地应力概念和其测量方法

1、 地应力概念和其测量方法本章内容： 5-1 概述 5-2 地应力成因 5-4 岩体初始应力分布状态 5-5 岩体初始应力场测定5-1 概述 原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡状态的岩体，称为原岩。 围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，称为围岩。 原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，又称为初始地应力或地应力。 原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布状态称为原岩应力场，又称为初始地应力场。即未经采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。1 基本概念自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。它是由岩体自重引起的。自重应力场：自重应力在空间有规律的分

2、布状态称为自重应力场。构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或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。 构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。 次生应力（二次应力）岩体开挖扰动了原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的应力称为次生应力或二次应力。 原岩应力自重应力构造应力 迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。 5.2 地应力的成因1）地幔热对流地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）2）板块边界受压中国地震带分布3）岩浆侵入垂直应力：平均密度，KN/m3侧压力：H总深度

3、（m）侧压力系数 图 岩体自重垂直应力4）岩体自重应力场5)地质构造应力5)地质构造应力5)地质构造应力Hebeihandan，某旋转地应力场受旋钮构造影响。6）地形、地表剥蚀对地应力影响7）水压力、热应力 a.孔隙水压力、流动水压力(影响小)、静水压力（悬浮作用） b.一般地温梯度： 岩体的体膨胀系 数： ，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力 约为： z-深度/m。温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。5-3 地应力（原岩应力）分布的一些基本规律 目前，原岩应力的实测深度达3000m。在这一深度内，原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：一、原岩应力场是相对稳定的

4、非稳定场；二、水平应力H普遍大于垂直应力v ,即 侧压力系数H/v 1;三、原岩应力三个主应力Hmax，Hmin，v均随深度增加而增大；1、平均水平应力H与垂直应力v 的比值随深度增加而减小。 2、两个水平应力的关系一般有3、最大、最小水平主应力随深度线性增加： Hmax6.70.0444H(Mpa) Hmin0.80.0329H(Mpa)4、实测垂直应力v基本上等于上覆岩层的重力 在252700m深度内，v 随深度线性增加，大致相当于按平均重度=27kN/m3计算出来的重力H,即 v27H。四、原岩应力的分布规律还受地形、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，

5、特别是地形和断层的扰动影响最大。 地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平行； 断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。5.4 岩体初始应力状态的现场量测方法一、岩体应力现场量测方法概述1.目的： （1）了解岩体中存在的应力大小和方向 （2）为分析岩体的工程受力状态以及为支护及岩体加固提供依据 （3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具2. 方法分类(表6-1)二、水压致裂法（一）方法原理及技术要点：通过液压泵向钻孔内拟定量测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

6、裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。压裂点上下用止水封隔器密封，其结构如图6-10所示。水压致裂过程中泵压变化及其特征压力示于图6-11。P0PbPsPs0P0Pb0Ps图 6-11 压裂过程泵压变化及特征压力图 6-10 止水、压裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0各特征压力的物理意义P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开裂压力Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩渗透性大，该压力将逐渐衰减Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开

7、启压力（二）基本理论和计算公式当孔壁出现垂直裂缝时，设孔周边两个水平地应力分别为 和 ，孔壁还受有水压Pb.如图6-12。图 6-12 孔壁开裂力学模型a钻孔周围岩体内应力 基尔斯解)在孔壁上r=a，有：当 时有最大拉应力：按最大拉应力理论，有(6-15)(6-16)将(6-15)代入(6-16)得孔壁开裂应力条件(6-18)即孔壁开裂在与 垂直, 的面上式中：T0-岩体的抗强度若岩体中有孔隙水压力Pw，（6-18）式变成：(6-19)由图6-11知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pb0，则上式变成：(6-20)19和20两式对比得： Pb Pb0=T0(6-21)在关闭压力Pb0点上，孔壁已

8、经开裂，则T0=0,稳定开裂压力由P0下降到Ps0。此时，ps0等于与裂缝垂直的应力，即：求得主应力及岩体抗拉强度（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力（1）一般来讲 作为地主应力之一。我们可以将 与 作比较，若 ，则可以肯定此时 为最小主应力；进一步将 与 作比较，也就可以以此确定地应力的三个主应力。 因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定 的方位或 的方向，所以三个地主应力的方位也就可以相应确定。（2）如果 ，并且孔壁开裂后孔内岩体出现水平裂缝，则此时 为最小地应力， 与 各为中间主应力及最大地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。（四）水压致裂法的特点 设备简单 操作方便 测值直观 适应

9、性强 受到重视和推广 缺陷：主应力方向不准三、应力解除法 1. 基本原理： 当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时，岩体单元上所受的拉力将被解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体时连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答计算岩体单元所受的应力状态。切断联系解除应力应变恢复测试应变计算应力流程要点2. 应力解除法分类 按测试深度表面应力解除浅孔应力解除深孔应力解除按测试应变或变形孔径变形测试孔壁应变测试孔底应力解除法孔壁 应力解除法测1个平面3个方向上的应变1平面3方向上的

10、径位移3平面9个方向应变原理要点 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。由于孔底应力解除法只需要钻进一段不长的岩芯，所以对较破碎的岩体也能应用。（1）岩体孔底应力解除法在孔底平面粘贴3应变片应变花一个平面有3个独立的应力分量工作步骤应变观测系统（2）套孔应力解除法原理要点 对岩体中某点进行应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力

11、状态。孔径变形测试，孔壁应力解除法，均属于套孔应力解除法。前者测试套孔应力解除后的孔径变化；后者测试套孔应力解除后的孔壁应变。其操作步骤和原理基本相同表面应力解除法直角应变花等边三角形应变花应力解除槽钻孔的深度必须超过开挖 影响区，才能测到岩体内的原始应力，否则测出的是二次应力。工作步骤套孔应力解除工作步骤套孔应力解除使用的传感器 孔径变形测试采用位移传感器；孔壁应力解除采用应变传感器。，孔径变形测试传感器布置孔壁应力解除法传感器布置计算公式 应力解除法，由测试数据换算成应力，根据测试参数的不同可以分为两类：(1)由应变换算成应力；(2)径向位移换算成应力。换算的基本理论和方法都在弹性力学中学

12、过，这仅以(2)为例。由孔径变形测试换算初始应力，在大多数试验场合下，往往进行简化计算例如假定钻孔方向和 一致，并认为 ，则（6-24）式中： -钻孔直径变化值 -钻孔直径 -量测方向和水平轴的夹角 -岩石弹性模量与泊松比在实际计算中，由于考虑到应力解除是逐步向深处进行的，实际上不是平面变形而是平面应力，则有 式中： 分别为在0度，45度和90度三个方向上同时测定的孔径变化。空间原始应力测试测试空间原始应力 ，孔壁应变法只须1钻孔，孔底应变法和孔径变形法需要3个钻孔四、应力恢复法 应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前此法仅用于岩体表层，应力。当己知某岩体中的主应力方向时，采

13、用本法比较方便。 如图6-18，当洞室某侧墙上的表层围岩应力的主应力 方向各为垂直于水平方向时，就可用到应力恢复法测得 的大小。图6-18 应力恢复法原理图基本原理：在侧墙上沿测点o，先沿水平方向开一个解除槽，则在槽的上下附近，围岩应力得到部分解除，应力状态重新分布。在槽的中心线OA上的应力状态，根据H.N.穆斯海里什维里理论，把槽看作一条缝，得到： （627）式中 OA线上某点B上的应力分量 B点离槽中心O的距离的倒数。当在槽中埋设压力枕，并由压力枕对槽加压，若施加压力为p，则在OA线上B点产生的应力分量为 （628）当压力枕所施加的力 时，这时B点的总应力分量为 可见当压力枕所施加的力 时，则岩体中的应力状态已完全恢复，所求的应力 即由P值而得知，这就是应力恢复法的基本原理。实验过程1. 在选定的试验点上，沿解除槽的中垂线上安装好量测元件（见图6-19）2.记录量测元件应变计的读数。3.开凿解除凿，岩体产生变形并记录应变计上的读数。4.在开挖好的解除凿中埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙。5