三维地应力测量过程中应力释放规律分析.pdfVIP

第43卷 第5期 人 民 长 江 Vo1．43．No．5 2012年 3月 Yangtze River Mar．． 2012 文章编号 ：1001—4179(2012)05—0047—04 三维地应力测量过程中应力释放规律分析 贾 龙 ，王 成 虎 (1．中国地质科学研 究院 岩溶地质研究所 ，广西 桂林 541004； 2．中国地震局 地壳应力研 究所 ，北京 100085) 摘要 ：应力解除法是测量三维原地应力的重要方法 ，但其测量原理是建立在应力完全释放的情况下，忽视 了应 力是逐渐释放的过程 。因此有必要探 究应力释放规律 。利用数值模拟方法 ，对应力释放与解除深度 、地应力状 态和孔底温度关系进行研究，表明应力解除过程 中存在应力残留，主要集 中在岩芯底部，其分布与原地应力大 小方向有关，并且钻孔温度对残 留地应力影响也较为显著。各种情况下的钻孔残留应力波及高度一般在一个 钻孔直径 以内，因此测量原件应安放在距 离岩 芯底部 一个钻孔直径的高度。 关 键 词 ：地应力测量 ；套芯应力解除；数值模拟 ；3D—sigma；应力释放 中图法分类号：P642．2 文献标志码 ：A 原地应力测量是研究地壳应力状态及构造应力场 1，图中a．测量孔 ；b．应力解除槽 ；c．测量元件 ；d．被解 的重要手段 。1932年，R．S．Lieurace在胡佛水坝下面 除应力 的岩芯 ；e．受应力作用的围岩)，使带有小孑L的 的一 个 隧道 中首 次成 功 地 进 行 了原 岩 应 力 的测 岩芯与周围的岩体分离开 ，即解除周围岩体约束 ，释放 量 。在20世纪 60年代 中期以前 ，地应力测量基 应力 ，使带有小孔的岩芯产生膨胀或收缩。通过预埋 本上处于平面应力测量 的水平，在这一时期普遍采用 在d,TL中的变形计测量其变形即可获得主应力量值和 的测量方法是扁千斤顶法 ，刚性圆柱应力计法 ，光弹应 方向 。其原理是建立在地应力完全释放 的前提 力计 、应变计法 ，孔径变形计 、孔底应变计法等。1966 下。但是在地应力解除过程 中，岩芯 中的地应力是逐 年，E．R．Leeman根据弹性力学理论提出了一个无 限 渐释放的。由于岩芯底部约束 ，仍有一部分地应力会 体 中的圆孑L在受到无 限远处三维应力场作用情况下 ， 残留在岩芯中，该部分应力称为残 留地应力 …，这 测算三维应力场量值和方 向的公式 。随着三维地 些应力一般都沿着岩芯轴向逐渐衰减，到一定高度才 应力测量技术 的出现 ，南非科学和工业研究委员会 全部释放为零 。所以有必要找到岩芯中地应力在钻探 (CSIR)研制的三轴孔壁应变计 ，澳大利亚联邦科学和 过程 中释放的规律 ，找出残留地应力状态与解除深度、 工业研究组织 (CSIRO)岩石力学部研制出来 的CSIRO 原地应力等因素的关系。 型三轴空心包体应变计 ，在世界范 围内得到广泛的应 1 计算模型 用 。60年代末 ，C．Fairhurst和 B．C．Haimson提出了 用水压裂法测量地应力的理论 。到 80年代 ，该方 这里通过数值模拟来分析应力解除过程中岩芯应 法已在全世界范围内得到较为广泛的应用，但从本质 力释放的规律 ，选用三维弹塑性有限单元法 (3D—Sig- }讲 ，只是一种二维应力测量方法 ，且其测量结果的可 ma)来模拟应力解除的整个过程 。测量小孔直径为 26 性和准确性尚达不到三维地应力测量的精度。 mm，岩芯直径为91mm，钻孔深度为 500mm。为了更 三维地应力测量 的基本原理是利用套芯法 (见图 好地模拟实际情况 ，减少计算模型的边界