第九章原岩应力及其测量

1、资源与环境工程学院原岩应力及其测量资源与环境工程学院原岩应力构成原岩应力构成及影响因素基本概念1、原岩：未经采掘而又不受采动影响仍处于自然平衡状态的岩体称为原岩。资源与环境工程学院原岩应力构成2、原岩应力：在原岩中天然存在的应力称为原岩应力，亦称天然应力、初始应力或地应力。3、次生应力：在岩体中进行开挖以后，扰动了原岩的自然平衡状态，引起岩体中应力的重新分布，变化后的应力称为次生应力或二次应力。资源与环境工程学院原岩应力构成原岩应力的构成 由岩体自重、地质构造运动、地形、地震力、水压力、热应力、剥蚀作用等作用力构成。资源与环境工程学院岩体初始应力场岩体初始应力场1、岩体自重应力场将岩体视为均匀

2、、连续且各向同性的弹性体。海姆理论Hz铅垂应力Hzyx水平应力0zxyzxy剪应力资源与环境工程学院岩体初始应力场金尼克理论Hz铅垂应力HHzyx1水平应力0zxyzxy剪应力资源与环境工程学院岩体初始应力场当深度H内有多层岩石，且各层岩石容重不同时：niiiiiyxH11Hz铅垂应力水平应力0zxyzxy剪应力资源与环境工程学院岩体初始应力场岩体构造应力场构造应力：这种在地壳中促使地壳发生变动的力称为构造应力。构造应力场：构造应力在空间的分布状态称为构造应力场。资源与环境工程学院岩体初始应力场构造应力种类原始构造应力残余构造应力现代构造应力资源与环境工程学院原岩应力分布的规律原岩应力分布的规

3、律自重应力场分布特点：1、以垂直应力为主，垂直应力大于水平应力。2、应力均为压应力。3、应力随深度增加而增加。 通常对于一些构造不发育、第四纪冲积层或岩体裂隙较发育，岩性较软的地区，其原岩应力基本符合重力应力场的特点。资源与环境工程学院原岩应力分布的规律构造应力场分布特点：1、应力可能是压应力，也可能是拉应力。2、以水平应力为主，一般水平应力大于垂直应力。3、分布很不均与，以地壳浅部为主。资源与环境工程学院地壳浅部原岩应力分布的规律地壳浅部原岩应力分布的规律：1、原岩应力场是一个相对稳定的非稳定的应力场。资源与环境工程学院地壳浅部原岩应力分布的规律2、实测铅垂应力基本上等于上覆岩层重量。资源与

4、环境工程学院地壳浅部原岩应力分布的规律3、水平应力普遍大于铅垂应力。资源与环境工程学院地壳浅部原岩应力分布的规律4、平均水平应力与铅垂应力的比值随深度的增加而减小。资源与环境工程学院地壳浅部原岩应力分布的规律5、水平主应力随深度增加呈线性增长关系。6、两个水平主应力一般相差较大，表现出较强的各向异性。7、应力轴与水平面一般有一定的角度。资源与环境工程学院影响原岩应力分布的因素影响原岩应力分布的因素1、地形2、岩体的结构、裂隙面3、岩体的力学性质4、剥蚀作用5、温度6、水资源与环境工程学院原岩应力测量原岩应力测量直接测量法扁千斤顶法声发射法水压致裂法刚性包体应力计法间接测量法全应力解除法局部应力

5、解除法孔底应力解除法孔径变形法孔壁应变法切槽解除法平行钻孔法中心钻孔法资源与环境工程学院扁千斤顶法扁千斤顶法资源与环境工程学院扁千斤顶法1、扁千斤顶法测试步骤、在准备测量岩石表面安装两个测量柱，并用微米表测量两柱之间的距离。、在于两测量柱对称的中间位置开挖一个垂直于测量柱连线的扁槽，槽的大小、形状、厚度应与扁千斤顶一致。资源与环境工程学院扁千斤顶法、将扁千斤顶完全塞进槽内，必要时需注浆将扁千斤顶与岩石胶结在一起。然后加压，待两测量柱之间距离恢复到开挖前大小时，停止加压，记录下此时扁千斤顶中压力。资源与环境工程学院扁千斤顶法2、扁千斤顶法特点、扁千斤顶法只能测量一维次生应力。、扁千斤顶法假定岩石

6、完全线弹性。资源与环境工程学院声发射法声发射法声发射法测试步骤、试件制备。、声发射测试。、原岩应力计算。资源与环境工程学院声发射法资源与环境工程学院刚性包体应力计法刚性包体应力计法 刚性包体压力计由硬质金属材料制成的空心圆柱，其中心部位有一个压力传感器。测量时首先在测点打一钻孔，然后将该圆柱挤压进钻孔中。这就相当于位于无限体中的刚性包体，当周围岩体应力发生变化，在刚性包体中产生一个均匀分布的应力场，该应力场的大小与岩体中应力的变化存在一定的比例关系。资源与环境工程学院刚性包体应力计法资源与环境工程学院刚性包体应力计法资源与环境工程学院刚性包体应力计法资源与环境工程学院水压致裂法水压致裂法 水压

7、致裂法是通过液压泵向钻孔内拟定测量深度加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，以此计算测点附近岩体中初始应力大小和方向。资源与环境工程学院水压致裂法资源与环境工程学院水压致裂法水压致裂法应力计算方法2cos231310r133tiP1333sP当031133资源与环境工程学院水压致裂法当考虑水压力时0133PPPri0133PPTi 避免寻求钻孔抗拉强度的困难，采取先使钻孔裂隙打开，然后泄压，再重新加压，使裂隙重新打开，记录裂隙重开时的压力pr，即有：资源与环境工程学院水压致裂法水压致裂法测试步骤、打孔到测量部位，并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来。、向密封隔离段注射高压水，

8、不断加大水压，至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力Pi,然后继续加压直到裂隙扩张到3倍钻孔直径。资源与环境工程学院水压致裂法、停止增压，保持压力恒定，此时的压力称为关闭压力，记为Ps。最后卸压，裂隙完全闭合。、重新向密封段注水，使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力Pr和随后的恒定关闭压力Ps。重复此过程23次，以提高数据的准确性。资源与环境工程学院水压致裂法、将封隔器完全卸压，将全部设备从钻孔中取出。、测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙位置、方向和大小。资源与环境工程学院应力解除法应力解除法 将具有初始应力的岩体用人为的方法解除其应力，使岩体变形恢复，再通过某种手段测出岩体恢复的变形（应变

9、或位移），然后按弹性理论求出岩体应力（主应力的大小和方向）。资源与环境工程学院应力解除法资源与环境工程学院孔底应力解除法孔底应力解除法 先打平底钻孔到需测应力的预定深度，再把电阻应变片（或光弹性应变计）等测量应变的装置贴在孔底平面中部作为应变传感器，然后用环形钻头延伸钻孔，使贴有应变花的岩芯与基岩分离，实现应力解除。根据应力解除过程中的孔底恢复应变，转求岩体应力，这种方法称为孔底应力解除法。资源与环境工程学院孔底应力解除法资源与环境工程学院孔底应力解除法孔底应力解除测试步骤 、在测点处用76钻头打一平底钻孔至拟测深度。、用磨平钻头将孔底磨平、打光，冲洗钻孔，并使之干燥。资源与环境工程学院孔底应

10、力解除法、将环氧树脂粘结剂涂到孔底和应变传感器探头上，用安装器将传感器粘贴在孔底，经20小时等粘接剂固化后，读取初始应变读数，拆除安装工具。、用环形钻头钻出环形间隙，深度为岩芯直径2倍，以便使贴有电阻应变花的孔底岩芯与基岩分离，实现应力解除。资源与环境工程学院孔底应力解除法、测量解除后的应变值，它与初始读数之差即为恢复的应变值。、取出岩芯，在实验室测定岩芯弹性模量和泊松比。资源与环境工程学院孔底应力解除法资源与环境工程学院孔底应力解除法计算方法由孔底应变计算孔底应力基本条件2sin2sincos22xyyx资源与环境工程学院孔底应力解除法112900900Ex112900900Ey900452

11、12Exy01yxE901xyEExyxy12资源与环境工程学院孔底应力解除法由孔底应力计算岩体应力分量对于深孔，由经验公式可得zyxxcbazxyycbaxyxyd一般取：25. 1a0b645. 075. 0cad资源与环境工程学院孔底应力解除法对于浅孔，按平面应力问题处理：xxayyaxyxya资源与环境工程学院孔底应力解除法次主应力的计算2212221xyyxyx2232221xyyxyxyxxytg2（逆时针为负）yxxE1xyyE1Exyxy12资源与环境工程学院孔径变形法孔径变形法 在欲测岩体应力处先钻一大孔到指定深度，然后在孔底平面钻一同心小孔，在小孔内安装不同类型的孔径变形传

12、感器，再用环形套钻延伸小孔，形成与基岩分离的筒状岩芯。由于卸载使小孔孔径发生变化，根据孔径变形传感器测出孔径三个方向的变化量，按弹性力学公式即可确定垂直于钻孔平面的岩体应力状态，这种方法称为孔径变形法。资源与环境工程学院孔径变形法资源与环境工程学院孔径变形法孔径变形应力解除测试步骤、在测点处用90钻头打大孔钻孔至拟测深度，再将孔底磨平。、在大孔孔底用36钻头钻一同心小孔，清洗小孔并吹干，在小孔中部涂上适量粘接剂。资源与环境工程学院孔径变形法、将应变花通过安装器粘到孔壁上，待粘接剂固化后，读取读数。取出安装器，用封孔栓堵塞小孔。、用90套钻进行应力解除，并读取应力解除后的小孔孔径变形值。、取出岩

13、芯，在实验室测定岩芯弹性模量和泊松比。资源与环境工程学院孔径变形法计算方法若是浅孔，则是平面应力问题：2cos23131Edu资源与环境工程学院孔径变形法若是深孔，则是平面变形问题：2cos2131312Edu2132322213212312216uuuuuuuuudE资源与环境工程学院孔壁应变法孔壁应变法 在钻孔壁粘贴应变花，通过测量应力解除前后的应变，来推算岩体应力，这种方法称为孔壁应变法。资源与环境工程学院孔壁应变法孔壁应变法测试步骤、在测点处用90钻头打大孔钻孔至拟测深度，再将孔底磨平。、在大孔孔底用36钻头钻一同心小孔，清洗小孔并吹干，在小孔内壁不同方向涂上适量粘接剂，并粘上3组直角应变花，读取初始