第11、12次課 第6章 地應(yīng)力及其測(cè)量

1、2第第5 5章章 工程巖體分類工程巖體分類 一、工程巖體分類的目的一、工程巖體分類的目的二、工程巖體分類的影響因素二、工程巖體分類的影響因素三、工程巖體分類的原則三、工程巖體分類的原則四、工程巖體代表性分類四、工程巖體代表性分類3 3第第5 5章章 工程巖體分類工程巖體分類 一、工程巖體分類的目的一、工程巖體分類的目的巖石結(jié)構(gòu)面巖體巖體種類繁多結(jié)構(gòu)復(fù)雜巖石工程編制定額、設(shè)計(jì)、施工巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)適合的參數(shù)或采取技術(shù)措施選擇巖體工程穩(wěn)定性滿足影響分類目的一：目的二：目的三：4 4第第5 5章章 工程巖體分類工程巖體分類 二、工程巖體分類的影響因素二、工程巖體分類的影響因素結(jié)構(gòu)面特性結(jié)構(gòu)面特性巖石

2、物理力學(xué)特性巖石物理力學(xué)特性地應(yīng)力地應(yīng)力施工條件施工條件風(fēng)化程度風(fēng)化程度工程規(guī)模工程規(guī)模考慮考慮因素因素5第第5 5章章 工程巖體分類工程巖體分類 三、工程巖體分類的原則三、工程巖體分類的原則確定分類的目的和適用對(duì)象確定分類的目的和適用對(duì)象1分類應(yīng)該是定量的分類應(yīng)該是定量的2分類的級(jí)數(shù)應(yīng)合適分類的級(jí)數(shù)應(yīng)合適3 分類方法與步驟應(yīng)簡(jiǎn)單明了分類方法與步驟應(yīng)簡(jiǎn)單明了4 根據(jù)適用對(duì)象，選擇考慮因素56第第5 5章章 工程巖體分類工程巖體分類 四、工程巖體代表性分類四、工程巖體代表性分類1 1、按巖石的質(zhì)量指標(biāo)、按巖石的質(zhì)量指標(biāo)RQDRQD分類分類2 2、按巖體結(jié)構(gòu)類型分類、按巖體結(jié)構(gòu)類型分類3 3、我國(guó)

3、工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)4 4 、巖體地質(zhì)力學(xué)分類（、巖體地質(zhì)力學(xué)分類（CSIRCSIR分類）分類）1 1、按巖石的質(zhì)量指標(biāo)、按巖石的質(zhì)量指標(biāo)RQDRQD分類分類（Rock Quality Rock Quality DesignationDesignation）10cm10cm)100%RQDL以上(含巖芯累計(jì)長(zhǎng)度鉆孔總長(zhǎng)第第5 5章章 工程巖體分類工程巖體分類 2 2、按巖體結(jié)構(gòu)類型分類、按巖體結(jié)構(gòu)類型分類完整程度完整程度結(jié)構(gòu)面特征結(jié)構(gòu)面特征巖塊單軸強(qiáng)度巖塊單軸強(qiáng)度考慮因素考慮因素2 clmlVVK結(jié)構(gòu)面類型和抗剪強(qiáng)度參數(shù)結(jié)構(gòu)面類型和抗剪強(qiáng)度參數(shù)飽和單軸抗壓強(qiáng)度值飽和單軸抗壓強(qiáng)

4、度值3 3、我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GB50218-94提出兩步分級(jí)法： 第第5 5章章 工程巖體分類工程巖體分類 按巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行初步分級(jí)按修正后的BQ值進(jìn)行詳細(xì)分級(jí)對(duì)對(duì)BQBQ值進(jìn)行修正值進(jìn)行修正地應(yīng)力地應(yīng)力地下水地下水結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面第第6 6章章 地應(yīng)力及其測(cè)量地應(yīng)力及其測(cè)量學(xué)習(xí)指導(dǎo)：學(xué)習(xí)指導(dǎo)： 主要介紹巖石的初始應(yīng)力概念，包括自重主要介紹巖石的初始應(yīng)力概念，包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，介紹了初始應(yīng)力的量測(cè)方法應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，介紹了初始應(yīng)力的量測(cè)方法及原理，包括扁千斤頂法和應(yīng)力解除法等。及原理，包括扁千斤頂法和應(yīng)力解除法等。重重 點(diǎn)點(diǎn)o 巖體

5、的初始應(yīng)力概念與意義巖體的初始應(yīng)力概念與意義o 巖體初始應(yīng)力的測(cè)量方法巖體初始應(yīng)力的測(cè)量方法6.1 6.1 地應(yīng)力的成因與分布規(guī)律地應(yīng)力的成因與分布規(guī)律o 一、一、 地應(yīng)力測(cè)量的必要性地應(yīng)力測(cè)量的必要性a a 概念：概念：地應(yīng)力地應(yīng)力是存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的是存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對(duì)應(yīng)力或原巖天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對(duì)應(yīng)力或原巖應(yīng)力。應(yīng)力。一般習(xí)慣把地應(yīng)力分為一般習(xí)慣把地應(yīng)力分為自重應(yīng)力場(chǎng)自重應(yīng)力場(chǎng)和和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。 自重應(yīng)力自重應(yīng)力: :由上覆巖體的自重所引起的應(yīng)力；由上覆巖體的自重所引起的應(yīng)力； 構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力: :地層中由于過(guò)去

6、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生和現(xiàn)地層中由于過(guò)去地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生和現(xiàn)在正在活動(dòng)與變化的應(yīng)力，地質(zhì)作用殘存的應(yīng)力。在正在活動(dòng)與變化的應(yīng)力，地質(zhì)作用殘存的應(yīng)力。b b 重要性：重要性： 決定洞室布置的決定性因素之一。穩(wěn)定決定洞室布置的決定性因素之一。穩(wěn)定性分析的重要參數(shù)。性分析的重要參數(shù)。1)1)它是引起各種地下或露天巖石開(kāi)挖工程變形和破壞的它是引起各種地下或露天巖石開(kāi)挖工程變形和破壞的根本作用力根本作用力。2)2)傳統(tǒng)的巖石工程的開(kāi)挖設(shè)計(jì)和施工的傳統(tǒng)的巖石工程的開(kāi)挖設(shè)計(jì)和施工的經(jīng)驗(yàn)類比法有局限性經(jīng)驗(yàn)類比法有局限性。 小規(guī)模和地表小規(guī)模和地表的巖石工程，經(jīng)驗(yàn)類比的方法往往是有效的。的巖石工程，經(jīng)驗(yàn)類比的方法往往

7、是有效的。 大規(guī)模和深部大規(guī)模和深部的巖石工程，經(jīng)驗(yàn)類比法有不足。的巖石工程，經(jīng)驗(yàn)類比法有不足。 3)3) 是是巖石工程數(shù)值分析巖石工程數(shù)值分析方法計(jì)算分析的必要前提條件。方法計(jì)算分析的必要前提條件。4) 4) 地應(yīng)力地應(yīng)力應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。o 對(duì)地震預(yù)報(bào)、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、油田油井的穩(wěn)定性、核廢對(duì)地震預(yù)報(bào)、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、油田油井的穩(wěn)定性、核廢料儲(chǔ)存、巖爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球動(dòng)力學(xué)的研究等具料儲(chǔ)存、巖爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球動(dòng)力學(xué)的研究等具有重要意義。有重要意義。一、一、 地應(yīng)力測(cè)量的必要性地應(yīng)力測(cè)量的必要性一、一、 地應(yīng)力測(cè)量的必要性地應(yīng)力測(cè)量的必要性c c 地

8、應(yīng)力分布理論：地應(yīng)力分布理論：1 1）海姆假設(shè)：）海姆假設(shè)：（首次提出了地應(yīng)力的概念，靜水首次提出了地應(yīng)力的概念，靜水壓力假設(shè)）壓力假設(shè)） 海姆假說(shuō)：海姆假說(shuō)：在巖體深處的初始垂直應(yīng)力與其上覆巖體的重量成在巖體深處的初始垂直應(yīng)力與其上覆巖體的重量成正比，而水平應(yīng)力大致與垂直應(yīng)力相等。正比，而水平應(yīng)力大致與垂直應(yīng)力相等。2 2）金尼克假設(shè)：）金尼克假設(shè)：（彈性力學(xué)假設(shè)）彈性力學(xué)假設(shè)） ， 式中，式中， 為上覆巖層的柏松比。為上覆巖層的柏松比。修正了海姆的靜水壓力假設(shè)，認(rèn)為地殼中垂直應(yīng)力等于上覆巖修正了海姆的靜水壓力假設(shè)，認(rèn)為地殼中垂直應(yīng)力等于上覆巖層重量，而水平應(yīng)力是泊松效應(yīng)的結(jié)果。層重量，而水

9、平應(yīng)力是泊松效應(yīng)的結(jié)果。HvhHvHh1Hh13 3）李四光：）李四光：在在構(gòu)造應(yīng)力的作用構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定厚僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)垂直應(yīng)力度的情況下，水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)垂直應(yīng)力分量。分量。4 4）哈斯特：）哈斯特：地應(yīng)力測(cè)量發(fā)現(xiàn)存在于地殼上部的地應(yīng)力測(cè)量發(fā)現(xiàn)存在于地殼上部的最大主最大主應(yīng)力應(yīng)力幾乎處處是幾乎處處是水平或接近水平水平或接近水平的，從根本上動(dòng)搖了地的，從根本上動(dòng)搖了地應(yīng)力是靜水壓力的理論和以垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。應(yīng)力是靜水壓力的理論和以垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。 5 5）進(jìn)一步研究：）進(jìn)一步研究：重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力

10、的重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要原因，其中尤以主要原因，其中尤以水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的形對(duì)地應(yīng)力的形成影響最大。當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)主要由成影響最大。當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)主要由最近一次的構(gòu)造運(yùn)最近一次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)動(dòng)所控制，但也與歷史上的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。所控制，但也與歷史上的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。一、一、 地應(yīng)力測(cè)量的必要性地應(yīng)力測(cè)量的必要性c c 地應(yīng)力分布理論：地應(yīng)力分布理論：二、二、 地應(yīng)力的成因地應(yīng)力的成因o 1 1）大陸板塊邊界）大陸板塊邊界 受壓引起的應(yīng)力場(chǎng)受壓引起的應(yīng)力場(chǎng) 主要與地球各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)主要與地球各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)過(guò)程有關(guān)過(guò)程有關(guān). .其中包括其中包括: :板塊板塊邊界受壓

11、、地幔熱對(duì)流、邊界受壓、地幔熱對(duì)流、地心引力、巖漿侵入、地地心引力、巖漿侵入、地溫梯度、地表剝蝕作用。溫梯度、地表剝蝕作用。二、二、 地應(yīng)力的成因地應(yīng)力的成因2 2）地幔熱對(duì)流引起的應(yīng)力場(chǎng)）地幔熱對(duì)流引起的應(yīng)力場(chǎng) 由硅鎂組成的地幔因溫度由硅鎂組成的地幔因溫度很高，具有可塑性，并可以上很高，具有可塑性，并可以上下下對(duì)流和蠕動(dòng)對(duì)流和蠕動(dòng)。當(dāng)?shù)蒯Ｉ钐幍?。?dāng)?shù)蒯Ｉ钐幍纳仙鞯竭_(dá)地幔頂部時(shí)，就分上升流到達(dá)地幔頂部時(shí)，就分為兩股方向?yàn)閮晒煞较蛳喾吹钠搅飨喾吹钠搅?，?jīng)一，經(jīng)一定流程直到與定流程直到與令一對(duì)流圈令一對(duì)流圈的反的反向平流相遇，一起向平流相遇，一起轉(zhuǎn)為下降流轉(zhuǎn)為下降流回到地球深處，形成回到地球深處

12、，形成封閉的循封閉的循環(huán)體系環(huán)體系。地幔熱對(duì)流引起地殼。地幔熱對(duì)流引起地殼下面的下面的水平切向力水平切向力。二、二、 地應(yīng)力的成因地應(yīng)力的成因3 3）由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng)）由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng) 由地心引力引起的應(yīng)力由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng)稱為場(chǎng)稱為重力應(yīng)力場(chǎng)重力應(yīng)力場(chǎng)。重力。重力應(yīng)力場(chǎng)是各種應(yīng)力場(chǎng)中唯應(yīng)力場(chǎng)是各種應(yīng)力場(chǎng)中唯一一可以測(cè)量可以測(cè)量的應(yīng)力場(chǎng)。的應(yīng)力場(chǎng)。垂直應(yīng)力垂直應(yīng)力：平均容重，平均容重，KN/mKN/m3 3H H總深度（總深度（m m） 圖圖 巖體自重垂直應(yīng)力巖體自重垂直應(yīng)力HG 二、二、 地應(yīng)力的成因地應(yīng)力的成因4 4）巖漿侵入引起的）巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng) 巖漿傾入巖漿

13、傾入擠壓、冷擠壓、冷凝收縮和成巖凝收縮和成巖，均在周，均在周圍底層產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力圍底層產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)。場(chǎng)。 與上述三種應(yīng)力場(chǎng)與上述三種應(yīng)力場(chǎng)不同，由巖漿侵入引起不同，由巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)是一種的應(yīng)力場(chǎng)是一種局部應(yīng)局部應(yīng)力場(chǎng)。力場(chǎng)。二、二、 地應(yīng)力的成因地應(yīng)力的成因5 5）地溫梯度引起的應(yīng)力）地溫梯度引起的應(yīng)力隨埋深增加，地溫增高，巖體性質(zhì)改變而產(chǎn)生附加應(yīng)力隨埋深增加，地溫增高，巖體性質(zhì)改變而產(chǎn)生附加應(yīng)力。 一般地溫梯度：一般地溫梯度： 巖體的體膨脹系巖體的體膨脹系數(shù)：數(shù)： ，巖體彈模，巖體彈模E=10E=104 4MPaMPa；地溫梯度引起的溫地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為：度應(yīng)力約為： zM

14、PazMPaEzT003.0101003.045 z-z-深度深度/m/m。隨埋深增加，地溫增高，巖體性質(zhì)改變而產(chǎn)生附加應(yīng)力。隨埋深增加，地溫增高，巖體性質(zhì)改變而產(chǎn)生附加應(yīng)力。溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的1/91/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。，并呈靜水壓力狀態(tài)。-510 100/3mC二、二、 地應(yīng)力的成因地應(yīng)力的成因6 6）地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)）地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng) 地殼巖體因?yàn)轱L(fēng)化、侵蝕、雨水沖刷搬運(yùn)而產(chǎn)生地殼巖體因?yàn)轱L(fēng)化、侵蝕、雨水沖刷搬運(yùn)而產(chǎn)生剝蝕作用剝蝕作用，使得巖體內(nèi)產(chǎn)生顆粒的，使得巖體內(nèi)產(chǎn)生顆粒的結(jié)構(gòu)變化結(jié)構(gòu)變化和和應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛產(chǎn)生產(chǎn)生水平應(yīng)力場(chǎng)水平應(yīng)力

15、場(chǎng)。三、地應(yīng)力分布的一般規(guī)律三、地應(yīng)力分布的一般規(guī)律1 1）地應(yīng)力是一個(gè)具有相對(duì)穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，它是時(shí)）地應(yīng)力是一個(gè)具有相對(duì)穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，它是時(shí)間和空間的函數(shù)。間和空間的函數(shù)。區(qū)域初始應(yīng)力場(chǎng)有一致性，而區(qū)域內(nèi)局部地點(diǎn)的初始應(yīng)力又有很大差區(qū)域初始應(yīng)力場(chǎng)有一致性，而區(qū)域內(nèi)局部地點(diǎn)的初始應(yīng)力又有很大差別，主要是由地質(zhì)因素造成的。別，主要是由地質(zhì)因素造成的。孤立山體：孤立山體：巖體自重起主導(dǎo)作用，巖體自重起主導(dǎo)作用，V V H H陡峭河谷陡峭河谷：底部出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力與河谷軸近似垂直。如二底部出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力與河谷軸近似垂直。如二灘水電站處于河谷地段的應(yīng)力集中范圍達(dá)灘水電

16、站處于河谷地段的應(yīng)力集中范圍達(dá)500m500m，深度，深度250m250m斷裂帶：斷裂帶：殘留較大構(gòu)造應(yīng)力。如云南魯布革電站工程中巖體最大主應(yīng)殘留較大構(gòu)造應(yīng)力。如云南魯布革電站工程中巖體最大主應(yīng)力與斷層走向近似垂直，積聚于上盤巖體中。力與斷層走向近似垂直，積聚于上盤巖體中。地殼表面剝蝕：地殼表面剝蝕：垂直應(yīng)力減少，近地表處，垂直應(yīng)力減少，近地表處，H H V V此外，地震活躍地區(qū)，初始應(yīng)力大小和方向還隨時(shí)間而變化。此外，地震活躍地區(qū)，初始應(yīng)力大小和方向還隨時(shí)間而變化。三、地應(yīng)力分布的一般規(guī)律三、地應(yīng)力分布的一般規(guī)律2 2）實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量）實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量

17、世界各國(guó)垂直應(yīng)力隨深度變化的規(guī)律世界各國(guó)垂直應(yīng)力隨深度變化的規(guī)律垂直應(yīng)力 隨深度線性增加。平均容重約為27KN/m3kPaHv27Hv 三、地應(yīng)力分布的一般規(guī)律三、地應(yīng)力分布的一般規(guī)律3 3）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。國(guó)家名稱國(guó)家名稱平均水平應(yīng)力平均水平應(yīng)力/ /垂直主應(yīng)力垂直主應(yīng)力(%)(%)最大水平應(yīng)力最大水平應(yīng)力垂直主應(yīng)力垂直主應(yīng)力0.81.21.2中國(guó)中國(guó)3232404028282.092.09澳大利亞澳大利亞0 0222278782.952.95加拿大加拿大0 00 01001002.562.56美國(guó)美國(guó)1818414141413.293.29挪威挪威17

18563.56瑞典瑞典0 00 01001004.994.99南非南非4141242435352.502.50前蘇聯(lián)前蘇聯(lián)5151292920204.304.30其他地區(qū)其他地區(qū)37.537.537.537.525251.961.96垂直應(yīng)力平均水平應(yīng)力K3.0100K H5.01500K H4 4）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨深度增加而減小，且）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨深度增加而減小，且趨近于趨近于1 1三、地應(yīng)力分布的一般規(guī)律三、地應(yīng)力分布的一般規(guī)律5 5）最大水平主應(yīng)力和最）最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力也隨深小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系

19、。 三、地應(yīng)力分布的一般規(guī)律三、地應(yīng)力分布的一般規(guī)律6)6)最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強(qiáng)最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性。的方向性。 h,min/h,max，一般為，一般為0.20.8.多數(shù)為多數(shù)為0.40.8實(shí)測(cè)地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)目sh,min/sh,max (%)1.00.750.750.500.500.250.250合計(jì)斯勘的納維亞511467136100北美2222246239100中國(guó)251256248100中國(guó)華北地區(qū)1866122111007 7）地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會(huì)受到地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體）地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還

20、會(huì)受到地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)特征，巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度，地下水等因素的影響，特別是地結(jié)構(gòu)特征，巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度，地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的擾動(dòng)影響最大。形和斷層的擾動(dòng)影響最大。四、地應(yīng)力測(cè)量的基本原理和方法四、地應(yīng)力測(cè)量的基本原理和方法 O x z z x y y zx zy xz xy yx yz 巖體中一點(diǎn)原巖應(yīng)力狀態(tài)示意圖巖體中一點(diǎn)原巖應(yīng)力狀態(tài)示意圖 測(cè)量原始地應(yīng)力就是確定測(cè)量原始地應(yīng)力就是確定存在于擬開(kāi)挖巖體及其周圍區(qū)存在于擬開(kāi)挖巖體及其周圍區(qū)域的未受擾動(dòng)的三維應(yīng)力狀態(tài)，域的未受擾動(dòng)的三維應(yīng)力狀態(tài)，這種測(cè)量通常是通過(guò)一點(diǎn)一點(diǎn)這種測(cè)量通常是通過(guò)一點(diǎn)一點(diǎn)的量測(cè)來(lái)完成的。

21、巖體中一點(diǎn)的量測(cè)來(lái)完成的。巖體中一點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)可由選定坐標(biāo)的三維應(yīng)力狀態(tài)可由選定坐標(biāo)系中的系中的 六個(gè)分量六個(gè)分量 xzyzxyzyx,來(lái)表示。來(lái)表示。測(cè)量方法：測(cè)量方法：1 1）測(cè)量）測(cè)量手段手段的不同劃分：的不同劃分： 構(gòu)造法、變形法、電磁法、地震法、放射性法。構(gòu)造法、變形法、電磁法、地震法、放射性法。2 2）測(cè)量）測(cè)量原理原理的不同劃分：的不同劃分： 應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)變解除法、水壓致應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)變解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、裂法、聲發(fā)射法、X X射線法、重力法射線法、重力法3 3）測(cè)量）測(cè)量基本原理基本原理不同劃分：不同劃分： 四、地

22、應(yīng)力測(cè)量的基本原理和方法四、地應(yīng)力測(cè)量的基本原理和方法直接測(cè)量法：直接測(cè)量法：由測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量和記錄各種應(yīng)力量，并由這些應(yīng)由測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量和記錄各種應(yīng)力量，并由這些應(yīng) 力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過(guò)計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值。力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過(guò)計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值。 間接測(cè)量法：間接測(cè)量法：借助某些傳感元件或某些介質(zhì)，測(cè)量和記錄巖體中借助某些傳感元件或某些介質(zhì)，測(cè)量和記錄巖體中 某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，然后由測(cè)得的間接物某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，然后由測(cè)得的間接物 理量的變化，通過(guò)已知的公式計(jì)算巖體中的應(yīng)力值。理量的變化，通過(guò)已知的公式計(jì)算巖體中的應(yīng)力值。 6.26.2

23、直接測(cè)量法直接測(cè)量法1 1 扁千斤頂法扁千斤頂法2 2 剛性包體應(yīng)力計(jì)法剛性包體應(yīng)力計(jì)法3 3 水壓致裂法水壓致裂法4 4 聲發(fā)射法聲發(fā)射法6.26.2直接測(cè)量法直接測(cè)量法( ( 一、扁千斤頂法一、扁千斤頂法) )示意圖 步驟：步驟：1)1)在準(zhǔn)備測(cè)量地應(yīng)力的巖在準(zhǔn)備測(cè)量地應(yīng)力的巖石表面，安裝兩個(gè)測(cè)量柱石表面，安裝兩個(gè)測(cè)量柱并測(cè)量?jī)芍g的距離并測(cè)量?jī)芍g的距離. .2)2)在與兩柱對(duì)稱的中間位在與兩柱對(duì)稱的中間位置向巖體內(nèi)開(kāi)挖一個(gè)垂直置向巖體內(nèi)開(kāi)挖一個(gè)垂直于測(cè)量柱連線的扁槽，并于測(cè)量柱連線的扁槽，并測(cè)量記錄開(kāi)挖過(guò)程過(guò)程中測(cè)量記錄開(kāi)挖過(guò)程過(guò)程中兩測(cè)量柱之間距離的變化兩測(cè)量柱之間距離的變化.3

24、)3)將扁千斤頂放入槽內(nèi)并加壓，測(cè)量?jī)芍g的距離，直到恢復(fù)到扁將扁千斤頂放入槽內(nèi)并加壓，測(cè)量?jī)芍g的距離，直到恢復(fù)到扁槽開(kāi)挖前的距離，記錄千斤頂壓力；這一壓力稱為槽開(kāi)挖前的距離，記錄千斤頂壓力；這一壓力稱為“平衡壓力平衡壓力”或或“補(bǔ)償應(yīng)力補(bǔ)償應(yīng)力”優(yōu)缺點(diǎn) 從原理上來(lái)講，扁千斤頂法只是從原理上來(lái)講，扁千斤頂法只是一種一維應(yīng)力一種一維應(yīng)力測(cè)量方測(cè)量方法，一個(gè)扁槽的測(cè)量只能確定測(cè)點(diǎn)處垂直于扁千斤頂方向法，一個(gè)扁槽的測(cè)量只能確定測(cè)點(diǎn)處垂直于扁千斤頂方向的應(yīng)力分量。為了確定該測(cè)點(diǎn)的的應(yīng)力分量。為了確定該測(cè)點(diǎn)的六個(gè)應(yīng)力分量六個(gè)應(yīng)力分量就必須在該就必須在該點(diǎn)沿不同方向切割六個(gè)扁槽，這是點(diǎn)沿不同方向切割

25、六個(gè)扁槽，這是不可能實(shí)現(xiàn)不可能實(shí)現(xiàn)的。的。 扁千斤頂測(cè)量只能在巷道、峒室或其他開(kāi)挖體表面附扁千斤頂測(cè)量只能在巷道、峒室或其他開(kāi)挖體表面附近的巖體中進(jìn)行，因而其測(cè)量的是一種受近的巖體中進(jìn)行，因而其測(cè)量的是一種受開(kāi)挖擾動(dòng)的次生開(kāi)挖擾動(dòng)的次生應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)，而，而非原巖應(yīng)力場(chǎng)非原巖應(yīng)力場(chǎng)。同時(shí)，扁千斤頂?shù)臏y(cè)量原理是。同時(shí)，扁千斤頂?shù)臏y(cè)量原理是基于巖石為基于巖石為完全線彈性完全線彈性的假設(shè)，對(duì)于非線性巖體，其加載的假設(shè)，對(duì)于非線性巖體，其加載和卸載路徑的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是不同的，由扁千斤頂測(cè)得的和卸載路徑的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是不同的，由扁千斤頂測(cè)得的平衡應(yīng)力并不等于扁槽開(kāi)挖前巖體中的應(yīng)力。平衡應(yīng)力并不等于扁槽開(kāi)挖

26、前巖體中的應(yīng)力。 6.2直接測(cè)量法( ( 一、扁千斤頂法一、扁千斤頂法) )6.26.2直接測(cè)量法直接測(cè)量法( ( 二、剛性包體應(yīng)力計(jì)法二、剛性包體應(yīng)力計(jì)法) )優(yōu)缺點(diǎn) 剛性包體應(yīng)力計(jì)具有很高的穩(wěn)定性，因而可用于對(duì)剛性包體應(yīng)力計(jì)具有很高的穩(wěn)定性，因而可用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力變化進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。然而通常只能測(cè)量垂直于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力變化進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。然而通常只能測(cè)量垂直于鉆孔平面的單向或雙向應(yīng)力變化情況，而不能用于測(cè)量鉆孔平面的單向或雙向應(yīng)力變化情況，而不能用于測(cè)量原巖應(yīng)力。除鋼弦應(yīng)力計(jì)外，其他各種剛性包體應(yīng)力計(jì)原巖應(yīng)力。除鋼弦應(yīng)力計(jì)外，其他各種剛性包體應(yīng)力計(jì)的靈敏度均較低，故的靈敏度均較低，故2020世紀(jì)世紀(jì)8

27、080年代之前已被逐步淘汰。年代之前已被逐步淘汰。鋼弦應(yīng)力計(jì)目前仍在一些國(guó)家特別是美國(guó)得到較為廣泛鋼弦應(yīng)力計(jì)目前仍在一些國(guó)家特別是美國(guó)得到較為廣泛的應(yīng)用。的應(yīng)用。6.26.2直接測(cè)量法直接測(cè)量法( (三、水壓致裂法三、水壓致裂法) )原理 從彈性力學(xué)理論可知，當(dāng)一個(gè)位于無(wú)限體中的鉆孔從彈性力學(xué)理論可知，當(dāng)一個(gè)位于無(wú)限體中的鉆孔受到無(wú)窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場(chǎng)受到無(wú)窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場(chǎng)( ( ， ) )的作用時(shí)，離開(kāi)鉆孔端的作用時(shí)，離開(kāi)鉆孔端部一定距離的部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)。在這些部位，鉆孔部一定距離的部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)。在這些部位，鉆孔周邊的應(yīng)力為周邊的應(yīng)力為式中，式中， 和和 分別為鉆孔周邊的切向應(yīng)力和

28、徑向應(yīng)力；分別為鉆孔周邊的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力； 為周邊一點(diǎn)與為周邊一點(diǎn)與 軸的夾角。軸的夾角。 當(dāng)當(dāng) 0 0時(shí)，時(shí)， 取得極小值，此時(shí)取得極小值，此時(shí) 122cos)(221210rr11236.26.2直接測(cè)量法直接測(cè)量法( (三、水壓致裂法三、水壓致裂法) )原理如果采用圖所示的水壓致裂如果采用圖所示的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來(lái)，系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來(lái)，并向該段鉆孔注入高壓水，并向該段鉆孔注入高壓水，當(dāng)水壓超過(guò)當(dāng)水壓超過(guò) 和巖石和巖石抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度T T之和后，在之和后，在 0 0處，也即所在方位將發(fā)生孔處，也即所在方位將發(fā)生孔壁開(kāi)裂。設(shè)鉆孔壁發(fā)生初始壁開(kāi)裂。設(shè)鉆孔壁發(fā)生初始開(kāi)裂時(shí)的

29、水壓為開(kāi)裂時(shí)的水壓為 ，則有，則有123iPTPi123P3水壓致裂應(yīng)力測(cè)量原理6.26.2直接測(cè)量法直接測(cè)量法( (三、水壓致裂法三、水壓致裂法) )原理如果繼續(xù)向封隔段注入高壓如果繼續(xù)向封隔段注入高壓水，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)水，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂隙深度達(dá)到裂隙深度達(dá)到3 3倍鉆孔直徑時(shí)，倍鉆孔直徑時(shí)，此處已接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，此處已接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定，停止加壓，保持壓力恒定，將該恒定壓力記為將該恒定壓力記為P Ps s,P,Ps s應(yīng)和應(yīng)和原巖應(yīng)力相平衡，原巖應(yīng)力相平衡， 即即 P3水壓致裂應(yīng)力測(cè)量原理2sP6.26.2直接測(cè)量法直接測(cè)量法( (三、水壓致裂法三、水

30、壓致裂法) )原理在鉆孔中存在裂隙水的情況在鉆孔中存在裂隙水的情況下，如封隔段處的裂隙水壓下，如封隔段處的裂隙水壓力為力為P P0 0 , ,則則P3水壓致裂應(yīng)力測(cè)量原理0123PTPi在初始裂隙產(chǎn)生后，將水在初始裂隙產(chǎn)生后，將水壓卸除，使裂隙閉合，然壓卸除，使裂隙閉合，然后再重新向封隔段加壓，后再重新向封隔段加壓，使裂隙重新打開(kāi)，記裂隙使裂隙重新打開(kāi)，記裂隙重開(kāi)時(shí)的壓力為重開(kāi)時(shí)的壓力為P Pr r，則有，則有 0123PPr6.26.2直接測(cè)量法直接測(cè)量法( (三、水壓致裂法三、水壓致裂法) )原理由以上兩式求由以上兩式求 和和 就無(wú)須就無(wú)須知道巖石的抗拉強(qiáng)度。因此，知道巖石的抗拉強(qiáng)度。因此

31、，由水壓致裂法測(cè)量原巖應(yīng)力由水壓致裂法測(cè)量原巖應(yīng)力將不涉及巖石的物理力學(xué)性將不涉及巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，而完全由測(cè)量和記錄的質(zhì)，而完全由測(cè)量和記錄的壓力值來(lái)決定。壓力值來(lái)決定。 P3水壓致裂應(yīng)力測(cè)量原理0123PPr2sP126.26.2直接測(cè)量法直接測(cè)量法( (三、水壓致裂法三、水壓致裂法) )測(cè)量步驟 1 1）打鉆孔到準(zhǔn)備測(cè)量應(yīng)力的部位，井將鉆）打鉆孔到準(zhǔn)備測(cè)量應(yīng)力的部位，井將鉆孔中待加壓段用封隔器密封起來(lái)，鉆孔直徑孔中待加壓段用封隔器密封起來(lái)，鉆孔直徑與所選用的封隔器的直徑相一致。封隔器一與所選用的封隔器的直徑相一致。封隔器一般是充壓膨脹式的，充壓可用液體，也可用般是充壓膨脹式的，充壓可用

32、液體，也可用氣體。氣體。 2 2）向二個(gè)封隔器的隔離段注射高壓水，不）向二個(gè)封隔器的隔離段注射高壓水，不斷加大水壓，直至孔壁出現(xiàn)開(kāi)裂，獲得初始斷加大水壓，直至孔壁出現(xiàn)開(kāi)裂，獲得初始開(kāi)裂壓力開(kāi)裂壓力Pi ；然后繼續(xù)施加水壓以擴(kuò)張裂；然后繼續(xù)施加水壓以擴(kuò)張裂隙，當(dāng)裂隙擴(kuò)張至隙，當(dāng)裂隙擴(kuò)張至3 3倍直徑深度時(shí)，關(guān)閉高倍直徑深度時(shí)，關(guān)閉高水壓系統(tǒng)，保持水壓恒定，此時(shí)的應(yīng)力稱為水壓系統(tǒng)，保持水壓恒定，此時(shí)的應(yīng)力稱為關(guān)閉壓力，記為關(guān)閉壓力，記為Ps ；最后卸壓，使裂隙閉；最后卸壓，使裂隙閉合。在整個(gè)加壓過(guò)程中，同時(shí)記錄壓力合。在整個(gè)加壓過(guò)程中，同時(shí)記錄壓力- -時(shí)時(shí)間曲線圖和流量間曲線圖和流量- -時(shí)間曲

33、線圖，確定時(shí)間曲線圖，確定Pi ， Ps值。值。6.26.2直接測(cè)量法直接測(cè)量法( (三、水壓致裂法三、水壓致裂法) )測(cè)量步驟 3 3）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開(kāi)并記下裂隙重開(kāi)時(shí)的壓力打開(kāi)并記下裂隙重開(kāi)時(shí)的壓力P Pr r和隨后的恒和隨后的恒定關(guān)閉壓力定關(guān)閉壓力P Ps s。這種卸壓。這種卸壓- -重新加壓的過(guò)程重新加壓的過(guò)程重復(fù)重復(fù)2 23 3次，以提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。次，以提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。P Pr r和和P Ps s同樣由壓力同樣由壓力- -時(shí)間曲線和流量時(shí)間曲線和流量- -時(shí)間曲線時(shí)間曲線確定。確定。4 4）將封隔器完全卸壓，連同

34、加壓管等全部）將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設(shè)備從鉆孔中取出。設(shè)備從鉆孔中取出。5 5）測(cè)量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗(yàn)段天然節(jié)）測(cè)量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗(yàn)段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小，測(cè)量可以采理、裂隙的位置、方向和大小，測(cè)量可以采用井下攝影機(jī)、井下電視、井下光學(xué)望遠(yuǎn)鏡用井下攝影機(jī)、井下電視、井下光學(xué)望遠(yuǎn)鏡或印模器?；蛴∧Ｆ?。 6.26.2直接測(cè)量法直接測(cè)量法( (三、水壓致裂法三、水壓致裂法) )優(yōu)缺點(diǎn) 水壓致裂測(cè)量結(jié)果只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大主應(yīng)力和最水壓致裂測(cè)量結(jié)果只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的大小和方向，所以從原理上講，它是一種小主應(yīng)力的大小和方向，所以從原理上講，它是一種二維應(yīng)力測(cè)量方二維應(yīng)力測(cè)量方法法。 水壓致裂法認(rèn)為初始開(kāi)裂發(fā)生在水壓致裂法認(rèn)為初始開(kāi)裂發(fā)生在鉆孔壁切向應(yīng)力最小鉆孔壁切向應(yīng)力最小的部位，亦的部位，亦即平行于最大主應(yīng)力的方向，這是基于巖石為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性即平行于最大主應(yīng)力的方向，這是基于巖石為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的假設(shè)。水壓致裂法較為適用于的假設(shè)。水壓致裂法較為適用于完整的脆性