甘 俊，王海曉

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

地應(yīng)力大致可分為原始地應(yīng)力和誘發(fā)地應(yīng)力，原地應(yīng)力指的是巖體內(nèi)部未受到工程干擾的原始應(yīng)力，即(in-suit stress)。原地應(yīng)力來自多方面[1]：巖體自重，地形(勢)變化，板塊運(yùn)動(dòng)，地殼剝蝕，封閉應(yīng)力。在工程建設(shè)中，如隧道，地下工程，礦山，水電站等，原位地應(yīng)力狀態(tài)都是前期工程可行性的關(guān)鍵點(diǎn)[2]。目前主流的地應(yīng)力測量方法包括空心包體應(yīng)力解除法和水壓致裂法地應(yīng)力測量，空心包體應(yīng)力解除法在實(shí)際測量過程中需考慮不能與孔壁完全貼合的情況，此外還容易受到溫度以及電路情況的影響[3]。水壓致裂法有諸多優(yōu)點(diǎn)，因其適應(yīng)性強(qiáng)，精度高，同時(shí)測試周期短，數(shù)據(jù)處理方便，在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛，但其設(shè)備繁瑣，測試時(shí)受地質(zhì)狀況影響較大(需要測試段巖石完整度較好)，且成本較高。深部地層面臨高溫，高水壓，高地應(yīng)力的三高現(xiàn)象[4]，水壓致裂測量法的成本隨著測量深度不斷加大。深部隧道工程中急需一種經(jīng)濟(jì)，高效，測量精度高的地應(yīng)力測試方法。地應(yīng)力測量近年來在礦區(qū)，隧道已有不少研究例子[5-9]。

ASR法因其不受測量深度影響，測試成本低精度高，并且測量工具簡便易攜帶，是研究深部地應(yīng)力狀態(tài)的一種有效手段。汶川地震一號(hào)科學(xué)鉆孔中國首次采用ASR法進(jìn)行地應(yīng)力測試[5]，之后該方法在深部科學(xué)鉆孔，地震斷裂帶中開始陸續(xù)應(yīng)用[10-15]。本文中采用ASR法對湖南慈利縣某隧道進(jìn)行地應(yīng)力測量，取得了地下494米處的巖芯，通過定向巖芯卸載的非彈性應(yīng)變恢復(fù)計(jì)算得出原位地應(yīng)力狀態(tài)。與同一深度范圍內(nèi)水壓致裂測量法的數(shù)據(jù)相比較， ASR法測得的原位應(yīng)力狀態(tài)與水壓致裂法基本一致。

1 ASR法基本原理

巖石具有流變性，是一種粘彈性組合體[16]。當(dāng)巖芯從地底中取出時(shí)，離開地層中的應(yīng)力場，處于卸載狀態(tài)，發(fā)生應(yīng)變恢復(fù)，初期為彈性應(yīng)變恢復(fù)，后續(xù)為滯彈性應(yīng)變恢復(fù)。通過測得的滯彈性應(yīng)變變形恢復(fù)的變化推算該深度范圍內(nèi)的原地應(yīng)力狀態(tài)，是ASR測量法的理論基礎(chǔ)。

圖1 巖石流變性應(yīng)力應(yīng)變圖[5]

國際上最早提出ASR法猜想的是Voight[17]，其理論 認(rèn)為巖石的非彈性應(yīng)變恢復(fù)與巖石的總應(yīng)變恢復(fù)量(非彈性應(yīng)變恢復(fù)和彈性應(yīng)變恢復(fù)之和)成正比關(guān)系。Teufel將Voight的理論進(jìn)行實(shí)踐并制作了相關(guān)的設(shè)備[18]。ASR法的理論研究中，Blanton[19]建立了零階模型，該模型假設(shè)巖芯為各向同性的材料，可由應(yīng)變松弛過程中對應(yīng)的時(shí)間計(jì)算得出主應(yīng)變的變化量。Warpinski和Teufel等[20]將其發(fā)展為一階蠕變模型，使用兩個(gè)獨(dú)立的蠕變?nèi)岫茸兞浚大w積柔度和變形柔度。Matsuki將該理論進(jìn)一步完善為二階蠕變模型[21]，由此才是真正意義上的三維應(yīng)力分析，測量中需要至少測得六個(gè)方向的應(yīng)變測量值，并由應(yīng)變恢復(fù)計(jì)算出應(yīng)力的大小與方向[22]。

由拉普拉斯變換解中的相似原理和非彈性應(yīng)變恢復(fù)柔度，任意方向巖芯卸載后其非彈性應(yīng)變恢復(fù)與原地應(yīng)力之間的關(guān)系可表示如式(1)所示。

(1)

式(1)中l(wèi),m,n是應(yīng)變軸的余弦大小，σx,σy,σz,τxy,τxz,τyz為六個(gè)應(yīng)力分量。Jas和Jav分別為剪切變形模量和體積變形模量，σm為平均主應(yīng)力，p0為孔隙壓力，αT和ΔT(t)分別為巖石的線性膨脹系數(shù)和溫度變化值。此外三維主應(yīng)力大小還可用下式(2)表達(dá)。

(2)

ei(t)為非彈性偏應(yīng)變i=1，2，3，em(t)為平均正應(yīng)變。由式(1)和式(2)可知原地應(yīng)力的大小與非彈性應(yīng)變大小、溫度，以及巖石熱膨脹系數(shù)、孔隙壓力、非彈性應(yīng)變恢復(fù)的體積模量和剪切模量有關(guān)。測量期間保持溫度恒定，孔隙壓力不變，同時(shí)測量裝置穩(wěn)定，此時(shí)可由測得的相關(guān)非彈性應(yīng)變，以及巖石的非彈性應(yīng)變恢復(fù)柔度計(jì)算得到巖石的原位應(yīng)力狀態(tài)。

2 ASR法測量流程

現(xiàn)場測試流程：①取芯：從鉆孔中取出巖芯后須盡快進(jìn)行測量以便獲得更多的巖石原位地應(yīng)力信息，初期巖芯的非彈性應(yīng)變恢復(fù)數(shù)值比較大，盡早進(jìn)行測量能提高結(jié)果的可靠度，一般從取芯到開始測量不宜超過四個(gè)小時(shí)。巖芯須挑選各項(xiàng)均質(zhì)、無裂隙的完整巖芯，其長度一般不少于15cm。此外，為減少取芯的時(shí)間誤差，應(yīng)取靠近底部的巖芯。②清潔：取芯之后用保鮮膜包好，到達(dá)試驗(yàn)室，用酒精濕紙巾對巖芯進(jìn)行清潔，除去其表面的附著物(泥漿，機(jī)油等),若有凹凸不平之處，須先用砂紙進(jìn)行輕微打磨，之后再用酒精濕紙巾擦拭干凈。巖芯的兩頭須標(biāo)記好深度。③貼片：粘貼應(yīng)變片之前須檢查應(yīng)變片是否正常。為防止端部效應(yīng)的影響，應(yīng)變片粘貼位置距離巖芯底部至少需一倍直徑以上，應(yīng)變片的粘貼位置用卷尺先量好，并做好標(biāo)記。本文中選用-45°，0°，45°，90°四個(gè)方向分別進(jìn)行應(yīng)變片的粘貼，如圖2所示，9個(gè)應(yīng)變片具有獨(dú)立方向。粘貼過程中應(yīng)盡量避免裂紋及凹凸不平之處，膠水與巖芯粘貼需緊密，檢查巖芯與應(yīng)變片之間的空氣是否排盡。應(yīng)變片表面處涂些許膠水，起到防潮抗干擾效果。④連接應(yīng)變儀：連接應(yīng)變儀之前須檢查應(yīng)變儀是否正常，接上應(yīng)變儀后開始檢測巖石的非彈性應(yīng)變恢復(fù)，為提高試驗(yàn)的可靠度，測量時(shí)間一般不少于7天。⑤數(shù)據(jù)處理：測量結(jié)束后，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過非彈性應(yīng)變恢復(fù)值計(jì)算得出測點(diǎn)的應(yīng)力大小以及方向。

圖2 巖芯應(yīng)變片分布圖

3 ASR法可靠性分析

3.1 測點(diǎn)地質(zhì)概況

湖南發(fā)育的構(gòu)造體系較多，有東西向構(gòu)造體系、南北向構(gòu)造體系、各種扭動(dòng)構(gòu)造體系、北西向構(gòu)造體系以及體系歸屬不明的其他構(gòu)造。慈利縣處于湘西北的一個(gè)向北西方向凸出的弧形構(gòu)造帶的弧形轉(zhuǎn)折部位，地殼構(gòu)造較復(fù)雜。隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕、溶蝕低的山丘陵地貌，隧道沿線范圍內(nèi)最高標(biāo)高為911.3m，最低標(biāo)高約222.3m，相對高差約689m，地形起伏大。谷中有零星侵蝕、溶蝕堆積地貌，山頂成駝峰、馬鞍狀地形，兩側(cè)高、中間低，進(jìn)出口段為斜坡地貌，山坡呈陡緩相間的階梯狀。

3.2 ASR法與水壓致裂法測量結(jié)果對比分析

來自底部的巖芯如圖 3所示，巖芯取出后開始測量其彈性應(yīng)變恢復(fù)值，連續(xù)監(jiān)測七天。結(jié)果顯示：曲線符合非彈性應(yīng)變恢復(fù)的規(guī)律，曲線的應(yīng)變變化量達(dá)300～700微應(yīng)變，其變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過儀器的誤差，滿足測量的要求。九個(gè)獨(dú)立應(yīng)變方向的應(yīng)變觀測曲線采用最小二乘法求出六個(gè)獨(dú)立方向的應(yīng)變恢復(fù)值，通過應(yīng)變矩陣求得其主應(yīng)變。

(a)現(xiàn)場取芯(b)粘貼應(yīng)變片(c)連接應(yīng)變采集儀圖3 選芯、貼片及連接應(yīng)變采集儀

其中9個(gè)方向的應(yīng)變觀測曲線如圖4所示，計(jì)算得出三個(gè)主應(yīng)變(ε1，ε2，ε3)以及平均應(yīng)變?chǔ)舖，測量結(jié)果顯示系統(tǒng)測量期間，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定漂移較小可以忽略，溫度變化控制在±0.5℃，應(yīng)變皆為張拉，且初始應(yīng)變大，6000min左右以后巖石的變形開始趨于穩(wěn)定變化平緩，符合非彈性應(yīng)變的變化規(guī)律。

(a)非彈性應(yīng)變恢復(fù)值(b)主應(yīng)變及平均應(yīng)變值圖4 非彈性應(yīng)變恢復(fù)值及主應(yīng)變和平均應(yīng)變恢復(fù)

同一深度范圍內(nèi)，水壓致裂法的應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖 5所示，從曲線上可獲得破裂壓力以及多個(gè)回合的重張應(yīng)力以及關(guān)閉壓力(最小水平主應(yīng)力)。當(dāng)巖芯深度為494m時(shí)，ASR法和水壓致裂法地應(yīng)力測量結(jié)果，如表 1所示，其結(jié)果顯示ASR測量的應(yīng)力比水壓致裂測量法測得最大水平應(yīng)力值要大1.29Mpa，最小水平應(yīng)力要小2.11Mpa，可能是井下的溫度和室內(nèi)的溫度不一致以及鉆孔處孔隙壓力有差異等原因引起的。室內(nèi)溫度約為22℃，測量期間溫度引起的應(yīng)力已經(jīng)釋放，巖石在室內(nèi)測量過程中水分的些許蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致其孔隙壓力變化，兩種方法得到的最小水平應(yīng)力誤差約15%左右，這也驗(yàn)證了ASR測量法的可靠性。

圖5 水力致裂法應(yīng)力-時(shí)間曲線

表1 ASR法與水壓致裂法結(jié)果對比

4 應(yīng)用前景分析

ASR法是直接測得巖石變形物理量的原位地應(yīng)力測量方法，其基本原理與空心包體應(yīng)力解除法相類似，理論基礎(chǔ)都相對完善，其差異之處在于 ASR測量法主要測的是巖石的滯彈性應(yīng)變恢復(fù)，而空心包體則是對巖石的彈性變形進(jìn)行監(jiān)測，水壓致裂法地應(yīng)力測量則是在測試深度范圍中采用可膨脹的橡膠封隔器加壓液體使巖石張開破裂，由壓裂過程中的應(yīng)力曲線得到原位地應(yīng)力信息。與以上兩種地應(yīng)力測量法相比，ASR地應(yīng)力測量法的優(yōu)勢可以概括為以下幾點(diǎn)：①ASR法不受鉆孔深度和地質(zhì)條件的限制，特別是斷裂帶破碎帶中，其他地應(yīng)力測量方法無法實(shí)施時(shí)，ASR法取得一小段完整巖芯仍可進(jìn)行測量；②ASR測量法在巖芯表面進(jìn)行粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片所貼的位置可以有效避開裂隙處，且測量期間能夠保證測試溫度,濕度的相對穩(wěn)定；③ASR測量法經(jīng)濟(jì)便捷，不需要像水壓致裂法一樣準(zhǔn)備大型的機(jī)械設(shè)備，對于技術(shù)人員來講只需一次取芯也提高了其工作效率，也更安全。

ASR測量法也有其局限性：①一般來講ASR測量法適用于深孔取芯測量，鉆孔不宜少于300米，若鉆孔較淺其應(yīng)變也會(huì)較小，ASR的測量精確也會(huì)受到影響；②測量期間一般七天以上，在測試過程中巖芯可能存在輕微失水收縮變形，這與巖芯脫離地下應(yīng)力場的膨脹變形相反，對于黏土含量高的巖石這種現(xiàn)象尤為明顯。③一般從鉆孔底部取到巖芯到底面都需要一定的時(shí)間，若鉆孔過深則早期的非彈性恢復(fù)變形無法測到，這會(huì)對測量精度有一定影響。

ASR測量法安全、經(jīng)濟(jì)、高效，受測試環(huán)境以及測試深度影響較小，未來地下深部科學(xué)勘察，工程勘察中ASR法與水壓致裂法、鉆孔崩落法等其他方法聯(lián)合使用，可獲得更可靠的原位地應(yīng)力信息。

5 結(jié)論

本文介紹了ASR測量法的基本原理，測試流程，以及其在隧道工程中的應(yīng)用前景。與同一深度范圍內(nèi)水壓致裂對比，并分析了ASR在未來隧道工程中的應(yīng)用前景，得出結(jié)論如下。

(1)ASR測量法理論完善能夠測得地下的三維應(yīng)力狀態(tài)，是直接通過粘貼應(yīng)變片獲巖芯應(yīng)變恢復(fù)的物理量，由應(yīng)變以及柔度推算出原地應(yīng)力狀態(tài)。測試過程中保持溫度、濕度恒定，同時(shí)保證粘貼應(yīng)變片以及應(yīng)變采集儀的穩(wěn)定就能夠獲得相對可靠的地應(yīng)力信息。

(2)ASR法與同一深度范圍內(nèi)的水壓致裂法測得的應(yīng)力大小相比，二者測得的應(yīng)力大小相差15%左右，表明了ASR測量法的可靠性。

(3)ASR測量法應(yīng)用范圍廣，只要能夠取得均質(zhì)完整的巖芯，就能進(jìn)行地應(yīng)力測量。并且其成本低，安全，高效，在隧道工程地應(yīng)力測量有著廣闊的應(yīng)用前景。