地应力的工程地质研究

1、第三章第三章 地应力的工程地质研究地应力的工程地质研究主要内容：主要内容：第一节第一节 地应力的种类地应力的种类第二节第二节 地应力场的分布和变化规律地应力场的分布和变化规律第三节第三节 地应力研究的工程意义地应力研究的工程意义第四节第四节 地应力工程地质研究的内容和方法地应力工程地质研究的内容和方法第一节第一节 地应力的种类地应力的种类 1 1、基本概念、基本概念 地应力：地应力：地壳岩体内在天然状态条件下所具有的内应力。地壳岩体内在天然状态条件下所具有的内应力。 地壳岩体内的天然应力状态，是指未经人为扰动的，主地壳岩体内的天然应力状态，是指未经人为扰动的，主要是在重力场和构造应力场的综合作

2、用下，有时也在岩体的要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态，物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态，常称为常称为天然应力或初始应力。天然应力或初始应力。 人类从事工程活动，在岩体天然应力场内，因挖除部分人类从事工程活动，在岩体天然应力场内，因挖除部分岩体或增加结构面而引起的应力，称为岩体或增加结构面而引起的应力，称为感生应力或次生应力。感生应力或次生应力。 地应力场地应力场: :地壳内各点的应力状态在空间分布的总合称地壳内各点的应力状态在空间分布的总合称为为地应力场地应力场。 2、地应力分类 自重应力：自重应力：在重力

3、场作用下生成的应力为自重应力。在地表近水平的情况下，重在重力场作用下生成的应力为自重应力。在地表近水平的情况下，重力场在岩体内的某一任意类形成相当于上覆岩层重量的垂直正应力力场在岩体内的某一任意类形成相当于上覆岩层重量的垂直正应力v v。由于泊松效应（即侧向膨胀）造成水平正应力由于泊松效应（即侧向膨胀）造成水平正应力h h，相当于三向应力，相当于三向应力中的最小应力：中的最小应力： 构造应力构造应力地壳运动在岩体内形成的应力称为构造应力。构造应力又可称为活动地壳运动在岩体内形成的应力称为构造应力。构造应力又可称为活动构造应力构造应力和和剩余构造应力剩余构造应力。 活动构造应力活动构造应力，即狭

4、义的地应力，是地壳内现在正在积累的能够导即狭义的地应力，是地壳内现在正在积累的能够导致岩石变形和破裂的应力。致岩石变形和破裂的应力。剩余的构造应力剩余的构造应力是古构造运动残留下来的应力是古构造运动残留下来的应力。 剩余应力剩余应力 剩余应力：承载岩体遭受卸荷或部分卸荷时，岩体中某些组剩余应力：承载岩体遭受卸荷或部分卸荷时，岩体中某些组分的膨胀回弹趋势部分地受到其他组分的约束，于是就在岩体分的膨胀回弹趋势部分地受到其他组分的约束，于是就在岩体结构内形成残余的拉、压应力自相平衡的应力系统，此即剩余结构内形成残余的拉、压应力自相平衡的应力系统，此即剩余应力。应力。 变异应力变异应力 变异应力：岩体

5、的物理、化学变化及岩浆的侵入等引变异应力：岩体的物理、化学变化及岩浆的侵入等引起的应力。具体来说是岩体的物理状态、化学性质或赋存条件起的应力。具体来说是岩体的物理状态、化学性质或赋存条件的变化引起的，通常只具有局部意义，可统称为变异应力。的变化引起的，通常只具有局部意义，可统称为变异应力。第二节 地应力场的分布和变化规律 1、垂直应力的分布垂直应力的分布 世界各地实测应力资料的统计表明，不同地区地壳表世界各地实测应力资料的统计表明，不同地区地壳表层岩体垂直应力随深度的分布，通常有如下关系：层岩体垂直应力随深度的分布，通常有如下关系： v =A+ h （ 大体相当于岩体的平均容重，大体相当于岩体

6、的平均容重，A为常数）为常数） 我国地壳表层岩体内垂直应力随深度的分布也大体上我国地壳表层岩体内垂直应力随深度的分布也大体上与国外统计结果相一致。与国外统计结果相一致。 地表表层岩体内的垂直应力成分主要由上覆岩层自地表表层岩体内的垂直应力成分主要由上覆岩层自重所引起，即随深度而线性增大，且其增长率相当于岩体重所引起，即随深度而线性增大，且其增长率相当于岩体的平均容重；的平均容重； 大多数地区，在遭受区域性剥蚀的过程中，由于垂向大多数地区，在遭受区域性剥蚀的过程中，由于垂向卸荷不彻底而保存一部分剩余自重应力，公式中常数项的卸荷不彻底而保存一部分剩余自重应力，公式中常数项的存在就表明了这一点。存在

7、就表明了这一点。 2、水平应力的分布水平应力的分布 平均水平应力随深度而增大，并可区分三种情况：平均水平应力随深度而增大，并可区分三种情况： a. a. h h v v 分布较为普遍，分布较为普遍， 1 1 、3 3 水平或垂水平或垂直，直，N1N1或或1 1 （地壳深部）；（地壳深部）； 3、最大主压应力方向 各地最大主应力的发育呈明显的规律性。各地最大主应力的发育呈明显的规律性。 各地的各地的1 1方向均与由各该点向我国的察隅和巴基斯方向均与由各该点向我国的察隅和巴基斯坦的伊斯兰堡联线所构成的夹角等分线方向相吻合或相坦的伊斯兰堡联线所构成的夹角等分线方向相吻合或相近似，仅在两侧边缘地带略有

8、偏转，即东侧向顺时针偏近似，仅在两侧边缘地带略有偏转，即东侧向顺时针偏转，西侧向逆时针偏转。转，西侧向逆时针偏转。 第三节 地应力研究的工程意义 地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极大，它不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且往往对大，它不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且往往对各类建筑物的设计和施工造成直接的影响。实践表明，各类建筑物的设计和施工造成直接的影响。实践表明，在高应力区，地表、地下工程施工期间所进行的岩体开在高应力区，地表、地下工程施工期间所进行的岩体开挖工作，往往能在岩体内引起一系列与卸荷回弹和应力挖工作，往往能在岩体内引起一系

9、列与卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，其结果是不仅会恶化地释放相联系的变形和破坏现象，其结果是不仅会恶化地基或边坡岩体的工程地质条件，而且作用的本身有时也基或边坡岩体的工程地质条件，而且作用的本身有时也会对建筑物造成直接的危害。会对建筑物造成直接的危害。 地壳开挖导致的岩体变形和破坏主要有地壳开挖导致的岩体变形和破坏主要有以下几种类型：以下几种类型： 基坑底部的隆起、破坏。基坑底部的隆起、破坏。 基坑边坡的剪切滑移。基坑边坡的剪切滑移。 边坡的倾倒变形。边坡的倾倒变形。 引起岩爆。引起岩爆。 对坝型选着的影响。对坝型选着的影响。 对地下工程的影响。对地下工程的影响。 1、地应力测量的方

10、法、地应力测量的方法岩体应力岩体应力测试方测试方法法 直接测试法直接测试法应力恢复法应力恢复法应力解除法应力解除法水力压裂法（水压致裂法）水力压裂法（水压致裂法）间接测试法间接测试法钻孔崩落法钻孔崩落法定向岩心非弹性应变恢复法定向岩心非弹性应变恢复法凯塞尔效应测试法凯塞尔效应测试法第四节第四节 地应力工程地质研究的内容和方法地应力工程地质研究的内容和方法 2 2、测量方法概述、测量方法概述水力压裂法（水压致裂法）水力压裂法（水压致裂法） 通过钻孔向地下某深度处的测点段压液，用高压将孔壁压裂，通过钻孔向地下某深度处的测点段压液，用高压将孔壁压裂，然后根据破坏压力、关闭压力和破裂面的方位，计算和确

11、定岩体内然后根据破坏压力、关闭压力和破裂面的方位，计算和确定岩体内各主应力的大小和方向。各主应力的大小和方向。凯塞尔效应测试法凯塞尔效应测试法 1950 1950年，德国学者年，德国学者J.KaiserJ.Kaiser发现受单向拉伸力作用的金属材料，只发现受单向拉伸力作用的金属材料，只有当应力达到并超过材料所受过的最大先期应力时才会开始有明显的声发射有当应力达到并超过材料所受过的最大先期应力时才会开始有明显的声发射现象出现，这就是著名的凯塞尔效应现象出现，这就是著名的凯塞尔效应. . 研究表明，岩石的声发射现象实际上是来源于其内部显微缺陷的受力扩研究表明，岩石的声发射现象实际上是来源于其内部显

12、微缺陷的受力扩展，而岩石的每一次受力，都会使其内部组织结构产生与荷载大小及方向相展，而岩石的每一次受力，都会使其内部组织结构产生与荷载大小及方向相适应的显微破裂系统，再次加载时，如果荷载小于先期荷载，则先期形成的适应的显微破裂系统，再次加载时，如果荷载小于先期荷载，则先期形成的缺陷不会发生进一步破裂，因此也就几乎没有声发射出现，缺陷不会发生进一步破裂，因此也就几乎没有声发射出现，旦荷载达到旦荷载达到并超过先期荷载，已有的裂纹即将进一步扩展，声发射随之开始大量持续出并超过先期荷载，已有的裂纹即将进一步扩展，声发射随之开始大量持续出现，这就是凯塞尔效应的基本机理。现，这就是凯塞尔效应的基本机理。

13、有的研究认为，通过凯塞尔效应所测得的是岩体在地质历史时期内所遭有的研究认为，通过凯塞尔效应所测得的是岩体在地质历史时期内所遭受过的最大应力，如果确是这样，实际上就无法利用凯塞尔效应来解决现今受过的最大应力，如果确是这样，实际上就无法利用凯塞尔效应来解决现今地应力的测量问题，因为在遭受过构造变动，且有断裂发育的地区，任何一地应力的测量问题，因为在遭受过构造变动，且有断裂发育的地区，任何一部分岩体当时都遭受过很大的，甚至是接近其破裂强度的应力。通过对已有部分岩体当时都遭受过很大的，甚至是接近其破裂强度的应力。通过对已有实测资料的深入分析，我们发现凯塞尔效应实际上只能记忆挽近时期的应力，实测资料的深

14、入分析，我们发现凯塞尔效应实际上只能记忆挽近时期的应力，这主要是由于显微破裂的愈合。随着环境的改变，岩石会发生重结晶或新晶这主要是由于显微破裂的愈合。随着环境的改变，岩石会发生重结晶或新晶体生长的作用，使那些古老的显微破裂焊接愈合，从而也就使其丧失对古构体生长的作用，使那些古老的显微破裂焊接愈合，从而也就使其丧失对古构造应力的记忆能力。造应力的记忆能力。 相反，挽近时期岩体的受力过程是在该岩体己处于地表附近的常温，低相反，挽近时期岩体的受力过程是在该岩体己处于地表附近的常温，低围压条件下发生的，此时所产生的显微破裂系统，由于形成后所经历的时间围压条件下发生的，此时所产生的显微破裂系统，由于形成

15、后所经历的时间很短，且始终处于常温和低围压条件下，所以不会发生愈合。因此，当采样很短，且始终处于常温和低围压条件下，所以不会发生愈合。因此，当采样并对岩石试件加载、且应力达到和超过挽近时期岩体所遭受的应力量级时，并对岩石试件加载、且应力达到和超过挽近时期岩体所遭受的应力量级时，这类显微破裂即将进一步扩展，从而引起声发射的急剧增加，这也就是岩石这类显微破裂即将进一步扩展，从而引起声发射的急剧增加，这也就是岩石凯塞尔效应只能记忆挽近时期岩体所遭受过的应力的道理所在。凯塞尔效应只能记忆挽近时期岩体所遭受过的应力的道理所在。 测量结果的应用：通过上述讨论不难看出，与其它的应力测量方法不同，测量结果的应用：通过上述讨论不难看出，与其它的应力测量方法不同，凯塞尔效应测量结果所揭示的，并不是现存应力，而是岩体于挽近期所遭受凯塞尔效应测量结果所揭示的，并不是现存应力，而是岩体于挽近期所遭受过的最大应力。如果在此期间岩体曾遭受过不同应力场的作用，则通过多期过的最大应力。如果在此期间岩体曾遭受过不同应力场的作用，则通过多期凯塞尔效应，还可揭示出岩体挽近期的受力历史及每一期主应力的方向及其凯塞尔效应，还可揭示出岩体挽近期的受