[发明专利]一种基于常规单三轴压缩试验确定地应力方向的方法

说明书

本发明公开了一种基于常规单三轴压缩试验确定地应力方向的方法，涉及地应力方向的判断方法领域，所述方法通过断裂力学理论证明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。进一步通过试验判断地应力方向，包括步骤：一、现场定位取芯，试样加工，方向标记后对试件进行常规单三轴压缩试验加载至破坏；二、对破坏后的试件上端面拍照处理；三、观察端面交线，判断所属类型；四、根据所属类型选择相应的角度测量方法；五、根据所测角度确定地应力方向。本发明原理简单，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，具有广泛的推广应用价值。

技术领域

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。

发明内容

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