巖體力學05-地應力及其測量.

1、第五章第五章 地應力及其測量地應力及其測量 一、地應力的概念及研究意義地應力的概念及研究意義 二、地應力成因及分布的一般規(guī)律二、地應力成因及分布的一般規(guī)律 三、地應力測量的基本原理及方法三、地應力測量的基本原理及方法一、地應力的概念一、地應力的概念1 1、地應力地應力( (又稱為天然應力、初始應力、一次應力又稱為天然應力、初始應力、一次應力等）：人類工程活動之前存在于巖體中的應力。等）：人類工程活動之前存在于巖體中的應力。2 2、重分布應力重分布應力（又稱二次分布應力、附加應力等）（又稱二次分布應力、附加應力等）由于工程活動改變了的巖體中的應力。由于工程活動改變了的巖體中的應力。 重分布應力重

2、分布應力+ + + + + +天然應力天然應力 相對于第相對于第2洞洞室的天然應力室的天然應力二、地應力的研究意義二、地應力的研究意義1 1、天然應力是引起巖土工程變形和破壞的根本作、天然應力是引起巖土工程變形和破壞的根本作用力用力，其地位相當于工程習慣中所理解的外部荷，其地位相當于工程習慣中所理解的外部荷載，但又與材料力學、彈性力學中泛指的外荷載載，但又與材料力學、彈性力學中泛指的外荷載又有不同。地下工程是在原巖應力作用下開挖的，又有不同。地下工程是在原巖應力作用下開挖的，即地下工程是先受力、后開挖，并且地應力從開即地下工程是先受力、后開挖，并且地應力從開挖前到最終一直對圍巖起作用。挖前到最

3、終一直對圍巖起作用。2 2、原巖應力是涉及地殼問題各個學科領域最基礎性的原始資、原巖應力是涉及地殼問題各個學科領域最基礎性的原始資料。料。 1 1）在地球物理領域，科學家們匯集了全球陸地與海底大量）在地球物理領域，科學家們匯集了全球陸地與海底大量的地應力測量資料，編制了地殼應力分布圖，并用于建立地的地應力測量資料，編制了地殼應力分布圖，并用于建立地殼構造模型和研究地殼運動規(guī)律，這項工程促進了地球動力殼構造模型和研究地殼運動規(guī)律，這項工程促進了地球動力學，包括地震機制研究的發(fā)展。學，包括地震機制研究的發(fā)展。 2 2）在采礦工程領域，原巖應力的大小和方向是井巷斷面形）在采礦工程領域，原巖應力的大小

4、和方向是井巷斷面形狀優(yōu)化設計、方位的合理選擇以及井巷支護、采場礦山壓力狀優(yōu)化設計、方位的合理選擇以及井巷支護、采場礦山壓力控制的最主要依據(jù)之一?？刂频淖钪饕罁?jù)之一。 3 3）在其它領域，如水利水電壩基選擇和大壩穩(wěn)定性，石油）在其它領域，如水利水電壩基選擇和大壩穩(wěn)定性，石油鉆孔孔壁穩(wěn)定性和增加采油率的裂井工程，核廢料處理中防鉆孔孔壁穩(wěn)定性和增加采油率的裂井工程，核廢料處理中防止泄露和污染、地熱利用工程以及地質(zhì)災害防治工程等等，止泄露和污染、地熱利用工程以及地質(zhì)災害防治工程等等，都要用到地應力這個基本參數(shù)。都要用到地應力這個基本參數(shù)。3 3、在巖土工程的數(shù)值分析方法如有限元法等、在巖土工程的數(shù)值

5、分析方法如有限元法等中地應力的大小和方向也是最原始的輸入?yún)⒅械貞Φ拇笮『头较蛞彩亲钤嫉妮斎雲(yún)?shù)數(shù)。沒有可靠正確的地應力資料，任何數(shù)值。沒有可靠正確的地應力資料，任何數(shù)值分析便沒有意義。分析便沒有意義。因此，地應力是確定工程巖體力學屬性、進因此，地應力是確定工程巖體力學屬性、進行工程巖體的穩(wěn)定性分析、實現(xiàn)巖體工程設行工程巖體的穩(wěn)定性分析、實現(xiàn)巖體工程設計和決策科學化的前提。計和決策科學化的前提。三、地應力的研究歷史三、地應力的研究歷史1 1、國際、國際l18781878年海姆提出天然應力；年海姆提出天然應力；l19321932年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成功年，在美國胡佛水壩下的隧道中

6、，首次成功地測定了巖體中的天然應力；地測定了巖體中的天然應力；l到目前天然應力測點遍布全球，有幾十萬個測點。到目前天然應力測點遍布全球，有幾十萬個測點。大部分是淺部，最深大部分是淺部，最深51085108米（美國密西根水壓致米（美國密西根水壓致裂法）。裂法）。2 2、國內(nèi)、國內(nèi)l5050年代末開始天然應力量測，有幾萬個測點，最年代末開始天然應力量測，有幾萬個測點，最深的有深的有39583958米（天津大港）。米（天津大港）。 一、地應力的概念及研究意義地應力的概念及研究意義 二、地應力成因及分布的一般規(guī)律二、地應力成因及分布的一般規(guī)律 三、地應力測量的基本原理及方法三、地應力測量的基本原理及方

7、法一、地應力的成因一、地應力的成因1 1、組成、組成： 巖體自重巖體自重自重應力自重應力 構造運動構造運動構造應力構造應力流體作用流體作用滲流應力滲流應力 地溫梯度地溫梯度溫度應力溫度應力其它其它（地球化學作用等）（地球化學作用等）2 2、構造應力起源、構造應力起源：地幔熱對流地幔熱對流板塊運動板塊運動 地球自轉速度變化地球自轉速度變化地質(zhì)力學地質(zhì)力學)(zhgpw VhhVgh 121)(003. 0MPazT 西南西南：印度板塊向：印度板塊向NNENNE擠擠壓（壓（5mm/a5mm/a）東東：太平洋板塊向：太平洋板塊向WW俯沖俯沖（1cm/a1cm/a）南南：菲律賓板塊向：菲律賓板塊向N

8、N俯沖俯沖北北：西伯利亞板塊阻擋：西伯利亞板塊阻擋 1 1跡線跡線：N-NE-SSEN-NE-SSEv中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠壓，形成了中國大陸巖體中的天然應力。壓，形成了中國大陸巖體中的天然應力。1 1地應力一般是三軸壓應力狀態(tài)地應力一般是三軸壓應力狀態(tài)，且為以水平，且為以水平應力為主的應力為主的三軸三軸不等不等壓應力壓應力場場幾乎所有地區(qū)均有兩個主應力位于水平或幾乎所有地區(qū)均有兩個主應力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，其與水平面之間的夾接近水平的平面內(nèi)，其與水平面之間的夾角一般不大于角一般不大于3030 。水平天然應力以壓應力為主，僅在一些裂

9、水平天然應力以壓應力為主，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應力，且是以一向壓，谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應力，且是以一向壓，一向拉多見。另外在地表卸荷帶影響區(qū)，一向拉多見。另外在地表卸荷帶影響區(qū)，也可能出現(xiàn)水平應力為拉應力的現(xiàn)象。也可能出現(xiàn)水平應力為拉應力的現(xiàn)象。二、巖體天然應力的分布特征二、巖體天然應力的分布特征2 2地應力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應力場地應力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應力場地應力地應力的三個主應力的大小和方向隨著空間和時間的的三個主應力的大小和方向隨著空間和時間的變化而變化，因而是非穩(wěn)定場。變化而變化，因而是非穩(wěn)定場。在空間上，從小范圍來看，其變化是很明顯的，相距在空間上，從小范

10、圍來看，其變化是很明顯的，相距數(shù)十米，應力的大小和方向可能不同。但就整個區(qū)域數(shù)十米，應力的大小和方向可能不同。但就整個區(qū)域而言地應力的變化是不大的。因此，地應力具有區(qū)域而言地應力的變化是不大的。因此，地應力具有區(qū)域性的特點。性的特點。地殼活動強烈的地區(qū)，地應力大小和方向隨時間變化地殼活動強烈的地區(qū)，地應力大小和方向隨時間變化明顯。地震前應力積累，應力值不斷升高；地震時應明顯。地震前應力積累，應力值不斷升高；地震時應力釋放，應力值突然大幅下降。主應力方向在地震時力釋放，應力值突然大幅下降。主應力方向在地震時會發(fā)生明顯的改變，在震后一段時間又會恢復到震前會發(fā)生明顯的改變，在震后一段時間又會恢復到震

11、前狀態(tài)。狀態(tài)。以東經(jīng)以東經(jīng)100100105105o o為界分東西兩區(qū)。為界分東西兩區(qū)。q 強度上：西強東弱（西高東低）強度上：西強東弱（西高東低）q 方向上：西：方向上：西： NNE-SSWNNE-SSW為主，東：近為主，東：近E-WE-W。3 3實測垂直應力實測垂直應力 V基基本上等于上覆巖層的本上等于上覆巖層的重量重量對全世界實測垂對全世界實測垂直應力資料的統(tǒng)直應力資料的統(tǒng)計分析，在深度計分析，在深度252700m252700m的范圍的范圍內(nèi)，垂直應力呈內(nèi)，垂直應力呈線性增長，大致線性增長，大致相當于按平均重相當于按平均重度度27kN/m27kN/m3 3計算計算的應力值的應力值 H H

12、。4 4水平應力水平應力 h普遍大于垂直應力普遍大于垂直應力 V最大水平主應力普遍大于垂直主應力，兩者之最大水平主應力普遍大于垂直主應力，兩者之比一般為比一般為0.55.50.55.5，多數(shù)情況下大于，多數(shù)情況下大于2 2；平均水平；平均水平主應力（最大水平主應力與最小水平主應力的主應力（最大水平主應力與最小水平主應力的平均值）與垂直主應力的比值一般為平均值）與垂直主應力的比值一般為0.550.55，大，大多數(shù)為多數(shù)為0.81.50.81.5。地殼中水平主應力普遍大于垂直主應力。地殼中水平主應力普遍大于垂直主應力。垂直主應力多數(shù)情況下為最小主應力，少數(shù)情垂直主應力多數(shù)情況下為最小主應力，少數(shù)情

13、況為中間主應力，個別情況為最大主應力。況為中間主應力，個別情況為最大主應力。說明水平構造運動如板塊移動碰撞控制著地殼說明水平構造運動如板塊移動碰撞控制著地殼淺部應力的形成與分布。淺部應力的形成與分布。5 5、平均水平應力與垂直應力的、平均水平應力與垂直應力的比值比值（平均側壓力系數(shù)平均側壓力系數(shù)） 隨深隨深度的增加而減小度的增加而減小實測資料表明，在深度實測資料表明，在深度不大時，不大時， 相當分散，相當分散，但隨著深度的增加，該但隨著深度的增加，該值的變化范圍逐步縮小，值的變化范圍逐步縮小，并趨于并趨于1 1，表明在地殼深，表明在地殼深度有可能出現(xiàn)靜水壓力度有可能出現(xiàn)靜水壓力狀態(tài)。狀態(tài)。 與

14、深度與深度z z的關系為：的關系為： zz15005 . 01003 . 0 6 6水平應力隨深度呈線性增長水平應力隨深度呈線性增長斯蒂芬森等根據(jù)實測結果給出了芬諾斯堪斯蒂芬森等根據(jù)實測結果給出了芬諾斯堪的亞古陸最大水平主應力、最小水平主應的亞古陸最大水平主應力、最小水平主應力隨深度力隨深度z( z(單位單位m)m)變化的線性關系為：變化的線性關系為：)(0329. 08 . 0)(0444. 07 . 6min,max,MPazMPazhh 7 7最大水平主應力和最小主應力值一般相差較大，最大水平主應力和最小主應力值一般相差較大，顯示出很強的各向異性顯示出很強的各向異性最小水平主應力與最大水

15、平主應力之比一最小水平主應力與最大水平主應力之比一般為般為0.20.80.20.8，多數(shù)是，多數(shù)是0.40.80.40.8各向異性的原因：構造運動的方向性；巖各向異性的原因：構造運動的方向性；巖體的各向異性體的各向異性8 8地應力受地形、地表剝蝕、風化、巖體結構特地應力受地形、地表剝蝕、風化、巖體結構特征、巖體力學性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，征、巖體力學性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的影響很大特別是地形和斷層的影響很大在具有負地形的峽谷地區(qū)或山區(qū)，地形對侵在具有負地形的峽谷地區(qū)或山區(qū)，地形對侵蝕基準面以上及以下一定范圍內(nèi)表現(xiàn)特別明蝕基準面以上及以下一定范圍內(nèi)表現(xiàn)特別明顯。

16、谷地是應力集中的部位，越靠近谷地應顯。谷地是應力集中的部位，越靠近谷地應力集中越明顯。最大主應力在谷地或河床中力集中越明顯。最大主應力在谷地或河床中心近于水平，而在岸坡則向谷底或河床傾斜，心近于水平，而在岸坡則向谷底或河床傾斜，并大致與坡面平行。并大致與坡面平行。在斷層和結構面附近，地應力分布受到明顯在斷層和結構面附近，地應力分布受到明顯擾動，斷層端部、拐角處及交匯處出現(xiàn)應力擾動，斷層端部、拐角處及交匯處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。集中現(xiàn)象。第六章第六章 地應力及其測量地應力及其測量 一、地應力的概念及研究意義地應力的概念及研究意義 二、地應力成因及分布的一般規(guī)律二、地應力成因及分布的一般規(guī)律 三、地應

17、力測量的基本原理及方法三、地應力測量的基本原理及方法自重應力理論自重應力理論地震震源機制解地震震源機制解地變形量測地變形量測天然應力測量天然應力測量大地水準測量大地水準測量三角網(wǎng)測量三角網(wǎng)測量GPS測量測量地應地應力確力確定定方方法法 VhhVgz121zhA一、根據(jù)自重應力理論確定巖體中的天然應力一、根據(jù)自重應力理論確定巖體中的天然應力適用于：地質(zhì)構造簡單、地層平緩、當?shù)厍治g基適用于：地質(zhì)構造簡單、地層平緩、當?shù)厍治g基準面穩(wěn)定準面穩(wěn)定1 1、均質(zhì)各向同性巖體、均質(zhì)各向同性巖體VhhniiiVEEgz|2111hA11z22z33ziiz2 2、水平層狀巖體、水平層狀巖體3 3、垂直層狀巖體、

18、垂直層狀巖體VhVhVEEgz112|1hAz二、天然應力的量測二、天然應力的量測天天然然應應力力的的量量測測方方法法水壓致裂法水壓致裂法應力恢復法（扁千斤頂法）應力恢復法（扁千斤頂法）套芯應力解除法套芯應力解除法光彈法光彈法聲發(fā)射法聲發(fā)射法X射線法射線法AAmaxhminh1 1、水壓致裂法、水壓致裂法tpc1pS pc2p0水壓力隨時間的變化曲線水壓力隨時間的變化曲線tpc1pS pc2p0假設：假設： 天然應力為水平應力場，其鉛直應力天然應力為水平應力場，其鉛直應力 v v= = gzgz假設在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體中假設在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體中 的的一個小圓孔。作

19、用應力為一個小圓孔。作用應力為 h,maxh,max、 h,minh,min，根據(jù)彈性，根據(jù)彈性理論中的柯西解，未加水壓力時，理論中的柯西解，未加水壓力時，A A點的應力為：點的應力為： A A=3=3 h,minh,min- - h,maxh,max在水壓力作用下，孔壁產(chǎn)生拉裂破壞的條件為在水壓力作用下，孔壁產(chǎn)生拉裂破壞的條件為: : AAmaxhminh1maxmin3cthhp維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為 聯(lián)立上兩式有聯(lián)立上兩式有而：而：因此，可得測點的天然應力為因此，可得測點的天然應力為 21cctpp shp min 2max3cshpp mi

20、nhsp shp min 1max3ctshpp shp min 2max3cthpp gzv 據(jù)巖體破裂方向確定：破裂平行于據(jù)巖體破裂方向確定：破裂平行于 ，垂直，垂直于于 ，破裂方向由壓痕、井下電視等確定。，破裂方向由壓痕、井下電視等確定。maxhminh優(yōu)點：優(yōu)點： 測深大，測深大，z z可達數(shù)百米，目前最深達可達數(shù)百米，目前最深達51085108米；施米；施工技術簡單，不需要應力計等儀器。工技術簡單，不需要應力計等儀器。應力方向：應力方向：千斤頂千斤頂油泵油泵時間千斤頂壓力 pc測點分離值 d0 d步驟：步驟：在巖壁上選擇測點，固定在巖壁上選擇測點，固定A A、B B兩點。兩點。d15

21、cmd15cm；刻槽應力釋放、變形，刻槽應力釋放、變形，d d0 0 d; d;安裝扁千斤頂安裝扁千斤頂; ;加壓應力恢復加壓應力恢復d d d d0 0，到，到d=dd=d0 0時的千斤頂壓力時的千斤頂壓力即為即為 ；R 2 2、應力恢復法（扁千斤頂法）、應力恢復法（扁千斤頂法）重復重復 測量另一個方向的測量另一個方向的 WW ；計算天然應力：假定天然應力為水平應力場，計算天然應力：假定天然應力為水平應力場，當測得側壁應力當測得側壁應力 R R和底板應力和底板應力 WW 時，則有時，則有: :RwhRwv83818183vRWh3 3、鉆孔套芯應力解除法、鉆孔套芯應力解除法基本原理基本原理+ + + + + +vh1h2h儀器儀器h套芯解除套芯解除鉆孔鉆孔同心套鉆同心套鉆放放應變計應變計應力解除應力解除應力計算應力計算位移恢復位移恢復設天然應力為水平應力場設天然應力為水平應力場cubuau113x4545 2cos23131 maERu 2cos(2)(2sin)31(2)31(2cos)31(2)31(cos)180cos(,sin)90cos()90(2cos(2)()45(2cos(2)(2cos(2)()