岩石力学基本教程 教学PPT 第6章 地应力

1、6.1 地应力的概念与意义 6.1.1 地应力的基本概念地应力可以概要定义为存在于岩体中未受人工开挖扰动影响的自然应力，或称原岩应力。地应力场呈三维状态有规律地分布于岩体中。 当工程开挖后，围岩的应力受到开挖扰动的影响而重新分布，重分布后形成的应力则称为二次应力或诱导应力。 6.1.2 地应力的成因、组成成分和影响因素1地应力的成因 （1）大陆板块边界受压引起的应力场（2）地幔热对流引起的应力场（3）由地心引力引起的应力场（4）岩浆侵入引起的应力场（5）地温梯度引起的应力场（6）地表剥蚀产生的应力场中国大陆板块印度洋板块和大平洋板块的推挤，同时受到了西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。在这样的边界

2、条件下，板块发生变形，产生水平受压应力场。其主应力迹线如图6.1所示地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力。 由地心引力引起的应力场称为自重应力场，自重应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。 由岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。 2022-5-92教材配套课件图6.1 中国板块主应力迹线图2022-5-93教材配套课件2自重应力和构造应力 对上述地应力的组成成分进行分析，依据促成岩体中初始地应力的主要因素，可以将岩体中初始地应力场划分为两大组成部分，即自重应力场和构造应力场。二者叠加起来便构成岩体中初始地应力场的主体。（1）岩体的自重应力 研究岩体的自重应力时，一般把岩体视为均匀、连续且

3、各向同性的弹性体，因而可以引用连续介质力学原理来探讨岩体的自重应力问题。将岩体视为半无限体，即上部以地表为界，下部及水平方向均无界限。那么，岩体中某点的自重应力可按以下方法求得。 设距地表深度为 处取一单元体，如图6.2所示，岩体自重在地下深为 处产生的垂直应力为单元体上覆岩体的重量，即：HHzH式中， 为上覆岩体的平均重力密度（ ）； 为岩体单元的深度（m）。3kN/mH（6.2） 2022-5-94教材配套课件 把岩体视为各向同性的弹性体，由于岩体单元在各个方向都受到与其相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即 。而相邻岩体的阻挡就相当于对单元体施加了侧向应力 及 ，考虑广义虎克定律则有：

4、x0yxyyxxyz1()0E yyzx1()0E 由此可得xyz11H式中，E为岩体的弹性模量， 为岩体的泊松比。令 ，则有：zxyzxy0H 称为侧压力系数，其定义为某点的水平应力与该点垂直应力的比值。(1)（6.3a） （6.3b）（6.4） （6.5） 2022-5-95教材配套课件图6.2 岩体自重垂直应力图6.3 岩体自重垂直应力 若岩体由多层不同重力密度的岩层所组成（图6.3）。各岩层的厚度为 （=1，2， ），重度为 （=1，2， ），泊松比为 （=1，2， ），则第层底面岩体的自重初始应力为ihiinnzii 1nxynzii 1n1iihh nn（6.6） 2022-5-9

5、6教材配套课件一般岩体的泊松比 为0.20.35，故侧压系数 通常都小于1，因此在岩体自重应力场中，垂直应力 和水平应力 ， 都是主应力， 约为 的25%54%。只有岩石处于塑性状态时， 值才增大。当 =0.5时， =1，它表示侧向水平应力与垂直应力相等（ ），即所谓的静水应力状态（海姆假说）。 zxyxzxyz（2）构造应力 地壳形成之后，在漫长的地质年代，在历次构造运动下，有的地方隆起，有的地方下沉。这说明在地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。 目前，世界上测定原岩应力最深的测点已达5000m，但多数测点的深度

6、在1000m左右。 我国地质学家李四光认为，因地球自转角度的变化而产生地壳水平方向的运动是造成构造应力以水平应力为主的重要原因。2022-5-97教材配套课件6.2 地应力的主要分布规律通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分析与研究，已初步认识到通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分析与研究，已初步认识到浅浅部部地壳应力分布的一些基本规律：地壳应力分布的一些基本规律：2022-5-98教材配套课件（1）地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。）地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应

7、力场。三个主应力的大小和方向是随着时间和空间而变化的，因而它是一个非均匀的应力场。 地应力在空间上的变化，从小范围来看，它在空间上的变化是比较明显的，但就某个地区整体而言，其变化并不大。 在某些地震活跃地区，地应力的大小和方向随时间的变化是很明显的，地震前，应力处于累积阶段，应力值不断升高，而地震时使集中应力得到释放，应力值大幅度下降，要过一段时间后才能恢复到震前状态。6.2 地应力的主要分布规律（2）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。 对全世界实测统计资料的分析表明，在深度为252700m的范围内，v呈线性增长，大致符合海姆假说，相当于按平均容重=27

8、kN/m3计算出来的重力。 但在某些地区的测量结果有一定的偏差，这些偏差除测量误差外，板块移动、岩浆运动和不均匀膨胀、扩容等都会产生垂直应力异常。9图6.4 世界各国垂直应力 随深度H的变化规律图Hv 垂直应力垂直应力v 随深度随深度H线线性增加。平性增加。平均容重约为均容重约为=27kN/m3（3）水平应力普遍大于垂直应力。实测资料表明，在绝大多数（几乎所有）地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，与水平面的夹角一般不大于30，最大水平主应力 普遍大于垂直应力 ； 与 之比值一般为0.55.5，在很多情况下比值大于2，参见表6.l。如果将最大水平主应力与最小水平主应力的平均值:h,ma

9、xvvh,max102minh,maxh,avh,与 相比，总结目前全世界地应力实测的结果，得出 之值一般为0.55.0，大多数为0.81.5。这说明在浅层地壳中平均水平应力也普遍大于垂直应力。vh,avv表6.1 世界各国水平主应力与垂直主应力的比值统计表（4）平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。图6.5为世界不同地区取得的实测结果。图6.5 世界各国平均水平应力与垂直应力的比值随深度的变化规律图霍克和布朗根据图6.5所示结果回归出下列公式来表示 / 随深度变化的取值范围：h, avvh, avv10015000.30.5HH式中，H为深度，单位为

10、m。（6.8） 11该图表明，在深度不大的情况下，两者的比值相当分散。随着深度的增加，该值的变化范围逐步缩小，并向1附近集中，这说明在地壳深部有可能出现静水压应力状态。（5）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。斯蒂芬森（O. Stephansson）等人根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平主应力和最小水平主应力随深度变化的线性方程： 最大水平主应力 最小水平主应力 式中，H为深度，单位为m。h max6.70.0444HMPa，（）h min0.80.0329HMPa，（）（6）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。 一般为0.20.8，多

11、数情况下为0.40.8，参见表6.2。h minh max/，表6.2 世界部分国家和地区两个水平主应力的比值统计表 （7）地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。12a.地形对原始地应力的影响是十分复杂的。地形对原始地应力的影响是十分复杂的。 一般来说，谷底是应力集中部位，谷底是应力集中部位，越靠近谷底其应力集中程度也会越明显。 随着深度的增加或远离谷底边坡，则地应力分布状态逐渐趋于规律化，并显示出和区域应力场的一致性。13b.在断层和结构面附近，地应力分布状态也会出现明显的扰动。在断层和结构面附

12、近，地应力分布状态也会出现明显的扰动。 断层端部、拐角处及交汇处将出现应力集中的现象。 由于断层带中的岩体一般都比较软弱和破碎，不能承受高的应力和不利于能量积累，此处成为应力降低带，其最大主应力和最小主应力均显著减小。c.随着断层性质的不同，对周围岩体应力状态的影响也不同。随着断层性质的不同，对周围岩体应力状态的影响也不同。 如果是压性断层，其中的应力状态与周围岩体比较接近，只是主应力的大小比周围岩体有所下降； 若是张性断层，其中的地应力大小和方向与周围岩体相比均要发生显著的变化。6.3 高地应力区域的主要岩石力学问题6.3.1 高地应力判别准则和高地应力现象l高地应力判别准则高地应力是一个相

13、对的概念。高地应力是一个相对的概念。由于不同岩石具有不同的弹性模量，岩石的储能性能也不同。一般来说，地区初始地应力大小与该地区岩体的变形特性有关，岩质越硬，则储存弹性能多，地应力也大。因此，高地应力是相对于围岩强度而言的。单向拉伸或压缩时应变能密度：于是三向应力状态下的应变能密度是：2022-5-914133221232221221Ev222221EEv6.3 高地应力区域的主要岩石力学问题6.3.1 高地应力判别准则和高地应力现象l高地应力判别准则当围岩内部的最大地应力与围岩强度（ ）的比值达到某一水平时，才能称为高地应力高地应力或极高地应力极高地应力。 围岩强度比 cm ax=表6.3是一

14、些以围岩强度比为指标的地应力分级标准，可以参考。 表6.3 以围岩强度比为指标的地应力分级基准c2022-5-915围岩强度比与围岩开挖后的破坏现象有关，特别是与岩爆、大变形岩爆、大变形有关。前者是在坚硬完整的岩体中在坚硬完整的岩体中可能发生的现象，后者是在软弱或土质地层中软弱或土质地层中可能发生的现象。表6.4所示是在工程岩体分级基准中的有关描述，而日本仲野则是以是否产生塑性地压来判定的（见表6.5）。表6.4 高初始地应力岩体在开挖中出现的主要现象表6.5 不同围岩强度比开挖中出现的现象2022-5-916教材配套课件2高地应力现象（1）岩芯饼化现象。在中等强度以下中等强度以下的岩体中进行

15、勘探时，常可见到岩芯饼化现象。美国L.Obert和D.E.Stophenson（1965年）用实验验证的方法获得了饼状岩芯，由此认定饼状岩芯是高地应力的产物。从岩石力学破裂成因来分析，饼状岩芯是剪胀破裂产物。剪胀破裂产物。a.共性 h=（1/4-1/5）； 钻进过程差异卸荷回弹，破裂主要发生在一定高度的岩芯根部； 拉张和剪切复合机制；b.产生条件： 弹性高，储能条件好的岩性条件，如火成岩； 整体块状; 高地应力条件， 30MPa。2022-5-917max2高地应力现象（2）岩爆。在岩性坚硬完整或较完整的高地应力地区开挖隧洞或探洞的过程中时有岩爆发生。 岩爆是岩石被挤压到弹性限度，岩体内积聚的

16、能量突然释放所造成的一种岩石破坏现象。 “岩爆岩爆”、“煤爆煤爆”、“冲击矿压冲击矿压”、“矿山冲击矿山冲击”、“冲击地压冲击地压”等；等；18煤矿开采过程中，在高应力状态下集聚有大量弹性能的煤或岩体，在一定的条件下突然发生破坏、冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震动以及气浪等明显的动力效用。这些现象统称为煤矿动压现象。根据动压现象的一般成因和机理，可把它归纳为三种形式，即冲击矿压、顶板大面积来压和煤及瓦斯突出。 冲击矿压是聚集在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发生强烈声响，造成煤岩体振动和破坏、支架和设备损坏、人员伤亡、部分巷

17、道垮落破坏等。 顶板大面积来压主要是由于坚硬顶板被采空的面积超过一定的极限值，引起大面积冒落而造成的剧烈动压现象。冲击力+暴风2高地应力现象（3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形，在中等强度以下的岩体中开挖探洞或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩体产生剥离现象，有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有嘶哑声。在软质岩体中洞体则产生较大的变形，位移显著，持续时间长、洞径明显缩小。（4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象。（如图6.6）（5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高。 （图6.7）图6.6 基坑边坡回弹错动 图6.7 高地应力

18、条件下岩体变形线 196.3.2 岩爆及其防治措施1概述 围岩处于高应力场条件下所产生的岩片（块）飞射抛撒，以及洞壁片状剥落等现象叫岩爆。 据不完全统计，在我国的大部分重要煤矿中，煤爆和岩爆的发生地点一般在200m-1500m深处的地质构造复杂、煤层突然变化、水平煤层突然弯曲变成陡倾等部位。 由于岩爆是极为复杂的动力现象，至今对地下工程中岩爆的形成条件及机理还没有形成统一的认识。有的学者认为岩爆是受剪破裂；也有的学者根据自己的观察和试验结果得出张破裂的结论；还有一种观点把产生岩爆的岩体破坏过程分为：劈裂成板条、剪（折）断成块、块片弹射三个阶段式破坏。2022-5-920教材配套课件2岩爆的类型

19、、性质和特点目前主要是根据现场调查所得到的岩爆特征，考虑岩爆危害方式、危害程度以及对其防治对策等因素，分为破裂松脱型、爆裂弹射型、爆炸抛射型。此外，也有把岩爆分为应变型、屈服型及岩块突出型的，如图6.8所示。 岩爆的规模基本上可以分为三类，即小规模的、中等规模的和大规模的，如图6.9所示。图6.8 岩爆发生机理 图6.9 岩爆规模划分21教材配套课件3岩爆产生的条件（l）地下工程开挖、洞室空间的形成是诱发岩爆的几何条件；（2）围岩应力重分布和集中将导致围岩积累大量弹性变形能，这是诱发岩爆的动力条件；（3）岩体承受极限应力产生初始破裂后剩余弹性变形能的集中释放量即决定岩爆的弹射程度；（4）岩爆通

20、过何种方式出现，这取决于围岩的岩性、岩体结构特征、弹性变形能的积累和释放时间的长短。4岩爆发生的判据我国工程岩体分类标准采用的判据如下：（1）当 时，无岩爆；（2）当 时，可能会发生轻微岩爆或中等岩爆；（3）当 时，可能会发生严重岩爆。式中， 为岩石单轴抗压强度； 为最大地应力。cmax/7cmax/4 7cmax/4cmax5岩爆的防治通过大量的工程实践及经验的积累，目前已有许多行之有效的治理岩爆的措施，归纳起来有：加固围岩、加防护措施、完善施工方法、改善围岩应力条件以及改变围岩性质等。 221）改善围岩应力条件（l）选择隧道及其他地下结构物的位置，应使长轴/最大主应力方向；（2）选择合理的

21、开挖断面形状；（3）爆破开挖短进尺、多循环；（4）应力解除法，即在围岩内部造成一个破碎带，形成一个低弹性区，从而使掌子面及洞室周边应力降低，使高应力转移到围岩深部。为达到这一目的，可以打超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破，这种防止岩爆 的方法也称为超应力解除法。卸压：跨巷回采卸压、开槽卸压、松动卸压、卸压巷硐卸压、掘前预采等；2022-5-923教材配套课件2）改变围岩性质在我国煤炭行业广泛使用煤层预注水法以改变煤的变形及强度特性，即注水软化的方法。煤试件在浸泡水以后，动态破坏时间增加，能量释放率显著下降。煤层压力注水一般有两种方式：一是在煤层开采前进行压力注水，使煤体湿润，减缓和消除煤的冲击

22、能力，这是一种积极主动的区域性防治措施；二是对工作面前方局部应力集中带进行高压注水，以减缓应力集中，解除煤爆危险，这是一种局部解危措施。6.4 地应力测量方法6.4.1 地应力测量的基本原理 岩体应力现场测量的目的是了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。岩体应力测量可以分为岩体初始应力测量和地下工程应力分布测量。前者是为了测定岩体初始应力场，后者则是为了测定岩体开挖后引起的应力重分布情况。原岩地应力测量就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未扰动的三维应力，岩体中一点的三维压力状态可由选定坐标系中的六个应力分量来表示，如图6-10所示。202

23、2-5-924教材配套课件 坐标系一般取地球坐标系作测量坐标系，这样由六六个应力分量可求得该点的三个主应力的大小和方向就是唯一的，这种测量通常叫“点”测量方法。 尽管也有一些（如超声波地球物理方法）测定大范围岩体内平均应力尽管也有一些（如超声波地球物理方法）测定大范围岩体内平均应力方法，但这些方法不如方法，但这些方法不如“点点”测量方法准确，因此，测量方法准确，因此，“点点”测量方法测量方法更为普及更为普及。25 由于地应力的复杂和多变由于地应力的复杂和多变性，要比较准确测定某一性，要比较准确测定某一地区地应力，地区地应力，必须进行充必须进行充足数量足数量“点点”测量；测量； 再借助数值、数理

24、统计、再借助数值、数理统计、灰色建模和人工智能等处灰色建模和人工智能等处理方法，来描述该地区全理方法，来描述该地区全部地应力场状态。部地应力场状态。在进行原位地应力测量时，为了让人和设备进入观测地点不可避免的要预先开挖一些巷道和峒室。因此，只要巷道和峒只要巷道和峒室一开，其周围岩体中的应力状态就受到了扰动。室一开，其周围岩体中的应力状态就受到了扰动。若要在峒室表面进行测量（如早期的扁千斤顶法），在计算原始应力时再考虑扰动作用，但这种扰动非常复杂，不可能精确计算和分析，导致所测得的数据不准确，有的甚至是错误的结论。 为了避免这种不足，尽量少扰动原岩中的压力状态，保证测量结果的真实有效，因此，从峒

25、室表面再向岩体中打小直从峒室表面再向岩体中打小直径的深孔，直到原岩应力区，让测量过程只在小孔中进行，径的深孔，直到原岩应力区，让测量过程只在小孔中进行，由于小孔对原岩应力状态的扰动是可以忽略不计的。目前，普遍采用的应力解除法和水压致裂法均属于此类方法。2627由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值的方法。在计算相互关系，通过计算获得原岩应力值的方法。在计算过程中并过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石不涉及

26、不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力的物理力学性质和应力-应变关系。应变关系。扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法等均属此种测量法，其中，射法等均属此种测量法，其中，水压致裂法水压致裂法是目前应是目前应用最广的方法，用最广的方法，声发射声发射次之。次之。间接测量法间接测量法必必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。互关系。其中，其中，套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的，套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的，且发展且发展较为成熟的一种间接测量

27、地应力的方法。较为成熟的一种间接测量地应力的方法。6.4 地应力测量方法6.4.2 水压致裂法1测量原理 水压致裂法在20世纪50年代被广泛应用于油田生产，通过在钻井中制造人工的裂隙来提高石油的产量。哈伯特（M. K. Hubbert）和威利斯（D. G. Wiliis）在实践中发现了水压致裂裂隙和原岩应力之间的关系。这一发现又被费尔赫斯特（C. Fairhurst）和海姆森（B. C. Haimson）用于地应力测量。 从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场（ ， ）的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应力为122022-5

28、-930教材配套课件6.4 地应力测量方法312222212222222221222211111111qRrrqrRRqRrrqrRR 6.4 地应力测量方法322222442222cos211 3cos21 3sin211 3rrqrqrrq 6.4 地应力测量方法33 222222242422221cos2113221cos21322sin21132qrqrrqrqrqrr 12122cos2r0式中， ， 为钻孔周边的切向应力和径向应力； 为周边一点与 轴的夹角。由式（4-10）可知，当 时， 取得极小值，即213r10如果采用图6.12所示的水压致裂系统将钻孔某段封隔起来 ，并向该段钻

29、孔注入高压水，当水压超过 和岩石抗拉强度T之和后，在 处，也 即所在方位将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压为 ，则有2130ip1i213pT如果继续向封隔段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记为 ，则由图6.12可见， 应和原岩应力 相平衡，即sp2sps2p（6.10） （6.11） （6.12） （6.13） （6.14） 34由（4-13）和（4-14）式，只要测出岩石抗拉强度T，即可由 和 ，求出 和 ，这样和的大小和方向就全部确定了。在钻孔中存在裂隙水的情况下，如封隔段处的裂隙水压力为

30、，则（4-13）式变为ipsp120pi2103pTp根据式（6.14）和式（6.15）求和，需要知道封隔段岩石的抗拉强度，这往往是很困难的。为了克服这一困难，在水压致裂试验中增加一个环节，即在初始裂隙产生后将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开时的压力为 ，则有rpr2103pp这样，由式（6.14）和（6.16）求 和 就无须知道岩石的抗拉强度。因此，由水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质，而完全由测量和记录的压力值来决定。12（6.15） （6.16） 2022-5-935教材配套课件图6.12 水压致裂应力测量原理2水压致裂法的特点（1）

31、设备简单。只需用普通钻探方法打钻孔，用双止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩体，不需要复杂的电磁测量设备。（2）操作方便。只通过液压泵向钻孔内注液压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可。（3）测值直观。它可根据压裂时泵压初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力）计算出地应力值，不需要复杂的换算及辅助测试，同时还可求得岩体抗拉强度。（4）测值代表性大。所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好的代表性。（5）适应性强。这一方法不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下作试验，不怕电磁干扰，不怕震动。因此，这一方法越来越受到重视和推广。但它存在一个较大的缺

32、陷，就是主应力方向测定得不准。2022-5-936教材配套课件1）打钻孔到准备测量应力的）打钻孔到准备测量应力的部位，并将钻孔中待加压段用部位，并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径与封隔器密封起来，钻孔直径与所选用的封隔器的直径相一致。所选用的封隔器的直径相一致。封隔器一般是充压膨胀式的，封隔器一般是充压膨胀式的，充压可用液体，也可用气体。充压可用液体，也可用气体。3测量步骤 2）向隔离段注射高压水，加大水压，）向隔离段注射高压水，加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始开裂直至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力压力Pi ；然后继续施加水压以扩张然后继续施加水压以扩张裂隙，当裂隙扩张至裂隙，当

33、裂隙扩张至3倍直径深度时，倍直径深度时，关闭高水压系统，保持水压恒定，关闭高水压系统，保持水压恒定，此时应力为关闭压力，记为此时应力为关闭压力，记为Ps ；最；最后卸压，使裂隙闭合。在整个加压后卸压，使裂隙闭合。在整个加压过程中，记录压力过程中，记录压力-时间曲线图和流时间曲线图和流量量-时间曲线图，确定时间曲线图，确定Pi ， Ps值。值。3）重新向密封段注射高压水，重新向密封段注射高压水，使裂使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压隙重新打开并记下裂隙重开时的压力力Pr和随后的恒定关闭压力和随后的恒定关闭压力Ps。这。这种卸压种卸压-重新加压的过程重复重新加压的过程重复23次，次，以提高测试数据

34、的准确性。以提高测试数据的准确性。Pr和和Ps同样由压力同样由压力-时间曲线和流量时间曲线和流量-时间曲时间曲线确定。线确定。4）将封隔器完全卸压，连同）将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中加压管等全部设备从钻孔中取出。取出。5）测量水压致裂裂隙和钻孔）测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小，测量可以置、方向和大小，测量可以采用井下摄影机、井下电视、采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。井下光学望远镜或印模器。 水压致裂法地应力测量压裂过程曲线 水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向，所以

35、从原理上讲，它是一种二维应力测量方法。 水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，亦即平行于最大主应力的方向，这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中。 水压致裂法的突出优点是能测量深部应力，已见报道的最大测深为5000m，这是其它方法所不能做到的。因此这种方法可用来测量深部地壳的构造应力场。同时，对于某些工程，如露天边坡工程，由于没有现成的地下井巷、隧道、峒室等可用来接近应力测量点，或者在地下工程的前期阶段，需要估计该工程区域的地应力场，也只有使用水压致裂法才是最经济实用的。 3优缺点 6.4.3 应力解除法1. 岩体孔底应力解除法岩体孔底应

36、力解除法是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（例如电阻应变花探头或是双向光弹应变计）、通过钻出岩芯，使受力的孔底平面完全卸载，从应变传感器获得的孔底平面中心处的恢复应变。再根据岩石的弹性常数，可求得孔底中心处的平面应力状态。 孔底应力解除法主要工作步骤如图6.13，应变观测系统如图6.14。 图6.13 孔底应力解除法主要工作步骤1.安装器；2.探头；3.温度补偿器图6.14 孔底应变观测系统简图1控制箱；2电阻应变仪；3预调平衡箱2022-5-943（1）按试验要求打出大孔，）按试验要求打出大孔，然后将孔底磨平打光；然后将孔底磨平打光；（2）将应变计端部涂上胶结）将

37、应变计端部涂上胶结剂，并用专门工具送到孔底，剂，并用专门工具送到孔底，施加压力将应变计端部和孔施加压力将应变计端部和孔底挤压在一起，直到胶结剂底挤压在一起，直到胶结剂固化为止，这样应变片也就固化为止，这样应变片也就粘贴在孔底岩石上了，记录粘贴在孔底岩石上了，记录应变片在孔底的方位；应变片在孔底的方位；3测量步骤 （3）将应变计导线连接到应）将应变计导线连接到应变测量仪器上，记录原始应变测量仪器上，记录原始应变数据（一般调零）；变数据（一般调零）；（4）进行套孔应力解除，解）进行套孔应力解除，解除后再一次记录应变数据，除后再一次记录应变数据，根据应力解除前后应变片的根据应力解除前后应变片的读数变

38、化，即可求出孔底平读数变化，即可求出孔底平面的应力状态。面的应力状态。3测量步骤 孔底平面的应力状态和周围孔底平面的应力状态和周围原岩应力状态的关系还没有理原岩应力状态的关系还没有理论解，只能通过论解，只能通过试验试验或或数值分数值分析方法析方法求得。求得。由于孔底应力集中的状况是由于孔底应力集中的状况是非常复杂的，要精确确定二者非常复杂的，要精确确定二者之间的关系是很困难的，正因之间的关系是很困难的，正因为这一点孔底应变计测量的精为这一点孔底应变计测量的精度和实际应用受到了很大影响。度和实际应用受到了很大影响。3测量步骤 另一方面，一孔测量也只能另一方面，一孔测量也只能解决二维应力，如若需要

39、求解解决二维应力，如若需要求解原岩应力的六个应力分量，就原岩应力的六个应力分量，就必须打互不平行的三个钻孔进必须打互不平行的三个钻孔进行测量。行测量。但该法也有自己的优点，即但该法也有自己的优点，即它不需很长的套孔岩芯，因而它不需很长的套孔岩芯，因而有可能在有可能在较为破碎的岩石条件较为破碎的岩石条件下下使用。使用。3测量步骤 2. 岩体钻孔套孔应力解除法（全应力解除法）2022-5-948基本假定：围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体；岩体加载、卸载过程中具有同样的应力应变关系；解除孔径不小于3倍测孔直径，可近似处理为厚壁圆筒问题；应力解除法所采用的钻孔传感器可分为位移（孔径）传感器位移（孔径

40、）传感器和应变传感器应变传感器两类。 中国科学院武汉岩土力学研究所没计制造的钻孔径变形计是上述第一类传感器，测量元件分钢环式和悬臂钢片式两种（如图6.16）。 图6.16 钻孔变形计（a）钢环式；（b）悬臂钢片式该钻孔变形计用来测定钻孔中岩体应力解除前后孔径的变化值（径向位移值）。钻孔变形计置于中心小孔需要测量的部位，变形计的触脚方位由前端的定向系统来确定。通过触脚测出孔径位移值，其灵敏度可达mm。2022-5-949教材配套课件（1）从地下巷道、隧道、峒从地下巷道、隧道、峒室或其它开挖体的表面向岩室或其它开挖体的表面向岩体内部打大孔，直至需要测体内部打大孔，直至需要测量岩体应力的部位。大孔要

41、量岩体应力的部位。大孔要求：求：直径为小孔直径的3倍以上，一般为130150mm；孔深为巷道、隧道或已开挖峒室跨度的35倍，以保证伸到未受开挖影响的原岩应力区；3测量步骤 打孔要保持一定的同心度；孔底要磨平，并打出锥形孔，以利于打小孔与大孔同心；孔的倾斜角一般为13，打完后需放水、冲洗。3测量步骤 （2）从大孔孔底打同心小孔，）从大孔孔底打同心小孔，用于安装测试探头用于安装测试探头。小孔要求：直径一般为3638mm；孔深一般为小孔直径的10倍以上，以保证小孔中央部位处于平面应变状态；小孔要用水冲洗干净。3测量步骤 （3）用一套专用装置将测量）用一套专用装置将测量探头探头胶固胶固到小孔中央部位。

42、到小孔中央部位。（4）用打大孔用的）用打大孔用的薄壁钻头薄壁钻头继续延伸大孔，从而使小孔继续延伸大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除。周围岩芯实现应力解除。（5）由于应力解除引起的）由于应力解除引起的小小孔变形或应变孔变形或应变，可由空内的，可由空内的测量系统测定，并通过记录测量系统测定，并通过记录仪器记录下来。仪器记录下来。3测量步骤 （6）根据测得的小孔变形或）根据测得的小孔变形或应变应变通过有关计算公式通过有关计算公式，求，求出小孔周围的原岩应力状态。出小孔周围的原岩应力状态。3测量步骤 6.4.4 声发射法1测试原理 材料在受到外荷载作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，从而发

43、出声响，称为声发射。声发射。 1950年，德国人凯泽（J. Kaiser）发现多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象叫做凯泽效应。凯泽效应。 从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称力凯泽点，凯泽点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。后来国外许多学者证实了在岩石压缩试验中也存在凯泽效应，许多岩石如花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、安山岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰岩、砾岩等也具有显著的凯泽效应，从而为应用这一技术测定岩体初始应力奠定了基础。2022-5-955教材配套课件2测试步骤（l）试件制备 为了消除由于试件端部与压力试验机上、下压头之间摩擦所产生的噪声和试件端部应力集中，试件两端浇铸由环氧树脂或其他复台材料制成的端帽（如图6.18）。 从现场钻孔提取岩石试样，试样在原环境状态下的方向必须确定将试样加工成圆柱体试件，径高比为1: 21: 3。 为了确定测点三维压力状态，试样在原环境状态下的方向必须确定，因此，在该点的岩样中沿六个不同方向制备试件，假如该点的局部坐标系为oxyz，则三个方向选定为坐标轴方向，另三个方向选为oxy,oyz,ozx平面内的轴角平分线方向。为了获得测试数据的统计规律，每个方向的试件数量需要15