地应力及其测量原理

3.1概述

概念：a

地层未受到扰动时，存在于地层内各点的应力称为原岩应力，或称为原始应力，或称为初始地应力（insitustress）。它是地下工程围岩变形、破坏、支护结构受力的根本渊源。

b

当地层被开挖后，存在于开挖空间周围岩体中重新分布的应力称为次生应力，也叫诱发应力（inducedstress）。3地应力及其测量原理原岩应力与次生应力

1905-1912瑞士地质学者海姆（Heim）

1925-1926金尼克

1915年瑞典人哈斯特（Hast，N）首创在岩体中地应力的测量工作。实测表明：垂直应力和水平应力的数值，至少在3000m范围以内，海姆和金尼克的假说不是地应力状态的普遍规律。而且人们对地应力规律的认识，至今还很肤浅，所以还不能计算，只能通过实测获得。3.2地应力的构成及影响因素

3.2.1自重应力yxzxz图5-2垂直应力计算方法(a)单一地层(b)多层地层

由地壳岩层的重量引起。——上覆各层岩体容重；

——上覆岩层平均容重。

垂直方向水平方向——侧压系数。

假定水平方向应变为零，根据胡克定律可导出下式连立求解，得即当泊桑比值为0.5时，得到侧压系数为1.0，所以海姆观点是金尼克公式的一个特例。岩石的泊松比值通常在0.10~0.35之间。因此在自重应力场中侧压系数在0.10~0.54之间，而主要在0.25~0.43之间。3.2.2构造应力

1古构造应力：是地质史上由于构造运动残留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力。

2新构造运动应力是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。

3封闭应力是在各种地质因素长期作用下残存于结构内部的应力。3.2.3地应力的影响因素1地质构造对地应力的影响地质构造主要影响地应力的分布和传递：（1）在静应力场中，断裂构造对地应力大小和方向的影响是局部的。（2）在同一构造单元体内地应力大小和方向均较一致，而靠近断裂或其他分离面附近大小和方向才有较大变化。（3）在活动断层附近和地震地区，地应力大小和方向都有较大变化。（4）地质构造面与地应力方向关系，一般在水平面内，最大主应力的方向常垂直于构造线。2地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌对地应力的影响是复杂的。

剥蚀可以造成巨大的水平应力。由构造作用与由剥蚀作用产生的水平应力的主要区别在于，由构造作用产生的水平应力具有明显的方向性；而由剥蚀产生的水平应力，按海姆假设条件，不具方向性。

岩体地应力是能量积累与释放的结果。从能量的积累观点来看，岩体应力的上限必然要受到岩体强度的限制。例如，当Ｅ＝50GPa以上的岩体，最大应力一般为10～30MPa，而Ｅ＝10GPa以下的岩体应力很少超过10MPa。

这样，弹性模量较大的岩体有利于地应力积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位，而塑性岩体容易产生变形，不利于应力积累。3岩石力学性质对地应力的影响4温度对地应力的影响岩体温度对地应力的影响表现在两个方面：地温梯度和岩体局部温度的影响。

地温梯度一般为３℃／100ｍ岩体的体膨胀系数约为

而岩体的弹性摸量一般为10GPa

温度应力

温度应力一般是静水压力

3.2.4研究原岩应力的意义1在地下工程中1）围岩稳定与支护结构设计；2）地下洞室走向选择；3）地下洞室断面几何形状；4）坚硬脆性岩体中的岩爆；2在地上工程中主要是基坑开挖后，底部岩体在原岩应力作用下出现底鼓而影响上部结构稳定。3.3地壳浅部地应力的变化规律

3.3.1地应力是个非稳定应力场3.3.2实测垂直应力基本等于上覆岩层重量3.3.3水平应力普遍大于垂直应力在深度为25~2700m范围内，垂直应力呈线性增长，大致相当于按平均容重0.027MN/m3计算出来。上限：下限：3.4原岩应力的现场实测方法初始地应力对工程设计是不可缺少的基础资料之一。由于原岩应力不易计算，最好的办法就是通过现场量测获得。岩体应力的现场量测包括岩体原岩应力测试和洞室围岩二次应力测试。地应力测试方法分为直接法和间接法：直接法常用的有扁千斤顶法、水压致裂法、声发射法；间接法有应力解除法（按测量手段不同主要有孔径变形法和孔壁应变法）。3.4.1直接法1扁千斤顶法测量方法：岩壁切槽两侧固定立柱间距离变化；岩壁切槽附近应变的变化。2水压致裂法初始劈裂压力稳定开裂压力关闭压力开启压力在水压力为pb，原始应力为σ1、σ3共同作用下，孔周边岩体中切向应力：孔壁切向应力时，孔壁发生拉裂，得：考虑孔隙水压力P0当第二次加压至裂隙张开，此时水压力为Pb0,σt=0

1测量深度不受限制、代表性好；

2操作方便；

3测值直观；

4适应性强。

于是，得：而关闭水泵后，裂隙中保持的稳定压力正好与最小主应力相平衡，得：3声发射法材料在受到外力作用时，其内部储存的应变能快速释放产生弹性波，发出声响，称为声发射。材料从其历史最高应力水平释放后，再重新加载，当应力没有达到历史最高应力值时，声发射很少，当应力超过历史最高应力值时，会有大量声发射产生，这一现象称为Kaiser效应。试件制备，在同一位置按6个不同方向取样，要记录下每个试件所代表的方向，每个方向作15～25块。加载采用小吨位单轴压力机，加载速率恒定。3.4.2间接法它的基本原理是：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为地将该处的岩体单元与周围岩体分离。此时岩体单元上所受的应力将被解除。该单元体将产生弹性恢复的应变值或变形值，用传感器测量这一应变和位移，再根据应力和应变或位移之间的关系计算原岩应力。

1应力解除法原理2应力解除法的实施步骤1）套钻大孔（D=118mm）；2）取岩芯并将孔底磨平；3）套钻小孔（d=36mm）；4）取小孔岩芯；5）粘贴元件测初读数；6）应力解除；7）取岩芯；8）测终读数3应力解除法的测量方法1）孔径变形法测量应力解除前后钻孔直径的变化Δd，采用美国矿山局USBM孔径变形计或中科院武汉岩土所36-2型孔径变形计进行测量。USBM孔径变形计结构原理图这种方法要求在能取得完整岩芯的岩体中进行，一般至少要能取出大孔直径2倍长度的岩芯。孔径变化与所在断面上原始地应力关系为：取三个不同θi，可得到三个不同方向的直径变化Δd

i，形成以下的三元一次方程组要测定一点的其他三个应力分量，需要采用三孔交汇法。工作量比较大。2）孔壁应变法只需在一个钻孔内进行量测，即可确定六个空间应力分量。取分别为：得到一下九个方程：设第i个测点三个方向应变片读数分别为：εAi、εBi、εCi三轴应变计，国际岩石力学与工程学会制定的地应力测量建议方法中定名为CSIR型应变计。空心包体式三轴应变计。

l一应变计电缆；2一安装杆；3一连接销：4，l3一密封圈；5一环氧树脂筒；6一空腔、内装粘结剂；7一电阻应变花；8一固定销；9一应变计与空壁之间的空隙；l0一活塞；ll一岩石钻孔壁；l2一出胶径向孔；l4一导向头实测地应力以压应力为正；、、分别为最大、中间和最小主应力；、、分别为三个主应力的方位角（沿顺时针与正北方向的夹角）；、、分别为三个主应力作用方向的倾角（与水平面的夹角）。3.5实测地应力在计算中的应用3.5.1实测地应力的表达测点编号12345测点位置DK66+580DK81+95DK72+37DK76+156DK74+610测点埋深(m)32027071010851640(MPa)10.6415.0721.0434.0584.16(MPa)9.1510.5712.2627.5528.22(MPa)5.238.327.6414.9916.13(°)28333133230258(°)15241226143104(°)193629823510(°)1.00.327.074.065(°)59.014.028.07.023(°)31.076.049.015.010秦岭隧道实测地应力