国外地应力测量的发展历程

利用钻孔现场测定浅层岩体地应力虽自20世纪50年代初才由哈斯特开始，但在岩体表面测量地应力却在30年代就早已用于工程实践中了。1932年美国垦务局的劳伦斯（Lieurace）在哈佛坝（Hoover Dam）的坝底一个隧道中，采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了地应力测量，从而开辟了现场实测地应力的新纪元。尽管当时技术条件很差，方法也比较原始，但毕竟获得了有益的成果。紧接着苏联、英、法、意、葡等国也相继开展了这项试验，在测试技术和试验方法上都有所提高和发展。例如，解除孔的口径尺寸、掏槽方法和工具、测量元件的研制等均有很大的改进。并在此基础上又发展了应力恢复测量法和局部应力解除的中心孔测量法。直至20世纪50年代，塞拉芬（Serafim，J.L.）在葡萄牙的卡尼卡达（Canicada）和匹柯特（Picote）两座坝的地下厂房开展这项试验时，测试技术才走向成熟。

20世纪60年代中期之前，地应力测量基本是平面应力测量。平面应力测量所采用的测试设备和测量元件为电阻丝应变计、压力钢枕、刚性圆柱应力计和光弹应力计等。

但是，从1932-1951年的20年期间，地应力测量尚未引起人们重视，测量技术主要停留在岩体表面应力测量上，进展缓慢。直到1958年哈斯特第一次公布了他在1952-1953年在瑞典拉依斯瓦尔（Laiswall）铅矿和斯堪的纳维亚半岛4个矿区钻孔应力测量结果，首次测得近地表地层中的水平应力常常高于垂直应力的现象，引起了人们的关注。

由于钻孔应力测量可以克服在岩体表面应力测量的缺陷，不受开挖爆破的影响，因此从20世纪60年代以后，套钻孔应力测量技术发展很快。就测量原理而言，岩体表面应力解除测量法和套钻孔应力解除测量法都是根据切割岩体时，测量钻孔（或槽）周围岩体释放的应变（或变形），从而计算岩体应力的原理。只是后者是将测量元件安装在钻孔内，远比在岩体表面安装复杂得多。根据测量元件安装和测量的物理量不同，套钻孔应力解除测量法又可分为钻孔孔径变形测量法、钻孔孔底应变测量法和钻孔孔壁应变测量法三种。哈斯特研制的钻孔压磁式应力计和1962年美国矿务局欧贝特（Obert，L.）等人研制的USBM钻孔变形计，都是测量钻孔直径变化的钻孔孔径变形测量法的一种测量元件；1963年南非黎曼（Leeman，E.R.）研制的“CSIR门塞器”，则是测量钻孔孔底应变变化的钻孔孔底应变测量法的一种测量元件；而1964年南非冶金采矿杂志发表的钻孔三轴应变计，1976年又经南非科学和工业研究委员会（CSIR）进一步改进定名为CSIR钻孔三轴应变计，则是测量钻孔孔壁应变变化的钻孔孔壁应变测量法的一种测量元件，这种CSIR钻孔三轴应变计现已国际商品化，得到了广泛应用和发展。至于1968年葡萄牙国家土木研究所（LNEC）罗哈（Rocha，M.）研制的钻孔三向应力张量计和20世纪70年代中期，澳大利亚科学与工业研究组织（CSIRO）岩石力学部研制的CSIRO型钻孔三轴空心包体式应变计，也是钻孔孔壁应变测量法的一种测量元件，后者是通过环氧树脂层传递钻孔孔壁应变变化的一种测量元件，由于它测量成功率高和操作方便，逐渐取代了钻孔三轴孔壁应变计，得到了广泛推广，成为现代最主要的地应力测量元件。进入20世纪60年代中期后，由于岩石力学、数值分析、工程测量等学科的发展，促使了地应力测量理论和测试技术不断创新和发展，逐渐发展了三维地应力测量技术，即通过一个单孔的测量就可测定测点岩体的三维地应力状态。

但是，上述各种测量方法都是在钻孔中用套心切割岩体进行应力解除来实现的，一般测量深度仅几十米，且限于在无水的钻孔中测量，尤以电阻丝应变片直接粘贴在钻孔岩壁上最为困难。有鉴于此，瑞典国家电力局（SSPB）赫尔特希（Hiltscher，R.）等人自1976年以来，一直在致力于研制一种能在含水的深钻孔中测量地应力的设备，至80年代初期研制成功钻孔水下三向应变计，在此基础上，又开发了带有数据自动采集系统的井下三向应变计探头，使井下的测量元件与地面的接收仪表不需要连接任何电缆，此项设备在1988-1989年期间在现场进行过大约60次的测量，最大测量深度已达510m。从而使深层岩体的套钻孔应力测量技术达到一个新的发展水平。(www.xing528.com)

近40年来，套芯应力解除测量法和水压致裂测量法一直在工程地应力测量领域中占主导地位。对于埋深超过千米以上深层岩体的地应力测量，现在只有水压致裂法。水压致裂法地应力测量，是非套钻孔应力解除的测量方法。1970年美国首先在油气井中用此法测得了地应力，从此在很多国家得到发展，现在测量深度已达5 105m（指油田增产压裂中的非常规水压致裂法）。本来，水压致裂是石油开采中对油井实施水力压裂增产的一种技术，用以测量地应力的基本原理最先由哈伯特（Hubbert）和威利斯（Willis）于1957年提出的，他们对水压致裂作了力学的综合分析，表明产生水压致裂的钻孔压力取决于岩石的抗拉强度和地应力状态。其后许多学者，例如施德格（Scheidegger，1962年）是第一位利用油井孔压力曲线分析地壳应力的科学家，开勒（Kehle，1964年）首次对封隔器隔离的实验段井孔周边的应力分布进行了分析，海姆森和弗尔赫斯特（Haimson &Fairhurst，1970年）提出由水压致裂过程中所获得的压力—时间过程曲线可以求得地应力状态。真正意义的水压致裂法地应力测量工程实践是在明尼苏达州的一个地下花岗岩岩体中展开的，随后在Rangely油田也开展了类似的地应力测量和研究工作。1981年，在加利福尼亚州Monterey市召开了全球第一次水压致裂应力测量研讨会，水压致裂地应力测量技术和方法逐渐被全球各行各业科学家所认同。

近30多年来，地应力测量之所以能迅速发展，还同国际学术活动频繁、广泛交流分不开。现在，几乎与岩石力学有关的国际会议都很重视地应力问题，有的还列为专题讨论。1981年在法国巴黎召开的“构造应力场的判据——原地应力测量的意义”和1986年8月在瑞典斯德哥尔摩召开的“岩石应力与岩石应力测量”的地应力国际学术讨论会，标志着地应力测量达到了一个新的水平。

国际岩石力学学会试验方法委员会于1987年和2003年颁布了“测定岩石应力的建议方法”。其中肯定了以下4种测量方法作为建议方法推广，这就是：浅孔测量地应力的“USBM型钻孔孔径变形计”的钻孔孔径变形测量法和“CSIR（或CSIRO）型钻孔三轴应变计”的钻孔孔壁应变测量法；深孔测量地应力的水压致裂法以及测量岩体表面应力的表面应力恢复测量法。