收藏干货｜地应力测量技术——钻孔切缝应力解除法

关于地应力测量技术，除了上一期介绍的水压致裂法，还有两种常用的应用技术——钻孔切缝应力解除法和钻孔套芯应力解除法。

这一期小编将与大家分享钻孔切缝应力解除法，如果喜欢这篇文章，可以

钻孔切缝应力解除法介绍

利用钻孔切缝仪对钻孔进行应力解除是一种2维应力测量方法，它基于的原理是钻孔内局部应力解除。利用一个小的、气体驱动的金刚石锯与钻孔轴线平行在钻孔壁上锯应力解除缝（见下图）。解除缝宽度大约为1mm，深度最大为20mm。

钻孔一端的钻孔切缝仪

切缝过程中，缝的旁边有一个专门研发的接触应变传感器，以某一已知的力将其压在钻孔壁上。传感器的作用是切缝过程中测量孔壁的切应变。

金刚石锯刀片旁边的应变传感器

钻孔切缝试验设备结构图

通常，用摄像机对钻孔进行监控，排除不合适的钻孔段。

在选择的测试位置，沿着不同方向进行切缝。最少3条缝，各自成120°，这样才可以确定2维应力状态。但是，通常在钻孔内这个测试位置上部或者下部10cm处，进行另外3次切缝应力测量（见下图），目的是通过额外的测量验证试验结果。

6个切缝试验的时间-应变曲线，包括单独的、额外的2维应力测量

进行额外测量获得的数据可以用于对数据质量进行量化，例如以相关系数的形式。当进行和解释钻孔切缝试验时，这一测量数量内部控制的可能性被证明是非常有用的。比方说，测试过程中，如果测量结果的内部一致性看起来不是足够低，可以再锯几条缝，直到出现足够的一致性趋势明显出现。

为了计算，测试区被视为线弹性、均质、各向同性。通过平面穿孔模型的方式，在钻孔内切缝时，从二次应力状态的解除，利用KIRSCH方程对初始应力状态进行重新计算。 作为输入值，弹性模量和泊松比必须由钻孔内取出的岩芯通过单轴压缩试验确定。

利用钻孔切缝仪进行初始应力测量的精度取决于岩体模量的大小和接触应变传感器的灵敏性。对于弹性模量为40GPa的岩体，精度大约为+/- 0.5 MPa。通常传感器的分辨率为1个微应变。

为了确定岩体的3维应力状态，试验过程必须在三个钻孔内进行，并且有不同的方位角和倾角。钻孔的掘进方向和倾向必须尽可能精确地被测量，因为这些值要加入到应力张量的计算。

对于钻进，必须用取芯钻进的方法，因为岩体每一个测量点的弹性模量和泊松比必须通过实验室试验来确定，用于计算应力状态。 

应用仪器-钻孔切缝仪

欧美大地钻孔切缝仪

技术参数

2013年，以上仪器被引用到长江科学院的“锦屏地下实验室的极高地应力测试工作”项目，成为国内首套钻孔切缝仪。2016年4月，在锦屏地下实验室埋深超过2000m的极高应力部位圆满完成了地应力测试试验，钻孔切缝仪对长江水利科技院的地应力测试研究取得的突破进展发挥了重大作用。

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