岩体力学05-地应力及其测量

第五章地应力及其测量一、地应力的概念及研究意义二、地应力成因及分布的一般规律三、地应力测量的基本原理及方法一、地应力的概念1、地应力(又称为天然应力、初始应力、一次应力等）：人类工程活动之前存在于岩体中的应力。2、重分布应力（又称二次分布应力、附加应力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。→←重分布应力↓↑∧++++++++++++++++++天然应力→←↓↑∧相对于第2洞室的天然应力二、地应力的研究意义1、天然应力是引起岩土工程变形和破坏的根本作用力，其地位相当于工程习惯中所理解的外部荷载，但又与材料力学、弹性力学中泛指的外荷载又有不同。地下工程是在原岩应力作用下开挖的，即地下工程是先受力、后开挖，并且地应力从开挖前到最终一直对围岩起作用。2、原岩应力是涉及地壳问题各个学科领域最基础性的原始资料。1）在地球物理领域，科学家们汇集了全球陆地与海底大量的地应力测量资料，编制了地壳应力分布图，并用于建立地壳构造模型和研究地壳运动规律，这项工程促进了地球动力学，包括地震机制研究的发展。2）在采矿工程领域，原岩应力的大小和方向是井巷断面形状优化设计、方位的合理选择以及井巷支护、采场矿山压力控制的最主要依据之一。3）在其它领域，如水利水电坝基选择和大坝稳定性，石油钻孔孔壁稳定性和增加采油率的裂井工程，核废料处理中防止泄露和污染、地热利用工程以及地质灾害防治工程等等，都要用到地应力这个基本参数。3、在岩土工程的数值分析方法如有限元法等中地应力的大小和方向也是最原始的输入参数。没有可靠正确的地应力资料，任何数值分析便没有意义。因此，地应力是确定工程岩体力学属性、进行工程岩体的稳定性分析、实现岩体工程设计和决策科学化的前提。三、地应力的研究历史1、国际1878年海姆提出天然应力；1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力；到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深5108米（美国密西根水压致裂法）。2、国内50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米（天津大港）。一、地应力的概念及研究意义二、地应力成因及分布的一般规律三、地应力测量的基本原理及方法一、地应力的成因1、组成：岩体自重→自重应力构造运动→构造应力流体作用→渗流应力地温梯度→温度应力其它（地球化学作用等）2、构造应力起源：地幔热对流——板块运动地球自转速度变化——地质力学西南：印度板块向NNE挤压（5mm/a）东：太平洋板块向W俯冲（1cm/a）南：菲律宾板块向N俯冲北：西伯利亚板块阻挡1迹线：N-NE-SSE中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。1．地应力一般是三轴压应力状态，且为以水平应力为主的三轴不等压应力场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，其与水平面之间的夹角一般不大于30。水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力为拉应力的现象。二、岩体天然应力的分布特征2．地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场地应力的三个主应力的大小和方向随着空间和时间的变化而变化，因而是非稳定场。在空间上，从小范围来看，其变化是很明显的，相距数十米，应力的大小和方向可能不同。但就整个区域而言地应力的变化是不大的。因此，地应力具有区域性的特点。地壳活动强烈的地区，地应力大小和方向随时间变化明显。地震前应力积累，应力值不断升高；地震时应力释放，应力值突然大幅下降。主应力方向在地震时会发生明显的改变，在震后一段时间又会恢复到震前状态。以东经100～105o为界分东西两区。强度上：西强东弱（西高东低）方向上：西：NNE-SSW为主，东：近E-W。3．实测垂直应力V基本上等于上覆岩层的重量对全世界实测垂直应力资料的统计分析，在深度25~2700m的范围内，垂直应力呈线性增长，大致相当于按平均重度27kN/m3计算的应力值H。4．水平应力h普遍大于垂直应力V最大水平主应力普遍大于垂直主应力，两者之比一般为0.5~5.5，多数情况下大于2；平均水平主应力（最大水平主应力与最小水平主应力的平均值）与垂直主应力的比值一般为0.5~5，大多数为0.8~1.5。地壳中水平主应力普遍大于垂直主应力。垂直主应力多数情况下为最小主应力，少数情况为中间主应力，个别情况为最大主应力。说明水平构造运动如板块移动碰撞控制着地壳浅部应力的形成与分布。5、平均水平应力与垂直应力的比值（平均侧压力系数）随深度的增加而减小实测资料表明，在深度不大时，相当分散，但随着深度的增加，该值的变化范围逐步缩小，并趋于1，表明在地壳深度有可能出现静水压力状态。与深度z的关系为：6．水平应力随深度呈线性增长斯蒂芬森等根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平主应力、最小水平主应力随深度z(单位m)变化的线性关系为：7．最大水平主应力和最小主应力值一般相差较大，显示出很强的各向异性最小水平主应力与最大水平主应力之比一般为0.2~0.8，多数是0.4~0.8各向异性的原因：构造运动的方向性；岩体的各向异性8．地应力受地形、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，特别是地形和断层的影响很大在具有负地形的峡谷地区或山区，地形对侵蚀基准面以上及以下一定范围内表现特别明显。谷地是应力集中的部位，越靠近谷地应力集中越明显。最大主应力在谷地或河床中心近于水平，而在岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面平行。在断层和结构面附近，地应力分布受到明显扰动，断层端部、拐角处及交汇处出现应力集中现象。第六章地应力及其测量一、地应力的概念及研究意义二、地应力成因及分布的一般规律三、地应力测量的基本原理及方法自重应力理论地震震源机制解地变形量测天然应力测量大地水准测量三角网测量GPS测量地应力确定方法z·A一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力适用于：地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面稳定1、均质各向同性岩体A·…2、水平层状岩体3、垂直层状岩体A…·二、天然应力的量测天然应力的量测方法水压致裂法应力恢复法（扁千斤顶法）套芯应力解除法光弹法声发射法X射线法A1、水压致裂法tpc1pSpc2p0水压力随时间的变化曲线tpc1pSpc2p0假设：天然应力为水平应力场，其铅直应力v=gz假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中的一个小圆孔。作用应力为h,max、h,min，根据弹性理论中的柯西解，未加水压力时，A点的应力为：

A=3h,min-h,max在水压力作用下，孔壁产生拉裂破坏的条件为:

A维持破裂展开，又不继续发展的条件为联立上两式有而：因此，可得测点的天然应力为据岩体破裂方向确定：破裂平行于，垂直于，破裂方向由压痕、井下电视等确定。优点：测深大，z可达数百米，目前最深达5108米；施工技术简单，不需要应力计等仪器。应力方向：千斤顶油泵时间千斤顶压力pc测点分离值d0d步骤：①在岩壁上选择测点，固定A、B两点。d≈15cm；②刻槽应力释放、变形，d0

d;③安装扁千斤顶;④加压应力恢复dd0，到d=d0时的千斤顶压力即为；2、应力恢复法（扁千斤顶法）⑤重复①~④测量另一个方向的W

；⑥计算天然应力：假定天然应力为水平应力场，当测得侧壁应力R和底板应力W

时，则有:·3、钻孔套芯应力解除法①基本原理++++++++++++++++++仪器套芯解除钻孔同心套钻放应变计应力解除应力计算位移恢复设天然应力为水平应力场45°45°∴∵②计算公式：应变计互成45°，据上式有用消元法解三元一次方程，得：应变计互为60°时，可按下列公式计算60°60°选点、钻孔：130mm

，深度一般小于30m;在孔底打一测量孔：36m