地應(yīng)力以及其原理

1、關(guān)于地應(yīng)力及其原理第一張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第六章 地應(yīng)力及其測量學(xué)習(xí)指導(dǎo)：主要介紹巖石的初始應(yīng)力概念，包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，初始應(yīng)力的量測方法及原理，扁千斤頂法和應(yīng)力解除法等。重 點(diǎn)巖體的初始應(yīng)力概念巖體初始應(yīng)力的測量方法第二張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6 地應(yīng)力及其測量6.1概述6.1.1 基本概念地應(yīng)力：系指天然環(huán)境下地殼巖土體內(nèi)某一點(diǎn)所固有的應(yīng)力狀態(tài)，即未受人工開挖擾動的應(yīng)力，稱為地應(yīng)力或原巖應(yīng)力。第三張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6 地應(yīng)力及其測量6.1概述6.1.1 基本概念次生應(yīng)力：受開挖、手動影響，在影響范圍以內(nèi)的原巖

2、應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞后的應(yīng)力稱為次生應(yīng)力或誘發(fā)應(yīng)力。 應(yīng)力重分布：原巖應(yīng)力到次生應(yīng)力的轉(zhuǎn)換過程。 第四張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6.1 概論一、 地應(yīng)力測量的必要性 地應(yīng)力分為自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場。 自重應(yīng)力:由上覆巖體的自重所引起的應(yīng)力； 構(gòu)造應(yīng)力:地層中由于過去地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生和現(xiàn)在正在活動與變化的應(yīng)力，地質(zhì)作用殘存的應(yīng)力。第五張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月b 重要性： 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)。1)引起各種地下或露天巖石開挖工程變形和破壞的根本作用力。2)傳統(tǒng)開挖設(shè)計和施工的經(jīng)驗類比法有局限性。 小規(guī)模和地表的巖石工程，經(jīng)驗類

3、比的方法往往是有效的 大規(guī)模和深部的巖石工程，經(jīng)驗類比法有不足。 第六張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月b 重要性： 決定洞室布置的決定性因素之一。3) 巖石工程數(shù)值分析方法計算分析的必要前提條件4)地應(yīng)力應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。 對地震預(yù)報、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價、油田油井的穩(wěn)定性、核廢料儲存、巖爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球動力學(xué)的研究等也具有重要意義。第七張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6.1.2 地應(yīng)力的特點(diǎn)及其重要性地應(yīng)力是引起采礦、水利水電、土木建筑和其他各種地下工程或露天巖石開挖工程變形和破壞的原始動力，是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實現(xiàn)巖石工程開挖設(shè)計

4、和決策的必要前提條件。第八張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6.1.2 地應(yīng)力的特點(diǎn)及其重要性為了對各種巖石工程進(jìn)行科學(xué)合理的開挖設(shè)計和施工，就必須對影響工程穩(wěn)定性的各種因素進(jìn)行充分調(diào)查，只有詳細(xì)了解了這些工程影響因素，通過定量計算和分析，才能做出既經(jīng)濟(jì)又安全實用的工程設(shè)計。第九張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月對于礦山來說，只有掌握了具體工程區(qū)域的地應(yīng)力條件，才能合理確定礦山總體布置，確定巷道和采場的最佳斷面形狀、斷面尺寸等。在確定巷道和采場走向時，也應(yīng)考慮地應(yīng)力的狀態(tài)，最理想的走向是與最大主應(yīng)力方向平行，當(dāng)然，在實際工程中還要綜合考慮工程需要和其它影響因素。第十張，

5、PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月應(yīng)用領(lǐng)域：地應(yīng)力在地震預(yù)報、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價、油田油井的穩(wěn)定性、核廢料存儲、巖爆、瓦斯突出及地球動力學(xué)研究等最基礎(chǔ)的原始資料。第十一張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月綜上所述，地應(yīng)力的特點(diǎn)及其重要性如下：1、地應(yīng)力是地下工程圍巖變形破壞原始動力；2、地位相當(dāng)于工程中習(xí)慣性理解的外荷載，但又與材力、彈力中泛指的外荷載有所不同；3、地下工程是先受力，后開挖，并且地應(yīng)力從開挖前到最終一直對圍巖起著作用；4、地應(yīng)力是涉及地殼問題、地下工程問題理論分析、計算中最基礎(chǔ)的原始資料。第十二張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6.1.3關(guān)于地應(yīng)力

6、的古典假設(shè)1、海姆假設(shè)：在前言中我們已經(jīng)介紹過，人們認(rèn)識地應(yīng)力還只是近百年的事，1912年瑞士的地質(zhì)科學(xué)家海姆（A.Heim）在大型越嶺隧道的施工過程中，通過觀察與分析，首次提出了地應(yīng)力的概念，第十三張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6.1.3關(guān)于地應(yīng)力的古典假設(shè)1、海姆假設(shè)：假設(shè)地應(yīng)力是靜水應(yīng)力狀態(tài)，即地殼中任意一點(diǎn)的應(yīng)力在各個方向上均相等，并且等于單位面積上覆蓋巖層的重量，即：式中： 水平應(yīng)力； 垂直應(yīng)力； 覆蓋巖層的容重； 覆蓋巖層的深度。第十四張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月海姆認(rèn)為：（1）原巖應(yīng)力各向等壓，即靜水壓力狀態(tài)。（2）上覆巖體的重量，歷經(jīng)漫長的地質(zhì)

7、年代后，由于材料的蠕變性及地下水平方向的約束條件，導(dǎo)致水平應(yīng)力最終與鉛重應(yīng)力相均衡。這一法則，仍為許多巖石力學(xué)家在認(rèn)識深部地應(yīng)力狀態(tài)時所接受。第十五張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2、金尼克假設(shè)1926年，原蘇聯(lián)學(xué)者金尼克修正了海姆的靜水壓力假設(shè)，他認(rèn)為地殼中各點(diǎn)的垂直應(yīng)力等于上覆蓋巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力（水平應(yīng)力）是泊松效應(yīng)的結(jié)果，其值應(yīng)為 乘以一個修正系數(shù)。第十六張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2、金尼克假設(shè)金尼克根據(jù)彈性理論（假定巖體是均勻的、連續(xù)的彈性介質(zhì)體，得出水平應(yīng)力總歸小于鉛垂應(yīng)力的結(jié)論），認(rèn)為這個測壓系數(shù)等于 ，即：式中： 上覆蓋巖層的泊松比，巖石的

8、泊松比的常值范圍為0.150.30。第十七張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月此時，當(dāng) 時， ，即海姆假說只是金尼克假說的一個特例。同期的其他一些人主要關(guān)心的也是如何用一些數(shù)學(xué)公式來定量地計算地應(yīng)力的大小，并且也都認(rèn)為地應(yīng)力只與重力有關(guān)，即以垂直應(yīng)力為主，他們不同點(diǎn)只在于測壓系數(shù)的不同。第十八張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月小結(jié)c 地應(yīng)力分布理論：1）海姆假設(shè)：（首次提出了地應(yīng)力的概念，靜水壓力假設(shè)） 海姆假說：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。2）金尼克假設(shè)：（彈性力學(xué)假設(shè)） ， v 為上覆巖層的柏松比。修正了海姆的靜水壓

9、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。第十九張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月我國的地質(zhì)學(xué)家李四光：20年代指出“在構(gòu)造應(yīng)力的作用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)超過垂直應(yīng)力分量”。第二十張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月50年代，哈斯特在測試地應(yīng)力時也發(fā)現(xiàn)地殼上部的最大主應(yīng)力幾乎處處是水平或接近水平的，而且最大水平應(yīng)力主應(yīng)力一般為垂直應(yīng)力的12倍。這樣就從根本上動搖了地應(yīng)力是靜水壓應(yīng)力的理論和垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。第二十一張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3）李四光：在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定

10、厚度的情況下，水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過垂直應(yīng)力分量。4）哈斯特：地應(yīng)力測量發(fā)現(xiàn)存在于地殼上部的最大主應(yīng)力幾乎處處是水平或接近水平的，從根本上動搖了地應(yīng)力是靜水壓力的理論和以垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。 5）近期研究：重力作用和構(gòu)造運(yùn)動是引起地應(yīng)力的主要原因，其中尤以水平方向的構(gòu)造運(yùn)動對地應(yīng)力的形成影響最大。當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)主要由最近一次的構(gòu)造運(yùn)動所控制，但也與歷史上的構(gòu)造運(yùn)動有關(guān)。c 地應(yīng)力分布理論：第二十二張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月因此，重力作用和構(gòu)造運(yùn)動是引起地應(yīng)力的主要原因，地應(yīng)力的大小和方向不可能通過數(shù)學(xué)計算或模型分析的方法來獲得，要了解一個地區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)，唯一的方法就

11、是進(jìn)行地應(yīng)力測量。第二十三張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6.2 地應(yīng)力的成因產(chǎn)生地應(yīng)力的原因是十分復(fù)雜的，至今也不是十分清楚。近30多年來的實測和理論分析表明，地應(yīng)力的形成主要與地球的各種運(yùn)動過程密切相關(guān)，第二十四張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6.2地應(yīng)力的成因包括：板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入和地球非均勻擴(kuò)容等。另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其他物理化學(xué)變化等也可以引起相應(yīng)的應(yīng)力場。下面就幾種主要成因進(jìn)行分述：第二十五張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場中國大陸板塊受到外部

12、印度洋板塊和太平洋板塊兩板塊的擠壓，推擠速度為每年數(shù)厘米，同時還受到西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束我國大陸板塊發(fā)生變形，產(chǎn)生水平壓應(yīng)力場，其主應(yīng)力跡線如圖4-1所示。第二十六張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）地幔熱對流引起的應(yīng)力場 由硅鎂組成的地幔因溫度很高，具有可塑性，并可以上下對流和蠕動。當(dāng)?shù)蒯Ｉ钐幍纳仙鞯竭_(dá)地幔頂部時，就分為兩股方向相反的平流，經(jīng)一定流程直到與令一對流圈的反向平流相遇，一起轉(zhuǎn)為下降流回到地球深處，形成封閉的循環(huán)體系。地幔熱對流引起地殼下面的水平切向力。第二十七張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）由地心引力引起的應(yīng)力場由地心引力引起的應(yīng)力

13、場稱為重力應(yīng)力場，重力應(yīng)力場是各種應(yīng)力場中唯一能夠計算的應(yīng)力場。重力應(yīng)力為垂直方向應(yīng)力，它是地殼中所有各點(diǎn)垂直應(yīng)力的主要組成部分，但垂直應(yīng)力一般并不完全等于自重應(yīng)力，因為板塊移動、巖漿對流和侵入、巖體非均勻擴(kuò)容、溫度不均和水壓梯度等，均會引起垂直方向應(yīng)力的變化。第二十八張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3）由地心引力引起的應(yīng)力場 由地心引力引起的應(yīng)力場稱為重力應(yīng)力場。重力應(yīng)力場是各種應(yīng)力場中唯一可以測量的應(yīng)力場。垂直應(yīng)力：平均容重，KN/m3H總深度（m） 圖 巖體自重垂直應(yīng)力第二十九張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（4）巖漿侵入引起的應(yīng)力場 巖漿侵入擠壓、冷凝收縮和

14、成巖過程，由于不同的熱膨脹系數(shù)及熱力學(xué)過程等，均會在周圍地層中產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場，但它是一種局部應(yīng)力場。第三十張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4）巖漿侵入引起的應(yīng)力場 巖漿傾入擠壓、冷凝收縮和成巖，均在周圍底層產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場。 與上述三種應(yīng)力場不同，由巖漿侵入引起的應(yīng)力場是一種局部應(yīng)力場。第三十一張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（5）地溫梯度引起的應(yīng)力場地層的溫度隨著深度的增加而升高，一般的溫度梯度為每百米3。由于溫度梯度而引起地層中不同深度不同的膨脹，從而引起地層中的局部壓應(yīng)力產(chǎn)生。第三十二張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5）地溫梯度引起的應(yīng)力 隨埋

15、深增加，地溫增高，巖體性質(zhì)改變產(chǎn)生附加應(yīng)力。 一般地溫梯度： 巖體的體膨脹系數(shù)： ，巖體彈模E=104MPa； 地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為： z-深度/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。溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的1/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。第三十三張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（6）地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場 地殼上升部分巖體因為風(fēng)化、侵蝕和剝蝕作用，由于巖體內(nèi)的顆粒結(jié)構(gòu)的變化和應(yīng)力松弛趕不上這種變化，導(dǎo)致巖體內(nèi)仍然存在著比由地層厚度所引起的自重應(yīng)力還要大得多的水平應(yīng)力。 地殼巖體因為風(fēng)化、侵蝕、雨水沖刷搬運(yùn)而產(chǎn)生剝蝕作用，使得巖體內(nèi)產(chǎn)生顆粒的結(jié)構(gòu)變化和應(yīng)力松弛產(chǎn)

16、生水平應(yīng)力場。第三十四張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月區(qū)域初始應(yīng)力場有一致性，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。孤立山體：巖體自重起主導(dǎo)作用，V H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。如二灘水電站處于河谷地段的應(yīng)力集中范圍達(dá)500m，深度250m第三十五張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月斷裂帶：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)力與斷層走向近似垂直，積聚于上盤巖體中。地殼表面剝蝕：垂直應(yīng)力減少，近地表處，H V此外，地震活躍地區(qū)，初始應(yīng)力大小和方向還隨時間而變化。第三十六張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作

17、于2022年6月6.3 地應(yīng)力的變化規(guī)律通過理論、地質(zhì)調(diào)查和大量的地應(yīng)力測量資料的分析與研究，已初步認(rèn)識到淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律：（1）地應(yīng)力是個相對穩(wěn)定的非穩(wěn)定應(yīng)力場，它是時間和空間的函數(shù)。地應(yīng)力在絕大部分地區(qū)是以水平應(yīng)力為主的三向不等壓應(yīng)力場。三個主應(yīng)力的大小和方向是隨著時間和空間而變化的，因而它是一個非穩(wěn)定的應(yīng)力場，第三十七張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6.3 地應(yīng)力的變化規(guī)律（1）地應(yīng)力是個相對穩(wěn)定的非穩(wěn)定應(yīng)力場，它是時間和空間的函數(shù)。從小范圍來看，它在空間上的變化是比較明顯的，但就某個地區(qū)整體而言，其變化并不大。在某些地震活躍地區(qū)，地應(yīng)力的大小和方向隨時間的變

18、化是很明顯的，地震前，應(yīng)力處于累積階段，應(yīng)力值不斷升高，而地震時使集中應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力值大幅度下降，要過一段時間后才能恢復(fù)到震前狀態(tài)。第三十八張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）實測鉛垂應(yīng)力基本等于上覆巖層重量對全世界實測統(tǒng)計資料的分析表明，在深度為252700m的范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力呈線性增長，大致符合海姆的假設(shè)規(guī)律，但在某些地區(qū)的測量結(jié)果有一定的偏差，這些偏差除測量誤差外，板塊移動、巖漿運(yùn)動和不均勻膨脹、擴(kuò)容等都會產(chǎn)生垂直應(yīng)力異常。圖4-2是霍克（E.Hoek）和布朗（E.T.Brown）總結(jié)出來的世界各國值隨深度H的變化規(guī)律。第三十九張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022

19、年6月2）實測垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量 世界各國垂直應(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/m3第四十張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）水平應(yīng)力普遍大于鉛垂應(yīng)力實測資料表明，在絕大多數(shù)地區(qū)均有兩個主應(yīng)力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，其與水平面的夾角一般不大于30，最大水平主應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力，它們的比值一般在0.55.5之間，在很多情況下比值大于2。垂直應(yīng)力在大多數(shù)情況下為最小主應(yīng)力，在少數(shù)情況下為中間主應(yīng)力，只在個別情況下為最大主應(yīng)力。這再次說明，水平方向的構(gòu)造運(yùn)動對地殼淺層地應(yīng)力的形成起控制作用。第四十一張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2

20、022年6月3）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。第四十二張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（4）平均水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力的比值隨深度增加而減小，但在不同地區(qū)，變化的速度很不相同，圖4-3為世界不同地區(qū)取得的實測結(jié)果。該圖表明，在深度不大的情況下，兩者的比值相當(dāng)分散。隨著深度的增加，該值的變化范圍逐步縮小，并向1附近集中，這說明在地殼深部有可能出現(xiàn)靜水壓應(yīng)力狀態(tài)。第四十三張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨深度增加而減小，且趨近于1第四十四張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5）最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長關(guān)系。 第四十

21、五張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（6）最大水平主應(yīng)力和最小水平應(yīng)力之值一般相差較大，其方向也受地質(zhì)構(gòu)造影響，顯示出很強(qiáng)的方向性特點(diǎn)。第四十六張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月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)的方向性。 sh,min/sh,max，一般為0.20.8.多數(shù)為0.40.8第四十七張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（7）地應(yīng)力除上述分布規(guī)律外，還受地形、巖體結(jié)構(gòu)、斷層等方面的擾動影響。地形對原始地應(yīng)力的影響是十分復(fù)雜的，一般來說，谷底是應(yīng)力集中部位，越靠近谷底其應(yīng)力集中程度也會越明顯。隨著深度的增加或遠(yuǎn)離谷底邊坡，

22、則地應(yīng)力分布狀態(tài)逐漸趨于規(guī)律化，并顯示出和區(qū)域應(yīng)力場的一致性。第四十八張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月在斷層和結(jié)構(gòu)面附近，地應(yīng)力分布狀態(tài)也會出現(xiàn)明顯的擾動。斷層端部、拐角處及交匯處將出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。由于斷層帶中的巖體一般都比較軟弱和破碎，不能承受高的應(yīng)力和不利于能量積累，所以此處成為應(yīng)力降低帶。第四十九張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月隨著斷層性質(zhì)的不同，其影響也不一樣，如果是壓性斷層，其中的應(yīng)力狀態(tài)與周圍巖體比較接近，只是主應(yīng)力的大小比周圍巖體有所下降，若是張性斷層，其中的地應(yīng)力大小和方向與周圍巖體相比均要發(fā)生顯著的變化。第五十張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2

23、022年6月6.4 地應(yīng)力的實測方法6.4.1 地應(yīng)力實測的基本原理原巖地應(yīng)力測量就是確定存在于擬開挖巖體及其周圍區(qū)域的未擾動的三維應(yīng)力，原位地應(yīng)力測量是目前取得工程需要的不同深度原巖應(yīng)力可靠資料的唯一方法。第五十一張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月巖體中一點(diǎn)的三維壓力狀態(tài)可由選定坐標(biāo)系中的六個應(yīng)力分量來表示，如圖4-4所示。但圖中的坐標(biāo)系一般取地球坐標(biāo)系作測量坐標(biāo)系，這樣由六個應(yīng)力分量可求得該點(diǎn)的三個主應(yīng)力的大小和方向就是唯一的，這種測量通常叫“點(diǎn)”測量方法。第五十二張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月盡管也有一些（如超聲波地球物理方法）測定大范圍巖體內(nèi)平均應(yīng)力方法，但

24、這些方法不如“點(diǎn)”測量方法準(zhǔn)確，因此，“點(diǎn)”測量方法更為普及。由于地應(yīng)力的復(fù)雜和多變性，要比較準(zhǔn)確測定某一地區(qū)地應(yīng)力，必須進(jìn)行充足數(shù)量“點(diǎn)”測量，再借助數(shù)值、數(shù)理統(tǒng)計、灰色建模和人工智能等處理方法，來描述該地區(qū)全部地應(yīng)力場狀態(tài)。第五十三張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月在進(jìn)行原位地應(yīng)力測量時，為了讓人和設(shè)備進(jìn)入觀測地點(diǎn)不可避免的要預(yù)先開挖一些巷道和峒室。因此，只要巷道和峒室一開，其周圍巖體中的應(yīng)力狀態(tài)就受到擾動進(jìn)行重新分布而產(chǎn)生了次生應(yīng)力，第五十四張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月若要在峒室表面進(jìn)行測量（如早期的扁千斤頂法），再在計算原始應(yīng)力時再考慮擾動作用，但這種擾動

25、非常復(fù)雜，不可能精確計算和分析，導(dǎo)致所測得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，有的甚至是錯誤的結(jié)論。 第五十五張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十六張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月為了避免這種不足，盡量少擾動原巖中的壓力狀態(tài)，保證測量結(jié)果的真實有效，因此，從峒室表面再向巖體中打小直徑的深孔，直到原巖應(yīng)力區(qū)，讓測量過程只在小孔中進(jìn)行，由于小孔對原巖應(yīng)力狀態(tài)的擾動是可以忽略不計的。第五十七張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月目前，普遍采用的應(yīng)力解除法和水壓致裂法均屬于此類方法。但是，任何一種實測方法都需要通過擾動（通常是打鉆孔），打破原有狀態(tài)，在從一種平衡狀態(tài)到新的平衡狀態(tài)過程中

26、，通過對力或應(yīng)力的效應(yīng)的間接測定來實現(xiàn)，不可能完全實現(xiàn)原巖應(yīng)力的測試。第五十八張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月原巖應(yīng)力實測方法因其所用傳感器原理和結(jié)構(gòu)的不同而有許多種：孔徑變形法、水壓致裂法、孔壁應(yīng)變法、空心包體應(yīng)變法。其中，前二種是二維應(yīng)力測量，可以測量與鉆孔軸線垂直截面上的原巖應(yīng)力分量；后二種是三維應(yīng)力測量，可以一次測得全部六個應(yīng)力分量； 第五十九張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月測量方法：1）測量手段的不同劃分： 構(gòu)造法、變形法、電磁法、地震法、放射性法。2）測量原理的不同劃分： 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、水壓致裂法、聲發(fā)射法、X射線法、重

27、力法3）測量基本原理不同劃分： 直接測量法：由測量儀器直接測量和記錄各種應(yīng)力量，并由這些應(yīng) 力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過計算獲得原巖應(yīng)力值。 間接測量法：借助某些傳感元件或某些介質(zhì)，測量和記錄巖體中 某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，然后由測得的間接物 理量的變化，通過已知的公式計算巖體中的應(yīng)力值。 第六十張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月直接測量法：由測量儀器直接測量和記錄各種應(yīng)力量，如補(bǔ)償應(yīng)力、平衡應(yīng)力，并由這些應(yīng)力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過計算獲得原巖應(yīng)力值的方法。在計算過程中并不涉及不同物理量的換算，不需要知道巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。扁千斤頂法、水壓致裂法、

28、剛性包體應(yīng)力計法和聲發(fā)射法等均屬此種測量法，其中，水壓致裂法是目前應(yīng)用最廣的方法，聲發(fā)射次之。第六十一張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月間接測量法：不直接測量應(yīng)力量，而是借助某些傳感器元件或某些介質(zhì)，測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，如巖體中的變形或應(yīng)變、彈性波傳播速度變化等，然后由測得的間接物理量的變化，通過已知的公式計算巖體中的應(yīng)力值的方法。第六十二張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月間接測量法：因此，在間接測量法中，為了計算應(yīng)力值，首先必須確定巖體的某些物理力學(xué)性質(zhì)以及所測物理量和應(yīng)力的相互關(guān)系。其中，套孔應(yīng)力解除法是目前國內(nèi)外最普遍采用的，且發(fā)展較

29、為成熟的一種間接測量地應(yīng)力的方法。第六十三張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6.4.1 直接測量法1 扁千斤頂法2 剛性包體應(yīng)力計法3 水壓致裂法4 聲發(fā)射法第六十四張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6.4.1 直接測量法( 一、扁千斤頂法)示意圖 步驟：1)在準(zhǔn)備測量地應(yīng)力的巖石表面，安裝兩個測量柱并測量兩柱之間的距離.2)在與兩柱對稱的中間位置向巖體內(nèi)開挖一個垂直于測量柱連線的扁槽，并測量記錄開挖過程過程中兩測量柱之間距離的變化.第六十五張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6.4.1 直接測量法( 一、扁千斤頂法)示意圖 3)將扁千斤頂放入槽內(nèi)并加壓，測量

30、兩柱之間的距離，直到恢復(fù)到扁槽開挖前的距離，記錄千斤頂壓力；這一壓力稱為“平衡壓力”或“補(bǔ)償應(yīng)力”第六十六張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6.4.1 直接測量法1）扁千斤頂法扁千斤頂法又稱“壓力枕”，由兩塊薄鋼板沿周圍焊接而成。在周邊處有一個油壓入口和一個出氣閥。測量步驟如下：1、在準(zhǔn)備測量應(yīng)力的巖石表面，如巷道、峒室的表面，安裝兩個測量柱，并用微米表測量兩柱之間的距離。第六十七張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2、在與倆測量柱對稱的中間位置向巖體內(nèi)開挖一個垂直于測量柱連線的扁槽，槽的大小、形狀和厚度需和扁千斤頂相一致。 由于扁槽的開挖，造成局部應(yīng)力釋放并引起測量柱之

31、間距離的變化，測量并記錄這一變化值。第六十八張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3、將扁千斤頂完全塞入槽內(nèi)，必要時需注漿將扁千斤頂和巖石膠結(jié)在一起，然后用電動或手動液壓泵向其加壓。隨著壓力的增加，兩側(cè)柱之間的距離亦增加，當(dāng)兩測量柱之間的距離恢復(fù)到扁槽開挖前的大小時，停止加壓，并記錄此時扁千斤頂中的壓力。該壓力稱為“平衡應(yīng)力”或“補(bǔ)償應(yīng)力”，等于扁槽開挖前表面巖體中垂直于扁千斤頂方向且平行于兩測柱連線方向的應(yīng)力。第六十九張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月評價：1、扁千斤頂法只是一種一維應(yīng)力測量法，不能在同一點(diǎn)上測量六個應(yīng)力分量；2、扁千斤頂法只能在巷道、峒室或其他開挖體表面

32、附近進(jìn)行測量，其測量結(jié)果受開挖擾動影響較大；3、扁千斤頂法的測量原理是基于巖石為完全線彈性的假設(shè)，對于非線性巖體，其加載和卸載路徑的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是不同的。優(yōu)缺點(diǎn) 第七十張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2）剛性包體應(yīng)力計法剛性包體應(yīng)力計法是20世紀(jì)50年代繼扁千斤頂法之后應(yīng)用較為廣泛的一種巖體應(yīng)力測量方法。剛性包體應(yīng)力計的主要組成部分是一個由鋼、銅合金或其他硬質(zhì)金屬材料制成的空心圓柱，在其中心部位有一個壓力傳感器元件。測量時首先在測點(diǎn)打一鉆孔，然后將該圓柱擠壓進(jìn)鉆孔中，以使圓柱和鉆孔壁緊密接觸。 第七十一張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十二張，PPT共一百一十一頁

33、，創(chuàng)作于2022年6月鉆孔應(yīng)力計第七十三張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十四張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月理論分析表明，當(dāng)周圍巖體應(yīng)力發(fā)生變化時，在剛性體中會產(chǎn)生一個均勻分布的應(yīng)力場，該應(yīng)力場的大小和巖體中的應(yīng)力變化之間存在一定的比例關(guān)系。當(dāng)剛性包體的彈性模量大于巖體彈性模量的5倍時，在巖體中任何方位的應(yīng)力變化會在包體重相同方向引起1.5倍的應(yīng)力。因此，只要測量出剛性包體中的應(yīng)力變化就可以知道巖體中的應(yīng)力變化。第七十五張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月評價：優(yōu)點(diǎn)：剛性包體應(yīng)力計具有很高的穩(wěn)定性，可用于現(xiàn)場的長期監(jiān)測。缺點(diǎn)：剛性包體應(yīng)力計法只能測量垂

34、直于鉆孔平面的單向或雙向應(yīng)力變化情況，不能用于測量原巖應(yīng)力；另外它的靈敏度較低。除鋼鉉應(yīng)力計目前還在應(yīng)用外，其他形式的剛性包體應(yīng)力計于20世紀(jì)80年代之前已被淘汰。優(yōu)缺點(diǎn) 第七十六張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3）水壓致裂法水壓致裂法是石油行業(yè)為了提高石油產(chǎn)量，在鉆井中用水壓方法使鉆井產(chǎn)生人工裂隙而出現(xiàn)的一種方法，20世紀(jì)50年代被廣泛應(yīng)用于油田生產(chǎn)。哈伯特（M.K.Hubbert）和威利斯（D.G.Willis）發(fā)現(xiàn)了水壓致裂裂隙和原巖應(yīng)力之間的關(guān)系，后來又被費(fèi)爾赫斯特（C.Fairhurst）和海姆森（B.C.Haimson）應(yīng)用于地應(yīng)力測量。第七十七張，PPT共一百一十一

35、頁，創(chuàng)作于2022年6月原理 從彈性力學(xué)理論可知，當(dāng)一個位于無限體中的鉆孔受到無窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場( ， )的作用時，離開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，鉆孔周邊的應(yīng)力為式中， 和 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 軸的夾角。 當(dāng) 0時， 取得極小值，此時 3）水壓致裂法第七十八張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月原理如果采用圖所示的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來，并向該段鉆孔注入高壓水，當(dāng)水壓超過 和巖石抗拉強(qiáng)度T之和后，在 0處，也即所在方位將發(fā)生孔壁開裂。設(shè)鉆孔壁發(fā)生初始開裂時的水壓為 ，則有3）水壓致裂法第七十九張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)

36、作于2022年6月原理如果繼續(xù)向封隔段注入高壓水，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂隙深度達(dá)到3倍鉆孔直徑時，此處已接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定，將該恒定壓力記為Ps,Ps應(yīng)和原巖應(yīng)力相平衡， 即 3）水壓致裂法第八十張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月原理在鉆孔中存在裂隙水的情況下，如封隔段處的裂隙水壓力為P0 ,則在初始裂隙產(chǎn)生后，將水壓卸除，使裂隙閉合，然后再重新向封隔段加壓，使裂隙重新打開，記裂隙重開時的壓力為Pr，則有 3）水壓致裂法第八十一張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月原理由以上兩式求 和 就無須知道巖石的抗拉強(qiáng)度。因此，由水壓致裂法測量原巖應(yīng)力將不涉及巖

37、石的物理力學(xué)性質(zhì)，而完全由測量和記錄的壓力值來決定。 3）水壓致裂法第八十二張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月測量步驟 1）打鉆孔到準(zhǔn)備測量應(yīng)力的部位，井將鉆孔中待加壓段用封隔器密封起來，鉆孔直徑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，也可用氣體。3）水壓致裂法第八十三張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月測量步驟 2）向隔離段注射高壓水，加大水壓，直至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力Pi ；然后繼續(xù)施加水壓以擴(kuò)張裂隙，當(dāng)裂隙擴(kuò)張至3倍直徑深度時，關(guān)閉高水壓系統(tǒng)，保持水壓恒定，此時應(yīng)力為關(guān)閉壓力，記為Ps ；最后卸壓，使裂隙閉合。在整個加壓過程中

38、，記錄壓力-時間曲線圖和流量-時間曲線圖，確定Pi ， Ps值。3）水壓致裂法第八十四張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月測量步驟 3）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開并記下裂隙重開時的壓力Pr和隨后的恒定關(guān)閉壓力Ps。這種卸壓-重新加壓的過程重復(fù)23次，以提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。Pr和Ps同樣由壓力-時間曲線和流量-時間曲線確定。3）水壓致裂法第八十五張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月測量步驟 4）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。5）測量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小，測量可以采用井下攝影機(jī)、井下電視、井下光學(xué)望遠(yuǎn)鏡或印

39、模器。 3）水壓致裂法第八十六張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月優(yōu)缺點(diǎn) 水壓致裂測量結(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，它是一種二維應(yīng)力測量方法。 水壓致裂法認(rèn)為初始開裂發(fā)生在鉆孔壁切向應(yīng)力最小的部位，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)和各向同性的假設(shè)。水壓致裂法較為適用于完整的脆性巖石中。 3）水壓致裂法第八十七張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月優(yōu)缺點(diǎn) 水壓致裂法的突出優(yōu)點(diǎn)是能測量深部應(yīng)力，已見報道的最大測深為5000m，這是其它方法所不能做到的。因此這種方法可用來測量深部地殼的構(gòu)造應(yīng)力場。同時，對于某些

40、工程，如露天邊坡工程，由于沒有現(xiàn)成的地下井巷、隧道、峒室等可用來接近應(yīng)力測量點(diǎn)，或者在地下工程的前期階段，需要估計該工程區(qū)域的地應(yīng)力場，也只有使用水壓致裂法才是最經(jīng)濟(jì)實用的。 3）水壓致裂法第八十八張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）測量原理水壓致裂法的基本點(diǎn)是通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定測量深度處加液壓將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點(diǎn)壓力及開裂方位，然后根據(jù)測得的壓裂過程中泵壓表頭讀數(shù)，計算測點(diǎn)附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點(diǎn)上、下用止水封隔器密封，其測量原理示意圖如圖4-5所示。第八十九張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）基本理論和計算公式從彈性力學(xué)理論可知

41、，當(dāng)一個位于無限體中的鉆孔受到無窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場（ ）的作用時，離開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，鉆孔周圍的應(yīng)力（利用彈性力學(xué)公式4-17和4-18）可得：（這里壓為負(fù)拉為正，而書上是壓為正拉為負(fù)）第九十張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月這是鉆孔周邊的應(yīng)力（此時 ，且為了與書上一致改為壓為正拉為負(fù)），則得：式中： 分別為鉆孔周邊的切線應(yīng)力和徑向應(yīng)力； 為周邊一點(diǎn)與 軸的夾角。 由（4-1）式可知，當(dāng) 時， 取得極小值時：（4-1）（4-2）（4-3）第九十一張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月如果采用圖4-5所示的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來，并向

42、該段鉆孔注入高壓水，當(dāng)水壓超過 和巖石抗拉強(qiáng)度T之后，在 處將發(fā)生孔壁開裂。設(shè)鉆孔壁發(fā)生初始開裂時的水壓為 ，則有：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)裂隙深度達(dá)到3倍鉆孔直徑時，此處已接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定，將該恒定壓力記為 ，則應(yīng)該和原巖應(yīng)力平衡，即：（4-4）（4-5）第九十二張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月由（4-4）和（4-5）式，只要測出巖石抗拉強(qiáng)度T，即可由 和 求出 。在鉆孔中存在裂隙水的情況下，如封隔段處的裂隙水壓力為 ，則（4-4）式變?yōu)椋焊鶕?jù)（4-5）和（4-6）式求時，還需要測定鉆孔封隔段巖石的抗拉強(qiáng)度，在具體實現(xiàn)時，往往比較

43、困難。 （4-6）第九十三張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月為了克服這一困難，在水壓致裂試驗中增加一個環(huán)節(jié)，即在初始裂隙產(chǎn)生后，將水壓卸除，使裂隙閉合，然后再重新向封隔段加壓，使裂隙重新打開，記裂隙重開時的應(yīng)力為 ，則有： （4-7）這樣，根據(jù)（4-5）和（4-7）式求 就無需知道巖石的抗拉強(qiáng)度了。因此，由水壓致裂法測量原巖應(yīng)力將不涉及巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，而完全由測量和記錄的壓力值來決定。第九十四張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）測量步驟1、打鉆孔到準(zhǔn)備測量應(yīng)力的部位，并將鉆孔中待加壓段用分隔器密封起來（分隔器一般采用沖壓膨脹式的）；2、向被兩個封隔器封隔的隔離段

44、注入高壓水，不斷加大水壓，直至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力 ；然后繼續(xù)增加水壓以擴(kuò)張裂隙，當(dāng)裂隙擴(kuò)張至3倍直徑深度時，關(guān)閉高壓注水系統(tǒng)，保持水壓恒定，此時的應(yīng)力稱為關(guān)閉壓力，記為 ；最后卸壓，使裂隙閉合；第九十五張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3、重新向封隔段注入高壓水，使裂隙重新打開并記錄裂隙重開時的壓力 和隨后的恒定關(guān)閉壓力 這種卸壓-重新加壓的過程重復(fù)2-3次，以提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；在整個加壓過程中，同時記錄壓力-時間曲線圖，如圖4-6所示。從壓力-時間曲線圖確定 值；從流量-時間曲線圖可以判斷裂隙擴(kuò)展深度。第九十六張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4、將分

45、隔器完全卸壓，連同加壓管等設(shè)備全部取出；5、測量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗段天然節(jié)理裂隙的位置、大小和方向，測量可以采用井下攝影機(jī)、井下電視、井下光學(xué)望遠(yuǎn)鏡或印模器等方法，一般采用印模器法。第九十七張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（4）水壓致裂法的特點(diǎn)設(shè)備簡單。只需用普通鉆探方法打鉆孔，用雙止水裝置密封，用液壓泵通過壓裂裝置壓裂巖體，不需要復(fù)雜的電磁測量設(shè)備。操作方便。只通過液壓泵向鉆孔內(nèi)注液壓裂巖體，觀測壓裂過程中泵壓、液量即可。測值直觀。它可根據(jù)壓裂時泵壓(初始開裂泵壓、穩(wěn)定開裂泵壓、關(guān)閉壓力、開啟壓力)計算出地應(yīng)力值，不需要復(fù)雜的換算及輔助測試，同時還可求得巖體抗拉強(qiáng)度。第九十八張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月測值代表性大：所測得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強(qiáng)度是代表較大范圍內(nèi)的平均值，有較好的代表性。適應(yīng)性強(qiáng):這一方法不需要電磁測量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有水條件下作試驗，不怕電磁干擾，不怕震動。第九十九張，PPT共一百一十一頁，創(chuàng)作于2022年6月存在一些缺陷：一方面：它從原理上講，屬于二維應(yīng)力測量方法，主應(yīng)力方向不能準(zhǔn)確確定，另一方面：它的理論基礎(chǔ)是基于巖石為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的假設(shè)，因而，只適合于完整的脆性巖石中。