地應力的測量原理
目前地應力測量方法有很多種，根據測量原理可分為三大類：
第一類是以測定岩體中的應變、變形為依據的力學法，如應力恢復法、應力解除法及水壓致裂法等；
第二類是以測量岩體中聲發射、聲波傳播規律、電阻率或其他物理量的變化為依據的地球物理方法；
第三類是根據地質構造和井下岩體破壞狀況提供的資訊確定應力方向。其中，應力解除法與水壓致裂法得到比較廣泛的應用，其他幾種只能作為輔助方法。
1.應力解除法測試原理和技術
1.1應力解除法測試原理
具有初始應力的岩體，用人為的方法卸去其應力，在岩體恢復變形的過程中測試其應變，然後用彈性力學理論計算出地應力的大小，得出其方向、傾角。目前國內外地應力測量普遍採用空心包體應變計測量技術。kx一81型空心包體應變計由a、b、c 3組共12枚應變片嵌埋在1個壁厚約3 mm的空心環氧樹脂圓筒中間，圓筒外表面與鑽孔壁用專用環氧樹脂膠黏結在一起，其是在澳大利亞csiro空心包體應變計的基礎上研製出來的，是套鑽孔應力解除法的一種，只需1個孔就能測量出某點的三維原岩應力，具有使用方便、安裝操作簡單、成本低、效率高等優點。
1.2完全溫度補償技術
kx一81型空心包體應變計與其他許多應變測量儀器一樣，均採用應變計作為敏感元件，並根據惠斯頓電橋的原理13j，將應變的變化轉換成電壓變化經放大後記錄下來。電阻應變計對溫度變化是很敏感的，溫度發生變化時應變計的電阻值將發生變化，從而產生虛假的附加應變值。因此在現場測試中必須採取溫度補償措施。
惠斯頓電橋原理：平衡時，檢流計所在支路電流為零，則有，（1）流過r1和r3的電流相同（記作i1），流過r2和r4的電流相同（記作i2）。（2）b，d兩點電位相等，即ub=ud。
因而有i1r1=i2r2；個阻值已知，便可求得第四個電阻。測量時，選擇適當的電阻作為r1和r2，用乙個可變電阻作為r3，令被測電阻充當r4，調節r3使電橋平衡，而且可利用高靈敏度的檢流計來測零，故用電橋測電阻比用歐姆表精確。電橋不平衡時，g的電流ig與r1，r2，r3，r4有關。
利用這一關係也可根據ig及三個臂的電阻值求得第四個臂的阻值，因此不平衡電橋原則上也可測量電阻。在不平衡電橋中，g應從「檢流計』改稱為「電流計」，其作用而不是檢查有無電流而是測量電流的大小。可見，不平衡電橋和平衡電橋的測量原理有原則上的區別。
利用電橋還可測量一些非電學量。
1）根據惠斯頓電橋的原理自行設計並製成1個應變一電阻一電壓轉換裝置，在每一橋路中，除工作應變橋臂外，其他3個橋臂均為電阻，其溫度係數為1×10.6／℃，這樣電阻在溫度變化1℃時只產生5 x 10～p變化，從而可以忽略不計。
2)增加1個熱敏電阻，在應力解除過程中連續不斷地測量測點的溫度變化。
3)在每一次應力解除完成後，進行溫度、應變標定試驗，為計算地應力給出正確的測量資料。
測點的布置
測點布置
測點應布置在裂隙、孔隙少且均勻緻密的完整岩體中，且不受開採影響的區域，一般選擇在開拓巷道或專門硐室內布置測試鑽孔。鑽孔要施工到巷道或硐室擾動應力場範圍之外，避開巷道和採場的彎、叉拐、頂部等應力增高區，保證應力測點處於原岩應力區，鑽孔深度一般為巷道寬度的1．5倍。若測點處有斷層，則要把測點布置在斷層擾動應力場範圍之外，一般要遠離斷層，避開岩石破碎帶、斷裂發育帶。
為了研究地應力隨深度變化的規律，應盡可能
在3個或3個以上水平進行測量。測點布置還需考慮現場實際條件，以便於鑽機的搬運、安裝、施工、通水和通電等。
測試步驟
1)鑽孔。採用750型礦用鑽機鑽孔，用中130 mm的取芯鑽頭施鑽，大孔深度8 m，仰角а為
1—3°，鑽到8 m後，施工垂130 mm喇叭孔，以便導向，再鑽多37 mm測量孔，測量孔長32 cm。測量孔施工好後，用水沖洗乾淨，並將用丙酮浸泡過的擦拭頭送入小孑l中來回擦洗，以徹底清除小孔中的油汙和石粉，待鑽孔風乾後安裝應變計，然後用羅盤測量鑽孔的傾角а和方位角θ。
2)將60 g環氧樹脂與11g593固化劑混合攪拌均勻後，倒人空心包體應變計圓筒中，然後將柱塞插入內腔，用鋁絲將其固定，用定位器接送棒把空心包體應變計送人測量孔中預定位置後，用力推動安裝杆，可使鋁絲剪斷，繼續用力推動使黏結劑流入應變計與測量孔孔壁之間的間隙裡，8 h後黏結劑固化。同時測量出應變計的偏角口。
3)將應變計電纜從解除鑽桿中鑽出，12枚應變片引出的電纜線分別對應接在應變儀相應的接線位置上，接橋方式為1／4橋型，然後連線應變計與膝上型電腦，接通220 v電源(井下需配備660 v變壓為220 v的變壓器)，啟動應變儀與膝上型電腦，開啟測試軟體，設定好引數，待應變儀預熱30 rain後，將空心包體應變計12枚應變片調零。
4)應力解除。解除岩體應力用col30 mm的取芯鑽頭，應力解除過程中，鑽機需低速旋轉以防止甩感測器斷電纜，慢慢鑽進，每隔2～4s採集1次資料，直到應力完全解除。
5)將大孔6—8 m處的巖芯在實驗室加工成標準試件，測定岩石的彈性模量和泊松比，最後計算測點的3個主應力大小、傾角、方位角。
當代鑽孔地應力測量的主要問題（當代鑽孔地應力測量的主要問題）
在現代地應力測量中，從原理到方法以及計算主應力大小和方向的公式，都是建立在以假定岩石是各向同性體為前提的理論基礎上的。但是，由於岩石內含有大量孔隙、裂隙、節理以及沉積環境和岩漿流動所造成的礦物成份和組織結構的不均勻，實際岩石的力學性質是各向異性的。其中二正交方向某一力學參量之比值，為此參量的正交異性係數。
把各向異性的岩石假定為各向同性體，將會給測量結果帶來誤差。我們假設在正交異性
岩體中，座標面與正交異性對稱面重合，用「應變叢法」和「圓鑽孔法」進行討論。
將實際的彈性模量各向異性的岩石，簡化為各向同性體來進行地應力測量，會使測得的主應力大小、方向和性質，均能與實際情況產生嚴重的偏差。
另外，由於岩石強度極限的各向異性，使鑽孔壓裂法所測得的孔壁破裂方向，業不是垂直孔軸的最大主壓應力方向(水壓致裂法)和最小主壓應力方向(孔壁破壞法)，而應是由岩石強度極限最低方向和測點岩體應力狀態所共同決定的乙個方向。如果岩石的最低強度極限值超過垂直孔軸主應力的大小，貝吐孔壁破裂方向主要反映岩石強度極限最低的方位。
鑽孔效應問題
在以往的地應力測量中獷沒有考慮鑽孔的效應。實際上當打鑽孔和鑽槽時，由於鑽頭和鑽桿在鑽進中強烈的機械振動和高載荷的撞擊，使距孔壁幾厘公尺至幾十厘公尺內的圍岩中發生了大量的微破裂，其數量隨與孔壁距離的減小而增加，因而圍岩的壓縮彈性模量和強度極限隨之明顯降低，業引起它們的各向異性係數的增大。因此，鑽孔周圍岩石力學性質不是均勻分布的，若不考慮鑽孔效應，將使測量結果嚴重失真。
測量的時間效應問題
在當代地應力測量中，都假定了被測的岩石是線彈性的。但對於岩石，嚴格地講，虎克定律只適用於在極短時間內加解除安裝的情況，當受力時間延長時，由於岩石發生了蠕變，業且在蠕變第一階段其塑性形變量相當大，因而已不遵從線彈性規律。
地應力測量中的鑽孔法和鑽槽法均使原地應力狀態在測點遭到破壞而發生變化。地應力本身由於動力**、斷層活動、震前各種物理場異常或地表環境的變化(水庫蓄水和放水、築壩、大型地下施工開挖)也會改變。在這些地應力變化過程中，隨時間的延長，『由於岩石發生了蠕變，其各種力學參量也必然隨之改變。
又由於岩石是有孔隙和裂隙的多晶體，其隨所受壓應力的增大而被壓密，因而其力學性質也隨應力的大小而變，業且在低應力下變化較
大，只有高應力下由於岩石被壓密而趨向穩定。而實際地應力的量值也不大，在所測量深度
範圍內均小於100兆帕，正處於低載荷範圍。
蠕變使得岩體中的應力和應變關係，已不遵從彈性規律。由幾十分鐘到幾天的實驗測得
的岩石和岩體中的應力～應變公升降關係曲線出現了滯後環。因此，應力與應變之間失去了線彈性關係，說明應力和應變的變化趨勢業不一定相同。岩石經過多個滯後環後，由於我們不知道所測岩石正處於什麼應力狀態，因而乙個應變值可對應多個應力值，同樣乙個應力值也可對應多個應變值，使得應力與應變之間已無單值關係。
可見，在常溫常圍壓下，完成乙個應力公升降過程所需的時間超過幾小時，運用虎克定律所引起的誤差，已掩蓋了地應力的變化量級，業可達到地應力絕對值。因之，若地應力測量過程中，由於解除和恢復等測量方法所造成的原地應力發生乙個公升降變化的時間或地應力場本身完成乙個公升降變化的時間，在地表淺層超過幾小時，在地殼深層超過幾分鐘，如果還使用線彈性定律，那麼，所引起的誤差將會使得測量結果無意義。
岩石力學性質的多變性
高水平地應力測量
為要從根本上解決當代地應力測量中的主要向題，必須做到下述幾點:
(1)把測量建立在岩石力學性質各向異性的基礎上，業在應力測量過程中於原地同時
測得必要的岩石各向異性力學參量。
(2)減小或避開鑽孔效應的影響。建立非均勻各向異性地應力測量理論，同時測量鑽
孔周圍非均勻分布的各向力學參量，或用化學灌漿及預壓來部分恢復鑽孔圍岩的力學性質，
或不用鑽孔。
(3)考慮或避開測量的時間效應。在流動地應力測量中，可盡量減短時間，在定點長期連續觀測中，可使用彈性選測法，如x射線法，或使用應力平衡法，如高剛度實孔法或液壓平衡法，以便用各向異性線彈性理論計算地應力。
(4)避開岩石力學性質多變性的影響。在地應力測量的同時於原位測量圍岩的有關力學參量，而不再取樣或取巖芯續測或標定；也可選測力學性質穩定的礦物的有關參量，算得應力，來取代直接測量。
(5)分測各種地應力成份。地應力由古構造殘餘應力、現代構造應力、熱應力、重應力、溼應力等多種應力成份所組成。
古構造殘餘應力是古構造運動的應力場殘留至今的應力，分區域殘餘應力和嵌鑲殘餘應
力兩種。測量方法有x射線法、礦物光性法和顯微光彈法。在中國、日本、美國、英國和葡
萄牙測得區域殘餘應力約為10～20兆帕，在中國測得嵌鑲殘餘應力約為0.5～1.6兆帕。
熱應力是由於地溫變化而產生的應力，可通過測量岩體的熱脹係數а，、彈性模量e和各種深度的地溫t計算而得。如，對a=27x10-6（°c-1）的石灰岩，e=1x105(兆帕)，若地溫變化△t=1(°c)，當邊界固定時，所引起的單軸熱應力σt=аe△t=2。7 (兆帕)。
重應力是由上覆岩體重力引起的，在地球表層隨深度的增加而增大。通過測量各種岩體的密度p1、層厚d1、測點的重力加速度g，可算得第n層下邊界深度處的鉛直重應力，由其所引起的同深度處水平重應力式中為岩體的平均泊松比。溼應力是由於岩體中含水量不同所造成的溼脹千縮引起的，包括溼脹壓力和千裂張力，前者約為0.
2～1.5兆帕，後者約為0.5～8兆帕。
可通過測量岩石吸水率和吸水時間確定溼脹應變，再由溼脹應變和溼脹模量算得溼脹壓力。這樣從總的地應力中減去這幾種成份，便可測得現代構造應力。
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