地應(yīng)力的工程地質(zhì)研究.

1、第三章第三章 地應(yīng)力的工程地質(zhì)研究地應(yīng)力的工程地質(zhì)研究主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：第一節(jié)第一節(jié) 地應(yīng)力的種類地應(yīng)力的種類第二節(jié)第二節(jié) 地應(yīng)力場的分布和變化規(guī)律地應(yīng)力場的分布和變化規(guī)律第三節(jié)第三節(jié) 地應(yīng)力研究的工程意義地應(yīng)力研究的工程意義第四節(jié)第四節(jié) 地應(yīng)力工程地質(zhì)研究的內(nèi)容和方法地應(yīng)力工程地質(zhì)研究的內(nèi)容和方法第一節(jié)第一節(jié) 地應(yīng)力的種類地應(yīng)力的種類 1 1、基本概念、基本概念 地應(yīng)力：地應(yīng)力：地殼巖體內(nèi)在天然狀態(tài)條件下所具有的內(nèi)應(yīng)力。地殼巖體內(nèi)在天然狀態(tài)條件下所具有的內(nèi)應(yīng)力。 地殼巖體內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)，是指未經(jīng)人為擾動的，主地殼巖體內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)，是指未經(jīng)人為擾動的，主要是在重力場和構(gòu)造應(yīng)力場的綜合作

2、用下，有時也在巖體的要是在重力場和構(gòu)造應(yīng)力場的綜合作用下，有時也在巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿侵入等的作用下所形成的應(yīng)力狀態(tài)，物理、化學(xué)變化及巖漿侵入等的作用下所形成的應(yīng)力狀態(tài)，常稱為常稱為天然應(yīng)力或初始應(yīng)力。天然應(yīng)力或初始應(yīng)力。 人類從事工程活動，在巖體天然應(yīng)力場內(nèi)，因挖除部分人類從事工程活動，在巖體天然應(yīng)力場內(nèi)，因挖除部分巖體或增加結(jié)構(gòu)面而引起的應(yīng)力，稱為巖體或增加結(jié)構(gòu)面而引起的應(yīng)力，稱為感生應(yīng)力或次生應(yīng)力。感生應(yīng)力或次生應(yīng)力。 地應(yīng)力場地應(yīng)力場: :地殼內(nèi)各點的應(yīng)力狀態(tài)在空間分布的總合稱地殼內(nèi)各點的應(yīng)力狀態(tài)在空間分布的總合稱為為地應(yīng)力場地應(yīng)力場。 2、地應(yīng)力分類 自重應(yīng)力：自重應(yīng)力：在重力

3、場作用下生成的應(yīng)力為自重應(yīng)力。在地表近水平的情況下，重在重力場作用下生成的應(yīng)力為自重應(yīng)力。在地表近水平的情況下，重力場在巖體內(nèi)的某一任意類形成相當(dāng)于上覆巖層重量的垂直正應(yīng)力力場在巖體內(nèi)的某一任意類形成相當(dāng)于上覆巖層重量的垂直正應(yīng)力v v。由于泊松效應(yīng)（即側(cè)向膨脹）造成水平正應(yīng)力由于泊松效應(yīng)（即側(cè)向膨脹）造成水平正應(yīng)力h h，相當(dāng)于三向應(yīng)力，相當(dāng)于三向應(yīng)力中的最小應(yīng)力：中的最小應(yīng)力： 構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力地殼運動在巖體內(nèi)形成的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力又可稱為活動地殼運動在巖體內(nèi)形成的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力又可稱為活動構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力和和剩余構(gòu)造應(yīng)力剩余構(gòu)造應(yīng)力。 活動構(gòu)造應(yīng)力活動構(gòu)造應(yīng)力，即狹

4、義的地應(yīng)力，是地殼內(nèi)現(xiàn)在正在積累的能夠?qū)Ъ椽M義的地應(yīng)力，是地殼內(nèi)現(xiàn)在正在積累的能夠?qū)е聨r石變形和破裂的應(yīng)力。致巖石變形和破裂的應(yīng)力。剩余的構(gòu)造應(yīng)力剩余的構(gòu)造應(yīng)力是古構(gòu)造運動殘留下來的應(yīng)力是古構(gòu)造運動殘留下來的應(yīng)力。 剩余應(yīng)力剩余應(yīng)力 剩余應(yīng)力：承載巖體遭受卸荷或部分卸荷時，巖體中某些組剩余應(yīng)力：承載巖體遭受卸荷或部分卸荷時，巖體中某些組分的膨脹回彈趨勢部分地受到其他組分的約束，于是就在巖體分的膨脹回彈趨勢部分地受到其他組分的約束，于是就在巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成殘余的拉、壓應(yīng)力自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，此即剩余結(jié)構(gòu)內(nèi)形成殘余的拉、壓應(yīng)力自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，此即剩余應(yīng)力。應(yīng)力。 變異應(yīng)力變異應(yīng)力 變異應(yīng)力：巖體

5、的物理、化學(xué)變化及巖漿的侵入等引變異應(yīng)力：巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿的侵入等引起的應(yīng)力。具體來說是巖體的物理狀態(tài)、化學(xué)性質(zhì)或賦存條件起的應(yīng)力。具體來說是巖體的物理狀態(tài)、化學(xué)性質(zhì)或賦存條件的變化引起的，通常只具有局部意義，可統(tǒng)稱為變異應(yīng)力。的變化引起的，通常只具有局部意義，可統(tǒng)稱為變異應(yīng)力。第二節(jié) 地應(yīng)力場的分布和變化規(guī)律 1、垂直應(yīng)力的分布垂直應(yīng)力的分布 世界各地實測應(yīng)力資料的統(tǒng)計表明，不同地區(qū)地殼表世界各地實測應(yīng)力資料的統(tǒng)計表明，不同地區(qū)地殼表層巖體垂直應(yīng)力隨深度的分布，通常有如下關(guān)系：層巖體垂直應(yīng)力隨深度的分布，通常有如下關(guān)系： v =A+ h （ 大體相當(dāng)于巖體的平均容重，大體相當(dāng)于巖體

6、的平均容重，A為常數(shù)）為常數(shù)） 我國地殼表層巖體內(nèi)垂直應(yīng)力隨深度的分布也大體上我國地殼表層巖體內(nèi)垂直應(yīng)力隨深度的分布也大體上與國外統(tǒng)計結(jié)果相一致。與國外統(tǒng)計結(jié)果相一致。 地表表層巖體內(nèi)的垂直應(yīng)力成分主要由上覆巖層自地表表層巖體內(nèi)的垂直應(yīng)力成分主要由上覆巖層自重所引起，即隨深度而線性增大，且其增長率相當(dāng)于巖體重所引起，即隨深度而線性增大，且其增長率相當(dāng)于巖體的平均容重；的平均容重； 大多數(shù)地區(qū)，在遭受區(qū)域性剝蝕的過程中，由于垂向大多數(shù)地區(qū)，在遭受區(qū)域性剝蝕的過程中，由于垂向卸荷不徹底而保存一部分剩余自重應(yīng)力，公式中常數(shù)項的卸荷不徹底而保存一部分剩余自重應(yīng)力，公式中常數(shù)項的存在就表明了這一點。存在

7、就表明了這一點。 2、水平應(yīng)力的分布水平應(yīng)力的分布 平均水平應(yīng)力隨深度而增大，并可區(qū)分三種情況：平均水平應(yīng)力隨深度而增大，并可區(qū)分三種情況： a. a. h h v v 分布較為普遍，分布較為普遍， 1 1 、3 3 水平或垂水平或垂直，直，N1N1或或1 1 （地殼深部）；（地殼深部）； 3、最大主壓應(yīng)力方向 各地最大主應(yīng)力的發(fā)育呈明顯的規(guī)律性。各地最大主應(yīng)力的發(fā)育呈明顯的規(guī)律性。 各地的各地的1 1方向均與由各該點向我國的察隅和巴基斯方向均與由各該點向我國的察隅和巴基斯坦的伊斯蘭堡聯(lián)線所構(gòu)成的夾角等分線方向相吻合或相坦的伊斯蘭堡聯(lián)線所構(gòu)成的夾角等分線方向相吻合或相近似，僅在兩側(cè)邊緣地帶略有

8、偏轉(zhuǎn)，即東側(cè)向順時針偏近似，僅在兩側(cè)邊緣地帶略有偏轉(zhuǎn)，即東側(cè)向順時針偏轉(zhuǎn)，西側(cè)向逆時針偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)，西側(cè)向逆時針偏轉(zhuǎn)。 第三節(jié) 地應(yīng)力研究的工程意義 地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)與人類的工程活動關(guān)系極地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)與人類的工程活動關(guān)系極大，它不僅是決定區(qū)域穩(wěn)定性的重要因素，而且往往對大，它不僅是決定區(qū)域穩(wěn)定性的重要因素，而且往往對各類建筑物的設(shè)計和施工造成直接的影響。實踐表明，各類建筑物的設(shè)計和施工造成直接的影響。實踐表明，在高應(yīng)力區(qū)，地表、地下工程施工期間所進行的巖體開在高應(yīng)力區(qū)，地表、地下工程施工期間所進行的巖體開挖工作，往往能在巖體內(nèi)引起一系列與卸荷回彈和應(yīng)力挖工作，往往能在巖體內(nèi)引起一系

9、列與卸荷回彈和應(yīng)力釋放相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象，其結(jié)果是不僅會惡化地釋放相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象，其結(jié)果是不僅會惡化地基或邊坡巖體的工程地質(zhì)條件，而且作用的本身有時也基或邊坡巖體的工程地質(zhì)條件，而且作用的本身有時也會對建筑物造成直接的危害。會對建筑物造成直接的危害。 地殼開挖導(dǎo)致的巖體變形和破壞主要有地殼開挖導(dǎo)致的巖體變形和破壞主要有以下幾種類型：以下幾種類型： 基坑底部的隆起、破壞?；拥撞康穆∑?、破壞。 基坑邊坡的剪切滑移?；舆吰碌募羟谢?。 邊坡的傾倒變形。邊坡的傾倒變形。 引起巖爆。引起巖爆。 對壩型選著的影響。對壩型選著的影響。 對地下工程的影響。對地下工程的影響。 1、地應(yīng)力測量的方

10、法、地應(yīng)力測量的方法巖體應(yīng)力巖體應(yīng)力測試方測試方法法 直接測試法直接測試法應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力解除法應(yīng)力解除法水力壓裂法（水壓致裂法）水力壓裂法（水壓致裂法）間接測試法間接測試法鉆孔崩落法鉆孔崩落法定向巖心非彈性應(yīng)變恢復(fù)法定向巖心非彈性應(yīng)變恢復(fù)法凱塞爾效應(yīng)測試法凱塞爾效應(yīng)測試法第四節(jié)第四節(jié) 地應(yīng)力工程地質(zhì)研究的內(nèi)容和方法地應(yīng)力工程地質(zhì)研究的內(nèi)容和方法 2 2、測量方法概述、測量方法概述水力壓裂法（水壓致裂法）水力壓裂法（水壓致裂法） 通過鉆孔向地下某深度處的測點段壓液，用高壓將孔壁壓裂，通過鉆孔向地下某深度處的測點段壓液，用高壓將孔壁壓裂，然后根據(jù)破壞壓力、關(guān)閉壓力和破裂面的方位，計算和確

11、定巖體內(nèi)然后根據(jù)破壞壓力、關(guān)閉壓力和破裂面的方位，計算和確定巖體內(nèi)各主應(yīng)力的大小和方向。各主應(yīng)力的大小和方向。凱塞爾效應(yīng)測試法凱塞爾效應(yīng)測試法 1950 1950年，德國學(xué)者年，德國學(xué)者J.KaiserJ.Kaiser發(fā)現(xiàn)受單向拉伸力作用的金屬材料，只發(fā)現(xiàn)受單向拉伸力作用的金屬材料，只有當(dāng)應(yīng)力達(dá)到并超過材料所受過的最大先期應(yīng)力時才會開始有明顯的聲發(fā)射有當(dāng)應(yīng)力達(dá)到并超過材料所受過的最大先期應(yīng)力時才會開始有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象出現(xiàn)，這就是著名的凱塞爾效應(yīng)現(xiàn)象出現(xiàn)，這就是著名的凱塞爾效應(yīng). . 研究表明，巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象實際上是來源于其內(nèi)部顯微缺陷的受力擴研究表明，巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象實際上是來源于其內(nèi)部顯

12、微缺陷的受力擴展，而巖石的每一次受力，都會使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與荷載大小及方向相展，而巖石的每一次受力，都會使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與荷載大小及方向相適應(yīng)的顯微破裂系統(tǒng)，再次加載時，如果荷載小于先期荷載，則先期形成的適應(yīng)的顯微破裂系統(tǒng)，再次加載時，如果荷載小于先期荷載，則先期形成的缺陷不會發(fā)生進一步破裂，因此也就幾乎沒有聲發(fā)射出現(xiàn)，缺陷不會發(fā)生進一步破裂，因此也就幾乎沒有聲發(fā)射出現(xiàn)，旦荷載達(dá)到旦荷載達(dá)到并超過先期荷載，已有的裂紋即將進一步擴展，聲發(fā)射隨之開始大量持續(xù)出并超過先期荷載，已有的裂紋即將進一步擴展，聲發(fā)射隨之開始大量持續(xù)出現(xiàn)，這就是凱塞爾效應(yīng)的基本機理?，F(xiàn)，這就是凱塞爾效應(yīng)的基本機理。

13、有的研究認(rèn)為，通過凱塞爾效應(yīng)所測得的是巖體在地質(zhì)歷史時期內(nèi)所遭有的研究認(rèn)為，通過凱塞爾效應(yīng)所測得的是巖體在地質(zhì)歷史時期內(nèi)所遭受過的最大應(yīng)力，如果確是這樣，實際上就無法利用凱塞爾效應(yīng)來解決現(xiàn)今受過的最大應(yīng)力，如果確是這樣，實際上就無法利用凱塞爾效應(yīng)來解決現(xiàn)今地應(yīng)力的測量問題，因為在遭受過構(gòu)造變動，且有斷裂發(fā)育的地區(qū)，任何一地應(yīng)力的測量問題，因為在遭受過構(gòu)造變動，且有斷裂發(fā)育的地區(qū)，任何一部分巖體當(dāng)時都遭受過很大的，甚至是接近其破裂強度的應(yīng)力。通過對已有部分巖體當(dāng)時都遭受過很大的，甚至是接近其破裂強度的應(yīng)力。通過對已有實測資料的深入分析，我們發(fā)現(xiàn)凱塞爾效應(yīng)實際上只能記憶挽近時期的應(yīng)力，實測資料的深

14、入分析，我們發(fā)現(xiàn)凱塞爾效應(yīng)實際上只能記憶挽近時期的應(yīng)力，這主要是由于顯微破裂的愈合。隨著環(huán)境的改變，巖石會發(fā)生重結(jié)晶或新晶這主要是由于顯微破裂的愈合。隨著環(huán)境的改變，巖石會發(fā)生重結(jié)晶或新晶體生長的作用，使那些古老的顯微破裂焊接愈合，從而也就使其喪失對古構(gòu)體生長的作用，使那些古老的顯微破裂焊接愈合，從而也就使其喪失對古構(gòu)造應(yīng)力的記憶能力。造應(yīng)力的記憶能力。 相反，挽近時期巖體的受力過程是在該巖體己處于地表附近的常溫，低相反，挽近時期巖體的受力過程是在該巖體己處于地表附近的常溫，低圍壓條件下發(fā)生的，此時所產(chǎn)生的顯微破裂系統(tǒng)，由于形成后所經(jīng)歷的時間圍壓條件下發(fā)生的，此時所產(chǎn)生的顯微破裂系統(tǒng)，由于形成

15、后所經(jīng)歷的時間很短，且始終處于常溫和低圍壓條件下，所以不會發(fā)生愈合。因此，當(dāng)采樣很短，且始終處于常溫和低圍壓條件下，所以不會發(fā)生愈合。因此，當(dāng)采樣并對巖石試件加載、且應(yīng)力達(dá)到和超過挽近時期巖體所遭受的應(yīng)力量級時，并對巖石試件加載、且應(yīng)力達(dá)到和超過挽近時期巖體所遭受的應(yīng)力量級時，這類顯微破裂即將進一步擴展，從而引起聲發(fā)射的急劇增加，這也就是巖石這類顯微破裂即將進一步擴展，從而引起聲發(fā)射的急劇增加，這也就是巖石凱塞爾效應(yīng)只能記憶挽近時期巖體所遭受過的應(yīng)力的道理所在。凱塞爾效應(yīng)只能記憶挽近時期巖體所遭受過的應(yīng)力的道理所在。 測量結(jié)果的應(yīng)用：通過上述討論不難看出，與其它的應(yīng)力測量方法不同，測量結(jié)果的應(yīng)用：通過上述討論不難看出，與其它的應(yīng)力測量方法不同，凱塞爾效應(yīng)測量結(jié)果所揭示的，并不是現(xiàn)存應(yīng)力，而是巖體于挽近期所遭受凱塞爾效應(yīng)測量結(jié)果所揭示的，并不是現(xiàn)存應(yīng)力，而是巖體于挽近期所遭受過的最大應(yīng)力。如果在此期間巖體曾遭受過不同應(yīng)力場的作用，則通過多期過的最大應(yīng)力。如果在此期間巖體曾遭受過不同應(yīng)力場的作用，則通過多期凱塞爾效應(yīng)，還可揭示出巖體挽近期的受力歷史及每一期主應(yīng)力的方向及其凱塞爾效應(yīng)，還可揭示出巖體挽近期的