基于位移反分析的深基坑渗流场与应力场完全耦合分析

岩石力学与工程学报 23(8)：1349～1352

2004年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April，2004

北京房山花岗岩原地应力状态AE法估计

李 宏 张伯崇

(中国地震局地壳应力研究所 北京 100085)

*

摘要 在北京房山花岗岩体中钻了一个深301 m，直径101 mm的钻孔。从钻孔深度30～301 m，利用水泥端帽法对岩芯进行了定向。对深度270和294 m的定向岩芯进行了声发射Kaiser效应试验。水平面内最大主应力的方向基本为南北方向。将声发射Kaiser效应测量结果与水压致裂法的测量结果进行了对比，二者具有很好的一致性。 关键词 岩石力学，声发射，Kaiser效应，地应力

分类号 TU 452 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)08-1349-04

IN-SITU STRESS MEASUREMENT OF FANGSHAN GRANITE

Li Hong，Zhang Bochong

(Institute of Crustal Dynamics，CSB， Beijing 100085 China)

Abstract A borehole was drilled in granodiorite rockmass at Fangshan，Beijing. The depth of the borehole is 301 m with diameter of 110 mm. From about 30～301 m，all cores were oriented by cement end cap method. AE Kaiser effect tests on oriented core at depth of 270 m and 294 m were carried out. In horizontal plane，the orientation of larger horizontal principal stress is about the NS. Comparison of the result of AE Kaiser effect tests with that of hydrofracturing shows that they are consistent fundamentally on the whole. Key words rock mechanics，AE，Kaiser effect，is-situ stresses

满足以下基本假定：(1) Kaiser效应只响应最大压应力，从原地应力测量角度而言，对某一方向的试件，测定的先前应力就是测点在该方向的压应力。(2)

声发射(acoustic emission，简称AE)是材料受外

在地质年代内施加的应力作用与相对较短的时间内在试验室施加的应力作用是相同的。在此基础上AE法测量地应力的原理是：在试验室进行单轴压缩试验，测量由岩石试件产生的AE，根据AE Kaiser效应求取岩石材料曾经受过的先前应力，该应力就是岩石在地壳中在试验加载方向所承受的压应力，通过对不同方向的试件进行试验，可得到不同方向的压应力。若测得6个以上不同方向的压应力，根据弹性理论就可确定测点的应力张量[1

～5]

1 前 言

力或内力作用下，产生变形或断裂时，以弹性波的形式释放出的应变能。作为声发射的早期研究者，德国慕尼黑的Kaiser博士对应力引起的声发射模式感兴趣，他观察到多晶金属上的应力从其历史最高水平释放后，再重新施加应力，当应力超过过去的最大值时，声发射速率明显增加，这种声发射在从已经受过的应力水平转变为新的应力水平时，其特征性的增加，被称为Kaiser效应。之后，Goodman等发现在岩石材料上也存在声发射Kaiser效应。 基于岩石声发射Kaiser效应AE法应力测量需

2003年3月24日收到初稿，2003年7月7日收到修改稿。 * 地震科合基金(199023)资助课题。

。

利用岩石声发射Kaiser效应测量地应力是日本电力研究所金川忠于1976年在东京举行的第

作者 李 宏 简介：男，38岁，硕士，1988年毕业于中国矿业大学北京研究生部矿山工程力学专业，现任副研究员，主要从事原地应力测量技术、测量方法和理论研究。

• 1350 • 岩石力学与工程学报 2004年

三届声发射讨论会上提出的[6]。之后，人们对声发射测量地应力的基础理论、影响因素、与其他方法的对比、试验理论方法及推广应用等进行了大量研究[7

～13]

。

本文对房山花岗岩进行了AE法地应力测量试验研究，给出了应力测量结果，并与水压致裂法测量结果进行了对比研究。

2 岩性描述与测量方法

2.1 岩性描述

房山花岗岩为燕山期侵入体，未受大的构造运动，岩石较完整、节理不发育，矿物成分以斜长石为主，其次是黑云母和角闪石，石英含量较低，呈中粗花岗结构，偶见由细粒暗色矿物与斜长石组成的直径为几厘米到几十厘米的团块包裹体。 2.2 试件制备

钻孔定向岩芯直径86 mm。试验试件为圆柱形，直径30 mm，高度75 mm。为了减少端部效应引起的噪声干扰，在试件的端部用环氧树脂各粘接一个加载钢端块，做成一个复合型试件。 2.3 测量方法

对试件进行单轴加载，加载速率为0.008 MPa/s。在上、下加载钢块上各布置一个声发射探头。采用定区记录的方式，利用计算机采集系统和X-Y记录仪同时记录在单轴加载作用下，试件中间部位产生的声发射累计数和载荷值。声发射探头是谐振型探头，谐振频率200 kHz。文[6]比较了不同频率的谐振型探头造成的Kaiser效应的明显性，未发现多大的差异。

3 应力解析概述

AE法求得的应力分量，对一个试件来说，就

是加载方向的正应力分量。假定一个主应力的方向为垂直方向，加工试件的方向为垂直1个方向和水平面4个方向，分别是南北、北东45°、东西和南东45°方向，测量深度为270和294 m。考虑到测量值的离散等因素，在1个方向上制备了10～15个试件。

根据AE试验由各个试件求得的应力值是加载方向的正应力分量。因此，在水平面内满足以下方程：

σθ=σ22

xcosθ+σysinθ+2τxysinθcosθ (1)

式中：σθ为θ方向的正应力分量(AE法的测量值)；

σx，σy，τxy为以x，y为坐标轴的地应力分量。

因此，以x轴为基准(指北方向)，将试件θ方向

的测量值分别代入式(1)等号左边的σθ中，

则上式成为以σx，σy，τxy为未知数的一次联立方程式，可用最小二乘法求得σx，σy，τxy。

进一步地，由弹性理论，可用下式简单地求出水平面内的最大主应力σH，最小主应力σh及其作用方向α。

σ2

Hσ=σx+σy2±⎛⎜σx−σy⎞⎟+τ2

xy h⎜⎝2⎟(2) ⎠α=1

tan−1⎜

⎛2τxy⎞

2

⎜σ⎟⎟ (3) ⎝x

−σy⎠

4 地应力测量结果

文[7，8]在用AE法进行原地应力测量研究中，发现在第一次加载过程中Kaiser效应不明显，提出重复加载的方法确定先前应力。他们认为第一次加载后再一次加载，用两次加载AE结果的差更易确定先前应力。在本次研究中，采用了这种方法。图

1，2给出了AE法应力测量AE累计值与载荷的典

6 000 5 000 第一次加载 数4 000 计累3 000 EA2 000 第二次加载1 0000 0

10

· 20 30 4050

应力 /MPa

(a)

4 200 3 500(第一次加载)－(第二次加载 ) 数2 800 计累2 100 EA1 400 70000

10

· 20 30 40

50

应力 /MPa (b)

图1 AE累计数与加载载荷的试验曲线

(深度：270 m，方向：N135°E)

Fig.1 Typical AE accumulation-stress curves with depth of

270 m and direction of N135°E

第23卷 第8期 李 宏等. 北京房山花岗岩原地应力状态AE法估计 • 1351 •

6 0004 800 第一次加载 数计3 600累E 第二次加载A2 400 1 200

00 10· 20 30 40 50应力

/MPa (a)

4 000 3 000(第一次加载)－ (第二次加载) 数计 累2 000E A1 000 00 10 ·20 30 40 50应力

/MPa (b)

图2 AE累计数与加载载荷的试验曲线(深度：294 m，

方向：EW)

Fig.2 Typical AE accumulation-stress curves with depth of

294 m and direction of EW

型试验曲线，图(a)是两次加载的试验曲线，图(b)是两次加载AE相减的试验曲线，图中，Kaiser效应点用箭头标明。将AE测量结果进行应力解析，得出水平面内最大、最小主应力及最大主应力的作用方向，结果见图3，4及表1所示。

N 25 20 15 10 5W E 正应力测量值 S 各方向正应力拟合值 单位：MPa

图3 AE地应力水平主应力分量测量结果及各方向正应力

计算结果(深度：270 m)

Fig.3 Measured and calculated normal stresses in various

horizontal directions with depth of 270 m

N 25 20 15 10 5 W E 正应力测量值 S 各方向正应力拟合值单位：MPa

图4 AE地应力水平主应力分量测量结果及各方向正应力

计算结果(深度：294 m)

Fig.4 Measured and calculated normal stresses in various

horizontal directions with depth of 294 m

表1 270和294 m AE法应力测量结果 Table 1 AE test data at depth of 270 and 294 m

各应力分量 270 m测量结果

294 m测量结果

最大水平主应力/MPa21.6 21.2 最小水平主应力/MPa12.3 12.1 垂直主应力/MPa 7.4 7.8 最大主应力方向 N1°W N1°W 标准偏差/MPa

1

0.99

5 对比分析

5.1 测得的垂直主应力与静岩压力的比较

房山花岗岩干容重为2.74 g/cm3。两个测段的

平均深度分别为270和294 m，测段所在深度的静岩压力分别为7.3和7.9 MPa，与AE法测量的垂直主应力基本一致。

5.2 AE法与水压致裂法地应力测量结果的对比

水压致裂法已广泛应用于深孔应力测量，但仍存在许多需深入研究的问题，如何正确地确定关闭

压力、重张压力及压裂流体的粘滞度、压裂速率和岩体渗透率等因素的影响等。作者在同一钻孔进行了水压致裂应力测量的研究，估计了最大和最小主应力，见图5所示。

在270和294 m由水压致裂确定的最大主应力的作用方向基本上是南北方向，与

AE法的测量 • 1352 • 岩石力学与工程学报 2004年

水压致裂—SH 水压致裂—Sh 声发射—SH 声发射—Sh

图5 水平面内主应力AE法测量结果与水压致裂法对比 Fig.5 Comparison of principal stresses in horizontal plane by

HF and AE method

结果相一致。由AE法确定的最大、最小主应力标在同一幅图中，它们基本上没有区别。

6 结 论

通过对北京房山花岗岩300 m深钻孔中的定向岩芯，进行AE法应力测量，并将测量结果与水压致裂法的测量结果进行了对比，证实了AE法是一种有效的室内应力测量方法，且在300 m深的硬质岩层中的测量结果与水压致裂法具有相同的测量精度。

参 考 文 献

1

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