原地應(yīng)力狀態(tài)地應(yīng)力是存在于地層中的未受工程擾動的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力。它是引起采礦、水利水電、土木建筑、鐵道、公路、軍事和其他各種地下或露天巖石開挖工程變形和破壞的根本作用力，是確定工程巖體力學屬性，進行圍巖穩(wěn)定性分析，實現(xiàn)者石工程開挖設(shè)計和決策科學化的必要前提條件。第一節(jié)概述一、 基本概念原地應(yīng)力：指鉆井、油氣開采等活動進行之前，地層中地應(yīng)力的原始大小。擾動應(yīng)力：指鉆井、油所開采等活動在地層中產(chǎn)生的地應(yīng)力改變。構(gòu)造應(yīng)力：由構(gòu)造運動在巖體中引起的應(yīng)力叫構(gòu)造應(yīng)力，在地質(zhì)力學中常把構(gòu)造應(yīng)力叫做地應(yīng)力，指導(dǎo)致構(gòu)造運動、產(chǎn)生構(gòu)造形變、形成各種構(gòu)造形跡的那部分應(yīng)力。古地應(yīng)力和現(xiàn)今地應(yīng)力：古地應(yīng)力指某一地質(zhì)時或某一重要地質(zhì)事件以前的地應(yīng)力，現(xiàn)今地應(yīng)力是目前存在或正在活動的地應(yīng)力。分析構(gòu)造形跡現(xiàn)成機理主要涉及古地應(yīng)力，而石油工程則主要關(guān)心現(xiàn)今地應(yīng)力。殘余應(yīng)力：殘余應(yīng)力除去外力作用以后，尚殘存在巖石中的應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力很小，往往只有零點幾兆帕，所以常忽略不計。重力應(yīng)力：指由于上覆巖層的重量引起的地應(yīng)力分量，特別指由于上覆巖層的重量產(chǎn)生的水平應(yīng)力大小。熱應(yīng)力：熱應(yīng)力是指由于地層溫度發(fā)生變化在其內(nèi)部引起的內(nèi)應(yīng)力增量，熱應(yīng)力主要與溫度的變化和巖石溫度和熱學性質(zhì)有關(guān)。分層地應(yīng)力：是指按地分層分別給出不同層位的地應(yīng)力值，非常重要的是給出相鄰地層的應(yīng)力差。地應(yīng)力場：地應(yīng)力在空間的分布情況。二、 地應(yīng)力的分類：1971年加拿大第七屆巖石力討論會上，對地應(yīng)力從礦山應(yīng)用的角度進行了分類：二*地審勺 I1死I?正.....；上I三、地應(yīng)力的描述方法由于巖石經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)時期，并經(jīng)受了多次復(fù)雜的構(gòu)造運動，使得巖石的原地應(yīng)力狀態(tài)變得十分復(fù)雜。為滿足工程需要，一般認為原地應(yīng)力狀態(tài)由上覆巖層壓力和兩個水平方向的主應(yīng)力組成。如圖7-1所示建立參考坐標系，xy構(gòu)成水平面，x方向為最大水平主應(yīng)力方向，y方向為最小水平主應(yīng)力方向，z方向為鉛垂方向。rar-i新埴應(yīng)力整圣承尊菱通常認為原應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生的原因有二：一種原因是上覆巖層的重力；另一種原因是由構(gòu)造運動產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力。人們認識地應(yīng)力還只是近百年的事。1912年瑞士地質(zhì)學家海姆(A.Heim)在大型越嶺隧道的施工過程中，通過觀察和分析，首次提出了地應(yīng)力的概念、并假定地應(yīng)力是一種靜水應(yīng)力狀態(tài)、即地殼中任意一點的應(yīng)力在各個方向上均相等，且等于單位面積上覆巖層的重量，即。h=。v=vH式中，oh為水平應(yīng)力；ov為垂直應(yīng)力；v為上覆巖層容重；H為深度。1926年，蘇聯(lián)學者金尼克修正了海姆的靜水壓力假設(shè)，認為地殼中各點的垂直應(yīng)力等于上覆巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力(水平應(yīng)力)是泊松效應(yīng)的結(jié)果，其值應(yīng)為vH乘以一個修正系數(shù).他根據(jù)彈性力學理論.認為這個系數(shù)等于v/(1-v)，即：%,』汨5=L~V式中，v為上覆巖層的泊松比。同期的其他一些人主要關(guān)心的也是如何用一些數(shù)學公式來定量地計算地應(yīng)力的大小，并且也都認為地應(yīng)力只與重力有關(guān)，即以垂直應(yīng)力為主，他們的不同點只在于側(cè)壓系數(shù)的不同.然而，許多地質(zhì)現(xiàn)象，如斷裂、褶皺等均表明地殼中水平應(yīng)力的存在.早在本世紀20年代，我國地質(zhì)學家李四光就指出；“在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應(yīng)力分量的重要性遠遠超過垂直應(yīng)力分量.”20世紀50年代，哈斯特(N.H貼t)首先在斯堪的納維亞半島進行了地應(yīng)力測量的工作，發(fā)現(xiàn)存在于地殼上部的最大主應(yīng)力幾乎處處是水平或接近水平的，而且最大水平主應(yīng)力一般為垂直應(yīng)力的1—2倍，甚至更多；在某些地表處，測得的最大水平應(yīng)力高達7MPa。這就從根本上動搖了地應(yīng)力是靜水壓力的理論和以垂直應(yīng)力為主的觀點.后來的進一步研究表明，重力作用和構(gòu)造運動是引起地應(yīng)力的主要原因，其中尤以水平方向的構(gòu)造運動對地應(yīng)力的形成影響最大。另外，地應(yīng)力場還受到其他多種因素的影響，因而造成了地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變件.即使在同一工程區(qū)域.不同點地應(yīng)力的狀態(tài)也可能是很不相同的.因此，地應(yīng)力的大小和方向不可能通過數(shù)學計算或模型分析的方法來獲得.要了解一個地區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)，惟一的方法就是進行地應(yīng)力測量.第二節(jié)地應(yīng)力的成因一、地應(yīng)力的成因產(chǎn)生地應(yīng)力的原因是十分復(fù)雜的，也是至今尚不十分清楚的問題。30多年來的實測和理論分析表明，地應(yīng)力的形成主要與地球的各種動力運動過程有關(guān)，其中包括：板塊邊界受壓、地慢熱對流、地球內(nèi)應(yīng)力，地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入和地殼非均勻擴容等。1）大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場中國大陸板塊受到外部兩塊板塊的推擠，即印度洋板塊和太平洋板塊的推擠，推擠速度為每年數(shù)厘米，同時受到了西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束。在這樣的邊界條件下，板塊發(fā)生變形，產(chǎn)生水平受壓應(yīng)力場，其主應(yīng)力跡線如下圖所示。印度洋板塊和太平洋板塊的移動促成了中國山脈的形成，控制了我國地震的分布.2） 地幔熱對流引起的應(yīng)力場由硅鎂質(zhì)組成的地幔因溫度很高，具有可塑性，并可以上下對流和蠕動.當?shù)芈钐幍纳仙鞯竭_地慢頂部時，就分為二股方向相反的平流，經(jīng)一定流程直到與另一對流圈的反向平流相遇，一起轉(zhuǎn)為下降流，回到地球深處，形成一個封閉的循環(huán)體系。3） 由地心引力引起的應(yīng)力場由地心引力引起的應(yīng)力場稱為重力應(yīng)力場，重力應(yīng)力場是各種應(yīng)力場中惟一能夠計算的應(yīng)力場.地殼中任一點的自重應(yīng)力等于單位面積的上覆巖層的重量，即。G=vH式中v為上覆巖層的容重，H為深度4） 巖漿侵入引起的應(yīng)力場巖漿侵入擠壓、冷凝收縮和成巖，均在周圍地層中產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場，其過程也是相當復(fù)雜的.熔觸狀態(tài)的巖漿處于靜水壓力狀態(tài)，對其周圍施加的是各個方向相等的均勻壓力，但是熾熱的巖漿侵入后即逐漸冷凝收縮，并從接觸界面處逐漸向內(nèi)部發(fā)展不同的熱膨脹系數(shù)及熱力學過程會使侵入巖漿自身及其周圍巖體應(yīng)力產(chǎn)生復(fù)雜的變化過程.5） 地溫梯度引起的應(yīng)力場地層的溫度隨著深度增加而升高，一般溫度梯度為a=3「C/100m。由于溫度梯度引起地層中不同深度不相同的膨脹，從而引起地層中的壓應(yīng)力，其值可達相同深度自重應(yīng)力的數(shù)分之一.二、地應(yīng)力分布的一些本規(guī)律1） 地應(yīng)力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場，它是時間和空間的函數(shù)。2） 實測垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量

對全世界實測垂直應(yīng)力。v的統(tǒng)計資料的分析表明，在深度為25—2700m的范圍內(nèi)，。v呈線性增長，大致相當于按平均容重v等于27kN?m-3計算出來的重力vH.但在某些地區(qū)的測量結(jié)果有一定幅度的偏差，上述偏差除有一部分可能歸結(jié)于測量誤差外，板塊移動、巖漿對流和侵入、擴容、不均勻膨脹等也都可引起垂直應(yīng)力的異常，如下圖所示.該圖是霍克(E.Hoke)和布朗(Brown)總結(jié)出的世界各國。v值隨深度H變化的規(guī)律。口.tiesftoo*kAA.口.tiesftoo*kAA..???.?漠;圮利亞 壯T￥—V美國A肋童入°斯堪的納蜩亞■南非口基也噸區(qū)L .■\?▼垂riti";e.’mfh■I !■：) E W 4t： 由 瑪泌水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力實測資料表明，在絕大多數(shù)(幾乎所有)地區(qū)均有兩個主應(yīng)力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，其與水平面的夾角一般不大于30°，最大水平主應(yīng)力。h,max普遍大于垂直應(yīng)力。v;。h,max與。v之比值一般為0.5~5.5,在很多情況下比值大于2,參見下表。表世界各國水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的國家名林-— ~<0.8丑,n盤孔0.8-1.2>1.24ij2834渡大利亞■：*782.95卻大<10tooAS6出n41挪城17玲的，uCl100南非41'■r352.^1)前蘇聯(lián)51204.30其他地區(qū).訂華1,溯

如果將最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的平均值。h,av=（。h,max+。h,min）/2與。v相比，總結(jié)目前全世界地應(yīng)力實測的結(jié)果，得出取。h,av/。v之值一般為0.5—5.0,大多數(shù)為0.8—1.5,這說明在淺層地殼中平均水平應(yīng)力也普遍大于垂直應(yīng)力。垂直應(yīng)力在多數(shù)情況下為最小主應(yīng)力，在少數(shù)情況下為中間主應(yīng)力，只在個別情況下為最大主應(yīng)力。這再次說明，水平方向的構(gòu)造運動如板塊移動、碰撞對地殼淺層地應(yīng)力的形成起控制作用。4）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加而減小，但在不同地區(qū)，變化的速度很不相同，下圖為世界不同地區(qū)取得的實測結(jié)果.nQooOO。事01()(505O-5nQooOO。事01()(505O-51122一YF?,■■z*/"———_? a/,,一■b■,a1?卜。?7^r1tu-°J f?c■J井一邛墮+0上1,七 .?%,</?'■ .L-j1/11.?■/*澳大利耿?美國?加拿大a.斯琪的地辨亞■南非c葛K用區(qū)1■ 11 1tTf1!1 _fif?■1.r——-fiit—i一―1一1*1<■>I■: I5 20 2.5 30 3.530005） 最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長關(guān)系。6） 最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性.。h,min/。h,max一般為0.2—0.8，多數(shù)情況下為0.4—0.8，參見下表。世界部分國家和兩個水平主應(yīng)力的比值表夷滇地點統(tǒng)計數(shù)目:rain/。*.rruvx《％)]-1),75一500.50-0.250,25-0合計斯堪的納維亞等地5114136100北美22222462391(]。中國1256248W0―中國華北地區(qū)6_刑2211100第三節(jié)確定原巖應(yīng)力的方法由于確定原巖應(yīng)力狀態(tài)是評價地下工程穩(wěn)定與否的前的條件，所以，人們花費了大量精力研制應(yīng)力測量設(shè)備并探討應(yīng)力測量的方法。地應(yīng)力測量技術(shù)，分巖芯測試和礦場試兩種。巖芯測試主要有：差應(yīng)變分析（DSR）、滯彈性應(yīng)變分析（ASR）、波速各向異性分析、聲發(fā)射（Kaiser效應(yīng)）等，其中，聲發(fā)射比較容易測試，應(yīng)用的也比較廣泛。礦場測試以水力壓裂（水壓致裂）為主。近些年利用井噴崩落反演地應(yīng)力呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。對深層地應(yīng)力的求測，水力壓裂測定技術(shù)是公認的最準確的和有效的方法，井壁崩落可給出較可靠的地應(yīng)力方位，其它技術(shù)多為間接測定方法，須采用多種方法對比使用，才能給出比較可靠的數(shù)據(jù)。一、 現(xiàn)場測量對于現(xiàn)場測量方法，從測量方法的原理來看，可以分為截然不同的兩種方法：A、 采用鉆孔來接近測量地點，確定鉆孔壁的應(yīng)變或鉆孔其它變形。B、 在鉆孔壁上的特定位置測定環(huán)向正應(yīng)力分量。1、 應(yīng)變測試方法最常見的一組方法是確定鉆孔壁的應(yīng)變或鉆孔其它變形，這些變形是由于套鉆放置測量儀器的那部分鉆孔而產(chǎn)生的。如果在這個應(yīng)力解除過程中測得了足夠多的應(yīng)力和應(yīng)變，那么，利用彈性理論的解法可以從實測數(shù)據(jù)直接求出場應(yīng)力張量的六個應(yīng)力分量。2、 應(yīng)力測試方法以壓力枕量測和水力壓裂為代表，在鉆孔壁上的特定位置測定環(huán)向正應(yīng)力分量。在每個位置，法向應(yīng)力分量通過施加在測槽上的壓力得到，這個壓力與作用在與測槽垂直方向上的局部法向應(yīng)力分量相平衡。每個測量位置的環(huán)向應(yīng)力可能直接與測試現(xiàn)場在鉆孔之前的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。3、 水力壓裂地應(yīng)力測試方法水力壓裂法是目前最準確的地應(yīng)力測試方法（主要是指最小水平主應(yīng)力和地應(yīng)力方向）它的結(jié)果往往作為檢驗其他方法精度的標準。在利用油層壓裂數(shù)據(jù)進行地應(yīng)力分析時，可以用裂縫閉合壓力給出較為準確的最小地應(yīng)力數(shù)據(jù)，并根據(jù)裂縫擴展方位確定最大水平地應(yīng)力方向。選擇合適層位：利用低排量泵注設(shè)備、井下關(guān)閉裝置和井下壓力計，采用適當?shù)氖┕し桨福M行幾個完整周期的壓裂，利用多種裂縫閉合壓力識別方法，可提高水力壓裂地應(yīng)力測試和解釋的精度。另外，大多數(shù)情況下井眼條件為套管井射孔面非裸眼，套管和水泥環(huán)的存在以及射孔方位對施工壓力有較大影響，現(xiàn)有的水力壓裂最大水平地應(yīng)力計算公式是建立在裸眼井基礎(chǔ)上的，因此，不能用套管井水力壓裂數(shù)據(jù)計算最大水平主應(yīng)力。二、 實驗室測量室內(nèi)測量的主要方法有滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法（ASR）、差微應(yīng)變分析（DS）法、聲發(fā)射法等。1、 滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法是利用巖石的彈性后效，從現(xiàn)場取出巖芯后，當巖心的恢復(fù)應(yīng)變穩(wěn)定后，測量巖芯不同方位的應(yīng)變釋放量，這種應(yīng)變增加可延續(xù)幾十個小時，被稱為滯彈性應(yīng)變恢復(fù)。根據(jù)滯彈性變恢復(fù)曲線，可以反演地應(yīng)力的大小和相對于巖心地地應(yīng)力方向。2、 差應(yīng)變分析（DS）法地層中的巖石處在三向地應(yīng)力作用下，處于壓縮狀態(tài)，進行取芯時，巖芯脫離應(yīng)力作用環(huán)境，產(chǎn)生彈性應(yīng)力釋放，伴隨應(yīng)力釋放，在應(yīng)力最大方向上變形最大，而在應(yīng)力最小方向上變形最小。把已發(fā)生應(yīng)力釋放的巖心，在垂直平面和兩個水平平面上貼上應(yīng)變片，并放置于高壓容器中，在三向應(yīng)力相等的條件下，進行恢復(fù)性的加載。在加載過程中，三個方向的應(yīng)變量出現(xiàn)差異，在原始應(yīng)力最大的方向上應(yīng)變量最大，在原始應(yīng)力最小的方向上應(yīng)變量最小。通過測試上述巖心各方向的應(yīng)變之差，就可以知道這塊巖心在地層中所受的應(yīng)力狀態(tài)。3、 聲發(fā)射法聲發(fā)射是一種巖石內(nèi)部缺陷或潛在的缺陷在外部條件作用下改變狀態(tài)而自動發(fā)聲的現(xiàn)象。巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象最重要的特征是其對受過的應(yīng)力履歷的一種“記憶”效應(yīng)。1950年，德國人凱澤(J.Ksiser)發(fā)現(xiàn)多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，再重新加載，當應(yīng)力未達到先前最大應(yīng)力值時，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當應(yīng)力達到和超過歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這種效應(yīng)被稱作巖芯的凱塞爾效應(yīng)。從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點稱為凱塞爾點，該點對應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。后來，許多人通過試驗證明，許多巖石如花崗巖、大理巖、石英巖、砂巖、安山巖、輝長巖、閃長巖、片麻巖、輝綠巖、灰?guī)r、礫巖等也具有顯著的凱塞爾效應(yīng)。凱澤效應(yīng)為測量巖石應(yīng)力提供了一個途徑，即如果從原巖中取回定向的巖石試件，通過對加工的不同方向的巖石試件進行加載聲發(fā)射試驗，測定凱塞爾點，即可找出每個試件以前所受的最大應(yīng)力，并進而求出取樣點的原始(歷史)三維應(yīng)力狀態(tài).4、 波速各向異性當巖心從地下取出時，應(yīng)力釋放會在巖石中產(chǎn)生許多微小的裂隙，由于在最大水平地應(yīng)力方向上巖心的松馳變形最大，因此，這些小裂隙將趨向于垂直最大水平主應(yīng)力方向，微小裂隙的存在使得聲波在巖心的不同方向上傳播的速度不同，有明顯的各向異性特征。巖石在原地層中所受應(yīng)力大的方向上聲波傳播速度慢，反之在所受應(yīng)力較小的方向上，聲波傳播速度則較快，據(jù)此判定地應(yīng)力方向。三、 其他方法獲取地應(yīng)力數(shù)據(jù)的其他方法還有：地應(yīng)力剖面計算、利用地質(zhì)資料進行定性分析，如火山噴道、斷層類型、地形起伏、地質(zhì)構(gòu)造等以及應(yīng)力場有限元數(shù)值模擬，利用鉆進參數(shù)反演以及地震震源機制解等。四、 測定設(shè)備直接或間接測定現(xiàn)場的設(shè)備有光彈計，USBM鉆孔變形計，雙向應(yīng)變計和三向應(yīng)變計。1、三向應(yīng)變計這種應(yīng)變計最少由三個應(yīng)變化花組成，它們安裝在可變形的基底或殼上，操作方法示于圖7-4a、b、c、do選取合適的環(huán)氧樹脂或聚脂樹脂將應(yīng)變計與鉆孔壁粘牢，應(yīng)變計附近的應(yīng)力解除會引起應(yīng)變花產(chǎn)生應(yīng)變，其大小與鉆孔壁原先的應(yīng)變相等，但符號相反。

⑴第?步⑵弟-步加）第川步⑴第?步⑵弟-步加）第川步因此，可以