初始地应力水力压裂法测试成果及分析

411 地应力水力压裂法测试成果

20世纪60年代末，美国人费尔赫斯特(CFairhurst)和海姆森(BCHaimson)提出了用水压致裂法测量地应力的理论。至80年代，这一方法已在全世界范围内得到了较为广泛的应用。该方法的突出优点是能够测得深部的地应力值，这是应力解除法所无法达到的。水压致裂法测量结果只能测得垂直于钻孔平面内的最小主应力(Sh)的大小与方向，经计算求得最大主应力。故从原理上讲，它只是一种二维应力测量方法，其测量结果的可靠性和准确性尚达不到应力解除法的水平。若要测定测点的三维应力状态，须打互不平行的交汇于一点的三个钻孔，这在隧道勘察设计阶段往往是难以做到的。一般情况下，多假定钻孔方向为一个主应力方向，例如将钻孔打在垂直方向，则认为垂直应力是一个主应力，其大小为自重应力，那么由单孔水压致裂测定结果就可以确定一个三维应力场了。但在某些情况下，垂直方向并不是一个主应力的方向，其大小也不完全等于自重应力。如果钻孔方向和实际主应力的方向偏差15°以上，那么上述假设就会对测试结果造成较大的误差。此外，水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，即平行于最大主应力的方向。这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。如果孔壁本来就有天然节理裂隙存在，那么初始开裂将很可能发生在这些部位，而并非切向应力最小部位，因而水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中进行。所以工程实践中，一般在工程前期勘察设计阶段，可以先使用水力压裂法总体上初步查明工程区岩体的地应力状态，而在工程施工过程中，则可以用应力解除法比较准确地测定工程区的地应力。

在隧道勘察设计阶段，国家地震局地壳应力研究所采用钻孔水力压裂法完成了地应力的测试工作，其主要测试成果如表4-1所示。

水压致裂法地应力测量成果表明：

(1)工程区最大水平主应力SH的方向为N59°W～N82°W；

(2)隧道主轴线及其附近测得的SH最大值可达5347MPa(CZK3 孔深70743～70826m)；

表4-1 二郎山隧道水压致裂地应力测量结果　Tab4-1 Measured results of geostress by hydrofracturing technique in Erlangshan Tunnel

(3)大约在海拔高程2200m部位为山体自重应力与构造应力的分界线。该分界线以上垂直应力(SV)占主导地位，即SV＞SH＞Sh；分界线以下，水平应力占主导地位，即SH＞Sh＞SV。二郎山公路隧道顶板正位于该分界线偏下部。

412 测量成果分析

研究区钻孔水压致裂法地应力测量成果表明，工程区最大水平主应力SH的方向为N59°W～N82°W，与隧道轴线方向的夹角较小，介于23°～46°之间。根据四川省地震局有关“地震报告”(19917)，由区域内康定、泸定和龙门山断裂带等邻近地区所取得的近20个震源机制解资料，得出该地区的平均主压应力方向为N60°W；另据四川省地震局采用应力解除法在川西地区得到的结果(表4-2)，测区最大水平主应力方向为N24°W～N86°W。多种测定结果相对比分析可知，工程区水压致裂法测定的SH方向基本上是可信的。

表4-2 川西应力解除法SH方向测定结果　Tab4-2 SHmeasured results by the stress-relief method in West Sichuan

注：SH为最大水平主应力(资料来源：四川省地震局)。

从钻孔岩心描述资料分析可知，隧道中部CZK3钻孔穿过F5断层及其下部影响带部位测试段，由于受到断裂构造作用的影响，出现了局部应力调整作用。此外，砂岩、粉砂岩岩心节理裂隙较发育，均一性和完整性相对较差(隧道开挖后实际情况也如此，且局部渗水)，属Ⅲ类围岩，因而难以满足水压致法所需的基本要求和假设条件，测得的所谓“地应力集中带”(图4-1)SH量级与隧道开挖后无岩爆活动等实际情况不相符，结果普遍偏大。

随着刻切侵蚀作用所引起的深浅沟谷地形地势变化，使每个地方的地应力产生了差异。在河流谷坡地段，自重应力由垂直，向外渐转变为平行边坡倾向，为稍陡倾角的斜向主应力，并成为最大主应力。其水平主应力，一个平行岸坡走向，成为中间主应力;另一个水平主应力转变为垂直于边坡面，因卸荷回弹产生松弛开裂而释放部分能量，成为最小主应力。最大主应力，随着从坡顶向坡脚移动所获势能的增多而不断增大。但最小主应力，由于泊松效应所获的增加能，是具一定向上的逆向能量，为最小主应力的势能所抵消，应力减小，所以σ1与σ3的应力差增大，并造成其间剪应力增大，形成平行边坡走向，倾向坡内和坡外的一对X剪切破裂面。向外倾的结构面为倾角小于自然边坡角的缓倾结构面，向坡内倾的为陡倾结构面。两结构面均显正性错动特性，其出现对边坡局部稳定不利。作者在龙滩水电站坝线上游，左岸近坝蠕变体坡脚，1号勘探平洞进口基岩段数米范围内，见到多条这样的小断裂组。坡脚以上岩体中垂直坡向的水平应力，由回弹松弛破裂变形而释放一些能量，但至坡底，释放条件逐渐封闭，使坡脚谷底岩体中出现地应力集中现象，在虎跳峡坝址，高坡坡脚所占勘探孔、岩心均为破裂碎块，表征其应力值较大，坡底处最大主应力为水平并垂直于河谷走向。谷底岩体中，最大水平主应力因集中而增大。其垂直主应力，因河谷的剥蚀卸荷而回弹松弛，水平主应力形成的泊松效应，增加了垂向回弹松弛能，使岩体中出现水平状卸荷节理。在龙滩的礁滩竖井与过河平洞中，可见到这些发育的节理。在二滩水电站、坝址河床中的占孔岩心为饼片状，属于同一形成机理。

陡高边坡岩体中，垂直边坡方向的主应力，因刻切卸荷形成回弹松弛，开裂松动而释放，但在下列情况下则被锁闭。

(1)岩层坚硬完整，岩石的机械强度大于所承受的抗拉、抗剪切、抗弯折的强度值，故岩体中所存在的水平张应力、剪切应力将被锁闭。

(2)特殊的构造条件，如完整的背斜、箱形背斜的两翼、背斜倾伏端，其水平压应力的残余应力，引张应力的残余应力被锁闭。横向谷地段，顺岩层走向的阻抗力与变形模量值均较高，故对顺河谷边坡的力学矢量，具一定的锁闭作用，一般会出现较高的残余应力值。

(3)边坡下部地形平缓，或存在较厚的覆盖物，形成压脚状态，可阻滞应力释放，使部分残余应力被锁闭。

人类的工程建设活动可能破坏或部分破坏地应力被锁闭条件，引起锁闭应力释放，甚至造成一定危害。在工程实施过程中，我们依据经验法估算工程区的应力梯度方程，确定各处的应力值大小，运用地质力学分类法与霍克—布朗准则，确定每处的岩体力学参数，测算新的状态下，岸坡的变形稳定特征，针对实际情况，应采取经济有效的相应措施。一般以增加岩体持力层厚度，充分发挥岩体自身阻抗力，在自然边坡状态下，应力锁闭条件被剥蚀、破坏是极微小而缓慢的，只有叠加的不利因素才可能形成危害。

大型水电工程枢纽区，一般都有一定数量的地应力测试孔与地应力长期观测孔，因地应力受地下损伤结构面或成岩缺陷结构面影响，在结构面处，迅速调整，既有临面带附近的释放，又有在端部的应力集中，形成所反映的复杂的应力状态，所测主应力方向与地质力学分析法所得现在构造作用主应力场方向往往存在差异。现摘录车用太等先生所编著《岩体工程地质力学》书中的资料，添加部分实测成果，编为表11。

该表说明岩体中实际应力状态的复杂，因无每个实测应力地区的地质背景，故无法深究。

表12列出了最大水平压应力作用方向的实测成果，与地质力学分析成果的比较。

表11 若干岩体应力实测成果

注:γ值是按其理论计算值反演求得。

表12 地质力学分析法与实测结果比较

由上述实测成果可判明，深层岩体应力，受深部断裂结构面影响。依据实测成果，以构造应力、自重应力进行回归分析研究似乎存在不足，在地质构造格架清晰，断裂结构面空间展布情况可确切掌握的情况下，回归分析时，应考虑结构面影响，则将对地应力情况的评判更确切。

一、原位测试技术在工程勘察中的作用

原位测试是在岩土体原来所处的位置基本保持岩土体的天然结构、天然含水量以及天然应力状态下测定岩土的性能。

1原位测试的优点

1）可以测定难以采取不扰动试样的土层（如碎石土、砂土、流塑淤泥等）的有关工程参数。

2）避免采样过程中应力释放和结构扰动的影响。

3）原位测试的试样体积远比室内试样大，因此代表性也强。

4）试样体受力状态更接近工程实际，试验数据更具合理性。

5）可大大缩短勘探试验的周期。

2原位测试的不足之处

1）各种原位测试都有其适用条件，如使用不当则会影响其效果。

2）有些原位测试所获得的参数与土的工程性质间的关系往往是建立在统计经验关系上。

3）影响原位测试成果的因素较为复杂（如周围应力场、排水条件等），使得对测量定值的准确判断造成一定的困难。

4）原位测试的主应力方向往往与实际岩土工程问题中的主应力方向并不一致。

5）某些原位测试设备复杂、庞大。

因此，土的室内试验与原位测试，二者各有其技术优势，在全面研究岩土体的各项性状中，二者不可偏废，而应相辅相成。

随着科学技术的进步，原位测试的理论、方法和仪器设备必将有更大的发展和提升，原位测试在工程勘察中将会发挥越来越大的作用，其介入的深度和广度会更加充分。可以说，原位测试手段是工程勘察技术进步的发展方向，也是勘察技术更加成熟的标志。

二、原位测试方法

岩土体的原位测试方法很多。随着岩土工程技术和计算机技术的不断发展，新的原位测试理论、仪器设备和试验方法不断出现，使得岩土工程原位测试技术在工程实践中越来越受到重视。

在工程中经常采用的原位测试方法见表2-2-69至表2-2-71。

表2-2-69 岩体原位测试方法

表2-2-70 土体原位测试方法

表2-2-71 水文地质原位测试方法

续表

由于原位测试是勘察工作的重要和必不可少的技术手段，所以有关工程勘察的规程规范，都有关于原位测试的技术要求和工作方法。不同的原位测试方法适用于不同的工程和地质条件，取得的岩土参数也有侧重。表2-2-72为部分测试方法的适用范围。

表2-2-72 原位测试方法适用范围

三、原位测试在深圳地区的应用

自建立特区始，原位测试一直是深圳工程勘察的一个重要手段。1980年，便有专门的原位测试队随勘察队伍进入深圳，在大量工程勘察项目中使用原位测试手段。1983年，航空部综合勘察单位用原位测试手段对花岗岩残积土进行了系统的研究，得出了花岗岩残积土的含水量、变形模量的确定方法，揭示了花岗岩残积土本应具有的较高承载力。1985年，地质矿产部“深圳市区域稳定性评价”编写组在区内多处进行地应力测量，为区域稳定性分析提供了可靠资料。而后的二十多年中，深圳市的勘察单位在软土地基勘察中使用十字板剪切、静力触探、旁压、螺旋板载荷试验等方法测定软土特性，用标准贯入试验判定花岗岩风化程度、砂土液化，用平板载荷试验判定地基加固处理的效果等等。近年来引进扁铲侧胀试验等新方法。可以说，原位测试是工程勘察工作常规的、不可缺少的手段。

（一）金城大厦挖孔桩孔底平板载荷试验

罗湖区金城大厦共6栋26层塔式住宅楼，建筑面积约58000m2，采用框架剪力墙结构体系。每座塔楼总荷重达2万余吨，基底压力达50t/m2。拟建场地地质条件复杂，有数条高倾角破碎带通过，局部破碎带深度40～50m，勘察工作进行于1981年。

时值特区建设初期，罗湖区开始动工兴建的几栋高层建筑均采用10m直径的冲孔灌注桩，以微风岩为桩端持力层。如果金城大厦采用此类桩型，不仅桩距过密且不少桩长超过50m。经过详细的技术方案比较，金城大厦决定采用大直径挖孔灌注桩基础，以强风化岩为桩端持力层。由于当时国内对强风化岩的桩端承载力的取值并无成功经验可以参考，仅就强风化岩的原位载荷试验的资料也不多，可资利用的资料极少。为了准确获取强风化岩的极限承载力和变形模量作为桩基设计参数，由深圳市勘察设计联合公司设计四室提出要求，深圳市房地产公司资助，在市建委总工程师室、罗湖工程建设指挥部的直接领导下，委托冶金部建筑研究单位进行强风化岩的载荷试验工作。

试验在工程桩内进行，以桩孔护壁加反力梁作为反力装置，采用遥控高压加荷，应变自动记录系统和闭路电视监视现场试验情况。圆形压板面积1225mm2和1250mm2。

1982年4月开始试验挖孔施工，5月5日开始安装试验设备，5月15日完成2个桩位、3种深度的强风化岩的载荷试验，试验结果见表2-2-73。

表2-2-73 金城大厦强风化岩载荷试验成果

（二）罗湖山风化岩平板载荷试验

1983年11月，受深圳火车站建设有限公司的委托，根据香港胡应湘设计事务所对拟建联检大楼挖孔桩底强-中风化千枚岩作载荷试验的要求，以研究其承载力及变形特征，深圳市勘察设计联合公司勘察经理部在罗湖山（现已挖平）进行了4处平板载荷试验。

试验在罗湖山工事洞内进行，以洞顶作为反力装置，采用FQ100型分离式油压千斤顶施加垂直压力，加荷压力值由标准压力表观测，沉降值由百分表量测。圆形压板面积800cm2，试验结果见表2-2-74。

表2-2-74 罗湖山强-中风化千枚岩平板载荷试验成果

通过上述两处7点的载荷试验结果，对强风化岩和中风化岩能否作为桩基持力层及其承载能力和变形特性有了新的认识。编制提出了深圳特区不同风化程度基岩的桩基容许端承力表（表2-2-75）。该表在1984年开始试行的《深圳地区钢筋混凝土高层建筑结构设计试行规程》（SJG 1-84）被采纳编入规程中，后继续编入《深圳地区建筑地基基础设计试行规程》（SJG 1-88）中。

表2-2-75 深圳特区桩基基岩容许端承力表 kPa

应该注意到，两处载荷试验的圆形压板面积都不大，试验点板下平面直径远大于压板直径的3倍。所以说，两处载荷试验机理仍属于浅层载荷板试验，试验结果一般用于天然地基的计算，用于桩端承载力的确定，理论上是偏安全的。

（三）花岗岩残积土的试验研究

花岗岩残积土用常规土工试验所得到的孔隙比大、压缩系数大、压缩模量小的特征，从而出现按常规程试验指标查表求承载力偏低的结果，与实际情况相差较大。在特区建立伊始，就开始了利用原位测试手段对花岗岩残积土的研究。首先由航空部综合勘察单位将原位测试手段运用在上步工业区、上海宾馆和白沙岭住宅区的勘察工程中，继而有华新小区花岗岩残积土的试验研究。在这些项目的勘察研究中，除钻探、取样外，采用了一定数量的平板载荷、旁压、标准贯入和静力触探等试验。华新小区的载荷试验在井内进行，以井孔护壁加钢梁作反力装置，油压千斤顶施加垂直荷载，位移传感器量测沉降值。圆形压板面积为2500 cm 2，试验井旁另设降水井。综合各项试验成果，见表2-2-76，77。

应该说明，下表仅说明采用多种原位测试手段可以更全面地了解土的特性。表中数值不宜作为具体工程引用。

通过数个工程的试验研究，证实花岗岩残积土具有较高承载能力和总体变形较小。航空部综合勘察单位提出了花岗岩残积土变形模量（Eo）与标准贯入击数的关系式：

Eo=22N(MPa)

上式被《深圳地区建筑地基基础设计试行规程》（SJG 1-88）采用，并列入规程条文中。根据大量标准贯入击数与现场土的状态及矿物风化程度的对比，深圳市勘察测量单位提出以标贯击数50击（修正后）作为花岗岩残积土和强风化岩的界线标准。这一标准也列入SJG 1-88规程中。此后，通过大量工程实践，现行《岩土工程勘察规范》（G B 50021-2001）规定花岗岩类岩石按标准贯入击数（不修正）划分风化程度，N大于等于50为强风化岩；N小于50，大于等于30为全风化岩；N小于30为残积土。

表2-2-76 上步工业区残积土砾质黏性土原位测试综合简表（1983年）

表2-2-77 华新村残积土砾质黏性土原位测试综合简表（1985年）

（四）地应力测量

1985年，地质矿产部“深圳市区域稳定性评价”编写组，为了取得区内地应力状态的资料，采用压磁电感法和水压致裂法，进行了区内地应力测量。压磁电感法使用SYL-2数字压磁应力代和卧式围压率定机等设备，水压致裂法使用定向印模器确定压裂方向。测量结果见表2-2-78，2-2-79。

表2-2-78 1985年深圳市压磁电感法地应力测量结果一览表

表2-2-79 1985～1986年深圳经济特区水压致裂法地应力测量结果一览表

（五）软土地基勘察的原位测试

因为软土（淤泥和淤泥质土）很难取得保持自然状态的试样，更难以保证试样在运输、保存和试验过程中不被扰动破坏，所以用原位测试手段（主要是静力触探和十字板剪切）来确定软土的工程特性，并与室内试验结果互为补充和印证，就显得尤为重要。特别是由于软土的不均匀性，常夹有薄层的粉细砂，采用静力触探试验方法，可以从上而下获得连续的贯入（强度）参数。深圳有大面积的软土分布，在保税区、深圳机场、后海前海填海工程等大面积开发区域，工程勘察单位在软土地基上作了数量可观的原位测试工作，获得了大量试验数据，为软基的加固处理提供较为准确的设计参数。以后海深港西部通道工程勘察为例，在采取大量土样进行室内试验，获得了淤泥的物理指标和力学特性（抗剪强度、固结系数等）的同时，进行了相当数量的静力触探和十字板剪切试验。试验结果见表2-2-80，2-2-81。

表2-2-80 淤泥静力触探试验结果

表2-2-81 淤泥十字板剪切试验结果

在大面积软基加固处理的工程中，处理前和处理后原位测试工作更是不可缺少的，并以此判断加固处理的时效和质量。

水平井是开发低渗透气藏的重要技术手段。当针对砂体钻水平井时，则主要考虑砂体走向来确定水平井段方位。如果针对地层中天然裂缝或准备进行压裂施工的水平井钻探，则水平井段方位要与裂缝走向或地应力方向进行对比、协调。一般的做法是，水平井斜方位与裂缝（特别是成组的区域性裂缝）走向垂直。由于一般不易知道地下天然裂缝走向或走向不准，在确定水平井段走向时都要考虑地应力研究结果。对于压裂施工井，根据需要造缝的产状进行方位选择。

当利用水平井对低渗透油田进行开采时，为了使井筒与天然裂缝相交，一般情况下，水平井的井身轨迹方向与最小水平主应力一致。当需要采取压裂改造时，通过与射孔方式相结合，可产生多条与井筒垂直的人工裂缝（图4-12a），大大提高产能。在某些情形下，出于地质因素及井筒稳定性等方面的考虑，水平井井身轨迹与最大水平主应力方向一致。在该种情形，对水平井压裂后产生一条水力裂缝（图4-12b），其方向沿最大主应力方向，井轴上方发育，下方不发育。

图4-12 水平井压裂裂缝产状

（据刘泽凯等，1994）

当水平井与水平最小主应力方向一致时，则可以形成垂直于水平井井轴的多条人工裂缝，人工裂缝可与低角度天然裂缝沟通，提高了油井波及体积，因而具有较高产能，其井孔稳定性也好；当水平井与水平最大主应力方向一致时，则只形成平行于水平井井轴的人工裂缝，此时油井波及体积比前者小，其产能应低，其井孔稳定性也差。因此，水平井设计时应综合考虑上述情况以及油藏具体特征。

如果现今地应力方位与地层中裂缝形成时的地应力方位变化不大时，天然裂缝平面走向方位与现今地应力场中近水平最小主应力方位基本一致，因此现今地应力场中最小水平主应力方向即可以看作水平井斜方位。

图4-13是川西白马庙构造沙溪庙组白浅113水平井，白浅113井在井筒附近的地层中存在天然裂缝。对于这些近于垂直于地表的裂缝，当水平井的水平位移方位垂直于裂缝走向时，其钻遇裂缝面的机遇率最大；完井测试可以获得较好的产能。另一方面，对于压裂新产生的裂缝（KGD破裂）来讲，其走向平行于最大主应力，而垂直最小主应力，因此如果水平位移方位与最小主应力相同，压裂产生的裂缝其增产效益最好。白浅113井区的最小地应力方向为NE-SW向，其井斜方位也应该为NE-SW（图4-13、表4-2），该井压裂后产量大幅度增加。

图4-13 白马庙构造沙溪庙组113井水平井井眼轨迹图

表4-2 白马庙构造沙溪庙组113井水平井井眼轨迹数据表

主应力方向未知

在主应力方向未知的情况下,一般采取贴应变花的方法来进行测量

应变花通常是由三个或多个相互之间按一定角度关系排列的应变片组成(如图所示)测试时,先用它测出某点处三个或多个方向的应变,然后根据对应的公式即可求出该点处的主应力大小和方向

注意:不同的应变花对应的计算公式不同