第6章原岩应力基础知识

1、第6章原岩应力基础知识原岩应力原岩应力(初始/地应力/virgin stress):地壳岩体内某一点当前的天然应力，是工程开挖前或远离地下工程的未被扰动的原始应力。第一节第一节 原岩应力及其成因原岩应力及其成因1 概述概述次生应力次生应力(诱发/二次应力/induced stress)：受地形工程开挖(工程扰动)影响，岩体内原岩应力平衡状态被破坏后，将发生应力重分布，进而形成的应力平衡状态。应力重分布应力重分布与土力学中自重应力场与土力学中自重应力场/附加应力场的异同？附加应力场的异同？原岩应力原岩应力是地下工程围岩变形、破坏的根本源动力（相当于结构工程外荷载）；是确定工程岩体力学属性，进行围

2、岩稳定性分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学等的研究等也具有重要意义。（1 1）工程稳定性分析的原始参数。）工程稳定性分析的原始参数。（2 2）确定开挖方案与支护设计的必要参数。）确定开挖方案与支护设计的必要参数。先受力先受力后开挖后开挖开挖开挖荷载荷载自重应力场自重应力场构造应力场构造应力场(1)(1)地心引力地心引力(2)(2)地球旋转地球旋转(3)(3)地壳板块运动地壳板块运动(4)(4)地幔热对流地幔热对流(5)(5)岩浆侵入岩浆侵入(6)(6)地温梯度地温梯度(7)

3、(7)水压梯度水压梯度(8)(8)地表形态地表形态(9)(9)物理化学作用物理化学作用2 原岩应力的成因原岩应力的成因主要部分主要部分整体应力场整体应力场局部应力场局部应力场自重应力自重应力垂直应力：平均容重，KN/m3侧压力：H总深度（m）侧压力系数ZZ AZAZyX效应效应泊松泊松？地壳岩体受地心引力作用而引起的应力 1912年瑞士地质学家海姆（）首次提出了地应力概念，并假定地应力是静水应力状态。hvZ 1926年， 苏联学者金尼克认为垂直应力等于上覆岩层的重量，而水平应力受到弹性约束，是泊松效应的结果。0101zyyyzyxxEE11hvZ岩石泊松比 。1,垂直应力为主，存在剪应力sin

4、1cos2sin1sin1cHx对于无粘性的松散体（断层、风化带、土层），c=0，有Oc1322290M-C介质311sin2 cos1sin1sinc1sin1sinxH1sin1sin 深部高地应力条件下，剪应力增大到强度极限，加之高约束和高地温，导致岩体由脆性向延性转变，就会形成“潜塑性潜塑性”状态（即初始地应力状态下岩体处于弹性状态，开挖卸荷后立即进入塑性状态）。此时=0.5, =1,因此金尼克公式和海姆公式在深部有相同的结论。构造应力构造应力地壳板块运动大至地球转动/地壳板块运动/地幔热对流，小至区域性构造（断层/褶皱）/地形变化所引起的整体与局部应力场，多以水平向为主，是原岩应力呈

5、现出显著的区域性、方向性差异的主要原因。地幔热对流拉伸区：孟加拉湾贝加尔湖最低重力槽；俯冲区：华北山西地堑下降流，具有较大水平挤压应力拉伸区切应力区俯冲区构造应力总趋势是巨大的压应力，局部地段由于褶皱产生拉应力。构造应力总趋势是巨大的压应力，局部地段由于褶皱产生拉应力。应力松弛应力松弛/ /多次构造运动多次构造运动 实测确定实测确定岩浆侵入岩浆侵入岩浆侵入静水挤压应力作用岩浆冷凝应力温度收缩应力，并由接触面向内部扩展挤压作用冷凝收缩地温梯度地温梯度540.0310100.003TzEzMPaz MPa温度应力是同深度的垂直应力的温度应力是同深度的垂直应力的1/91/9，对于各向同性岩体温度应，

6、对于各向同性岩体温度应力呈静水压力状态。力呈静水压力状态。一般地温梯度=3/100m，岩体的体膨胀系=10-5/ ，岩体弹模E=104MPa，则埋深为z处地温梯度引起的应力为0.027zzz MPaNoteNote：岩体局部寒热不均也会导致岩体内部产生温度应力场第二节第二节 原岩应力场的一般规律原岩应力场的一般规律（1）原岩应力场一般是三向不等的不等压应力场，主应力大小）原岩应力场一般是三向不等的不等压应力场，主应力大小和方向随空间而变化，非均匀，也随时间而变化，非稳定，是和方向随空间而变化，非均匀，也随时间而变化，非稳定，是一个相对稳定的非稳定应力场。一个相对稳定的非稳定应力场。（2）构造应

7、力是造成原岩应力不均匀的主要因素，尤其在水）构造应力是造成原岩应力不均匀的主要因素，尤其在水平方向。平方向。 实地测量是获得原岩应力数据最可靠的方法实地测量是获得原岩应力数据最可靠的方法1932胡佛水电站最早测量了隧道内壁表面应力；1953年瑞典人，发明了应力解除法。1 原岩应力的一般特点原岩应力的一般特点实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量在深度为25-2700m范围内，实测垂直应力呈线性增长 。2 原岩应力的实测结果（原岩应力的实测结果（BrowmHoek1978） 0.027zzz MPa水平面是一个主平面水平面是一个主平面通常有两个主应力位于水平面内或接

8、近水平面（30）水平主应力普遍大于垂直应力水平主应力普遍大于垂直应力,10015000.30.5h avvZZ,max/hv一般介于之间且多数大于2 平均侧应力系数构造应力主要作用在相对浅部。最大水平主应力与最小水平主应力也随深度呈线性增长关系最大水平主应力与最小水平主应力也随深度呈线性增长关系,max6.7 0.0444hH,min0.8 0.0329hH最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大，显示最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性出很强的方向性0.40.8多数情况下为实测地点统计数目水平主应力比值/1.00.750.750.500.500.250.2

9、50合计斯堪的那维亚等511467136100北美2222246239100中国251256248100中国华北地区186612211100据测量对象不同，可以分为：初始应力初始应力测定岩体初始地应力场诱发应力诱发应力测定岩体开挖后引起的重分布应力原岩应力测量就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域未受原岩应力测量就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域未受扰动的三维应力状态。扰动的三维应力状态。,xyzxyyzzx 第三节第三节 原岩应力测量方法原岩应力测量方法1 概述概述根据测量基本原理的不同，可分为：直接测量直接测量测定应力(例如扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法)

10、间接测量间接测量测定间接物理量 (套孔应力解除法，包括孔壁应变法、孔径变形法、孔底应变法、空心包体应变计法，还有孔壁崩落测量法、声波观测法和超声波谱法)2 测量方法测量方法 原岩应力在仪器布置前就存在，与通常室内岩样测量方法相反应力解除法应力解除法：在卸载过程（钻孔，割缝）进行地下应力测量；应力应力恢复恢复法法：卸载完再布设传感器，而后重新加载至原有状态 进行测量。ISRM1987年制定岩石应力测量的建议方法推荐了最具代表性的五种方法，即：扁千斤顶法、水压致裂法、孔径变形法、扁千斤顶法、水压致裂法、孔径变形法、孔壁应变法、空心包体应变计法孔壁应变法、空心包体应变计法。此外，还有通过岩石物理现象

11、反演应力条件的声发射法、声发射法、孔壁崩落测量法等。基本原理基本原理：通过对处于原岩应力场内的岩芯进行套孔，切断与周围应力场的联系（即应力解除），在岩芯发生弹性变形恢复的过程中，量测、记录岩芯的某些物理力学量的变化，进而根据所测物理力学量与原岩应力之间的关系，推求原岩应力。切断联系解除应力应变恢复测量应变计算应力流程流程要点要点第四节第四节 应力解除法应力解除法1 基本概念基本概念发展时间最长，技术比较成熟；在适用性和可靠性方面最好。发展时间最长，技术比较成熟；在适用性和可靠性方面最好。钻直径D基础孔至原岩应力区;在基础孔孔底同心钻进直径为d测量孔，D=(3-5)d,测量截面与基础孔孔底的距离

12、(23)D;测量孔内安装应变/位移传感器;沿基础孔钻进至超过测量孔孔底实现应力解除，并读取传感器变化量;取芯试验以获取必要的计算物理量。按测试部位分：孔底应力解除法孔底应力解除法(孔底应变测试)套孔应力解除法套孔应力解除法(孔径变形测试和孔壁应变测试等) 弹性理论圆孔问题解析解三三孔孔汇汇交交法法美国矿务局(USBM)首创，能取得完整岩芯, L2D。测试套孔应力解除后的孔径变化位移传感器2 孔径变形法孔径变形法21()2()cos24sin2xyxyxyddpppppExyxyppp、 、钻孔垂直截面上待确定的原岩应力分量测试套孔应力解除后的孔壁应变应变传感器1966年CSIR首创，第一种单孔

13、三维地应力测量方法。3 孔壁应变法孔壁应变法222lrzrzzrlmnlmmnnl090220902(cossin)/sin2zzinc4 空心包体法空心包体法1976年CSIRO针对孔壁应变法的缺点改进而成与孔壁应变法相比，空心包体法现场安装更为简便可靠，同时还具有防水、防潮、成功率高的优点优点，且因为环氧树脂材料弹模低，能提高测量灵敏度和精确度。步骤步骤向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔；在孔底中心处粘贴应变传感器；套孔钻出岩芯，使孔底平面完全卸载，应变传感器测得孔底平面中心恢复应变；在室内测得岩石的弹性常数，计算孔底中心处的平面应力状态。5 孔底应变法孔底应变法无理论解无理论解次生应力场的

14、一维应力测量方法次生应力场的一维应力测量方法6 应力恢复法应力恢复法即扁千斤顶法即扁千斤顶法 需要指出的是，传统的地应力测量和计算理论是建立在岩石为线弹性、连续、均质和各向同性的理论假设基础之上的，而一般岩体都达不到这些要求。 下面是几种修正方法：获取可靠的岩石E/，并考虑非线性的影响；保证所测参数满足方程的独立性，获取最优近似解；多次测量一个点的应力，按照张量统计原理,进行统计分析;受岩性缺陷的影响，偏差很难估计，要结合地质构造情况，正确评价测量计算结果的合理性。 7 地应力测值的修正地应力测值的修正该法于20世纪50年代用来提高石油开采产量，后在由美国学者MK Hubbert等发现了水压致

15、裂裂隙和原岩应力之间的关系，BC Haimson将其用于地应力测量（1976）第五节第五节 水压致裂法水压致裂法1 基本原理基本原理12122cos2prp由弹性力学可知：在远场原岩应力的无限岩体中有内水压力p的圆孔周边的切向应力和径向应力r为：0,取极小值此时水压为继续注水使裂隙深度扩展至3d，已接近原岩应力，此时2sP21tS 213p213btpS 增大p,孔壁发生初始开裂减小p 0，后增大，裂缝重新张开时213rp2sp213rp测量方法测量方法：橡胶封隔器封隔一段钻孔；注入高压水致使钻孔孔壁开裂，初始破裂压力pb；降压稳定后关闭液压系统，关闭压力pS ；破裂面闭合后，重复上述过程并记

16、录数据；下放配有定向仪表的橡胶印模，印下破裂情况。2 测量实施测量实施注意事项：测量钻孔是铅直的，成为一个主应力方向；计算公式还要求铅垂的自重应力不是最小主应力；测量中要求对测量段进行密封，且段内的岩石原生裂隙不发育，渗透性弱。水压致裂法最适应由地表向下作深孔应力测量最适应由地表向下作深孔应力测量的工程需要，是现有各种地应力测试方法中所达测量深度最大的一种，最深已超过地表以下5000m。研究证实，岩石压缩试验中存在凯萨尔效应即应力记忆效应凯萨尔效应即应力记忆效应(P16)。 应力具有矢量矢量性，因此在确定凯萨尔效应时同时应确定与之对应的应力加载方向；而且为了确定某点的应力状态，应有6个个各不相同方向的凯萨尔效应的试验结果。第六节第六节 声发射法声发射法1 测量原理和一般要求测量原理和一般要求试样制备与注意事项圆柱体试件，径高比为1:2-1:3采样和试件加工应明确方向性，每个方向的试件为15-25块。消除端部接触噪声、应力集中和环境噪声。加载平稳，速率恒定。注意： 高强度脆性岩石具有明显的声发射凯泽效应，而多孔隙低强度及塑性岩体不明显，不宜用声发射法测定其地应力。2 试件测量方法试件测量方法第七节第七节 反分析法反分析法 一般力学问题常基于已知的初始与边