基于变形率变化法的初始地应力测量技术_朱淳.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022基于变形率变化法的初始地应力测量技术朱淳 1,2,王海军3,4,钟凌伟4,汤雷3,任旭华4(1.河海大学 地球科学与工程学院,南京 210098;2.西安石油大学 石油工程学院,西安 710065;3.南京水利科学研究院,南京 210029;4.河海大学 水利水电学院,江苏南京 210098)摘要:基于岩石变形记忆效应的变形率变化法(DRA 法),是一种利用岩芯对原地质赋存初始地应力场信息的记忆开展测量并通过室内岩芯循环压缩试验所得应力 应变数据来读取岩芯先期应力的方法,此方法具有诸多优势,为准确便捷测量初始地应力提供了全新的思路,国内外一系列实践应用证明了其巨大的潜力。我国关于 DRA 法的研究及工程应用还处于刚起步阶段,其基础理论在我国尚未建立,因此开展 DRA 法的理论、应用的进展研究具有重要意义。主要包括:详细叙述了 DRA 法的基本原理及其测量地应力关键技术;分析得出了提高DRA 法测量精度的方法;将 DRA 法与其他地应力测量方法进行比较,分析得到其优势与局限性;阐述了 DRA 法存在的挑战及未来研究方向。为推动国内 DRA 法研究的开展及工程初始地应力实测应用提供参考依据。关键词:初始地应力;岩石变形记忆效应;变形率变化法;岩石力学中图分类号:TU43文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0865-09Technology of In-Situ Geostress Measurement Based on Deformation Rate Analysis MethodZhu Chun1,2,Wang Haijun 3,4,Zhong Lingwei 4,Tang Lei 3,Ren Xuhua 4(1.School of Earth Sciences and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,P.R.China;2.College of Petroleum Engineering,Xian Shiyou University,Xian 710065,P.R.China;3.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,210029 P.R.China;4.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,P.R.China)Abstract:The deformation rate analysis(DRA method)is a method based on the rock deformation memory effect.This method measures in-situ geostress field information of the original geological deposit and that information is read by the stress-strain data obtained from the indoor core cyclic compression test.This method has many advantages,which provides a brand-new idea for accurate and convenient measurement of in-situ geostress.A series of practical applications in China and other countries have proved its great potential possibility.However,the research and engineering application of this method are still in its infancy,and its basic theory has not yet been established in China.Therefore,it is of great significance to carry out research on the theoretical research and application of the DRA method.This paper gives the basic principle of DRA method and key points of DRA method for measuring in-situ geostress;analyses how to improve the accuracy of DRA method;analyzes its advantages and disadvantages comparing with other in-situ geostress measurement methods;elaborates the existence challenges and future research directions of DRA method.It provides a reference for promoting the development of DRA research and the application of in-situ geostress measurement in engineering in China.收稿日期:2022-02-25(修改稿)作者简介:朱淳(1993),男,江苏徐州人,博士,教授,主要从事岩土工程、地下工程等领域的教学与科研工作。E-mail:zhuchuncumtb 通讯作者:王海军(1985),男,山东菏泽人,博士,研究员,主要从事地下工程围岩及支护结构稳定性研究工作。E-mail:hjwang 基金项目:陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JQ-304);中央高校基本科研业务费(B220202056)Keywords:in-situ geostress;rock deformation memory effect(DME);deformation rate analysis(DRA);rock mechanics0引言初始地应力信息是各类地下岩石工程分析研究的基础数据,其准确、简便的测量在地下工程建设中具有重要意义,其准确性直接影响后续工程分析决策的正确性1。如:基本的地质运动规律的解释及预测2;深部矿产资源的开采3;水利、交通、能源等地下洞室稳定分析,开挖方法的选择,支护系统的设计4;岩爆预测5等。另一方面,习近平总书记在 2016 年 5 月“科技三会”上的讲话和2016 年 8 月发布的“十三五”国家科技创新规划都把“深地”问题作为国家战略布局层面上需要解决的关键问题。综上,无论是对于各行业岩石工程,还是对于我国“深地”发展战略,初始地应力测量新方法的探索研究更加迫切和紧要。变形记忆效应及变形率变化法(Deformation Rate Analysis-DRA)的提出6,为地应力的准确、简便测量提供了全新思路。通过在实验室对前期工程开挖积累的副产品岩芯或岩块钻取试样并进行循环加载完成测试。目前 DRA 法的工程地应力测量已在国际范围广泛应用,包括美国、加拿大、澳大利亚、日本、南非、芬兰、中国台湾等不同国家和地区工程,测量深度达到 2 550 m。具体见岩石变形记忆效应:应用、试验与理论一文7。目前在国内,关于 DRA 法的研究还处于刚起步阶段。葛伟凤等8采用声发射法与 DRA 法联合测定盐膏层地应力。石凯等9将声发射发与 DRA法联合应用于铜绿山矿 XII 号矿体地应力测量中。杨东辉等10利用声发射法和 DRA 法联合进行煤系地层地应力测试。以上研究者虽是应用 DRA 法配合声发射法测量地应力,但并没有侧重 DRA 法的具体内容,仅仅将 DRA 法测得结果与声发射法测得结果进行比较,相互论证。因此,对 DRA 法的系统性地认识及应用不足,严重阻碍了其在国内的推广和发展。针对以上问题,本文首先给出 DRA 法的基本原理;然后对 DRA 法测量地应力应用方法及关键点展开详述,分析得出如何提高 DRA 法的测量精度;然后将 DRA 法与其他地应力测量方法进行比较,分析其优势与局限性;最后重点阐述 DRA 法存在的挑战及未来研究方向。为推动国内 DRA 法研究的开展及工程初始地应力实测应用提供参考。1变形率变化法变形率变化法是一种读取岩石等材料先期应力信 息 的 方 法,最 早 由 Yamamoto 等 于 1990 年提出6。一般的,施加外力后,如果材料为完全弹性体,则材料的加卸载曲线为相互重合的直线;但岩石为非完全弹性体,试样在相同加载方案下多次加载总是存在应变差,也就是说应力与应变差曲线总是有折点存在的,如图 1 折点处对应的应力值即为岩样先期所受应力。DRA 法则是利用了这一现象对岩芯进行循环单轴压缩试验,并根据试验所得数据确定应力与所对应的应变差曲线,确定其折点,进而得到先期应力。应变差 i定义为:i,j()=j()-i(),j i(1)式中:i()、j()分别代表第 i 次和第 j 次加载中的轴向应变;是相应的轴向应力;取压应力及压应变为正。图 1DRA 法基本原理Fig.1The basic principle of DRA method通过求得应变差,可将其中的线弹性变形抵消删除而不可逆变形得以保留,值得注意的是,随着668地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷循环次数增多,非弹性变形得以进一步放大。2DRA 法测量地应力的关键技术2.1运用 DRA 法测量地应力的步骤采用单轴循环加载试验实现 DRA 法测地应力的一个假设11为:试样从岩芯或岩块钻取后,进行连续压缩试验,计算应变差,得到 DRA 曲线,曲线上的 DRA 折点对应的应力值为岩芯或岩块在该加载方向的正应力值部分。如图 1,在地应力测量时,只需两次单轴测量加载即可完成。图 1 中,DRA 折点对应的应力值DRA为该试件轴方向的正应力值 N部分。对于知道在地层中所处位置和方向的岩芯或岩块都可以作为 DRA 法的实验材料。DRA 法首先进行试样的钻取,然后采用加载仪器对每个试样进行记忆信息的读取,由 6 个不同方向的正应力分量及试样在岩芯中钻取的角度计算出主应力的大小,由岩芯在地层中的钻取方向,进而得到该岩芯所在位置的主应力方向。DRA 法测地应力可分为以下几个步骤,图 2为基本步骤的流程图:图 2DRA 法测地应力流程图Fig.2Flow chart of DRA method for measuring the in-situ stress(1)钻取所要测地应力区域的岩芯或岩块:需要知道岩芯或岩块的位置、方向。(2)按照试样加工方案从岩芯中切取试样,记录轴方向,对试样进行修整,磨平工作。(3)对试样进行连续两次的循环加载试验,数据记录等工作。(4)计算 DRA 法应变差函数,得到每个试样轴方向的 DRA(即轴方向的正应力 N)。(5)通过各个方向的 N及其角度计算出地应力主应力大小及方向。由以上步骤可知,DRA 法的所需仪器及实验步骤和室内测岩石如弹性模量、单轴抗压强度等参数的实验几乎一样,主要差别在于应变差函数的计算。无需购置特殊仪器,而且对操作无特殊要求,是 DRA 法的普及推广的巨大优势。2.2试样的加工和加载2.2.1切片切割法假设地壳应力分为 5 个方向,其中一个为竖直应力,另外 4 个为水平应力并以 45为间隔分布。我们按照如图 3 的方案,每个方向切