树脂筒中的9个电阻应变片组成。应变计制作时先将3个应变丛（每个应变丛由3个电阻应变片组成）沿环氧树脂薄壁筒圆周相隔120°粘贴。然后再用环氧树脂粘结剂浇注外层，使电阻应变片嵌固在此环氧树脂层筒壁内。成品应变计外径为34mm，黏贴应变片部位长95mm，应变计结构如图3所示。

在应变计表层嵌固3个应变丛，序号用i表示，对应的极角为θi;。每个应变丛由3个应变片组成，序号用j表示，对应的角度为φij。根据应变观测值Ek与岩体应力状态的关系，可得到下列观测值方程组：

公式

式中，K、K2、K，、K，为修正系数。

CKX-97空心包体式三向应变计的一次测量可获得9个观测值方程，解6个应力分量的未知量。利用最小二乘法原理，得到求解应力分量最佳值的正规方程组为

公式

由此解得由钻孔坐标系表达的岩体6个应力分量后，把它们转换到大地坐标系中去，再根据下式求解它的3个主应力：

公式

式中，J1J2和J3为应力张量的第一、第二和第三不变量。

主应力方向由（7）式表达：

公式

上式中任意两式和方向余弦的关系式为

公式

联立解得主应力的倾角a;和方位角β;为

公式

式中，β0为大地坐标系X轴的方位角。如X轴为正北方向，则β0=0。

2.3两种应力解除法适用性对比

上述两种应力解除法均适用于浅钻孔的地应力测试，应力计算时均依赖于岩体的力学参数指标，现将两种方法优缺点对比如下。

（1）空心包体式解除法。常用的钻孔空心包体式应变计主要适用于完整或较完整的岩体[8]，要求解除后获得40cm以上的岩芯才能算解除成功;对高-极高应力条件下岩体不适用，在解除过程中岩芯极易发生饼化现象，空心包体很容易断裂甚至破碎，造成嵌入空心包体内的应变片破损而不能正常工作。优点是该方法不受钻孔方位的限制，在钻孔中有水情况下也可进行。钻孔空心包体式应变计一个点的测量即可得出该部位的三维应力状态[9]。

（2）钻孔切缝法。钻孔切缝法对岩体的完整性要求不高，基本适用于各种岩体，只要求测点部位局部的岩体较为完整即可;同时，也适用于各种应力条件下的岩体。但该方法受钻孔方位的限制，只适用于水平略向上倾或垂直向上的钻孔，只能在无水的条件下进行测试。该方法所测试的是钻孔横截面上的二维应力状态，若要测定该部位的三维应力状态，需进行两两正交的3个钻孔测试才能获得。

3工程应用

3.1测试情况简介

锦屏一级水电站引水发电系统布置于坝址右岸，地下厂区洞室群规模巨大，主要由引水洞、地下厂房、母线洞、主变室、尾水调压室和尾水洞等组成，三大洞室平行布置[10]。地下厂房位于大坝下游约350m的山体内，水平埋深约110～300m，垂直埋深约180～350m。右岸导流洞邻近厂房段（0+810～0+860）位于大坝下游约350m的右岸山体内，再往山里布置有地下厂房，导流洞距厂房端墙（第一副厂房端墙）约35m。在锦屏一级右岸导流洞右边墙（靠近厂房位置），布置了4个水平钻孔（95mm），进行了两种应力解除法地应力测量：①空心包体式套芯解除法测试，获得各点的三向应力状态;②孔壁切缝解除法测试，确定钻孔横截面的平面应力状态。测孔参数见表1，测试钻孔布置见图4。

在导流洞布置的4个测孔（表1），整体上岩石坚硬完整，岩芯多呈长柱状，含少量裂隙。具体而言：S1孔在14.5～14.8m，17.3～17.5m，22.1～22.2m段均存有微裂隙。S2孔完整性相对较差，裂隙较为发育，在17.3～18.0m，20.1～21m，23.0～23.1m等深度存在裂隙。S3孔岩芯相对完整。S4孔浅部裂隙较为发育，深部岩芯相对完整，在14.7～14.9m发育裂隙。套芯解除测试在钻孔岩芯相对完整的深度区间进行。本文仅选取S4孔进行分析。

3.2测试结果分析

3.2.1空心包体式套芯解除法地应力结果

在对空心包体式套芯解除法地应力测量结果整理过程中，针对应变丛未直接粘贴在孔壁上的修正系数K;（i=1～4），由应变计预埋孔半径（18.25mm）、应变计半径、环氧树脂层的弹性模量E（4GPa）与泊松比μ1（0.35）、岩石弹性参数（E与μ）计算确定。确定本次计算参数及修正参数见表2。S4孔空心包体式套芯解除法地应力测量结果见表3。

表3中测点深度为15.8m和18.9m两个测点的最大水平主应力σH的方位角差别较大。造成这种结果的原因可以归结为测试成果的代表性：空心包体式套芯解除法的测试结果代表了测点部位约40cm范围内的应力分布情况，测点附近的原生微裂隙和不连续面对测试结果的影响较大，测点深度为20.0m的测试结果与浅部测点差异较大，可以认为该测点为仅代表测点部位应力状态的离散点，不能反映大范围内岩体的应力状态，因此，在进行应力场分析时应予以剔除。

3.2.2钻孔切缝法地应力测试结果

切缝法地应力测试结果整理的过程中需要岩体的弹性参数（E与μ），取表2中岩石弹性模量为41.0GPa，泊松比为0.26。表4为钻孔S4的测试结果。

3.2.3两种解除法地应力测量结果对比

将空心包体式套芯解除法地应力测量结果通过坐标转换至钻孔切缝法地应力测试横截面上，再与钻孔切缝法地应力测试结果进行对比，对比结果见表5。

从表5看，采用两种不同应力解除法在同一钻孔中相邻部位进行测试，应力量值误差在20%左右，应力方位误差也均小于20°。两种测试方法之间的误差相对较小。

鉴于钻孔切缝法在试验过程中，仅要求钻孔2cm左右完整的孔壁就可快速地成功测量，克服了常规的地应力测试方法在极高应力环境中现场测试的局限性。因此，对于西部的深埋高应力条件下的地下工程来说，钻孔切缝法不失为一种行之有效的地应力测试方法。

4结论

本文介绍了利用钻孔空心包体式应变计与孔壁切缝解除法进行地应力测试的基本原理和测试方法，并应用于锦屏一级导流洞边墙的应力测量中，主要结论如下。

（1）两种应力解除法均适用于浅钻孔的地应力测试，应力计算时均依赖于岩体的力学参数指标。

（2）常用的钻孔空心包体式应变计主要适用于完整或较完整的岩体，要求解除后获得40cm以上的岩芯才能算解除成功;对高-极高应力条件下岩体不适用，在解除过程中岩芯极易发生饼化现象，可选用孔壁切缝解除法进行应力测量。

（3）通过锦屏一级导流洞边墙的应力对比测量可知，两种方法的测试结果相符，应力量值误差均小于20%，钻孔横截面最大主应力方位误差也在20°以内。

（4）1对于西部的深埋高-极高应力条件下的地下工程来說，钻孔切缝法可作为一种行之有效的地应力测试方法。

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引用本文：李强，曾平，许静，韩晓玉.不同应力解除法地应力测试方法对比及工程应用[J].人民长江，2019，50（3）：156-160.

Comparison of different stress relieving methods and application in geo-stress measuring

LI Qiang，ZENG Ping，XU Jing，HAN Xiaoyu

（Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：We introduce basic principles and measuring procedures of two geo-stress measuring methods，the hollow packagetriaxial gauges and the borehole slotter.Meanwhile，comparative analysis of the applicability of two relieving stress testing methods was carried out.The two different stress relieving methods were applied to the in-situ stress test of the side wall in the diversion tunnel of Jinping-I hydropower plant，and comparative tests were carried out in the same borehole.The measuring results ofboth methods were consistent.The stress value error was less than 20%，and the maximum principal stress of cross section drilling azimuth error was 20 degrees.So the borehole slotter method can be used for high stress measurement of underground projectsin western China that usually encounters the conditions such as deep buried tunnels and high or extremely high stress conditions.

Key words：geo-stress;hollow inclusion triaxial gauges;borehole slotter test;Jinping-I Hydropower Plant