Kirsch.G基尔斯解

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1、1本节主要内容1 地应力测量概述地应力测量概述2 2 水压致裂法的测量原理与步骤水压致裂法的测量原理与步骤3 3 应力解除法（空心包体应变计）应力解除法（空心包体应变计）的测量的测量原理与步骤原理与步骤24.2 地应力测量方法4.2.1地应力测量概述a.一点的三维应力状态()来表示3b.b.方法分类方法分类44.2.2 4.2.2 水压致裂法水压致裂法水压致裂法的假设前提：水压致裂法的假设前提：（1 1）有）有2 2个（个（、）主应力为水平方向，主应力为水平方向，另另1 1个个 为竖直方为竖直方 向向,且且（2 2）线性、均质、各向同性）线性、均质、各向同性（3 3）渗透符合达西定律）渗透符合

2、达西定律 51 1）水压致裂法步骤）水压致裂法步骤（1 1）钻孔（地质勘探）、钻孔（地质勘探）、选段（完整）、选段（完整）、封隔（气或液）；封隔（气或液）；直径：直径：3838、5151、76 76、110110、130 130；6P0PbPsPs0P0Pb0Ps图 压裂过程泵压变化及特征压力PbPsPsPs0Pb0P0（2）加液压将孔壁压裂与重开P0-孔隙水压力或地下水压力Pb-初始压裂压力Ps-稳定开裂压力Ps0-关闭压力Pb0-重张压力7各特征压力的物理意义各特征压力的物理意义P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈

3、裂的液压，称为稳定开 裂压力Ps0-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Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力8（3）卸压、提设备、测定开裂方位；然后根据测得的压裂过程中泵压表的读 数，计算地应力 92 2）基本理论和计算公式）基本理论和计算公式当孔壁出现垂直裂缝时，设孔周边两个水平地应力分别为 和 ，孔壁还受有水压Pb.如图。图 孔壁开裂力学模型a10钻孔周围岩体内应力钻孔周围岩体内应力(Kirsch.G-基尔斯解)11在孔壁上 r=a，有：当 时有最大拉应力最大拉应力：按最大拉应力理论，有(4-1)(4-2)将(4-1)代入(4-2)得孔

4、壁开裂应力条件孔壁开裂应力条件(4-3)即孔壁开裂在与孔壁开裂在与 垂直垂直,的面上的面上式中：T0-岩体的抗强度12若岩体中有孔隙水压力Pw，（4-3）式变成：(4-4)由图知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pb0，则上式变成：(4-5)(4-5)和(4-6)两式对比得：Pb Pb0=T0(4-6)在关闭压力Ps0点上，孔壁已经开裂，则T0=0,稳定开裂压力由Ps下降到Ps0。此时，ps0等于与裂缝垂直的应力，即：13求得主应力及岩体抗拉强度求得主应力及岩体抗拉强度3）根据水压致裂法试验结果计算地应力（1）一般来讲 作为地主应力之一。我们可以将 与 作比较，若 ，则可以肯定此时 为最小主应力

5、；进一步将 与 作比较，也就可以以此确定地应力的三个主应力。14 因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定 的方位或 的方向，所以三个地主应力的方位也就可以相应确定。（2 2）如果）如果 ，并且孔壁开裂后孔内岩体出现水平裂缝，则此时 为最小地应力，与 各为中间主应力及最大地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。4）水压致裂法的特点）水压致裂法的特点n 设备简单设备简单 操作方便操作方便 测值直观测值直观 适应性强适应性强 受到重视和推广受到重视和推广n 缺陷：主应力方向不准缺陷：主应力方向不准154.2.3 4.2.3 应力解除法应力解除法 1)1)基本原理：基本原理：当需要测定岩体中某点的应力

6、状态时，人为的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时，岩体单元上所受的拉力将被解除解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复弹性恢复。应用一定的仪器，测定弹性恢复测定弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体时连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答计算计算岩体单元所受的应力应力状态。切断联系解除应力应变恢复测试应变计算应力流程流程要点要点162)2)应力解除法分类应力解除法分类 按测试应变或变形孔径变形测试孔壁应变测试孔底应力解除法孔壁 应力解除法测1个平面3个方向上的应变1平面3方向上的径位移3平面9个方向应变174.2.4）空心包体应变计测量地应力a.探头结构探头结构18

7、空心包体应变计安装、采集数据示意空心包体应变计安装、采集数据示意19b.主要特点：主要特点：1)测量有操作简便2)测量技术和计算理论比 较成熟3)精度相对较高的地应力4)目前使用最为广泛国际岩石力学学会推荐使用的地应力测量方法 2021222324钻孔的深钻孔的深度必须超度必须超过开挖过开挖 影影响区，才响区，才能测到岩能测到岩体内的原体内的原始应力，始应力，否则测出否则测出的是二次的是二次应力。应力。c.测量要求与步骤测量要求与步骤1)测量要求测量要求25(1)在测试地点打大孔(2)从大孔底打同心小孔(3)在小孔中央位置安装测量探头(4)用薄壁钻头延伸大孔，使小孔周围岩芯实现应力解除（5）将岩芯与探头一并取回，进行围压率定和温度标定试验。（6）数据修正和处理，计算地应力值 2)测量步骤：测量步骤：26d.地应力计算原理地应力计算原理272829303132333435结束语结束语36