第六章 巖體初始應(yīng)力

1、第六章 巖體初始應(yīng)力中南大學(xué)中南大學(xué)巖石力學(xué)與工程研究所巖石力學(xué)與工程研究所唐禮忠唐禮忠6.5 巖體初始應(yīng)力分布狀態(tài) 6.1 初始應(yīng)力的基本概念6.2 巖體自重應(yīng)力6.3 巖體構(gòu)造應(yīng)力6.4 巖體應(yīng)力測定 6.1 初始應(yīng)力的基本概念- -人類工程活動之前存在于巖體中的應(yīng)力。人類工程活動之前存在于巖體中的應(yīng)力。一、定義一、定義地應(yīng)力、初始應(yīng)力、原巖應(yīng)力地應(yīng)力、初始應(yīng)力、原巖應(yīng)力- -巖體在天然狀態(tài)下的內(nèi)在應(yīng)力。巖體在天然狀態(tài)下的內(nèi)在應(yīng)力。初始應(yīng)力初始應(yīng)力/ /in-situ stress： - -在巖體工程開挖之前的巖體中或者在工程影響區(qū)之外的巖體在巖體工程開挖之前的巖體中或者在工程影響區(qū)之外的

2、巖體中存在的三維應(yīng)力中存在的三維應(yīng)力 + + + + + +初始應(yīng)力 重分布應(yīng)力rs二、初始應(yīng)力的組成二、初始應(yīng)力的組成四、應(yīng)力狀態(tài)四、應(yīng)力狀態(tài)三維應(yīng)力狀態(tài)，一般為壓應(yīng)力，包括應(yīng)力大小和方向。三維應(yīng)力狀態(tài)，一般為壓應(yīng)力，包括應(yīng)力大小和方向。巖體自重巖體自重自重應(yīng)力自重應(yīng)力(gravitational stress)構(gòu)造運(yùn)動構(gòu)造運(yùn)動構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力(tectonic stress)流體作用流體作用滲流應(yīng)力滲流應(yīng)力 (seepage stress, water pressure)其它（地溫、地球化學(xué)作用等）其它（地溫、地球化學(xué)作用等）三、起源（主要指構(gòu)造運(yùn)動的起源）三、起源（主要指構(gòu)造運(yùn)動的起源）

3、板塊運(yùn)動板塊運(yùn)動地幔熱對流地幔熱對流地球自轉(zhuǎn)速度變化地球自轉(zhuǎn)速度變化地下流體狀態(tài)地下流體狀態(tài)6.2 巖體自重應(yīng)力自重應(yīng)力是指上覆巖體的重量所產(chǎn)生的應(yīng)力。自重應(yīng)力是指上覆巖體的重量所產(chǎn)生的應(yīng)力。一、定義一、定義二、計算公式二、計算公式一般假定計算點(diǎn)附近巖體為均質(zhì)、各向同性的一般假定計算點(diǎn)附近巖體為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)體進(jìn)行估算。鉛垂方向自重應(yīng)力分量連續(xù)體進(jìn)行估算。鉛垂方向自重應(yīng)力分量 z為單元體以上至地表的巖柱的重量，即：為單元體以上至地表的巖柱的重量，即： 式中，式中，g 是巖體平均容重，是巖體平均容重，KN/ m3；是計算點(diǎn)；是計算點(diǎn)處距地表深度，處距地表深度，m；z 為鉛垂應(yīng)力分量，為鉛垂

4、應(yīng)力分量，Mpa。1 1、垂直應(yīng)力計算、垂直應(yīng)力計算zzzxy如果在研究深度范圍內(nèi)有幾層不同的巖層，垂直應(yīng)力分量可用下式計如果在研究深度范圍內(nèi)有幾層不同的巖層，垂直應(yīng)力分量可用下式計算：算： 式中，式中，i 為第為第 i 層巖體密度；層巖體密度；hi 為第為第i層巖體厚度；層巖體厚度；n 為計算的為計算的巖層數(shù)。巖層數(shù)。上式可改寫為：上式可改寫為： 式中，式中，是巖體平均密度，是巖體平均密度，KN/m3 ；是重力加速度：；是重力加速度：9.8m/s2；z 深度，深度，m；gzzniiizgh1稱為側(cè)應(yīng)力系數(shù)，表示水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值。稱為側(cè)應(yīng)力系數(shù)，表示水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值。 半無限體

5、各向同性彈性體中，巖體單元在半無限體各向同性彈性體中，巖體單元在x、y方向受相鄰單元方向受相鄰單元限制不產(chǎn)生變形，即限制不產(chǎn)生變形，即x=0，y=0。由廣義。由廣義Hook定律，得定律，得2 2、水平應(yīng)力計算、水平應(yīng)力計算可以得到可以得到令令一般巖石的一般巖石的=0.20.3，則，則=0.250.43。當(dāng)當(dāng)=0.5時，時，=1，即，即x=y=z靜水壓力狀態(tài)靜水壓力狀態(tài)三、巖體自重應(yīng)力的特點(diǎn)三、巖體自重應(yīng)力的特點(diǎn) 自重應(yīng)力的三個分量都是壓應(yīng)力；自重應(yīng)力的三個分量都是壓應(yīng)力；鉛垂應(yīng)力分量只與巖體容重有關(guān)，水平應(yīng)力還鉛垂應(yīng)力分量只與巖體容重有關(guān)，水平應(yīng)力還與巖體的彈性參數(shù)有關(guān)，小于鉛垂應(yīng)力；與巖體的

6、彈性參數(shù)有關(guān)，小于鉛垂應(yīng)力；巖體中的結(jié)構(gòu)面影響巖體自重應(yīng)力。巖體中的結(jié)構(gòu)面影響巖體自重應(yīng)力。a.b.c.6.3 巖體構(gòu)造應(yīng)力一、構(gòu)造應(yīng)力場的概念一、構(gòu)造應(yīng)力場的概念 巖體構(gòu)造應(yīng)力是在地殼造山運(yùn)動巖體構(gòu)造應(yīng)力是在地殼造山運(yùn)動(tectogenesis )和造陸運(yùn)動中積累和造陸運(yùn)動中積累(accumulate)或剩余或剩余(remain)的一種分布力。的一種分布力。 2 2、構(gòu)造應(yīng)力場分類、構(gòu)造應(yīng)力場分類按構(gòu)造運(yùn)動的按構(gòu)造運(yùn)動的活動性劃分活動性劃分 古構(gòu)造應(yīng)力場古構(gòu)造應(yīng)力場 現(xiàn)今仍在活動的構(gòu)造應(yīng)力場現(xiàn)今仍在活動的構(gòu)造應(yīng)力場 按構(gòu)造運(yùn)動的按構(gòu)造運(yùn)動的規(guī)模劃分規(guī)模劃分 全球性構(gòu)造應(yīng)力場全球性構(gòu)造應(yīng)力場

7、 區(qū)域性構(gòu)造應(yīng)力場區(qū)域性構(gòu)造應(yīng)力場 局部構(gòu)造應(yīng)力場局部構(gòu)造應(yīng)力場 1 1、構(gòu)造應(yīng)力場定義、構(gòu)造應(yīng)力場定義二、構(gòu)造應(yīng)力場分析二、構(gòu)造應(yīng)力場分析 主要借助于巖體中存在的各種構(gòu)造形跡，弄清構(gòu)造體系主要借助于巖體中存在的各種構(gòu)造形跡，弄清構(gòu)造體系(structural system)，從而確定形成這種構(gòu)造體系時的構(gòu)造應(yīng)力場的主應(yīng)力方向，從而確定形成這種構(gòu)造體系時的構(gòu)造應(yīng)力場的主應(yīng)力方向1 1、構(gòu)造形跡、構(gòu)造形跡(structural feature)(structural feature)的形成機(jī)理的形成機(jī)理 構(gòu)造形跡：構(gòu)造形跡： 在一次構(gòu)造運(yùn)動中，形成一系列的褶皺和斷裂（斷在一次構(gòu)造運(yùn)動中，形成一系

8、列的褶皺和斷裂（斷層和節(jié)理等），它們是構(gòu)造運(yùn)動留下的遺跡層和節(jié)理等），它們是構(gòu)造運(yùn)動留下的遺跡構(gòu)造形跡構(gòu)造形跡1）褶皺）褶皺(fold) 褶皺和直立巖層的走向褶皺和直立巖層的走向 構(gòu)造線構(gòu)造線(structural line)： 垂直于垂直于1 構(gòu)造應(yīng)力場的主應(yīng)力方向構(gòu)造應(yīng)力場的主應(yīng)力方向2）斷層和節(jié)理）斷層和節(jié)理 張性斷裂和剪切斷裂張性斷裂和剪切斷裂 張性斷層：張性斷層： 大規(guī)模的張性斷層的形成與巖石在單軸壓縮條件下產(chǎn)生大規(guī)模的張性斷層的形成與巖石在單軸壓縮條件下產(chǎn)生縱向劈裂相似，是由于張應(yīng)變超過極限而產(chǎn)生的?？v向劈裂相似，是由于張應(yīng)變超過極限而產(chǎn)生的。 總體方向與最大主應(yīng)力方向平行。總體方

9、向與最大主應(yīng)力方向平行。 剪性斷裂：剪性斷裂： 壓性斷層和扭性斷層，都可用莫爾壓性斷層和扭性斷層，都可用莫爾-庫侖理論來解釋庫侖理論來解釋 2 2、構(gòu)造體系及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場、構(gòu)造體系及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(regional structural (regional structural streaa field) streaa field) 對于一個區(qū)域來說，對于一個區(qū)域來說，在一次構(gòu)造運(yùn)動中在一次構(gòu)造運(yùn)動中形成一系列的構(gòu)造形成一系列的構(gòu)造形跡，形跡， 構(gòu)造體系：構(gòu)造體系： 在一次構(gòu)造運(yùn)動中在一次構(gòu)造運(yùn)動中不同規(guī)模的構(gòu)造應(yīng)不同規(guī)模的構(gòu)造應(yīng)力場具有逐級控制力場具有逐級控制的關(guān)系。的關(guān)系。 例米字形構(gòu)造

10、體系： 構(gòu)造形跡的序次構(gòu)造形跡的序次構(gòu)造應(yīng)力場構(gòu)造應(yīng)力場6.4 巖體應(yīng)力測定 一、應(yīng)力解除法一、應(yīng)力解除法(stress(stress relief method) relief method) 1 1、基本原理、基本原理 假定地下處于初始三維應(yīng)力狀態(tài)的巖體為線彈性體，將巖體假定地下處于初始三維應(yīng)力狀態(tài)的巖體為線彈性體，將巖體脫離母巖，則所受的應(yīng)力得以解除，必然發(fā)生彈性恢復(fù)。脫離母巖，則所受的應(yīng)力得以解除，必然發(fā)生彈性恢復(fù)。 用儀器測得恢復(fù)應(yīng)變，則為：用儀器測得恢復(fù)應(yīng)變，則為：然后，利用彈性力學(xué)公式則可然后，利用彈性力學(xué)公式則可計算巖體初始應(yīng)力計算巖體初始應(yīng)力 破壞聯(lián)系破壞聯(lián)系-解除應(yīng)力解除應(yīng)

11、力-彈性恢復(fù)彈性恢復(fù)-測出變形測出變形-根據(jù)變根據(jù)變形，轉(zhuǎn)求應(yīng)力。形，轉(zhuǎn)求應(yīng)力。 這個過程可以歸結(jié)為：這個過程可以歸結(jié)為：2 2、孔底應(yīng)力解除法、孔底應(yīng)力解除法 1）測定巖體應(yīng)力的步驟）測定巖體應(yīng)力的步驟 2）應(yīng)變花）應(yīng)變花(strain gauge rose)： 3）計算公式）計算公式（1）等角應(yīng)變花情況（2）直角應(yīng)變花情況 3 3、孔徑變形法、孔徑變形法 1）測定巖體應(yīng)力的步驟）測定巖體應(yīng)力的步驟 2）應(yīng)力計算）應(yīng)力計算假定孔徑變形計探頭的三個觸頭相對于巖假定孔徑變形計探頭的三個觸頭相對于巖體應(yīng)力體應(yīng)力 1 的夾角分別為的夾角分別為 1, 2 和和3，測，測得的孔徑變形分別為得的孔徑變形分

12、別為u1, u2, u3，孔壁徑向位，孔壁徑向位移為其移為其1/2，如圖。，如圖。 當(dāng)當(dāng)1, 2 和和 3 之間隔為之間隔為60 時，則按下式巖時，則按下式巖體應(yīng)力：體應(yīng)力：4 4、孔壁應(yīng)變法、孔壁應(yīng)變法 基本原理基本原理測量步驟測量步驟巖體三維應(yīng)力計算：巖體三維應(yīng)力計算： 根據(jù)彈性力學(xué)，在9個應(yīng)變片的情況下，孔壁應(yīng)變與巖體應(yīng)力的關(guān)系有9個方程式，在12個應(yīng)變片的情況下，有12個方程式。可根據(jù)9個或12個方程式采用最小二乘法(least square method)求解巖體應(yīng)力的6個分量x，y，z，txy，tyz，tzx 。二、水壓致裂法二、水壓致裂法1 1、基本原理：、基本原理： 借助于封隔

13、器在垂直鉆孔中測點(diǎn)處封隔一段，作為壓裂段，然后將借助于封隔器在垂直鉆孔中測點(diǎn)處封隔一段，作為壓裂段，然后將壓裂液送入壓裂段，通過加壓泵對壓裂段施加水壓力，使孔壁巖石壓裂液送入壓裂段，通過加壓泵對壓裂段施加水壓力，使孔壁巖石破裂，然后用印模器印出壓裂裂縫，或通過鉆孔電視照相機(jī)照相，破裂，然后用印模器印出壓裂裂縫，或通過鉆孔電視照相機(jī)照相，借助于安裝指南針測定壓裂裂縫的方向，并根據(jù)壓裂時的水壓力計借助于安裝指南針測定壓裂裂縫的方向，并根據(jù)壓裂時的水壓力計算巖體初始應(yīng)力。算巖體初始應(yīng)力。 壓裂裂縫的產(chǎn)生：假定巖體鉛垂應(yīng)壓裂裂縫的產(chǎn)生：假定巖體鉛垂應(yīng)力為一個主應(yīng)力，例如力為一個主應(yīng)力，例如3 ，根據(jù)基

14、，根據(jù)基爾希公式，鉆孔周邊切向應(yīng)力最小爾希公式，鉆孔周邊切向應(yīng)力最小值為值為q=321 ，壓裂裂縫在圖，壓裂裂縫在圖所示位置，借助于印模器可印下這所示位置，借助于印模器可印下這個位置（方向）。個位置（方向）。2 2、水壓致裂試驗(yàn)、水壓致裂試驗(yàn) （2）測試過程）測試過程1）測試設(shè)備）測試設(shè)備a.a.在已知應(yīng)力分量方向在已知應(yīng)力分量方向( (例如垂直應(yīng)力分量的方向與重力方例如垂直應(yīng)力分量的方向與重力方向一致向一致) )的情況下，鉆與之平行的孔。的情況下，鉆與之平行的孔。b.b.選擇巖芯完整無宏觀節(jié)理的孔段作為試驗(yàn)的封堵段，然后選擇巖芯完整無宏觀節(jié)理的孔段作為試驗(yàn)的封堵段，然后將封堵塞送入孔中，通入

15、壓力水使封堵器橡膠栓膨漲。將封堵塞送入孔中，通入壓力水使封堵器橡膠栓膨漲。c.c.經(jīng)高壓水管向封堵段注入壓力水，使巖體發(fā)生破裂，此時經(jīng)高壓水管向封堵段注入壓力水，使巖體發(fā)生破裂，此時的水壓稱為臨界破壞壓力的水壓稱為臨界破壞壓力P Pb b，在壓力表上表現(xiàn)為急劇下降，在壓力表上表現(xiàn)為急劇下降，最后停留在其一壓力水平。最后停留在其一壓力水平。d.d.停止增壓，關(guān)閉液壓泵，壓力迅速下降，裂隙停止擴(kuò)展，停止增壓，關(guān)閉液壓泵，壓力迅速下降，裂隙停止擴(kuò)展，并趨于閉合，當(dāng)壓力降到使裂隙處于臨界閉合狀態(tài)時的平衡并趨于閉合，當(dāng)壓力降到使裂隙處于臨界閉合狀態(tài)時的平衡壓力，叫做關(guān)閉壓力壓力，叫做關(guān)閉壓力P Ps s

16、。e.e.放水卸壓，裂隙完全閉合，泵壓為零或初始孔隙壓力水平，放水卸壓，裂隙完全閉合，泵壓為零或初始孔隙壓力水平，然后再對封堵段加壓使裂隙重新張開，此時所需壓力為然后再對封堵段加壓使裂隙重新張開，此時所需壓力為P Pr r。重復(fù)2至5步完成23壓裂循環(huán)，以便取得合理的壓裂參數(shù)及正確地判斷巖石破裂及裂隙延伸過程。f.f.解除封孔，用印模栓塞記錄破裂裂隙的方向。解除封孔，用印模栓塞記錄破裂裂隙的方向。破裂過程的壓力時間曲線全部試驗(yàn)過程用壓力-時間曲線表示，如圖所示。圖的上部表示鉆孔封堵段孔壁在試驗(yàn)過程中的狀態(tài)。6.5 巖體初始應(yīng)力分布狀態(tài) 一、巖體初始應(yīng)力大小和方向隨深度的變化一、巖體初始應(yīng)力大小

17、和方向隨深度的變化 巖體初始應(yīng)力三個主應(yīng)力巖體初始應(yīng)力三個主應(yīng)力Hmax、 Hmin 、 V 均隨深度增加而增大。均隨深度增加而增大。 1 1、我國測試結(jié)果、我國測試結(jié)果HmaxHminHmaxHmin2 2、拉納利、拉納利(G.Ranalli)(G.Ranalli)等人等人 平均水平應(yīng)力大于巖石靜水壓力，平均水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力之比約為平均水平應(yīng)力大于巖石靜水壓力，平均水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力之比約為2:1，平均水平應(yīng)力隨深度變化的近似關(guān)系為：平均水平應(yīng)力隨深度變化的近似關(guān)系為： 在地盾區(qū)及古生代褶皺帶在地盾區(qū)及古生代褶皺帶：在地臺中的沉積蓋層，古生代褶皺帶的裂縫塊狀巖體以及斷裂帶：在地臺中的沉積蓋層，古生代褶皺帶的裂縫塊狀巖體以及斷裂帶： 平均水平應(yīng)力小于覆蓋層平均水平應(yīng)力小于覆蓋層(overburden)的壓力，平均水平應(yīng)力的壓力，平均水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力之比約為與鉛垂應(yīng)力之比約為1：2，平均水平應(yīng)力隨深度變化的近似，平均水平應(yīng)力隨深度變化的近似關(guān)系為（如上圖中關(guān)系為（如上圖中DE線）：線）： 鉛垂應(yīng)力一般與上覆巖層重量計算的結(jié)果大體一致，即鉛垂應(yīng)力一般與上覆巖層重量計算的結(jié)果大體一致