地應(yīng)力及其測(cè)量原理

1、3.1 概概 述述 概念：概念：a 地層未受到擾動(dòng)時(shí)，存在于地層地層未受到擾動(dòng)時(shí)，存在于地層內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力稱為內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力稱為原巖應(yīng)力原巖應(yīng)力，或稱為，或稱為原始應(yīng)原始應(yīng)力力，或稱為，或稱為初始地應(yīng)力初始地應(yīng)力（in situ stress）。它）。它是地下工程圍巖變形、破壞、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力是地下工程圍巖變形、破壞、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的根本淵源。的根本淵源。 b 當(dāng)?shù)貙颖婚_挖后，存在于開挖空間周當(dāng)?shù)貙颖婚_挖后，存在于開挖空間周圍巖體中重新分布的應(yīng)力稱為圍巖體中重新分布的應(yīng)力稱為次生應(yīng)力次生應(yīng)力，也，也叫叫誘發(fā)應(yīng)力誘發(fā)應(yīng)力（induced stress）。）。 原巖應(yīng)力與次生應(yīng)力原巖應(yīng)力與次生應(yīng)力v 19

2、05-1912瑞士地質(zhì)學(xué)者海姆（瑞士地質(zhì)學(xué)者海姆（Heim） zyx v 1925-1926金尼克金尼克zyx 1v 1915年瑞典人哈斯特（年瑞典人哈斯特（Hast，N）首創(chuàng)在巖）首創(chuàng)在巖體中地應(yīng)力的測(cè)量工作。實(shí)測(cè)表明：垂直應(yīng)力體中地應(yīng)力的測(cè)量工作。實(shí)測(cè)表明：垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的數(shù)值，至少在和水平應(yīng)力的數(shù)值，至少在3000m范圍以內(nèi)，范圍以內(nèi)，海姆和金尼克的假說不是地應(yīng)力狀態(tài)的普遍規(guī)海姆和金尼克的假說不是地應(yīng)力狀態(tài)的普遍規(guī)律。而且人們對(duì)地應(yīng)力規(guī)律的認(rèn)識(shí)，至今還很律。而且人們對(duì)地應(yīng)力規(guī)律的認(rèn)識(shí)，至今還很膚淺，所以還不能計(jì)算，只能通過實(shí)測(cè)獲得。膚淺，所以還不能計(jì)算，只能通過實(shí)測(cè)獲得。溫度應(yīng)力溫度

3、應(yīng)力封閉應(yīng)力封閉應(yīng)力新構(gòu)造應(yīng)力新構(gòu)造應(yīng)力古構(gòu)造殘余應(yīng)力古構(gòu)造殘余應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力重力應(yīng)力重力應(yīng)力原巖應(yīng)力原巖應(yīng)力3.2 地應(yīng)力的構(gòu)成及影響因素地應(yīng)力的構(gòu)成及影響因素 3.2.1 自重應(yīng)力自重應(yīng)力 yxxyz11H22HnnHxzzxz圖圖5-2 垂直應(yīng)力計(jì)算方法垂直應(yīng)力計(jì)算方法(a)單一地層單一地層(b)多層地層多層地層 由地殼巖層的重量引起。由地殼巖層的重量引起。Hz niiizH1 上覆各層巖體容重；上覆各層巖體容重； i上覆巖層平均容重。上覆巖層平均容重。 垂直方向垂直方向水平方向水平方向zyx 側(cè)壓系數(shù)。側(cè)壓系數(shù)。 假定水平方向應(yīng)變?yōu)榱?，根?jù)胡克定假定水平方向應(yīng)變?yōu)榱?，根?jù)胡克定律

4、可導(dǎo)出下式律可導(dǎo)出下式 0101zxyyzyxxEE Hzyx 11連立求解，得連立求解，得 1即即 當(dāng)泊桑比值為當(dāng)泊桑比值為0.5時(shí)，得到側(cè)壓系數(shù)為時(shí)，得到側(cè)壓系數(shù)為1.0 ，所以海姆觀點(diǎn)是金尼克公式的一個(gè)，所以海姆觀點(diǎn)是金尼克公式的一個(gè)特例。特例。 巖石的泊松比值通常在巖石的泊松比值通常在0.100.35之間。之間。因此在自重應(yīng)力場(chǎng)中側(cè)壓系數(shù)在因此在自重應(yīng)力場(chǎng)中側(cè)壓系數(shù)在0.100.54之間，而主要在之間，而主要在0.250.43之間。之間。3.2.2 構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力 1 古構(gòu)造應(yīng)力：是地質(zhì)史上由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘古構(gòu)造應(yīng)力：是地質(zhì)史上由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘留于巖體內(nèi)部的應(yīng)力，也稱為構(gòu)造殘余應(yīng)力。留于

5、巖體內(nèi)部的應(yīng)力，也稱為構(gòu)造殘余應(yīng)力。 2 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力是現(xiàn)今正在形成某種構(gòu)造新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力是現(xiàn)今正在形成某種構(gòu)造體系和構(gòu)造型式的應(yīng)力，也是導(dǎo)致當(dāng)今地震和體系和構(gòu)造型式的應(yīng)力，也是導(dǎo)致當(dāng)今地震和最新地殼變形的應(yīng)力。最新地殼變形的應(yīng)力。 3 封閉應(yīng)力是在各種地質(zhì)因素長期作用下封閉應(yīng)力是在各種地質(zhì)因素長期作用下殘存于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力。殘存于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力。 3.2.3 地應(yīng)力的影響因素地應(yīng)力的影響因素 1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的影響地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的影響 地質(zhì)構(gòu)造主要影響地應(yīng)力的分布和傳遞：地質(zhì)構(gòu)造主要影響地應(yīng)力的分布和傳遞： （1）在靜應(yīng)力場(chǎng)中，斷裂構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力大小和方）在靜應(yīng)力場(chǎng)中，斷裂構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力

6、大小和方向的影響是局部的。向的影響是局部的。 （2）在同一構(gòu)造單元體內(nèi)地應(yīng)力大小和方向均較）在同一構(gòu)造單元體內(nèi)地應(yīng)力大小和方向均較一致，而靠近斷裂或其他分離面附近大小和方向才一致，而靠近斷裂或其他分離面附近大小和方向才有較大變化。有較大變化。 （3）在活動(dòng)斷層附近和地震地區(qū)，地應(yīng)力大小和）在活動(dòng)斷層附近和地震地區(qū)，地應(yīng)力大小和方向都有較大變化。方向都有較大變化。（4）地質(zhì)構(gòu)造面與地應(yīng)力方向關(guān)系，一般在水平面）地質(zhì)構(gòu)造面與地應(yīng)力方向關(guān)系，一般在水平面內(nèi)，最大主應(yīng)力的方向常垂直于構(gòu)造線。內(nèi)，最大主應(yīng)力的方向常垂直于構(gòu)造線。 2 地形地貌和剝蝕作用對(duì)地應(yīng)力的影響地形地貌和剝蝕作用對(duì)地應(yīng)力的影響 地形

7、地貌對(duì)地應(yīng)力的影響是復(fù)雜的。地形地貌對(duì)地應(yīng)力的影響是復(fù)雜的。 剝蝕可以造成巨大的水平應(yīng)力。由構(gòu)造作用與由剝蝕可以造成巨大的水平應(yīng)力。由構(gòu)造作用與由剝蝕作用產(chǎn)生的水平應(yīng)力的主要區(qū)別在于，由構(gòu)造作剝蝕作用產(chǎn)生的水平應(yīng)力的主要區(qū)別在于，由構(gòu)造作用產(chǎn)生的水平應(yīng)力具有明顯的方向性；而由剝蝕產(chǎn)生用產(chǎn)生的水平應(yīng)力具有明顯的方向性；而由剝蝕產(chǎn)生的水平應(yīng)力，按海姆假設(shè)條件，不具方向性。的水平應(yīng)力，按海姆假設(shè)條件，不具方向性。 巖體地應(yīng)力是能量積累與釋放的結(jié)果。從能量巖體地應(yīng)力是能量積累與釋放的結(jié)果。從能量的積累觀點(diǎn)來看，巖體應(yīng)力的上限必然要受到巖體強(qiáng)的積累觀點(diǎn)來看，巖體應(yīng)力的上限必然要受到巖體強(qiáng)度的限制。度的限

8、制。例如，當(dāng)例如，當(dāng)50GPa以上的巖體，最大應(yīng)以上的巖體，最大應(yīng)力一般為力一般為1030MPa，而，而10GPa以下的巖體應(yīng)力以下的巖體應(yīng)力很少超過很少超過10MPa。 這樣，彈性模量較大的巖體有利于地應(yīng)力積累，這樣，彈性模量較大的巖體有利于地應(yīng)力積累，所以地震和巖爆容易發(fā)生在這些部位，而塑性巖體容所以地震和巖爆容易發(fā)生在這些部位，而塑性巖體容易產(chǎn)生變形，不利于應(yīng)力積累易產(chǎn)生變形，不利于應(yīng)力積累 。3 巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)地應(yīng)力的影響巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)地應(yīng)力的影響 4 溫度對(duì)地應(yīng)力的影響溫度對(duì)地應(yīng)力的影響 巖體溫度對(duì)地應(yīng)力的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方巖體溫度對(duì)地應(yīng)力的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：地溫梯度和巖體局部溫度的

9、影響。面：地溫梯度和巖體局部溫度的影響。 地溫梯度一般為地溫梯度一般為100 510巖體的體膨脹系數(shù)約為巖體的體膨脹系數(shù)約為 而巖體的彈性摸量一般為而巖體的彈性摸量一般為10GPa )(.MPa0030010HEHT 溫度應(yīng)力溫度應(yīng)力 TTzTyTx溫度應(yīng)力一般是靜水壓力溫度應(yīng)力一般是靜水壓力 3.2.4 研究原巖應(yīng)力的意義研究原巖應(yīng)力的意義 1 在地下工程中在地下工程中1）圍巖穩(wěn)定與支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；）圍巖穩(wěn)定與支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2）地下洞室走向選擇；）地下洞室走向選擇；3）地下洞室斷面幾何形狀；）地下洞室斷面幾何形狀；4）堅(jiān)硬脆性巖體中的巖爆；）堅(jiān)硬脆性巖體中的巖爆；2 在地上工程中在地上工程中

10、主要是基坑開挖后，底部巖體在原巖應(yīng)主要是基坑開挖后，底部巖體在原巖應(yīng)力作用下出現(xiàn)底鼓而影響上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。力作用下出現(xiàn)底鼓而影響上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。3.3 地殼淺部地應(yīng)力的變化規(guī)律地殼淺部地應(yīng)力的變化規(guī)律 3.3.1 地應(yīng)力是個(gè)非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)地應(yīng)力是個(gè)非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng) 3.3.2 實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力 基本等于上覆巖基本等于上覆巖 層重量層重量 zH3.3.3 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 在深度為在深度為252700m范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力呈線性增范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力呈線性增長，大致相當(dāng)于按平均容重長，大致相當(dāng)于按平均容重0.027MN/m3計(jì)算出來。計(jì)算出來。 5 . 01500z 3 .

11、 0100z 上限：下限：3.4 原巖應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法原巖應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法 初始地應(yīng)力對(duì)工程設(shè)計(jì)是不可缺少的基礎(chǔ)資料初始地應(yīng)力對(duì)工程設(shè)計(jì)是不可缺少的基礎(chǔ)資料之一。由于原巖應(yīng)力不易計(jì)算，最好的辦法就是通之一。由于原巖應(yīng)力不易計(jì)算，最好的辦法就是通過現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)獲得。過現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)獲得。 巖體應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)包括巖體原巖應(yīng)力測(cè)試和巖體應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)包括巖體原巖應(yīng)力測(cè)試和洞室圍巖二次應(yīng)力測(cè)試。洞室圍巖二次應(yīng)力測(cè)試。 地應(yīng)力測(cè)試方法分為直接法和間接法：直接法常地應(yīng)力測(cè)試方法分為直接法和間接法：直接法常用的有用的有扁千斤頂法、水壓致裂法、聲發(fā)射法；扁千斤頂法、水壓致裂法、聲發(fā)射法；間接間接法有法有應(yīng)力解除法（

12、按測(cè)量手段不同主要有孔徑變形應(yīng)力解除法（按測(cè)量手段不同主要有孔徑變形法和孔壁應(yīng)變法）。法和孔壁應(yīng)變法）。3.4.1 直接法直接法 1 扁千斤頂法扁千斤頂法測(cè)量方法：巖壁切槽兩側(cè)固定立柱間距離變化；測(cè)量方法：巖壁切槽兩側(cè)固定立柱間距離變化； 巖壁切槽附近應(yīng)變的變化。巖壁切槽附近應(yīng)變的變化。2 水壓致裂法水壓致裂法 初始劈裂壓力初始劈裂壓力穩(wěn)定開裂壓力穩(wěn)定開裂壓力關(guān)閉壓力關(guān)閉壓力開啟壓力開啟壓力p 3 2312112144003012202200301cos rRrRprRb 2203010301cos bp時(shí)時(shí) 0Rr 在水壓力為在水壓力為pb，原始應(yīng)力，原始應(yīng)力為為1、3共同作用下，孔周共同作

13、用下，孔周邊巖體中切向應(yīng)力：邊巖體中切向應(yīng)力：bp 01033 最最小小切切向向應(yīng)應(yīng)力力為為：時(shí)時(shí) , 0 孔壁切向應(yīng)力孔壁切向應(yīng)力00003131bPt tbp 03013時(shí)，孔壁發(fā)生拉裂，得：時(shí)，孔壁發(fā)生拉裂，得：考慮孔隙水壓力考慮孔隙水壓力P0tbpp 003013當(dāng)?shù)诙渭訅褐亮严稄堥_，此時(shí)水壓力為當(dāng)?shù)诙渭訅褐亮严稄堥_，此時(shí)水壓力為Pb0, t=00003013ppb 0bbtpp 1 測(cè)量深度不受限制、代表性好；測(cè)量深度不受限制、代表性好； 2 操作操作方便；方便； 3 測(cè)值直觀；測(cè)值直觀； 4 適應(yīng)性強(qiáng)。適應(yīng)性強(qiáng)。 于是，得：于是，得： 而關(guān)閉水泵后，裂隙中保持的穩(wěn)定壓力正好而關(guān)

14、閉水泵后，裂隙中保持的穩(wěn)定壓力正好與最小主應(yīng)力相平衡，得：與最小主應(yīng)力相平衡，得：000301000333bstbbbtsPPPPPP 3 聲發(fā)射法聲發(fā)射法 材料在受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部儲(chǔ)存的應(yīng)變能材料在受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部儲(chǔ)存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射?？焖籴尫女a(chǎn)生彈性波，發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射。 材料從其歷史最高應(yīng)力水平釋放后，再重新加材料從其歷史最高應(yīng)力水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力沒有達(dá)到歷史最高應(yīng)力值時(shí)，聲發(fā)射很載，當(dāng)應(yīng)力沒有達(dá)到歷史最高應(yīng)力值時(shí)，聲發(fā)射很少，當(dāng)應(yīng)力超過歷史最高應(yīng)力值時(shí)，會(huì)有大量聲發(fā)少，當(dāng)應(yīng)力超過歷史最高應(yīng)力值時(shí)，會(huì)有大量聲發(fā)射產(chǎn)生，這一現(xiàn)象稱為

15、射產(chǎn)生，這一現(xiàn)象稱為Kaiser效應(yīng)。效應(yīng)。 試件制備，在同一位置按試件制備，在同一位置按6個(gè)不同方向取樣，要個(gè)不同方向取樣，要記錄下每個(gè)試件所代表的方向，每個(gè)方向作記錄下每個(gè)試件所代表的方向，每個(gè)方向作1525塊。加載采用小噸位單軸壓力機(jī)，加載速率恒定。塊。加載采用小噸位單軸壓力機(jī)，加載速率恒定。AE總計(jì)數(shù)時(shí)間/sKaiser點(diǎn)試件AE接收傳感器3.4.2 間接法間接法 它的基本原理是：當(dāng)需要測(cè)定巖體中某點(diǎn)的應(yīng)它的基本原理是：當(dāng)需要測(cè)定巖體中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，人為地將該處的巖體單元與周圍巖體分力狀態(tài)時(shí)，人為地將該處的巖體單元與周圍巖體分離。此時(shí)巖體單元上所受的應(yīng)力將被解除。該單元離。此時(shí)巖體

16、單元上所受的應(yīng)力將被解除。該單元體將產(chǎn)生彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，用傳感器測(cè)體將產(chǎn)生彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，用傳感器測(cè)量這一應(yīng)變和位移，再根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變或位移之間量這一應(yīng)變和位移，再根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變或位移之間的關(guān)系計(jì)算原巖應(yīng)力。的關(guān)系計(jì)算原巖應(yīng)力。 1 應(yīng)力解除法原理應(yīng)力解除法原理2 應(yīng)力解除法的實(shí)施步驟應(yīng)力解除法的實(shí)施步驟 1） 套鉆大孔（套鉆大孔（D=118mm）；）；2 ）取巖芯并將孔底磨平；取巖芯并將孔底磨平；3 ）套鉆小孔（套鉆小孔（d=36mm）；）；4 ）取小孔巖芯；取小孔巖芯；5 ）粘貼元件測(cè)初讀數(shù)；粘貼元件測(cè)初讀數(shù)；6 ）應(yīng)力解除；應(yīng)力解除；7 ）取巖芯；取巖芯；8 ）測(cè)終讀

17、數(shù)測(cè)終讀數(shù)3 應(yīng)力解除法的測(cè)量方法應(yīng)力解除法的測(cè)量方法1）孔徑變形法）孔徑變形法 測(cè)量應(yīng)力解除前后鉆孔直徑的變化測(cè)量應(yīng)力解除前后鉆孔直徑的變化d，采用美國礦山，采用美國礦山局局USBM孔徑變形計(jì)或中科院武漢巖土所孔徑變形計(jì)或中科院武漢巖土所36-2型孔徑變形型孔徑變形計(jì)進(jìn)行測(cè)量。計(jì)進(jìn)行測(cè)量。USBM孔徑變形計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖孔徑變形計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖 這種方法要求在能取得完整巖芯的巖體中進(jìn)行，這種方法要求在能取得完整巖芯的巖體中進(jìn)行，一般至少要能取出大孔直徑一般至少要能取出大孔直徑2倍長度的巖芯。倍長度的巖芯。 dyxyxxy應(yīng)力解除前應(yīng)力解除后00000d+d12d+d3d+d 孔徑變化與所在斷面上原始

18、地應(yīng)力關(guān)系為：孔徑變化與所在斷面上原始地應(yīng)力關(guān)系為： 24221000002sincosxyyxyxdEd 取三個(gè)不同取三個(gè)不同i，可得到三個(gè)不同方向的直徑，可得到三個(gè)不同方向的直徑變化變化d i，形成以下的三元一次方程組，形成以下的三元一次方程組 3030000232020000221010000212sin42cos212sin42cos212sin42cos21 xyyxyxxyyxyxxyyxyxdEddEddEd 要測(cè)定一點(diǎn)的其他三個(gè)應(yīng)力分量，需要采用三要測(cè)定一點(diǎn)的其他三個(gè)應(yīng)力分量，需要采用三孔交匯法。工作量比較大。孔交匯法。工作量比較大。2） 孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法 只需在一個(gè)鉆孔內(nèi)

19、進(jìn)行量測(cè)，即可確定六個(gè)空間只需在一個(gè)鉆孔內(nèi)進(jìn)行量測(cè)，即可確定六個(gè)空間應(yīng)力分量。應(yīng)力分量。 00002422zxyyxz sincos 242200000sincosxyyxyx sincos0022zxyzz 122 473 取取 分別為：分別為： 得到一下九個(gè)方程：得到一下九個(gè)方程： 010010001232yzzyxzyxz 020020002232zxzyxzyxz 0030003003244zxyzzxyyxzxyz 122 473 112AiBiBiAiiE 122BiAiCiizE 112BiAiBiAiziE 設(shè)第設(shè)第i個(gè)測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向應(yīng)變片讀數(shù)分別個(gè)測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向應(yīng)變片讀數(shù)分別為：

20、為：Ai、Bi、Ci 12102101202381381 zzyx 201032102121281 zzxzyzxy 三軸應(yīng)變計(jì)，三軸應(yīng)變計(jì)，國際巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)制國際巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)制定的地應(yīng)力測(cè)量建議方法中定名為定的地應(yīng)力測(cè)量建議方法中定名為CSIR型應(yīng)型應(yīng)變計(jì)。變計(jì)。 空心包體式三軸應(yīng)變計(jì)?？招陌w式三軸應(yīng)變計(jì)。 l一應(yīng)變計(jì)電纜；2一安裝桿；3一連接銷：4，l3一密封圈；5一環(huán)氧樹脂筒；6一空腔、內(nèi)裝粘結(jié)劑；7一電阻應(yīng)變花；8一固定銷；9一應(yīng)變計(jì)與空壁之間的空隙；l0一活塞；ll一巖石鉆孔壁；l2一出膠徑向孔；l4一導(dǎo)向頭 實(shí)測(cè)地應(yīng)力以壓應(yīng)力為正；實(shí)測(cè)地應(yīng)力以壓應(yīng)力為正； 、 、 分別為最大、中間和最小主應(yīng)力；分別為最大、中間和最小主應(yīng)力； 、 、 分別為三個(gè)主應(yīng)力的方位角（沿順分別為三個(gè)主應(yīng)力的方位角（沿順時(shí)針與正北方向的夾角）；時(shí)針與正北方向的夾角）； 、 、 分別為三個(gè)主應(yīng)力作用方向的傾角分別為三個(gè)主應(yīng)力作用方向的傾角（與水平面的夾角）。（與水平面的夾角）。1 2 3 1 2 3 1 2 3 3.5 實(shí)測(cè)地應(yīng)力在計(jì)算中的應(yīng)用實(shí)測(cè)地應(yīng)力在計(jì)算中的應(yīng)用 3.5.1 實(shí)測(cè)地應(yīng)力的表達(dá)實(shí)測(cè)地