王成虎

中國地震局地殼應(yīng)力研究所(地殼動力學重點實驗室), 北京, 100085

內(nèi)容提要: 隨著人類對深部礦產(chǎn)資源和能源材料的需求量持續(xù)增長，深部開采問題必將成為工程界所面臨的重大問題，而地應(yīng)力參數(shù)的準確確定是有效解決該重大問題的基礎(chǔ)工作之一。文章總結(jié)了目前在能源和資源開采中使用較為廣泛的26種地應(yīng)力測試方法，并對這些方法的基本力學原理、發(fā)展史作了簡要介紹。這26種方法按照數(shù)據(jù)源途徑可以分為5大類，分別為基于巖芯的方法、基于鉆孔的方法、地質(zhì)學方法、地球物理學方法以及基于地下空間的方法。這些方法依據(jù)滿足工作需要的角度又可以分為主動法和現(xiàn)象分析法，對于社會基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、深部能源和資源開發(fā)，主動法的適用范圍更廣。不同的方法所反應(yīng)的應(yīng)力信息是不同的，相對而言建立在大體量巖體上的方法對于分析區(qū)域應(yīng)力場更為可靠。最后文章對未來的應(yīng)力測量與估算的發(fā)展遠景進行了展望。

蓄存在巖體內(nèi)部未受到擾動的應(yīng)力稱之為地應(yīng)力(geo-stress 或 in-situ stress)，地應(yīng)力可以分為兩類，原地應(yīng)力和誘發(fā)應(yīng)力(Amadei and Stephansson，1997)，而原地應(yīng)力主要來自五個方面:巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造活動、萬有引力、封閉應(yīng)力和外部荷載(Amadei and Stephansson，1997；孫葉，1989；陳宗基，1982)。地應(yīng)力具有多來源性且受到多種因素的影響，因此地殼巖體地應(yīng)力分布復雜多變。從海姆假說認為“巖體中賦存的應(yīng)力近似為靜水壓力狀態(tài)，且等于上覆巖體自重”到金尼克假說認為“垂直應(yīng)力等于上覆巖體自重，水平應(yīng)力等于巖體泊松效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力”，人們對巖體應(yīng)力的認識逐步提高，并利用實測數(shù)據(jù)否定了以上兩種假說。社會發(fā)展的需求直接催生了大量地應(yīng)力測試和估算方法，而這些方法的發(fā)展又進一步促進了人類社會的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、資源和能源開發(fā)。隨著人類對能源和礦產(chǎn)資源需求量的增加和開采強度的不斷加大，淺部礦產(chǎn)資源日益減少，國內(nèi)外礦山都相繼進入深部資源開發(fā)狀態(tài)，而深部開采中遇到的“三高”問題(高地應(yīng)力、高地溫、高水壓)將成為深部開采巖體力學研究中的焦點和難點問題(何滿潮等，2005)。準確確定深部開發(fā)空間區(qū)域的原地應(yīng)力狀態(tài)是解決以上難題的必要途徑之一，這就需要進行地應(yīng)力測試方法和技術(shù)的研究。

實際上深部地殼應(yīng)力狀態(tài)的觀測與估算也是地應(yīng)力實測工作的一個重要難點問題，因此非常有必要對現(xiàn)有的測試和估算方法進行一個全面梳理。Haimson(2010)曾指處任何地應(yīng)力測試方法都有其局限性，確定一個區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)最好是利用多方法綜合確定。從地應(yīng)力概念提出至今，各國科學家提出了數(shù)十種地應(yīng)力測試方法，將其按照數(shù)據(jù)來源進行歸類，大概可以分為五大類:基于巖芯的方法、基于鉆孔的方法、地質(zhì)學方法、地球物理方法(或地震學方法)、基于地下空間的方法(Hill et al.，1994；Amadei and Stephasson，1997)。下面將對各種方法的測試原理和方法發(fā)展的脈絡(luò)作一些簡要介紹，供有關(guān)科研技術(shù)人員參考使用。

雖然表1包括了目前認可程度和使用范圍較廣的各種方法，還是有一些非主流的方法沒有收錄到表1內(nèi)，其中Zang和Stephasson(2010)還對應(yīng)力測量的物理學方法進行了回顧介紹，但是由于其在巖石力學、能源開發(fā)領(lǐng)域中應(yīng)用較少，故在這里不作介紹。下面將對表1中的主要方法進行詳細介紹，對于從這些主要方法中衍生出來的方法均只作一般性介紹。

1 基于巖芯的方法

這里提到的所有基于巖芯的方法都需要使用定向巖芯。因此采取質(zhì)量良好的定向巖芯是開展下列測試工作的首要和必要條件。當然，也可以使用其它方法來確定巖芯的方向，例如測量巖芯所攜帶的地磁信息來確定巖芯的方向，但是測量精度會影響后面的測量結(jié)果。

表1 原地應(yīng)力測試和估算方法匯總Table 1 Summary of in-situ stress estimate methods

注：據(jù)Hill et al.，1994；Amadei and Stephasson，1997；Bloch，1999；Zang and Stephasson, 2010。

1.1 非彈性應(yīng)變恢復法

非彈性應(yīng)變恢復法(ASR)是通過測量現(xiàn)場從井孔取得的定向巖芯與時間相關(guān)的應(yīng)變松弛變形來反演原地應(yīng)力場方向和量值的一種方法。巖芯從井孔取出后，由于作用在巖芯上的原地應(yīng)力場突然消失，巖芯會沿周向產(chǎn)生差別松弛變形，變形包括巖芯從母巖解除下來后立即產(chǎn)生的彈性變形和隨巖芯放置時間延長逐步產(chǎn)生的非彈性變形。Voight(1968)建議使用經(jīng)驗修正考慮恢復的非彈性應(yīng)變與全部恢復應(yīng)變(包括彈性和非彈性兩類應(yīng)變)的正比關(guān)系以及相應(yīng)的與先前的應(yīng)力狀態(tài)的正比關(guān)系。Teufel(1983)實現(xiàn)了Voight(1968)的想法，他發(fā)明制作了一個可靠且實用的能確定深部地層原地應(yīng)力方向和量值的設(shè)備。Teufel(1983)認為應(yīng)變恢復過程實際上是微裂隙形成的結(jié)果。非彈性應(yīng)變恢復過程原理如圖1所示(Teufel，1982, 1983, 1989, 1993)。這些變形都與原來加載在巖芯上的原地應(yīng)力場密切相關(guān)，因而可以通過測量這些變形量來分析原地應(yīng)力場。利用ASR測量數(shù)據(jù)確定原地應(yīng)力量值相對于確定應(yīng)力方位更加困難，需要建立一個巖樣松弛過程的模型。Blanton(1983)建立了一個零階模型，適用于各向同性和橫向各向同性巖芯材料，利用這個模型就可以計算應(yīng)變松弛過程中任何時間點上主應(yīng)變的相對應(yīng)力量值。Warpinski和Teufel(1986)在進一步提出的一階蠕變模型中使用兩個獨立蠕變?nèi)岫?，一個用于表示巖石變形體積膨脹，另一個用于表示巖石變形形狀畸變。Matsuki(1991)發(fā)展了二階蠕變模型，將二維平面應(yīng)力分析拓展到了三維應(yīng)力分析，應(yīng)力分析中使用六個獨立的ASR法向應(yīng)變測值來進行應(yīng)力計算。然而僅報道過有限的三維應(yīng)力分析模型的應(yīng)用實例(Matsuki and Takeuchi，1993；Ito et al.，1997；Lin et al., 2006b，c，2007a)。

圖1 非彈性應(yīng)變恢復法原理示意圖 (Amadei and Stephasson, 1997)Fig. 1 Principal behind the anelastic strain recovery (Amadei and Stephasson, 1997)

目前可以通過兩種方法測試巖芯的非彈性應(yīng)變量，一種是高精度卡夾(Teufel，1982, 1984, 1989, 1993；Wolter and Berckhemer, 1989)，一種是應(yīng)變片(Lin Weiren et al.，2006, 2010)。

圖2 DSCA法測試原理及巖樣差應(yīng)變曲線示意圖 (Amadei and Stephasson, 1997) (a) DSCA法測試原理; (b) 巖樣差應(yīng)變曲線示意Fig. 2 Principal behind the DSCA method and schematic of differential strain behavior (Amadei and Stephasson, 1997) (a) Principles of DSCA method; (b) schematic curve of differential strain behavior

ASR法會受到測試溫度、巖芯脫水作用、巖芯孔隙水壓擴散作用、巖芯不均勻松弛變形、巖芯各向異性、鉆探水巖反應(yīng)、殘余應(yīng)變、巖芯采取時間及巖芯定向不準等因素的影響(Teufel，1993)。因此在使用該方法時，在保證應(yīng)變測試質(zhì)量的同時，也應(yīng)該對影響因素的作用程度進行深入分析(Zang and Stephasson，2010)。該方法主要適用于深孔和軟巖的巖芯應(yīng)力測量，當巖芯從深孔中取出后，由于原來經(jīng)受的應(yīng)力很高，非彈性應(yīng)變恢復現(xiàn)象會非常明顯，對于淺孔和硬巖，由于非彈性應(yīng)變量較小，使得測試結(jié)果的可靠性降低。

1.2 差應(yīng)變曲線分析法

差應(yīng)變曲線分析法(DSCA)是在實驗室內(nèi)對定向巖樣施加圍壓，觀測比較巖樣不同方向上的相對應(yīng)變，進而估算原地應(yīng)力方向和量值(Simmons and Ritcher, 1974; Simmons, et al., 1974; Siefried and Simmons, 1978)。DSCA法基于四個重要假設(shè)：① 巖樣內(nèi)部的微裂隙是由于巖芯圍壓消失而產(chǎn)生松弛變形所導致的；②微裂隙基本按照原始應(yīng)力場的方向排列；③任何方向上微裂隙所產(chǎn)生的體積變化與原地應(yīng)力場量值成正比；④ 在靜水圍壓作用下，任一特定方向上的巖樣體積收縮與該方向上的巖芯從母巖上解除下來的應(yīng)力松弛變形過程是可類比的。在均勻的圍壓作用下，巖芯不同方向產(chǎn)生的應(yīng)變是完全不同的，如微裂隙閉合，而這種應(yīng)變信息可以用來分析原地應(yīng)力場，測試原理如圖2(a)所示。在20世紀70年代，Simmons and Ricther (1974)、 Simmons等(1974)、Strickland等(1979)在實驗室驗證了巖芯樣品內(nèi)部的微裂隙是鉆探過程中由于巖芯松弛變形所產(chǎn)生的結(jié)果?；谶@些觀測結(jié)果，Strickland and Ren(1980)對DSCA法進行了修正，將其用于預測原地應(yīng)力。后來Ren和Roegiers(1983)利用定向巖芯進一步驗證了利用DSCA觀測原地應(yīng)力的有效性和可靠性，并認為這種方法是一種非常經(jīng)濟實用的方法。Thiercelin等(1986)對DSCA法進行了改進，并將其用于美國科羅拉多皮申斯盆地的多井實驗場地的應(yīng)力場確定。

圖2(b)是巖樣在均勻靜水圍壓作用下的應(yīng)變響應(yīng)曲線。當施加的圍壓應(yīng)力較低時，由于巖樣內(nèi)部存在的張開微裂隙或者半張開微裂隙，巖樣表現(xiàn)出高度柔性。隨著圍壓逐步增加，微裂隙開始全部閉合(轉(zhuǎn)換區(qū))，過了轉(zhuǎn)換區(qū)后，僅有巖樣本體的彈性變形。實際上，實驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線的起始段范圍內(nèi)，包括兩部分應(yīng)變量，微裂隙閉合的應(yīng)變表現(xiàn)和巖樣本體的應(yīng)變，巖樣本體的應(yīng)變可以通過高壓段的應(yīng)變曲線觀測獲得，在起始段范圍內(nèi)將巖樣本體應(yīng)變剔除，就可以計算出微裂隙閉合所反映的應(yīng)變量。當然，如果巖樣均勻且各向異性，那么可以不必考慮巖樣本體的應(yīng)變。利用DSCA的應(yīng)變記錄曲線可以直接得到原地應(yīng)力場的方向和三個主應(yīng)力之比，應(yīng)力量值還需要通過其它一些假設(shè)或者測試數(shù)據(jù)再結(jié)合主應(yīng)力之比來確定。DSCA法測試的立方體樣品準備及測試設(shè)備組成參見圖3所示。

圖3 DSCA法測試樣品準備及測試設(shè)備示意圖: (a)試樣立方塊應(yīng)變計布設(shè)方式; (b)測試設(shè)備組成示意 (根據(jù)及川寧己等, 1995)Fig. 3 Schematic drawing for preparation of test cube and equipment of DSCA method: (a) layout modes of strain gauges on a test cube; (b) components of test equipment for DSCA method (According to Oikawa et al., 1995)

但是實際上應(yīng)力松弛變形過程是不可逆的，已有很多實驗證明了這點(Ren and Roegiers，1983；Zang and Stephasson，2010)，在實驗過程中也需要注意與ASR法類似的影響因素問題。但是該方法在很多應(yīng)用條件下仍然能提供很好的測量結(jié)果。該方法的優(yōu)點是可以不考慮巖芯放置時間對實驗結(jié)果的影響，這一點可以大大彌補ASR法的不足，并可以與非彈性應(yīng)變恢復法配對使用。該方法的適用范圍與ASR法類似。

1.3 差波速分析法

差波速分析法(DWVA)與差應(yīng)變曲線分析法所遵循的基本原理一致，但是差波速分析法是沿巖樣周邊測量聲波速度。對不同測點(不同方位)上在不同應(yīng)力狀態(tài)下的聲波速度進行測試比較分析，就可以對原地應(yīng)力狀態(tài)進行估算。該方法只能給出地應(yīng)力方向，不能給出應(yīng)力量值。該方法的適用范圍與DSCA法類似。

1.4 圓周波速各向異性分析法

圖4 巖芯微裂隙效應(yīng)的示意圖 (Hill et al.，1994，有修改)Fig. 4 Schematic of micro-crack effects (After Hill et al., 1994, modified )

圓周波速各向異性分析法(CVA)可以用來確定應(yīng)力方位并分析巖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于巖芯內(nèi)部的微裂隙一般會成組定向分布，如圖4所示，因此沿巖芯圓周的波速分布呈現(xiàn)出各向異性特征(Hill et al.，1994)。如圖5所示，巖芯圓周波速會隨測試位置的不同而發(fā)生變化，因為每個測試方向所穿過微裂隙數(shù)目會不完全相同。在測試過程中，一般會沿著巖芯圓周按照固定角度間隔測試多個點的聲波速度，通常最大主應(yīng)力方向上所產(chǎn)生的張開微裂隙最多，故巖芯波速最低的方位即為最大主應(yīng)力方向。如果能進一步比較分析巖芯聲波速度分布的理論曲線和實測曲線之間的差異(Sayers, 1988)，將能揭示更多關(guān)于測試巖芯的信息，理論擬合公式參見下式。

V(θ)=Vavg+Acos(2θ+α)+Bcos(4θ+α)

(1)

式中，Vavg是平均聲波速度，θ是相位角，α是偏差角。

圖5 CVA法測試結(jié)果示意圖: (a) 好的CVA 法測試結(jié)果; (b) 差的CVA法測試結(jié)果Fig. 5 Some measurement examples for CVA method (a) Good measurements for CVA method (b) Poor measurements for CVA method

在實際測試過程中，有很多因素會給CVA測試帶來困難。例如有些巖石內(nèi)部很難發(fā)育微裂隙，有時微裂隙或許被其它因素所掩蓋或者微裂隙對聲波速度影響很小，那么波速各向異性就很小了。最好的例子就是高孔隙率巖石，微裂隙對聲波速度各向異性影響很小。當測點聲波速度差異小于2%～3%時，推算的應(yīng)力方向認為是不可靠的。第二個比較大的因素是巖石結(jié)構(gòu)對速度各向異性的影響，然而巖石結(jié)構(gòu)的波速特征與微裂隙完全不同，特別是利用理論模型和實測數(shù)據(jù)進行擬合對比分析時，這種差異更為明顯，而且這種差異也能為巖石結(jié)構(gòu)研究提供定量分析數(shù)據(jù)。圖5就展示了一個良好的CVA測試結(jié)果和一個不好的CVA測試結(jié)果，同時也給出了測試時所需要依據(jù)的測點布設(shè)原則。

CVA方法的好處是如果能拿到定向巖芯，可以在任何時候開展，即使是存放時間很久的巖芯，有時也能得到很好的測試結(jié)果。與此同時，CVA是一種無損測試方法，因此可以在各種巖樣上開展實驗而取得豐富的數(shù)據(jù)。故CVA方法也能作為ASR或者DSCA/DWVA方法一種補充或者驗證方法。

1.5 餅狀巖芯/巖芯誘發(fā)裂紋法

在高應(yīng)力區(qū)開展鉆孔施工時，巖芯經(jīng)常呈現(xiàn)為薄餅狀或者片狀，大多數(shù)情況下，這些巖芯呈馬鞍狀，有時巖芯頂面和底面也相互平行，人們一般把這種現(xiàn)象稱之為餅狀巖芯。眾多研究成果顯示，這種餅狀巖芯主要是由于當最小主應(yīng)力方向和巖芯軸線方向平行時鉆孔取芯過程中產(chǎn)生的張應(yīng)力造成的(Jaeger and Cook，1963； Sugawara et al., 1978; Haimson and Lee，1995； Haimson，1997； Matsuki et al., 1997; Li and Schmitt, 1998)。一般餅狀巖芯均出現(xiàn)在深孔鉆探過程中，因此可以利用該現(xiàn)象提取應(yīng)力信息。餅狀巖芯的形態(tài)可以給出最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力方向，如圖6所示，餅狀巖芯的鞍狀凹面軸線方向即為最大主應(yīng)力方向，與軸線方向垂直的方向為中間主應(yīng)力方向(Haimson and Lee, 1995; Haimson, 1997, Matsuki, et al., 1997; Li and Schmitt, 1998)。

圖6 餅狀巖芯鞍狀斷面以及最大和中間 主應(yīng)力方向示意 (根據(jù)Matsuki, 2004)Fig. 6 A saddle-shaped end surface of a disc with orientations of the maximum and intermediate principal stresses (According to Matsuki, 2004)

餅狀巖芯也可以用于分析原地應(yīng)力場的量值。針對與餅狀巖芯現(xiàn)象有關(guān)的應(yīng)力估算問題，Obert and Stephenson (1965)開展了大量的室內(nèi)鉆探模擬實驗，通過對實驗結(jié)果的分析總結(jié)，他們得到了餅狀巖芯發(fā)生時的應(yīng)力條件經(jīng)驗公式:

σr=k1+k2σz

(2)

式中，k2的范圍為0.59～0.89，取決于巖石情況，k1為巖石抗拉強度的6.5～10.5倍，可以用巴西盤實驗確定。他們的實驗結(jié)果同樣也給出在圍壓和軸壓的高應(yīng)力組合條件下能產(chǎn)生比地應(yīng)力組合更薄的巖餅，但是這些均只是給出了定性的分析結(jié)論。Sugawara等(1978)提出了發(fā)生餅狀巖芯的準則，Matsuki 等(1997)則提出了長巖芯發(fā)生餅化的準則。然而，這些研究并沒有定量考慮應(yīng)力量值對巖餅厚度的影響，但是Haimson 和 Lee(1995)、Haimson(1997)的實驗室研究結(jié)果清楚的顯示出巖餅的厚度取決于應(yīng)力量值。因此目前餅狀巖芯只能被用作定性估算二維平面應(yīng)力狀態(tài)(Ljunggren et al., 2003)。另外，認真仔細測量巖餅的尺寸顯示對于給定的σh和σV，巖餅的厚度隨著σH的增加而單調(diào)遞減，如圖7所示。這一結(jié)果表明如果定向巖芯巖餅的厚度與最大水平應(yīng)力之間的關(guān)系建立了，那么最大水平主應(yīng)力量值和方向可以分別通過巖餅的平均厚度和馬鞍槽軸線方向來確定。Haimson等(1997)也同樣指出可以通過測量巖餅的特征尺寸來估算原地應(yīng)力水平的上限?；跀?shù)值模擬分析結(jié)論，Hakala(1999)給出了利用餅狀巖芯現(xiàn)象分析解釋原地應(yīng)力狀態(tài)的方法，在分析過程中最低需要以下信息:① 巖石抗拉強度；② 巖石泊松比；③ 巖石單軸抗壓強度；④ 巖餅平均間距；⑤ 巖芯裂縫形態(tài)；⑥ 巖芯中的裂縫發(fā)育程度。

圖7 當給定σh 和σV時，巖餅厚度td(利用巖芯直徑D 進行歸一化處理)與σH之間的關(guān)系(Haimson，1997)Fig. 7 Example of relation between disc thickness td (normalized by core diameter D) and σH for given σh and σV (Haimson, 1997)

在實踐中，餅狀巖芯現(xiàn)象只能被用作估算巖芯應(yīng)力狀態(tài)的一個指標。當出現(xiàn)該種現(xiàn)象時，我們當然可以認為巖石應(yīng)力集中超過了巖石強度。這樣的類似信息在鉆探階段取得，當然對后續(xù)的應(yīng)力確定非常寶貴，也可指導后續(xù)應(yīng)力確定和估算策略的選取。但是由于餅狀巖芯出現(xiàn)的幾率是非常低的，因此其使用機會非常少。另外，餅狀巖芯的定向和巖石力學參數(shù)取得非常困難，這就制約了其在實踐中的應(yīng)用范圍。鑒于以上原因，餅狀巖芯所產(chǎn)出的應(yīng)力信息可靠性相對較低。

圖8 巖芯花瓣狀裂紋形成的力學示意圖(根據(jù)Lorenz et al.，1990): (a) 巖芯鉆頭前部的 主應(yīng)力跡線分布示意圖; (b)花瓣狀裂紋的形成與三向主應(yīng)力關(guān)系示意圖Fig. 8 Mechanical schematic of formation of petal fractures in a core: (a) trajectories of principal stresses before the drilling bit; (b) the relationship between the formation of petal fractures and three principal stresses (According to Lorenz et al., 1990)

不同的應(yīng)力條件下開展鉆探取芯，鉆探過程會對巖芯產(chǎn)生不同的作用效果。上面提到的餅狀巖芯只是其中的一種現(xiàn)象。在有些情況下，會在巖芯上產(chǎn)生花瓣狀裂紋或者中心線花瓣裂紋。通常花瓣狀裂紋均勻分布，從巖芯外沿向巖芯中心延伸，花瓣狀裂紋彎曲方向與巖芯軸線平行。中心線花瓣裂紋一般會延伸至巖芯的中心部位或者接近巖芯中心的部位，并沿與鉆孔軸線或者平行于鉆孔軸線延伸傳播一段距離。Kulander等(1979、1990)認為這兩種裂紋均是由于鉆頭鉆進產(chǎn)生的誘發(fā)應(yīng)力場和原地應(yīng)力場疊加而在鉆頭前方的巖芯中形成。花瓣狀裂紋的幾何形狀平行于鉆頭下部的主應(yīng)力跡線，如圖8a所示。花瓣狀裂紋沿σ1和σ2所定義的平面(與σ3垂直)發(fā)展，其中σ1是垂直應(yīng)力、鉆頭自重和液壓加載應(yīng)力之和，σ2是原位最大水平應(yīng)力，σ3為原位最小水平應(yīng)力，花瓣狀裂紋形成的力學示意圖如圖8a所示。因此花瓣狀裂紋走向與原地應(yīng)力場最大水平主壓應(yīng)力方向一致(Kulander et al.，1979；Kulander et al.，1990；Li and Schimitt，1998)?；ò隊盍鸭y間距通常大于餅狀巖芯的厚度，裂紋間距有時呈現(xiàn)出均勻分布，有時呈現(xiàn)出隨意分布，這主要與原地應(yīng)力狀態(tài)、巖體性狀以及鉆探過程有關(guān)。Chang(1978)測量統(tǒng)計了大量的花瓣狀裂紋，發(fā)現(xiàn)巖芯表面裂紋傾角一般在30°～45°之間。中心線花瓣狀裂紋是花瓣狀裂紋的特殊類型，Kulander 等(1979)將裂紋形態(tài)分為兩個部分，起始段裂紋傾角從30°增加到75°，第二段裂紋則接近垂直，與圖8a中的應(yīng)力跡線類似。Li和Schmitt(1998)曾開展了大量的數(shù)值模擬研究分析原地應(yīng)力場對巖芯誘發(fā)裂紋的影響機理，他們發(fā)現(xiàn)在正斷層和走滑斷層應(yīng)力狀態(tài)下，容易出現(xiàn)花瓣狀和中心線花瓣狀裂紋現(xiàn)象，在逆沖斷層應(yīng)力狀態(tài)下，容易出現(xiàn)餅狀巖芯現(xiàn)象。

巖芯的誘發(fā)裂紋檢測要求使用定向巖芯，獲取花瓣狀裂紋和中心線花瓣狀裂紋的數(shù)據(jù)過程中需要認真仔細檢查巖芯(Lorenz and Hill，1992；Lorenz，1993)，并且認真記錄花瓣狀裂紋的規(guī)則間距和花瓣的形狀特征(例如前面所說的傾向、傾角以及傾角變化等)。記錄數(shù)據(jù)的異常值需與鉆探地質(zhì)志相對照，例如扭矩、貫入度等其它可能影響花瓣狀裂紋的因素相對比?；ò隊盍鸭y的測量主要是測量巖芯上所形成的裂紋數(shù)據(jù)，并不需要特別專用的設(shè)備。餅狀巖芯或者巖芯誘發(fā)裂紋法主要取決于這兩種現(xiàn)象是否會出現(xiàn)，利用兩種現(xiàn)象得到的應(yīng)力方向相對較為準確，應(yīng)力量值一般誤差較大。

1.6 聲發(fā)射法

凱瑟效應(yīng)指有應(yīng)力狀態(tài)下的材料發(fā)射聲波的現(xiàn)象，故也稱之為聲發(fā)射(AE)，這種現(xiàn)象僅在所受應(yīng)力超過樣品所經(jīng)受的最大應(yīng)力時激發(fā)。在材料科學領(lǐng)域， Kaiser(約瑟夫·凱瑟，1950)是第一位描述受拉金屬、巖石和木材材料的這種記憶效應(yīng)的科學家。在巖石力學領(lǐng)域，Goodman(1963)測試了受壓條件下的砂巖，而Kurita和Fujii(1979)測試了受壓條件下的結(jié)晶巖石，通過他們的工作把凱瑟效應(yīng)介紹到了該領(lǐng)域。圖9中展示了理想的實驗室凱瑟效應(yīng)測試圖。如果聲發(fā)射(AE)現(xiàn)象明顯發(fā)生時的壓力(所謂的回放最大應(yīng)力(RMS)，Hughson和Crawford，1986)等于PMS(先前經(jīng)受最大應(yīng)力)(如圖9中所示，RMS=PMS)，那么記憶實驗室封存應(yīng)力的凱瑟效應(yīng)(KE)現(xiàn)象就被完美地證實了。然而如果施加應(yīng)力越來越接近巖石的破裂強度時(如圖9a，第三循環(huán))，聲發(fā)射(AE)現(xiàn)象明顯發(fā)生時的壓力水平會低于先前所施加的最大應(yīng)力(如圖9b所示，RMS

圖9 原始巖芯在實驗室內(nèi)循環(huán)加載時的應(yīng)力—時間曲線(a)，第二和第三個加載循環(huán)過程中測量得到的聲發(fā)射事件和時間或者加載應(yīng)力關(guān)系曲線(b) (Zang 和 Stephasson, 2010)Fig. 9 Cyclic loading of a virgin rock core in the laboratory indicated by applied stress versus time curve (a), and a measured number of acoustic emissions versus time or applied stress in the second and third loading cycles (b) (Zang and Stephasson, 2010)

確定回放最大應(yīng)力(RMS)并不是一個簡單的工作，巖石聲發(fā)射(AE)活動的啟動時間點非常難確定。通常聲發(fā)射(AE)啟動點和結(jié)束點都被假設(shè)為加載壓力等于回放最大壓力(RMS)的點，可以通過累計AE事件—應(yīng)力的曲線來確定。另外，AE曲線上的相對變化，即兩個連續(xù)加載循環(huán)之間的AE事件數(shù)量或者AE發(fā)生率也可以用于進一步確定AE事件啟動點(Yoshikawa and Mogi，1981，1989)。Lavrov(2003)就如何處理AE曲線并準確確定回放最大壓力值(RMS)巖石中的凱瑟效應(yīng)(KE)作了一個詳細而全面的綜述。先前最大應(yīng)力(PMS)越接近巖石最終強度，那么凱瑟效應(yīng)(KE)現(xiàn)象啟動壓力就越難確定。Li和Nordlund(1993)通過凱瑟效應(yīng)(KE)實驗證明了前面的結(jié)論，在開展試驗時他們設(shè)定第一個加載循環(huán)的峰值壓力接近于巖石抗壓強度，在第二個單軸壓縮循環(huán)中就發(fā)生FR效應(yīng)。在Li和Nordlund(1993)等開展的巖石實驗中，大部分巖石均顯示出了良好的凱瑟效應(yīng)(KE)行為(包括大理石、片麻巖、花崗巖、輝長巖、綠巖、斑巖、黃銅礦等)特征，但是基律納(Kiruna)磁鐵礦的FR值較低，顯示出貧乏的凱瑟效應(yīng)(KE)。

1.7 巖芯二次應(yīng)力解除法

巖芯的二次應(yīng)力解除法可以用于確定應(yīng)力方向，也有可能用于確定應(yīng)力量值。巖芯二次應(yīng)力解除法的概念起始于測量巖石的殘余應(yīng)力(或者應(yīng)變)。Friedman(1972)提出了沙粒在原位荷載的作用下發(fā)生變形并在膠結(jié)過程中封存殘余應(yīng)力的機理。Hoskins和Russel(1981)使用二次套芯解除技術(shù)測量了黑山地區(qū)巖芯的殘余應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與使用套芯應(yīng)力解除在巖石露頭上測得的結(jié)果較為一致。在取芯過程中，巖芯通過內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙以及形變釋放掉了巖芯所存儲的主要能量，但是巖芯內(nèi)仍存在部分殘余應(yīng)力。成功地利用更小尺寸的應(yīng)力解除過程也可以釋放部分殘余能量，這種能量變化可以通過殘余應(yīng)變的測量來獲取。測試過程非常簡單，在巖芯上粘貼應(yīng)變花，然后進行二次取芯(Hill et al.，1994；Jaeger and Cook，1979)。在每個方向上在取芯前和取芯后的應(yīng)變變化即反應(yīng)了巖芯所存儲的殘余應(yīng)變或應(yīng)力。這種應(yīng)變一般是與原地應(yīng)力密切相關(guān)的。主應(yīng)變方向可以通過應(yīng)變花公式計算，如下所示。

(3)

存放巖芯的二次應(yīng)力解除簡便易行，并且非常方便用于各種存放巖芯上，因此其潛在的使用價值就十分明顯。該方法有兩個主要缺陷，第一是并不是所有的巖石都對二次解除呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力解除特性，第二是巖石結(jié)構(gòu)在測量中會造成較大的誤差。

1.8 微裂隙巖相分析法

對巖芯開展切片分析或者CT掃描分析非常有價值，這種分析不僅可以提供應(yīng)力信息，也可以提供豐富的巖芯結(jié)構(gòu)信息(Gies，1987)。過去通過光學顯微鏡來檢測巖芯中的微結(jié)構(gòu)信息，例如使用巖芯的薄片、光片、藍色薄片或者熒光薄片來開展檢測(Gies，1987；Soeder，1990)。但是目前巖芯的二維和三維CT技術(shù)已經(jīng)非常成熟(康志勤等，2009)，而且可以通過CT掃描數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字巖芯建模(Hazlett，1997；Liang et al.，1998)，更方便開展巖芯微裂隙的計算機統(tǒng)計分析。巖相檢測分析通常可以區(qū)別應(yīng)力松弛微裂隙和構(gòu)造微裂隙。應(yīng)力松弛微裂隙一般存在于晶粒間，寬度均一或者寬度沿某一方向單調(diào)變化。構(gòu)造微裂隙有可能存在晶粒間也有可能切穿晶粒，寬度變化不穩(wěn)定，特別是有些構(gòu)造裂隙經(jīng)歷過溶蝕作用，更容易辨別。當然，經(jīng)驗豐富的檢測人員完全可以區(qū)分各種微裂隙，因而巖芯的微裂隙巖相分析法完全可以用來確定應(yīng)力方向和巖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這種方法可以作為其它基于巖芯的應(yīng)力測試方法的一種補充，特別是在其它因素對測試數(shù)據(jù)影響較為明顯時，用這種方法可以立即判定誤差來源。

在傳統(tǒng)方法下，可以將每個薄片的裂紋的方向記錄，并繪制玫瑰花圖，就可以得到微裂隙的優(yōu)勢分布方位；如果是CT掃描數(shù)據(jù)，那么可以通過計算機軟件自動統(tǒng)計分析，并繪制玫瑰花圖。如果這些微裂隙均被識別為應(yīng)力/應(yīng)變松弛微裂隙，那么就可以得到區(qū)域原位最大主應(yīng)力方位，即垂直于微裂隙的優(yōu)勢分布方位。如果微裂隙并非應(yīng)力/應(yīng)變松弛裂隙，那么就無法通過這種方法得到應(yīng)力信息，但是微裂隙的信息可以為其它基于巖芯的應(yīng)力測試方法提供可靠的診斷數(shù)據(jù)。

1.9 軸向點荷載分析法

定向巖芯的強度各向異性也可以用于確定地應(yīng)力方向。這一概念首先由Logan和Teufel(1978)提出，他們使用點荷載手段和巴西盤實驗對Wattenburg油田的巖樣進行廣泛實驗發(fā)現(xiàn)巖石的強度各向異性與水壓致裂裂縫方位密切相關(guān)。Laubach等(1992)曾利用點荷載實驗確定地應(yīng)力方向，同時還發(fā)現(xiàn)了巖樣強度的雙峰分布模式。點荷載測試是巖樣強度各向異性中較為簡單的測試方法。測試過程中，利用半球狀壓頭對餅狀巖樣頂面和底面進行施壓，直至巖樣破壞。對巖樣的破壞模式進行統(tǒng)計分析，得到巖石的微結(jié)構(gòu)特征。如果微結(jié)構(gòu)主要與松弛微裂隙有關(guān)，那么誘發(fā)破壞裂縫方位會與實驗前的微裂隙分布方位一致，而這一方位與最大主應(yīng)力垂直。如果微裂隙與構(gòu)造微裂紋相關(guān)，那么誘發(fā)破壞裂縫方位與實驗前的微裂隙分布方位一致，而這一方位不會與最大主應(yīng)力方位是垂直相交。如同其它基于巖芯的測試方法一樣，知道巖樣的微結(jié)構(gòu)特征對于準確測試非常重要。在點荷載測試中，要求準備的巖餅應(yīng)該有相互平行的端面；如果為了得到最大水平應(yīng)力，那么在巖餅的端面必須水平面內(nèi)相互平行。在實驗階段，特別注意的是應(yīng)該使用中等的加載速率以將動載效應(yīng)降到最低。因此一般情況下，建議該方法和CVA法或者微裂隙巖相分析法聯(lián)合使用。該方法非常大的困難是很難判斷點荷載測試所產(chǎn)生的強度各向異性到底是由于應(yīng)力松弛裂隙造成的，還是由于巖樣本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征造成的；因此不建議單獨依靠該方法對應(yīng)力方向進行估算。該方法的優(yōu)點是測試設(shè)備和技術(shù)簡單便宜，開展大量測試方便快捷，因此在樣品數(shù)量較大的情況下非常適合進行統(tǒng)計研究。

2 基于鉆孔的方法

2.1 水壓致裂法

應(yīng)力測量中的水壓致裂法又稱微型水壓致裂法，微型是相對于油田壓裂而言。在水壓致裂技術(shù)提出之前，科學家們主要使用應(yīng)力解除法來測定原地應(yīng)力，包括平面應(yīng)力解除法、鉆孔套芯應(yīng)力解除法、扁千斤頂法(平面應(yīng)變恢復法)等。Hubbert和Willis于1957年提出井孔液體壓裂所產(chǎn)生的裂縫與巖體中所賦存的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，并指出巖體壓力并非處于靜水壓力狀態(tài)。Scheidgger(1962)是第一位利用油井孔底壓力曲線分析地殼應(yīng)力的科學家。Fairhurst(1964)是第一位提出利用水壓致裂技術(shù)來測量原地應(yīng)力的科學家，并指出了水壓致裂技術(shù)的諸多優(yōu)點。Haimson和Fairhurst(1967)指出井壁上產(chǎn)生的裂縫與以下三個因素有關(guān)，① 地殼應(yīng)力，② 水壓致裂的液體壓力與孔隙水壓力之間的差應(yīng)力；③巖體滲透的徑向流量，這些理論分析奠定了經(jīng)典水壓致裂測試技術(shù)的理論基礎(chǔ)。Haimson(1968)在其博士論文中對水壓致裂原地應(yīng)力測試技術(shù)從實驗和理論兩個方面進行了全面分析和完善。以上這些重要工作為將水壓致裂原地應(yīng)力測試技術(shù)應(yīng)用于工程實踐奠定了理論和實驗基礎(chǔ)。真正意義的應(yīng)力測量工程實踐是由Von Schonfeldt 和Fairhurst(1970)領(lǐng)導的研究組在明尼蘇達州的一個地下花崗巖巖體中展開的；隨后，在Rangely油田也開展了類似的應(yīng)力測量和研究工作(Haimson，1973；Raleigh et al.，1976)。從此，水壓致裂應(yīng)力測量正式進入工程實踐領(lǐng)域。于1981年，加利福尼亞Monterey市召開了全球第一次水壓致裂應(yīng)力測量研討會，水壓致裂原地應(yīng)力測試技術(shù)和方法逐漸被全球各行各業(yè)的科學家所認同。1987年和2003年，國際巖石力學學會都把水壓致裂原地應(yīng)力測量方法作為一種主要的應(yīng)力測試或者估算方法來推薦，也奠定了水壓致裂原地應(yīng)力測量技術(shù)作為應(yīng)力測試方法的重要地位。水壓致裂的基本原理是利用一對封隔器在鉆孔中隔離出一段試驗段，然后用高壓流體將試驗段巖體壓裂，產(chǎn)生豎直縫，同時記錄壓力-時間曲線，通過曲線來判斷液體壓力和原地應(yīng)力的平衡點，進而得到原地應(yīng)力狀態(tài)。

1980年10月，由李方全教授領(lǐng)導的研究組在河北易縣首次成功地進行了水壓致裂法地應(yīng)力測量(李方全等，1986)，隨后中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制成功輕便型水壓致裂測量設(shè)備(謝富仁等，2003)。水壓致裂測試技術(shù)開展在中國的各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用推廣。Kuriyagawa 和Kobayashi (1989)提出利用三個近似正交的鉆孔開展水壓致裂測試工作，可以計算測試區(qū)域的全應(yīng)力張量；隨后劉允芳(1991)將該方法介紹到中國，郭啟良等(2004)則將該項測試技術(shù)推廣到了地下工程領(lǐng)域。

水壓致裂法測地應(yīng)力的優(yōu)點非常明顯，對測試設(shè)備和測試環(huán)境的要求相對較低，測試過程簡便迅速，數(shù)據(jù)處理分析也簡便易行。但是水壓致裂法也存在很多的問題，首先是最大水平主應(yīng)力SH的計算受到較多因素的影響，如Ito(1999)等曾指出測試系統(tǒng)柔性對Pr的選取影響明顯，進而會影響SH的計算；其次是在深孔測量時，一般系統(tǒng)柔性較大，而且?guī)r體的滲透性也會對測試過程產(chǎn)生較大影響，同時深孔測量對水壓致裂測試的井下設(shè)備提出了更高的要求。針對水壓致裂測試系統(tǒng)的種種問題，Ito(2010)提出了BABHY測試系統(tǒng)，但是如何推廣這種測試系統(tǒng)，仍然是工程師和科學家們所需面臨的問題。

2.2 套筒壓裂法

如前面所述，傳統(tǒng)水壓致裂測試中由于壓裂液滲透的問題會對原地應(yīng)力測量中的破裂壓力發(fā)生影響。為了解決這一問題，Stephasson(1983b, c)提出了套筒壓裂法，套筒壓裂使用旁壓儀的高容量薄膜對圍壓施加壓力，當施加的壓力超過巖石的抗拉強度，孔壁圍巖上就會產(chǎn)生豎直裂縫，并且沿著垂直于最小水平主應(yīng)力的方向傳播。由于沒有液體滲透進入孔壁圍巖巖體，故可以直接通過破裂壓力和重張壓力獲得原地最大最小水平主應(yīng)力。Stephasson所提出的理論和設(shè)想實際是Hustrulid和Hustrulid(1975)所提出的柔性CSM旁壓儀器的一個拓展。隨后不久Ljunggren和Stephasson(1986)研發(fā)了剛性旁壓系統(tǒng)。在套筒壓裂測試中，水平應(yīng)力量值通過記錄的壓力—容積曲線確定，應(yīng)力方向通過纏繞在套筒表面的黑色乙烯基電絕緣帶表面的裂縫印痕確定。套筒壓裂提出后，隨后還出現(xiàn)了一些其它類似的套筒壓裂技術(shù)，例如Serata和Kikuchi(1986)和Serata等(1992)提出的雙裂縫套筒壓裂技術(shù)；以及Amadei等(1994)研發(fā)的ROCTEST系統(tǒng)；Li等(2005)所研發(fā)的千斤頂壓裂系統(tǒng)。所有的這些套筒壓裂技術(shù)都具備一個公認的優(yōu)點，就是壓裂過程中沒有液體進入巖體，只要準確確定了破裂壓力和重張壓力，就可以得到巖體的抗拉強度，故得到的應(yīng)力量值相對更為準確，同時由于壓裂是通過壓力膜或者其它壓力頂加壓，所以形成的裂紋一般為豎直裂縫，而且形狀和長度可控。套筒壓裂法的缺點也較為明顯，非常難確定加壓過程中的破裂壓力和重張壓力，而一些能準確確定破裂壓力和重張壓力的設(shè)備又非常復雜，在井下應(yīng)用困難，這些缺點大大制約了套筒壓裂技術(shù)的推廣使用。

2.3 原生裂隙水壓致裂法

原生裂隙水壓致裂法是利用一對封隔器在鉆孔中隔離出一條閉合原生裂隙，利用高壓流體將閉合原生裂隙張開，通過壓力-時間曲線可以得到作用在裂隙面上的法向應(yīng)力，完成在至少6個走向和傾角完全不同的閉合原生裂隙上的測試，就可以求解測試點的全應(yīng)力張量值。Cornet(1984，1986)首次提出了利用鉆孔所揭露的原生裂隙開展水壓致裂測量來計算全應(yīng)力張量的HTPF法。劉允芳(1999)則率先在國內(nèi)將相似方法應(yīng)用于工程實踐。在國內(nèi)原生裂隙水壓致裂法測試方面，李方全(1986)，劉允芳(2000)，陳群策(1998)等學者都進行了實踐，并取得了一些研究成果。Cornet(1997)，劉亞群(2007)，景鋒(2009)等提出使用HTPF法時，當原生裂隙間垂直距離超過50m時，需要考慮應(yīng)力梯度對其的影響。

原生裂隙水壓致裂法(HTPF)優(yōu)點很明顯，測試過程只需要測試作用在閉合裂隙面上的法向應(yīng)力和裂隙面方位角，不需要測試其它巖石力學參數(shù)，方法原理假設(shè)很少，測試過程和測試參數(shù)可靠。同時HTPF法中，僅有精度較高的關(guān)閉壓力Ps參與計算，測量精度提高。HTPF法在實際計算中，由于測量過程中存在誤差，僅以6段原生裂隙進行計算，有可能造成計算機計算無法收斂，所得到的各應(yīng)力量值與實際值之間存在很大差距。在此，Cornet建議最少選用7段原生裂隙數(shù)據(jù)進行計算，選用8～9段各參數(shù)不同的原生裂隙數(shù)據(jù)計算，得到的結(jié)果可靠性較高。然而HTPF法測量過程較經(jīng)典水壓致裂法復雜許多，測量過程中需要對每條裂隙進行精確定位，且對原生裂隙的賦存狀態(tài)要求很高。在同一個鉆孔內(nèi)尋找不同產(chǎn)狀的原生裂隙難度非常高，根據(jù)王成虎等(2006)的鉆孔電視測試結(jié)果可知，同一鉆孔所揭露的原生裂隙產(chǎn)狀均趨于優(yōu)勢方位。原生裂隙附近可能存在其他裂隙，對原生裂隙的封隔加壓很難保證將該裂隙獨立分隔開來；同時保證測量過程中沒有液體滲入裂隙內(nèi)亦很困難。

劉允芳(2006)進一步改良了原生裂隙水壓致裂法，在原有基礎(chǔ)上，提出裂隙重新張開時，裂隙面上剪應(yīng)力應(yīng)為0，那么每進行一段原生裂隙水壓致裂測試，可獲得3個觀測值方程。只要在兩個或兩個以上不同產(chǎn)狀的原生裂隙段上進行重張試驗，即可確定三維地應(yīng)力狀態(tài)。僅以2段原生裂隙數(shù)據(jù)進行計算很難得到理想的數(shù)據(jù)，在此筆者建議利用4～5段原生裂隙數(shù)據(jù)進行計算較為妥當。

通過近些年的理論發(fā)展，HTPF法對裂隙賦存條件的依賴程度大大降低，由最開始需要至少6條原生裂隙到現(xiàn)在只需要2條原生裂隙就可以計算出三維應(yīng)力狀態(tài)。但是HTPF法在不斷改良的過程中，也加入了一些新的假設(shè)，其測量精度還有待實踐的進一步考驗。

2.4 套芯解除法

2.5 鉆孔崩落

井孔內(nèi)的鉆孔崩落現(xiàn)象可以通過光學(照相機)，機械式測井儀(井徑儀)，超聲波測井儀(鉆孔電視)或者電阻測井儀(地層微掃描器，簡稱FMS)觀測。超聲波鉆孔電視(BHTV)能夠提供井孔壁連續(xù)且定向的超聲波圖像(Zemanek et al.，1970)。當測井工具沿鉆孔逐步上移時，BHTV能按照螺旋線的方式以細窄的脈沖式超聲波射束掃描鉆孔壁。高級設(shè)備如FMS(斯倫貝謝)能夠產(chǎn)出高精度的鉆孔壁電阻率圖像，這種測井圖像可以用于確定水壓致裂裂縫、鉆井誘發(fā)張裂縫和鉆孔崩落方位。鉆孔崩落可以幫助準確確定區(qū)域應(yīng)力場方向，但是對于應(yīng)力量值，需要針對鉆孔圍巖的強度、圍巖的破裂條件進行相關(guān)測定和假設(shè)，進而限定應(yīng)力量值的范圍。鉆孔崩落的應(yīng)用依賴于該現(xiàn)象是否出現(xiàn)，一般在深度超過1000m的鉆孔中，可以考慮采用該種方法，淺孔(<1000m)中該現(xiàn)象一般不會出現(xiàn)。

2.6 孔壁誘發(fā)張裂縫

如前面所述，如果鉆孔孔壁形成張應(yīng)力集中或者鉆井液壓力過大，就會在鉆孔孔壁上產(chǎn)生張裂縫?？妆谡T發(fā)裂縫走向一般與最大水平主應(yīng)力方向一致，孔壁誘發(fā)張裂縫的基本原理與前面提到的水壓致裂法類似。一般情況下，鉆孔孔壁出現(xiàn)誘發(fā)張裂縫意味著①Sh是最小主應(yīng)力；② 水平主應(yīng)力SHmax與Shmin之間的差值很大(Zoback，2007)。有時候鉆孔孔壁張裂縫也與高泥漿密度和鉆孔孔壁冷卻有關(guān)。地應(yīng)力量值估算則需要結(jié)合鉆井液參數(shù)、孔壁圍巖強度屬性的參數(shù)進行估算?？妆谡T發(fā)裂縫現(xiàn)象一般可在高應(yīng)力區(qū)和深孔中觀察到，孔壁誘發(fā)張裂縫一般均限制在距離井壁很近的范圍內(nèi)，穿透深度一般為幾毫米或者幾厘米(Brudy和Zoback，1999)，可以利用前面所述圖像測井技術(shù)(BHTV、FMS)以及一些其它精度較高的地球物理測井技術(shù)進行觀測。井孔孔壁張裂縫的優(yōu)缺點與鉆孔崩落類似，屬于一種現(xiàn)象分析的方法。

2.7 鉆孔變形

當鉆孔孔壁的應(yīng)力集中不足以導致巖壁破壞時，鉆孔孔壁會產(chǎn)生一定程度的變形，鉆孔變形是一種非常常見的現(xiàn)象，特別是超過特定深度后(>100m)。由于各種測試條件、要求和精度的問題，很多情況下，我們無法測試這一變形值。如果鉆孔孔壁光滑規(guī)則，通過高精度的儀器還是能觀測到鉆孔變形程度，鉆孔的長軸方向為最小水平主應(yīng)力方向，短軸方向為最大水平主應(yīng)力方向。而Zoback(2007)曾指出任何一個鉆孔都可以看作我們在地殼巖體中開展的一次巖石力學實驗，那么觀察鉆孔成型后鉆孔圍巖的響應(yīng)特征將是這一實驗的必要措施，故這種方法也是未來巖石應(yīng)力測試的一個發(fā)展方向。Halliburton公司曾開發(fā)了THE(Total Halliburton Extensometer)設(shè)備來觀測鉆孔壓裂期間鉆孔變形情況，進而得到鉆孔壓裂期間的裂縫方位和孔壁位移情況，該設(shè)備包括一個或者兩個封隔器和兩套六臂線性測徑儀(McMechan et al.，1992；Kuhlman et al.，1993)。Obara等提出了(2004，2010)CBDM(Cross-sectional Borehole Deformation Method)法來測定應(yīng)力，并指出這種方法不僅可以測量初始原地應(yīng)力也可以測量原地應(yīng)力的絕對變化。Obara等(2004, 2010)研發(fā)出高精度的光學井下測試儀器來測定鉆孔橫截面變形，并用其估算原地應(yīng)力值方向和量值。鉆孔變形法目前仍在研發(fā)中，未來的推廣應(yīng)用情況仍然有待檢驗。目前能想到的該方法的問題包括:① 鉆孔孔壁巖石的蠕變變形；② 在測試過程中消除由于鉆探原因所造成的鉆孔擴徑現(xiàn)象；③ 如何將實驗室?guī)r石力學實驗數(shù)據(jù)與鉆孔孔壁的巖體數(shù)據(jù)建立聯(lián)系？

2.8 鉆孔滲漏實驗

鉆孔滲漏實驗測試地應(yīng)力原理與微型水壓致裂測試法原理相同，但是該方法主要在油田上使用較為廣泛，通過滲漏實驗的壓力—時間曲線估算最小水平主應(yīng)力 (Zoback，2007)。

3 地質(zhì)學方法

3.1 地傾斜調(diào)查

地傾斜調(diào)查主要用于油田區(qū)域應(yīng)力場分析，在進行油井壓裂的過程中，地表會發(fā)生形變，地表的這種形變與地下的油井壓裂裂縫擴散和分布密切相關(guān)。在油井區(qū)域的地表布置地表傾斜儀，通過測量地表形變及其分布特征，可以得到地下壓裂裂縫的分布特征，進而得到區(qū)域應(yīng)力場的方向特征(Hill et al.，1994)。一般情況下，這種地表傾斜儀的精度能夠檢測到水平距離400km長度上2mm的地表變形所產(chǎn)生的角度變化，或者更高的精度。理想條件下，需要在井下水壓致裂前幾個周就將地表傾斜儀埋入地下3～5m的預設(shè)孔內(nèi)，一方面可以讓儀器獲得一定的穩(wěn)定時間，另外一方面也可以得到研究區(qū)的環(huán)境背景地傾斜噪聲，這種噪聲包括日月潮汐，地表溫度變化所產(chǎn)生的熱彈性變形以及其它如風力、降水、地下水位變化、地表人類活動等所造成的地表變形。當基于鉆孔或者基于巖芯的方法不能足以提供可靠的區(qū)域應(yīng)力數(shù)據(jù)時，就可以開展這種地傾斜觀測，但是壓裂深度不能超過1500m，同時這種方法費時、花費高而且需要足夠好的后勤保障。

地震預測研究中也使用了相應(yīng)的跨斷層地傾斜儀，常見的有水管儀(吳濤等，2010)、擺式傾斜儀(馬武剛等，2012)和伸縮儀(楊江等，2010、2012)，也可以在一定程度上反應(yīng)中長期的地殼中的地應(yīng)力場變化趨勢，但是到目前為止僅見到利用其進行地震預報的報道，未見到相關(guān)的利用其進行反演區(qū)域應(yīng)力場的報道，或許這在今后也是一項值得開展的研究工作，因為地震部門積累了大量的地形變觀測資料。

3.2 斷層滑動反演

圖10 斷層面上擦痕有關(guān)數(shù)據(jù)測量及計算的結(jié)果表示(侯明金和王永敏，2002)Fig. 10 Measurements of striations on fault planes and computation results expression (Hou Mingjin and Wang Yongmin, 2002)

該方法需要大量細致詳實的野外調(diào)查工作，野外工作中最困難但也是最重要的就是確定擦痕的性質(zhì)、滑動方向及斷層活動期次配套，Mercier等(1992)曾對所采用的幾類擦痕的判別方法進行了歸納總結(jié)，侯明金等(2002)對這些方法進行過簡要介紹，可參考。對于人類活動稀少地區(qū)的區(qū)域應(yīng)力場研究非常有價值，但是在斷層擦痕露頭不明顯的地區(qū)，使用范圍受限。該方法的一個很大的缺陷是非常難確定斷層滑動擦痕發(fā)生的具體時間或者年代。

3.3 新構(gòu)造運動節(jié)理測繪

新構(gòu)造運動節(jié)理測繪的統(tǒng)計結(jié)果可以估算新構(gòu)造運動發(fā)生年代的區(qū)域應(yīng)力場方向，其所基于的主要原理是安德森理論(Anderson，1951)。安德森理論認為主要的斷層類型可以分為三類，正斷層、走滑斷層和逆斷層，三種斷層類型所對應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)分別為SV>SH>Sh，SH>SV>Sh和SH>Sh>SV，而三種斷層的走向與最大最小水平主應(yīng)力的夾角也有一定的分布規(guī)律，這一統(tǒng)計規(guī)律就可以用來分析區(qū)域應(yīng)力場方向(Zoback，2007)。拜爾利總結(jié)了眾多巖石力學實驗的結(jié)果，認為地殼巖石的內(nèi)摩擦系數(shù)為0.6～0.85，少數(shù)巖石除外，這就是著名的拜爾利定律或拜爾利范圍(Byerlee，1979)。其它一些研究成果表明，絕大多數(shù)巖石的摩擦系數(shù)在0.5～1.0之間(張伯崇、馬元春，1987；李方全等，1993)。研究人員進行的原地應(yīng)力實測證明實驗室測得的摩擦系數(shù)適用于上地殼，且限定了上地殼的應(yīng)力水平(Townend和Zoback，2000；Zoback et al.，2002；Scholz，2002)。由拜爾利定律可知，符合安德森理論的斷層(以下簡稱安德森斷層)，中間主應(yīng)力與斷層面共面，當斷層面上的摩擦系數(shù)為0.6～1.0之間，最大主應(yīng)力與斷層面的夾角較小，一般為23°～30°。

3.4 火山口排列調(diào)查

火山口排列調(diào)查法所依據(jù)的力學原理與水壓致裂相似，但是這里壓裂液為低粘度的熔巖巖漿，該方法由Nakamura所提出(1977)。Nakamura(1977)指出，所需要調(diào)查的參數(shù)包括: ① 火山口的形狀(圓形或者橢圓形)；② 火山口周邊或者火山巖侵入圍巖所形成巖脈的分布方式；③ 同期次火山口的排列方式；④ 火山附近的斷層活動分布特征(展布和活動)。通常情況下，火山口排列或者巖漿巖巖脈的延伸方向與火山爆發(fā)時的區(qū)域最大水平主應(yīng)力平行，與最小水平主應(yīng)力垂直，如圖16所示(Adiyaman et al.，1998)，該方法對于古應(yīng)力場分析研究非常有用。在實際運用該方法的過程中，需要仔細辨別不同期次火山形成過程的地質(zhì)背景和構(gòu)造條件、同時需要利用DEM或者遙感手段對火山口的地貌性態(tài)進行細致分析。該方法給出的古應(yīng)力方向可靠度較高，但是對于一些古火山和復雜形態(tài)和多成因火山，需要開展更為細致的研究工作來確定形成時的古應(yīng)力方向。

圖11 地表火山裂隙出露形態(tài)示意及其與應(yīng)力場方向的關(guān)系(Adiyaman et al.，1998)Fig. 11 Surface signatures of volcanic fissures, and their stress directions (modified from Adiyaman et al., 1998)

4 地球物理學方法

4.1 震源機制解

震源機制解的求解，主要是通過假定震源模型參數(shù)，計算得到給定地震波速度結(jié)構(gòu)下各臺站產(chǎn)生的波形特征，再將其與各臺站實際觀測波資料進行對比，得到擬合最好的模型參數(shù)。求解震源機制解的常用方法主要包括初動符號法和波形反演法，初動符號法主要依據(jù)波形的初動極性信息來獲取震源機制解，而波形反演法則充分利用了波形資料求解矩張量解(Fowler, 1990)。初動符號法可分為P波初動法和振幅比法，通過判定初動符號極性獲得震源機制解，其方法簡單、快捷，但是從波形數(shù)據(jù)文件中獲取的地震信息較少，需要大量臺站數(shù)據(jù)資料，且只有在臺站分布均勻的條件下才能得到可靠的結(jié)果。然而對于一些中小地震來說，由于受地震臺站分布和密度的制約，用P波初動所求得的震源機制解有可能是不可靠的，因此許多學者提出了振幅比法，即根據(jù)P波與SV波或SH波振幅比值來求解震源機制參數(shù)(Kisslinger et al.，1981；梁尚鴻等，1984；吳大銘等，1989)。震源機制解研究中，通常利用地震矩張量來描述地震的點源模型，而地震矩張量的引進實現(xiàn)了震源參數(shù)的線性化。根據(jù)矩張量元素和格林函數(shù)之間的線性關(guān)系，簡正振型、體波、面波、近震源記錄等波形觀測資料均可用于矩張量的反演(倪江川等，1991；祁玉萍等，2013)。目前，美國、日本、歐洲、我國臺灣等都建立了實時波形自動反演系統(tǒng)，并將震源機制解的確定納入了臺網(wǎng)的日常工作(祁玉萍等，2013)。震源機制解能較為準確地得到地震發(fā)生時斷層兩盤的相對運動方向，這種相對運動方向反應(yīng)了當時的區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，因而可以給出區(qū)域應(yīng)力場方向和三個應(yīng)力量值之間的比值關(guān)系(Zoback，2007)。

由于大多數(shù)地殼地震發(fā)生于原生的斷層，而不是產(chǎn)生新斷層而引發(fā)，所以滑動向量由斷層方向、主應(yīng)力方向和大小決定，而震源平面機制的P軸和T軸與主應(yīng)力方向無直接對應(yīng)的關(guān)系。Raleigh和Healy等(1972)建議如果已知震源機制的節(jié)平面，則不必采用震源平面機制的P軸，而假設(shè)最大水平主應(yīng)力與斷層面夾一定角度，而夾角大小可以根據(jù)摩擦系數(shù)來確定，比如，許多巖石的摩擦系數(shù)約為0.6，他們建議斷層面與最大主應(yīng)力方向的夾角可取為30°。但是對于板塊內(nèi)部地震，很難確定震源平面與哪個斷層面相對應(yīng)。盡管如此，在大多數(shù)內(nèi)陸板塊區(qū)域，震源平面機制的P軸仍然是最大水平主應(yīng)力方向的一個較好的近似，這是因為內(nèi)陸板塊地震通常不是發(fā)生在摩擦系數(shù)很小的斷層上(Zoback and Zoback，1980；Zoback et al.，1989)。

4.2 其它地球物理測井方法

其它地球物理方法包括微震測井、定向伽瑪射線和橫波各向異性法。微震測井法主要用于油田應(yīng)力場的研究，在油井壓裂過程中，會產(chǎn)生微震事件，對這些微震事件進行精定位，并分析其分布特征，就可以得到壓裂裂縫的分布特征，進而得到區(qū)域應(yīng)力場方向(Hill et al.，1994；Zoback，2007)。其它的物理測井方法包括定向伽瑪射線錄井，橫波各向異性法等。伽瑪射線錄井是一種在石油工業(yè)中常用的方法，定向伽瑪射線錄井基于常見的伽瑪錄井技術(shù)，并結(jié)合一些示蹤元素來獲得油井壓裂過程中所形成的裂縫方位(Hill et al.，1994)，進而得到區(qū)域最大主應(yīng)力方向。橫波各向異性是指在各向異性介質(zhì)中橫波偏振成快波和慢波兩個分量，引起的機制可以分為兩類，一類是主應(yīng)力差異所引起的各向異性，另外一種是構(gòu)造各向異性，其中應(yīng)力各向異性情況下，垂向傳播的彈性波在平行于張開的微裂縫(Crampin，1985)或者垂直于閉合的大裂縫(Boness and Zoback，2004)方向偏振為快速的方向，在這兩種情況下，快速橫波方向都平行于SHmax，基于這種原理，可以利用垂直井的正交偶極子聲波測井資料的快速橫波偏振方向確定應(yīng)力方向，例如Yale(2003)就利用北海Scott油田某垂直井的交叉偶極子數(shù)據(jù)得到了橫波速度各向異性，并確定了最大水平主應(yīng)力方向。

地球物理測井方法確定區(qū)域應(yīng)力場方向主要在石油工業(yè)中使用廣泛，同時由于測井工作是油田儲層分析的一項基礎(chǔ)工作，因此應(yīng)用廣泛。但是由于地球物理方法多解性的問題，在使用地球物理測井方法開展相應(yīng)的應(yīng)力分析時，同時應(yīng)該對其它影響因素予以考慮以提高獲得應(yīng)力數(shù)據(jù)的可靠性。

5 基于地下空間的方法

5.1 扁千斤頂法

扁千斤頂法是測量巖壁表面應(yīng)力的一種方法，也稱巖體表面應(yīng)力恢復法，該方法首先在二十世紀五十年代在法國使用，由Mayer等(1951)、Tincelin(1951)首先提出，后來Panek(1961)、Panek和Stock(1964)、Hoskins(1966)、Merrill等(1964)以及Rocha等(1966，1971)對這種方法又進行了大量的改進。到了20世紀60年代以后，文獻中有大量關(guān)于利用扁千斤頂法測量原地應(yīng)力場的報道(Amadei and Stephasson，1997)。該方法也是是國際巖石力學學會試驗方法委員會巖石應(yīng)力測量的推薦方法之一(Commission on testing methods of IRSM，1988)。首先在測量點按照特定規(guī)則埋設(shè)測量元件，一般埋設(shè)在預定測量槽的兩側(cè)，埋設(shè)完畢后，在預定位置開挖測量槽，同時監(jiān)測測量元件所反應(yīng)的開挖過程中巖體的變形行為(位移或應(yīng)變量)，再在槽中埋設(shè)壓力鋼枕，測量壓力鋼枕施壓引起的變形，直至能抵消由鑿槽引起的變形和該壓力下的殘余變形時，相對應(yīng)的壓力鋼枕壓力值就是窄縫槽中垂線方向的圍巖法向應(yīng)力值(Commission on testing methods of IRSM，1988)。當拓展到三維地應(yīng)力測量時，一般需要在洞室斷面巖壁上不同部位布置6個測點，測試設(shè)備及測點布置如圖12所示。該方法在20世紀60年代時十分流行，到目前仍然有人在使用該方法。根據(jù)Amadei和Stephasson(1997)的介紹，從該種方法提出到20世紀60年代發(fā)展成熟后，除了在局部技術(shù)細節(jié)方面的部分革新，該方法后來的30多年里基本沒有什么大的發(fā)展變化。與此同時，對該方法進行適當修正，還可以用于測試巖體的彈性模量。

圖12 扁千斤頂法原地應(yīng)力測量方法及測量槽布置示意圖(Amadei and Stephasson, 1997) (a)扁千斤頂法原地應(yīng)力測量方法示意圖; (b)測量槽的布置示意圖Fig. 12 Flat jack in-situ measuring technique and schematic for arrangements of measurement slots (a) Schematic of flat jack method (b) Schematic for arrangements of measurement slots (Amadei and Stephasson, 1997)

扁千斤頂法測量地應(yīng)力有以下不足:① 該方法只能測量地下洞室圍巖表面的地應(yīng)力，而圍巖表面的應(yīng)力容易受到洞室開挖工藝、圍巖二次應(yīng)力場等因素的影響；② 圍巖表面的結(jié)構(gòu)面和巖體的各向異性對測試結(jié)果影響較大，而且不容易消除；③ 由于加載工藝的問題，千斤頂施加的應(yīng)力不是理想均勻狀態(tài)，同時應(yīng)力加載過程與解除過程可能并不一致；④ 在一些軟巖中開展實驗時，切槽過程中的蠕變現(xiàn)象對測試結(jié)果影響明顯。這種測試方法的優(yōu)點也很明顯: ① 可以直接測試地應(yīng)力，而且無需知道巖石的彈性模量；② 測試設(shè)備簡單、耐用、穩(wěn)定；③ 所測得的應(yīng)力是基于一個平面的平均應(yīng)力，包括的體積達0.2～2m3，同時對巖體的擾動相對較小。

5.2 表面應(yīng)力解除法

圖13 三種主要表面應(yīng)力解除法的測點和切割作業(yè)布置示意圖(Amadei和Stephasson，1997； 康紅普等，2013)：(a) 小型巖體切割法; (b)平行鉆孔法; (c)中心鉆孔法Fig. 13 Schematic arrangements of measuring spots and cutting operations for three major surface relief methods: (a) small-scale cutting of rock mass; (b) Parallel borehole method; (c)Central borehole method (Amadei and Stephasson, 1997；Kang Hongpu, et al.，2013)

平面應(yīng)力測量法是最早的應(yīng)力測量方法，早在20世紀初就有工程師利用這種方法測量土木結(jié)構(gòu)組件內(nèi)部的應(yīng)力。表面應(yīng)力解除法是在測試點安裝變形測量裝置，一般采用幾組固定的測量元件，成對按照特定形狀規(guī)則固定，然后在測量元件周邊開展巖體切割或者小型開挖作業(yè)，在這一過程中，監(jiān)測測量元件之間距離的相對變化，進而得到開挖過程中測量點巖體的變形量，同時求得該區(qū)域巖體的彈性模量，就可以估算測量點原地應(yīng)力狀態(tài)。這種方法在應(yīng)力測量發(fā)展的早期起到了很大的作用，近年來該方法的使用率已經(jīng)很低了。Mathar(1934)、Amadei和Stephasson(1997)對表面應(yīng)力測量進行過系統(tǒng)地總結(jié)，可參考。應(yīng)力測量發(fā)展史上最為著名的表面應(yīng)力測量工作是Lieurance(1933、1939)在美國內(nèi)華達胡佛大壩壩基中所開展的應(yīng)力測量實踐。表面應(yīng)力解除可以分為小型巖體切割法(Merrill，1964)、平行鉆孔法(Habib，1971)和中心鉆孔法(Duvall and Tsur-Lavie，1974)三種，如圖13所示。

表面應(yīng)力解除法在應(yīng)力測量發(fā)展早期起到了很大的作用，但是這種方法也有很大的局限性，包括① 測量環(huán)境對應(yīng)變計或者測量柱影響較大，例如濕度、灰塵和地下溫度等；② 與扁千斤頂法類似，平面應(yīng)力解除僅能測量地下洞室圍巖表面的地應(yīng)力，而圍巖表面的應(yīng)力容易受到洞室開挖工藝、圍巖二次應(yīng)力場、洞室表面應(yīng)力集中等因素的影響，同時圍巖表面的結(jié)構(gòu)面和巖體的各向異性對測試結(jié)果影響較大，而且不容易消除；③ 這種方法測出的只是巖石表面的兩個主應(yīng)力，屬于平面應(yīng)力測量。

表2 原地應(yīng)力測試和估算方法對比Table 2 Comparisons of in-situ stress estimate methods

5.3 反分析法

圖14 區(qū)域地應(yīng)力場確定(估算)技術(shù)路線圖(據(jù)Zang and Stephasson, 2010，有修改)Fig. 14 Technical flow chart to determine (estimate) a regional stress regime (According to Zang and Stephasson, 2010, modified)

地下空間開挖后，周邊圍巖必然會變形，而且這種變形非常明顯，只要仔細觀測地下空間圍巖的變形過程，并求得地下空間圍巖的巖體彈性模量或者變形模量，就可以估算工程區(qū)的原地應(yīng)力場狀態(tài)，通常人們稱這種方法為反分析法。Zajic和Bohac(1986)、Sakurai和Shimizu(1986)首先提出了這種地下空間反分析方法。首先在地下空間一個或者多個斷面上監(jiān)測位移，并利用數(shù)值分析方法(有限元或者邊界元)將其與區(qū)域應(yīng)力場聯(lián)系起來，這一過程需要假設(shè)巖體屬性參數(shù)以及這些參數(shù)隨深度的變化規(guī)律。Zou和Kaiser(1990)還提出了針對二維問題的反分析方法，后來Wiles和Kaiser(1994)將這一方法拓展到了三維，這種方法中是首先在巖體中預埋設(shè)應(yīng)變儀、伸縮儀、閉合儀、傾斜儀等位移或者應(yīng)變觀測裝置，然后觀測后續(xù)開挖進行時這些儀器的記錄響應(yīng)，進而利用數(shù)值分析法(三維有限元或者三維邊界元)來分析區(qū)域應(yīng)力場。Martin(2003)認為，在深部高地應(yīng)力區(qū)開挖過程中，基于地下空間變形的反分析法得到的原地應(yīng)力狀態(tài)更為準確，但是通?？萍既藛T低估該方法的價值。

6 討論及展望

6.1 討論

以上內(nèi)容對目前所使用的較為常見的應(yīng)力測試方法進行了回顧總結(jié)，不同的方法有不同的適用范圍，也有不同的誤差范圍，這些方法的優(yōu)缺點和適用范圍列于表2。這些方法又可以分為主動法和現(xiàn)象分析法，主動法就是工程技術(shù)人員通過主動擾動原位巖體，通過觀察擾動后的巖體響應(yīng)特征，例如應(yīng)變或者變形、破壞，再結(jié)合巖石力學屬性參數(shù)的研究分析反演區(qū)域應(yīng)力場特征，這包括水壓致裂法、原生裂隙水壓致裂法、扁千斤頂法、表面解除法等，這類方法比較適用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、資源和能源開發(fā)等領(lǐng)域的使用。其余的方法可以稱之為現(xiàn)象分析法，因為只有發(fā)生了這些現(xiàn)象，通過分析這些現(xiàn)象所蘊含的應(yīng)力信息，確定區(qū)域應(yīng)力場，這些現(xiàn)象分析法可以作為主動法的有效補充，幫助人們更為準確地確定區(qū)域應(yīng)力場。

與此同時，這些方法得到的應(yīng)力信息所反映的巖石體積量是有較為明顯的差別的，在聯(lián)合使用不同方法時應(yīng)對這種體量差別所帶來的誤差予以關(guān)注。例如套芯應(yīng)力解除法只能反應(yīng)100～300cm3范圍內(nèi)的巖體應(yīng)力信息，而地下空間反分析法則可以反應(yīng)100～300m3范圍內(nèi)的巖體應(yīng)力信息，而斷層滑動反演和火山口排列調(diào)查反應(yīng)的巖體應(yīng)力信息可能達到100～300km3。相對而言，建立在大體量巖體分析上的方法得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)對于研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場更為穩(wěn)定可靠，但是不同的方法能揭示不同尺度上的應(yīng)力信息，應(yīng)根據(jù)需求適當調(diào)整所采用的應(yīng)力測試或者估算方法。

6.2 展望

通過對前面的應(yīng)力測試或者估算方法的回顧和總結(jié)，我們也基本勾畫出了開展一個地區(qū)地應(yīng)力場分析的一般路徑，如圖14所示，可以包括四個主要步驟: ① 初步應(yīng)力方向和量值估計，這一步中主要對現(xiàn)有資料進行了系統(tǒng)的分析總結(jié)，找出現(xiàn)有資料中的相互統(tǒng)一或者相互沖突的地方；同時可以利用地質(zhì)學方法和地球物理方法對研究區(qū)應(yīng)力場進行初步研究；如果有巖芯和鉆孔，那么我們就可以利用巖芯和鉆孔孔壁出現(xiàn)的現(xiàn)象開展部分初步應(yīng)力分析；② 實地測量，這一步主要在第一步的基礎(chǔ)上并結(jié)合現(xiàn)有的工程實踐條件(如鉆孔、定向巖芯和地下空間巖體)，開展相應(yīng)的應(yīng)力測量分析；③ 基于兩項工作的綜合分析，進而對整個工作區(qū)的應(yīng)力場狀態(tài)進行預測分析，通常使用數(shù)值模擬手段；④ 對影響應(yīng)力場分析的主要因素進行重點分析討論，包括巖體結(jié)構(gòu)、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造等因素，并給出參考結(jié)論。

Fairhurst(2003)曾對巖石(巖體)應(yīng)力測量進行過詳細的總結(jié)評述，他認為近些年來，巖體應(yīng)力測量的理論基本沒有大的發(fā)展變化，Zang和Stephasson(2010)也表達了類似的觀點。近幾年的巖石應(yīng)力測量技術(shù)的發(fā)展集中體現(xiàn)在測試測備的革新進步方面，例如新一代Borre應(yīng)變儀、水壓致裂法四元封隔器(Zang and Stephasson, 2010)、BABHY測試設(shè)備等(Ito, 2010)。未來應(yīng)力測量技術(shù)的發(fā)展仍然有可能集中體現(xiàn)在測試設(shè)備的革新進步方面，同時人類社會對能源和材料新的需求，對開展深部測量有了更高的要求，需要工程師和科學家們研發(fā)更多用于深部地殼應(yīng)力測量的技術(shù)和設(shè)備；與此同時，隨著計算機計算能力和巖石測試能力的不斷提升，未來將會對有關(guān)巖石各向異性、非均質(zhì)、非線性的屬性特征對巖石或巖體中應(yīng)力分布的影響有更深入的研究。