一种基于常规单三轴压缩试验确定地应力方向的方法与流程

本发明涉及地应力方向的判断方法，具体为一种基于常规单三轴压缩试验确定地应力方向的方法。

背景技术：

地应力是引起巷道和钻井变形的根本因素，地应力的大小、方向对围岩稳定性影响较大。因此地应力大小的测量及方向的确定对巷道及钻井方向的布置开挖，瓦斯抽采工程设计与煤层气井网布置等工程有重要的指导作用。

从地应力概念提出至今，已有很多种地应力方向的判断方法，通过室内岩芯试验确定地应力方向的常用分析方法有：差应变曲线分析法，差波速分析法，圆周波速各向异性分析法，微裂隙岩相分析法等，这些方法均基于卸荷裂隙理论。而这些方法都需要对岩石相关的物理力学性质进行测量，反演出岩石内部微裂纹方向，据此判断地应力方向。

常规单三轴压缩试验是研究岩石力学特性的基础试验，使用广泛，操作简单，也是研究岩石性质的必要操作试验，如果能根据常规单三轴压缩试验结果判断出地应力方向，将会减少其他试验操作，增加常规单三轴压缩试验的成果。因此，本发明提供一种基于常规单三轴压缩试验的测试方法来判断地应力方向。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种根据常规单三轴压缩试验试件破坏面方位判断地应力方向的方法(简称为单三轴加载法)。本发明通过断裂力学理论揭示了岩石试件单三轴加载破坏时地应力释放产生的卸荷裂隙对宏观破坏裂隙的诱导作用，证明了试件破坏时产生的宏观裂隙与微观卸荷裂隙方向相同，根据卸荷裂隙理论，通过观察试件破坏宏观裂隙形态即可判断地应力方向。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

1、单三轴加载法理论基础

格里菲斯在对玻璃等脆性材料进行了一系列研究，提出了评价脆性材料的强度理论—格里菲斯强度理论。该强度理论的核心思想：脆性材料中存在着大量的微裂纹，这些微裂纹在外力作用下，扩展、连接、贯通，形成宏观裂纹，最终导致材料的破坏。而地应力释放形成的大量卸荷裂隙有一定的方向性，根据格里菲斯强度理论的核心思想可知，卸荷裂隙的方向性最终可能导致岩石破坏的宏观裂隙的方向性与卸荷裂隙(或地应力)方向相关。

单轴加载为三轴加载的特例，因此只对三轴加载条件进行分析，以下计算压应力为正。采用叠加原理，对三轴加载进行分解。附图2中第Ⅰ部分为沿裂隙面，第Ⅱ部分为垂直裂隙面。

对第Ⅰ部分进行分析。圆上任意一点P的受力状态如下：

沿过P点的A-A截面剖开裂隙，剖面与第Ⅱ部分组合后即可将三维裂纹问题简化为椭圆孔受双向压缩问题。在A-A截面内，τ_α的影响较小，忽略τ_α的影响，只考虑σ_α和σ₃的影响，如附图3所示。

椭圆孔受任意两垂直应力压缩问题，孔边环向应力为：

式中，β为最大主应力与m轴正方向夹角。此处β＝0，因此可知附图3上孔边环向应力的解为：

这里特别讨论长轴端点和短轴端点。长轴端点处cos2η＝1，代入式(3)可得

短轴端点处cos2η＝-1，代入式(3)可得

将式(1)代入式(4)可得硬币型裂隙环向边缘各点垂直裂纹面的应力式：

令σ₃＝0，可得单轴加载情况时，硬币型裂隙环向边缘各点垂直裂纹面的应力式：

最大周向拉应力准则认为裂纹沿所对应的α的方向扩展，该方向满足以下条件：

对式(6)中的微分可得

令可得，

sin2α＝0 (10)

同时满足的解为

α＝Nπ,(N＝0,1,2,…) (11)

即裂纹沿自身平面进行扩展，方向不发生改变。

综上所述，可知岩石试件受单三轴加载破坏形成的宏观裂隙方向与地应力释放产生的卸荷裂隙方向相同。

2、单三轴加载法的方法步骤

本发明所述的一种基于常规单三轴压缩试验确定地应力方向的方法(单三轴加载法)，其特征在于：通过对垂直水平面取芯的岩石进行单三轴压缩试验，试件破坏产生的宏观裂隙与试件端面的交线与水平面内最大主应力方向垂直。

本发明所述的一种基于常规单三轴压缩试验确定地应力方向的方法(单三轴加载法)，包括以下步骤：

1)工程现场定位取芯后加工成轴线沿竖直方向的圆柱形试件，试件上端部过圆心重做与现场定位标记相同的方向标记3，如说明书附图4所示。然后将试件安装进行单三轴压缩试验，将试件加载至破坏；

2)将试件取下后，剪除两端多余的热缩管，对试件上端面进行拍照处理，观察试件破坏产生的宏观裂隙与试件端面的交线5，交线可能会出现说明书附图5所述的几种类型；

3)若交线为Ⅰ类直线，则过圆心做交线5的垂线6，用量角器测量出α角角度；

4)若交线为Ⅱ类弧线，则连接弧线与上端面边界两交点，进一步过圆心做连线的垂线6，用量角器量出α角角度；

5)若交线为Ⅲ类不规则曲线或者试件破坏产生的宏观裂隙未扩展至两端面没有交线，可将试件从中间切开，对下半部分上端面重新做说明书附图4所示方向标记3后，重复步骤2)、3)和4)。最终可获得水平最大主应力方向为北偏东/西α度。

所述步骤1)中现场采用常规岩心筒垂直水平面向下钻取岩心，或在地下矿井中选取尺寸合适的岩块，岩心或岩块都需要进行方向标定。加工的试件不能有明显的弱面结构，如层理、裂隙等。做单三轴试验时，试件表面使用热缩管或橡胶套密封包裹，防止试件破坏后散落无法观测宏观裂隙方向。

所述步骤2)中对试件上端面进行拍照处理要从试件正上方拍摄，切勿过度倾斜，造成定位线与交线夹角失真。

本发明的优点和有益效果为：本发明的方法是基于普通单三轴压缩试验判断地应力方向的，工程项目中通常会将现场取回的岩石试件进行普通单三轴压缩试验，本发明只需在现场取芯时做好方向标定，其他均按照普通单三轴压缩试验进行操作，通过试件破坏宏观裂隙方向即可判断地应力方向，该方法原理简单，操作简便，减少了其他单独的地应力方向测试操作，增加常规单三轴压缩试验的成果。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图

图2为本发明的原理解释中的裂隙受力分解图

图3为本发明的图2的A-A截面受力图

图4为本发明的取芯及定位标记示意图

图5为本发明的试样端面交线分类示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。选取了采自深圳马峦山的花岗岩、龙口北皂煤矿的油页岩和吕梁庞庞塔煤矿的石灰岩三种岩性的岩石，采用本发明的方法进行地应力方向的判断，并将测试结果与常用的另一种地应力测试方法—圆周波速各向异性分析法的测试结果进行比较。

本发明的具体步骤如下：

1)工程现场定位取芯；马峦山花岗岩采用常规岩心筒垂直水平面向下钻取获得，北皂油页岩和庞庞塔石灰岩是从油页岩开采工作面和煤巷底板选取的块状岩石1，均进行了方向标定4；

2)将从现场取回的岩心和岩块1进行加工，加工成轴线沿竖直方向的圆柱形试件2，试件尺寸3为φ50*100mm，试件上端面过圆心重做与现场相同的方向标记3。试件加工好后，选择表面没有明显弱面结构的试件，用热缩管对试件进行密封包裹，进行单三轴压缩试验，加载至试件破坏；

3)将试件取下后，剪除两端多余的热缩管，对试件上端面进行拍照处理，观察试件破坏产生的宏观裂隙与试件端面的交线5，判断交线属于说明书附图5所述的哪种类型；

4)若交线为Ⅰ类直线，则过圆心做交线5的垂线6，用量角器测量出α角角度；

5)若交线为Ⅱ类弧线，则连接弧线与上端面边界两交点，进一步过圆心做连线的垂线6，用量角器量出α角角度。

6)若交线为Ⅲ类不规则曲线或者试件破坏产生的宏观裂隙未扩展至两端面没有交线，可将试件从中间切开，对下半部分上端面重新做方向标记3后，重复步骤3)、4)和5)。最终可获得水平最大主应力方向为北偏东/西α度。

表1为本发明的测试结果与使用常用的地应力方向测试方法—圆周波速各向异性分析法测量的结果的对比图，结果显示本发明的单三轴加载法与圆周波速各向异性分析法测量结果吻合较好，但本发明操作简便，试验结果更直观。

表1加载破坏裂隙总结

以上所述是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，凡是根据本发明方法的实质对上述实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明的保护范围之内。