地应力概述课件

*岩石力学与工程

地应力概述q*4.1概述4.1.1地应力的概念地应力：是存在于地层中的未受工程扰动的天

然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。*4.1.2地应力测量的必要性及意义a)它是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力。区别于结构力学、材料力学其他力学。b)传统的岩石工程的开挖设计和施工的经验类比法有局限性。

小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法往往是有效的。

大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不足。*c)是岩石工程数值分析方法计算分析的必要

前提条件。d)地应力应用领域广泛。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的研究等也具有重要意义。

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20世纪50年代N.Hast实测发现存在于地壳上部的最大主应力方向接近水平的，而且最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍，甚至更多。e)对地应力的传统认识有误。

1912年A.Heim1926年A.H.Динник

*4.1.3地应力的成因1）地幔热对流*4.1.3地应力的成因地幔热对流－－（碰撞、俯冲、海岸）*4.1.3地应力的成因2）板块边界受压*4.1.3地应力的成因中国地震带分布*4.1.3地应力的成因3）岩浆侵入*4.1.3地应力的成因垂直应力：—平均密度，KN/m3侧压力：H—总深度（m）—侧压力系数

图

岩体自重垂直应力4）岩体自重应力场*（1）岩体假定处于弹性状态

由推出得：的取值有4种可能：*岩体由多层不同性质岩层组成时第j层底面应力：第n层底面应力：*（2）Heim假设（塑性状态）

当原始应力超过一定的极限，岩体就会处于潜塑状态或塑性状态。（相当于）*（3）岩体为理想松散介质

（c=0,风化带、断层带）

由极限平衡理得*（4）当松散介质有一定粘聚力时(c>0)侧压力为：*注：当

说明无侧压力

无侧压力深度

*5)地质构造应力*5)地质构造应力Fujianshanghang，某地应力场受断层影响情况*5)地质构造应力Hebeihandan，某旋转地应力场受旋钮构造影响。*图

地形对初应力的影响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。*4.1.4地壳浅部（3000m以内）地应力分布的主要规律

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。*4.1.4地壳浅部（3000m以内）地应力分布的主要规律

垂直应力随深度线性增加。平均密度约为27KN/m32）垂直应力随深度的变化规律*4.1.4地壳浅部（3000m以内）地应力分布的主要规律

3）水平应力普遍大于垂直应力；4）平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小，且趋近于1*4.1.4地壳浅部（3000m以内）地应力分布的主要规律

5）最大水平主应力与最小水平主应力随深度增加线性增长6）最大水平主应力与最小水平主应力之差随深度增加而增大Hebeitangshan，某地应力与深度关系*图

地形对地应力的影响7）地形、地表剥蚀对地应力影响*4.2地应力测量方法4.2.1地应力测量概述a.一点的三维应力状态()来表示*b.方法分类*4.2.2水压致裂法水压致裂法的假设前提：（1）有2个（、）主应力为水平方向，另1个为竖直方向,且（2）线性、均质、各向同性（3）渗透符合达西定律*1）水压致裂法步骤（1）钻孔（地质勘探）、选段（完整）、

封隔（气或液）；直径：38、51、76、110、130；*P0PbPsPs0P0Pb0Ps图压裂过程泵压变化及特征压力PbPsPsPs0Pb0P0（2）加液压将孔壁压裂与重开①P0-孔隙水压力或地下水压力②Pb-初始压裂压力③Ps-稳定开裂压力④Ps0-关闭压力⑤Pb0-重张压力*P0PbPsPs0P0Pb0Ps图压裂过程泵压变化及特征压力PbPsPsPs0Pb0P0（2）加液压将孔壁压裂与重开①P0-孔隙水压力或地下水压力②Pb-初始压裂压力③Ps-稳定开裂压力④Ps0-关闭压力⑤Pb0-重张压力*各特征压力的物理意义①P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力②Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力③Ps-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④Ps0-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⑤Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力*（3）卸压、提设备、测定开裂方位；

然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算地应力

*2）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。图孔壁开裂力学模型a*钻孔周围岩体内应力

(Kirsch.G-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(4-1)(4-2)将(4-1)代入(4-2)得孔壁开裂应力条件(4-3)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，（4-3）式变成：(4-4)由图知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pb0，则上式变成：(4-5)(4-5)和(4-6)两式对比得：Pb–Pb0=T0(4-6)在关闭压力Ps0点上，孔壁已经开裂，则T0=0,稳定开裂压力由Ps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3）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。4）水压致裂法的特点设备简单操作方便测值直观适应性强

受到重视和推广缺陷：主应力方向不准*4.2.3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方向上的径位移3平面9个方向应变*4.2.4）空心包体应变计测量地应力圆筒空腔钻孔柱塞应变片粘结方式a.探头结构*空心包体应变计安装、采集数据示意*b.主要特点：1)测量有操作简便2)测量技术和计算理论比较成熟3)精度相对较高的地应力4)目前使用最为广泛是国际岩石力学学会推荐使用的地应力测量方法

*钻孔的深度必须超过开挖