巖石力學(xué)基本教程教學(xué)PPT第6章地應(yīng)力

第6章地應(yīng)力6.1地應(yīng)力的概念與意義6.1.1地應(yīng)力的基本概念地應(yīng)力可以概要定義為存在于巖體中未受人工開挖擾動影響的自然應(yīng)力，或稱原巖應(yīng)力。地應(yīng)力場呈三維狀態(tài)有規(guī)律地分布于巖體中。當(dāng)工程開挖后，圍巖的應(yīng)力受到開挖擾動的影響而重新分布，重分布后形成的應(yīng)力則稱為二次應(yīng)力或誘導(dǎo)應(yīng)力。6.1.2地應(yīng)力的成因、組成成分和影響因素1．地應(yīng)力的成因（1）大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場（2）地幔熱對流引起的應(yīng)力場（3）由地心引力引起的應(yīng)力場（4）巖漿侵入引起的應(yīng)力場（5）地溫梯度引起的應(yīng)力場（6）地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場中國大陸板塊印度洋板塊和大平洋板塊的推擠，同時受到了西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束。在這樣的邊界條件下，板塊發(fā)生變形，產(chǎn)生水平受壓應(yīng)力場。其主應(yīng)力跡線如圖6.1所示地幔熱對流引起地殼下面的水平切向應(yīng)力。由地心引力引起的應(yīng)力場稱為自重應(yīng)力場，自重應(yīng)力場是各種應(yīng)力場中唯一能夠計算的應(yīng)力場。由巖漿侵入引起的應(yīng)力場是一種局部應(yīng)力場。2023/2/52教材配套課件圖6.1中國板塊主應(yīng)力跡線圖2023/2/53教材配套課件2．自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力

對上述地應(yīng)力的組成成分進行分析，依據(jù)促成巖體中初始地應(yīng)力的主要因素，可以將巖體中初始地應(yīng)力場劃分為兩大組成部分，即自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場。二者疊加起來便構(gòu)成巖體中初始地應(yīng)力場的主體。（1）巖體的自重應(yīng)力

研究巖體的自重應(yīng)力時，一般把巖體視為均勻、連續(xù)且各向同性的彈性體，因而可以引用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理來探討巖體的自重應(yīng)力問題。將巖體視為半無限體，即上部以地表為界，下部及水平方向均無界限。那么，巖體中某點的自重應(yīng)力可按以下方法求得。

設(shè)距地表深度為處取一單元體，如圖6.2所示，巖體自重在地下深為處產(chǎn)生的垂直應(yīng)力為單元體上覆巖體的重量，即：式中，為上覆巖體的平均重力密度（）；為巖體單元的深度（m）。（6.2）2023/2/54教材配套課件

把巖體視為各向同性的彈性體，由于巖體單元在各個方向都受到與其相鄰巖體的約束，不可能產(chǎn)生橫向變形，即。而相鄰巖體的阻擋就相當(dāng)于對單元體施加了側(cè)向應(yīng)力及，考慮廣義虎克定律則有：由此可得式中，E為巖體的彈性模量，為巖體的泊松比。令，則有：

稱為側(cè)壓力系數(shù)，其定義為某點的水平應(yīng)力與該點垂直應(yīng)力的比值。（6.3a）（6.3b）（6.4）（6.5）2023/2/55教材配套課件圖6.2巖體自重垂直應(yīng)力圖6.3巖體自重垂直應(yīng)力

若巖體由多層不同重力密度的巖層所組成（圖6.3）。各巖層的厚度為（=1，2，…，），重度為（=1，2，…，），泊松比為（=1，2，…，），則第層底面巖體的自重初始應(yīng)力為（6.6）2023/2/56教材配套課件一般巖體的泊松比為0.2~0.35，故側(cè)壓系數(shù)通常都小于1，因此在巖體自重應(yīng)力場中，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力，都是主應(yīng)力，約為的25%~54%。只有巖石處于塑性狀態(tài)時，值才增大。當(dāng)=0.5時，=1，它表示側(cè)向水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力相等（），即所謂的靜水應(yīng)力狀態(tài)（海姆假說）。（2）構(gòu)造應(yīng)力

地殼形成之后，在漫長的地質(zhì)年代，在歷次構(gòu)造運動下，有的地方隆起，有的地方下沉。這說明在地殼中長期存在著一種促使構(gòu)造運動發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場。

目前，世界上測定原巖應(yīng)力最深的測點已達5000m，但多數(shù)測點的深度在1000m左右。

我國地質(zhì)學(xué)家李四光認為，因地球自轉(zhuǎn)角度的變化而產(chǎn)生地殼水平方向的運動是造成構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主的重要原因。2023/2/57教材配套課件6.2地應(yīng)力的主要分布規(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，已初步認識到淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律：2023/2/58教材配套課件（1）地應(yīng)力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(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，因而它是一個非均勻的應(yīng)力場。地應(yīng)力在空間上的變化，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)。6.2地應(yīng)力的主要分布規(guī)律（2）實測垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量。對全世界實測統(tǒng)計資料的分析表明，在深度為25～2700m的范圍內(nèi)，σv呈線性增長，大致符合海姆假說，相當(dāng)于按平均容重?=27kN/m3計算出來的重力。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、巖漿運動和不均勻膨脹、擴容等都會產(chǎn)生垂直應(yīng)力異常。9圖6.4世界各國垂直應(yīng)力隨深度H的變化規(guī)律圖垂直應(yīng)力σv隨深度H線性增加。平均容重約為?=27kN/m3（3）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。實測資料表明，在絕大多數(shù)（幾乎所有）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)，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；與之比值一般為0.5~5.5，在很多情況下比值大于2，參見表6.l。如果將最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的平均值:10與相比，總結(jié)目前全世界地應(yīng)力實測的結(jié)果，得出之值一般為0.5~5.0，大多數(shù)為0.8~1.5。這說明在淺層地殼中平均水平應(yīng)力也普遍大于垂直應(yīng)力。表6.1世界各國水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值統(tǒng)計表（4）平均水平應(yīng)力與垂直應(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6.5為世界不同地區(qū)取得的實測結(jié)果。圖6.5世界各國平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度的變化規(guī)律圖霍克和布朗根據(jù)圖6.5所示結(jié)果回歸出下列公式來表示/隨深度變化的取值范圍：式中，H為深度，單位為m。（6.8）11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)。（5）最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長關(guān)系。斯蒂芬森（O.Stephansson）等人根據(jù)實測結(jié)果給出了芬諾斯堪的亞古陸最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度變化的線性方程：最大水平主應(yīng)力最小水平主應(yīng)力式中，H為深度，單位為m。（6）最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性。一般為0.2~0.8，多數(shù)情況下為0.4~0.8，參見表6.2。表6.2世界部分國家和地區(qū)兩個水平主應(yīng)力的比值統(tǒng)計表（7）地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會受到地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的擾動影響最大。12a.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離谷底邊坡，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。13b.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，此處成為應(yīng)力降低帶，其最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均顯著減小。c.隨著斷層性質(zhì)的不同，對周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)的影響也不同。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。6.3高地應(yīng)力區(qū)域的主要巖石力學(xué)問題6.3.1高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象l．高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則高地應(yīng)力是一個相對的概念。由于不同巖石具有不同的彈性模量，巖石的儲能性能也不同。一般來說，地區(qū)初始地應(yīng)力大小與該地區(qū)巖體的變形特性有關(guān)，巖質(zhì)越硬，則儲存彈性能多，地應(yīng)力也大。因此，高地應(yīng)力是相對于圍巖強度而言的。單向拉伸或壓縮時應(yīng)變能密度：于是三向應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變能密度是：2023/2/5146.3高地應(yīng)力區(qū)域的主要巖石力學(xué)問題6.3.1高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象l．高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則當(dāng)圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力與圍巖強度（）的比值達到某一水平時，才能稱為高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力。圍巖強度比表6.3是一些以圍巖強度比為指標(biāo)的地應(yīng)力分級標(biāo)準(zhǔn)，可以參考。表6.3以圍巖強度比為指標(biāo)的地應(yīng)力分級基準(zhǔn)2023/2/515圍巖強度比與圍巖開挖后的破壞現(xiàn)象有關(guān)，特別是與巖爆、大變形有關(guān)。前者是在堅硬完整的巖體中可能發(fā)生的現(xiàn)象，后者是在軟弱或土質(zhì)地層中可能發(fā)生的現(xiàn)象。表6.4所示是在工程巖體分級基準(zhǔn)中的有關(guān)描述，而日本仲野則是以是否產(chǎn)生塑性地壓來判定的（見表6.5）。表6.4高初始地應(yīng)力巖體在開挖中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象表6.5不同圍巖強度比開挖中出現(xiàn)的現(xiàn)象·2023/2/516教材配套課件2．高地應(yīng)力現(xiàn)象（1）巖芯餅化現(xiàn)象。在中等強度以下的巖體中進行勘探時，常可見到巖芯餅化現(xiàn)象。美國L.Obert和D.E.Stophenson（1965年）用實驗驗證的方法獲得了餅狀巖芯，由此認定餅狀巖芯是高地應(yīng)力的產(chǎn)物。從巖石力學(xué)破裂成因來分析，餅狀巖芯是剪脹破裂產(chǎn)物。a.共性h=（1/4-1/5）φ；鉆進過程差異卸荷回彈，破裂主要發(fā)生在一定高度的巖芯根部；拉張和剪切復(fù)合機制；b.產(chǎn)生條件：彈性高，儲能條件好的巖性條件，如火成巖；整體塊狀;高地應(yīng)力條件，≥30MPa。2023/2/5172．高地應(yīng)力現(xiàn)象（2）巖爆。在巖性堅硬完整或較完整的高地應(yīng)力地區(qū)開挖隧洞或探洞的過程中時有巖爆發(fā)生。巖爆是巖石被擠壓到彈性限度，巖體內(nèi)積聚的能量突然釋放所造成的一種巖石破壞現(xiàn)象?！皫r爆”、“煤爆”、“沖擊礦壓”、“礦山?jīng)_擊”、“沖擊地壓”等；18煤礦開采過程中，在高應(yīng)力狀態(tài)下集聚有大量彈性能的煤或巖體，在一定的條件下突然發(fā)生破壞、冒落或拋出，使能量突然釋放，呈現(xiàn)聲響、震動以及氣浪等明顯的動力效用。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為煤礦動壓現(xiàn)象。根據(jù)動壓現(xiàn)象的一般成因和機理，可把它歸納為三種形式，即沖擊礦壓、頂板大面積來壓和煤及瓦斯突出。沖擊礦壓是聚集在礦井巷道和采場周圍煤巖體中的能量突然釋放，在井巷發(fā)生爆炸性事故，產(chǎn)生的動力將煤巖拋向巷道，同時發(fā)生強烈聲響，造成煤巖體振動和破壞、支架和設(shè)備損壞、人員傷亡、部分巷道垮落破壞等。頂板大面積來壓主要是由于堅硬頂板被采空的面積超過一定的極限值，引起大面積冒落而造成的劇烈動壓現(xiàn)象。沖擊力+暴風(fēng)2．高地應(yīng)力現(xiàn)象（3）探洞和地下隧洞的洞壁產(chǎn)生剝離，巖體錘擊為嘶啞聲并有較大變形，在中等強度以下的巖體中開挖探洞或隧洞，高地應(yīng)力狀況不會像巖爆那樣劇烈，洞壁巖體產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，有時裂縫一直延伸到巖體淺層內(nèi)部，錘擊時有嘶啞聲。在軟質(zhì)巖體中洞體則產(chǎn)生較大的變形，位移顯著，持續(xù)時間長、洞徑明顯縮小。（4）巖質(zhì)基坑底部隆起、剝離以及回彈錯動現(xiàn)象。（如圖6.6）（5）野外原位測試測得的巖體物理力學(xué)指標(biāo)比實驗室?guī)r塊試驗結(jié)果高。（圖6.7）圖6.6基坑邊坡回彈錯動

圖6.7高地應(yīng)力條件下巖體變形線196.3.2巖爆及其防治措施1．概述

圍巖處于高應(yīng)力場條件下所產(chǎn)生的巖片（塊）飛射拋撒，以及洞壁片狀剝落等現(xiàn)象叫巖爆。

據(jù)不完全統(tǒng)計，在我國的大部分重要煤礦中，煤爆和巖爆的發(fā)生地點一般在200m-1500m深處的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層突然變化、水平煤層突然彎曲變成陡傾等部位。

由于巖爆是極為復(fù)雜的動力現(xiàn)象，至今對地下工程中巖爆的形成條件及機理還沒有形成統(tǒng)一的認識。有的學(xué)者認為巖爆是受剪破裂；也有的學(xué)者根據(jù)自己的觀察和試驗結(jié)果得出張破裂的結(jié)論；還有一種觀點把產(chǎn)生巖爆的巖體破壞過程分為：劈裂成板條、剪（折）斷成塊、塊片彈射三個階段式破壞。2023/2/520教材配套課件2．巖爆的類型、性質(zhì)和特點目前主要是根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查所得到的巖爆特征，考慮巖爆危害方式、危害程度以及對其防治對策等因素，分為破裂松脫型、爆裂彈射型、爆炸拋射型。此外，也有把巖爆分為應(yīng)變型、屈服型及巖塊突出型的，如圖6.8所示。巖爆的規(guī)?；旧峡梢苑譃槿悾葱∫?guī)模的、中等規(guī)模的和大規(guī)模的，如圖6.9所示。圖6.8巖爆發(fā)生機理

圖6.9巖爆規(guī)模劃分21教材配套課件3．巖爆產(chǎn)生的條件（l）地下工程開挖、洞室空間的形成是誘發(fā)巖爆的幾何條件；（2）圍巖應(yīng)力重分布和集中將導(dǎo)致圍巖積累大量彈性變形能，這是誘發(fā)巖爆的動力條件；（3）巖體承受極限應(yīng)力產(chǎn)生初始破裂后剩余彈性變形能的集中釋放量即決定巖爆的彈射程度；（4）巖爆通過何種方式出現(xiàn)，這取決于圍巖的巖性、巖體結(jié)構(gòu)特征、彈性變形能的積累和釋放時間的長短。4．巖爆發(fā)生的判據(jù)我國工程巖體分類標(biāo)準(zhǔn)采用的判據(jù)如下：（1）當(dāng)時，無巖爆；（2）當(dāng)時，可能會發(fā)生輕微巖爆或中等巖爆；（3）當(dāng)時，可能會發(fā)生嚴(yán)重巖爆。式中，為巖石單軸抗壓強度；為最大地應(yīng)力。5．巖爆的防治通過大量的工程實踐及經(jīng)驗的積累，目前已有許多行之有效的治理巖爆的措施，歸納起來有：加固圍巖、加防護措施、完善施工方法、改善圍巖應(yīng)力條件以及改變圍巖性質(zhì)等。221）改善圍巖應(yīng)力條件（l）選擇隧道及其他地下結(jié)構(gòu)物的位置，應(yīng)使長軸//最大主應(yīng)力方向；（2）選擇合理的開挖斷面形狀；（3）爆破開挖短進尺、多循環(huán)；（4）應(yīng)力解除法，即在圍巖內(nèi)部造成一個破碎帶，形成一個低彈性區(qū)，從而使掌子面及洞室周邊應(yīng)力降低，使高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部。為達到這一目的，可以打超前鉆孔或在超前鉆孔中進行松動爆破，這種防止巖爆的方法也稱為超應(yīng)力解除法。卸壓：跨巷回采卸壓、開槽卸壓、松動卸壓、卸壓巷硐卸壓、掘前預(yù)采等；2023/2/523教材配套課件2）改變圍巖性質(zhì)在我國煤炭行業(yè)廣泛使用煤層預(yù)注水法以改變煤的變形及強度特性，即注水軟化的方法。煤試件在浸泡水以后，動態(tài)破壞時間增加，能量釋放率顯著下降。煤層壓力注水一般有兩種方式：一是在煤層開采前進行壓力注水，使煤體濕潤，減緩和消除煤的沖擊能力，這是一種積極主動的區(qū)域性防治措施；二是對工作面前方局部應(yīng)力集中帶進行高壓注水，以減緩應(yīng)力集中，解除煤爆危險，這是一種局部解危措施。6.4地應(yīng)力測量方法6.4.1地應(yīng)力測量的基本原理

巖體應(yīng)力現(xiàn)場測量的目的是了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向，從而為分析巖體工程的受力狀態(tài)以及為支護及巖體加固提供依據(jù)。巖體應(yīng)力測量可以分為巖體初始應(yīng)力測量和地下工程應(yīng)力分布測量。前者是為了測定巖體初始應(yīng)力場，后者則是為了測定巖體開挖后引起的應(yīng)力重分布情況。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，巖體中一點的三維壓力狀態(tài)可由選定坐標(biāo)系中的六個應(yīng)力分量來表示，如圖6-10所示。2023/2/524教材配套課件坐標(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”測量方法。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，但這些方法不如“點”測量方法準(zhǔn)確，因此，“點”測量方法更為普及。25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，必須進行充足數(shù)量“點”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)。在進行原位地應(yīng)力測量時，為了讓人和設(shè)備進入觀測地點不可避免的要預(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)就受到了擾動。若要在峒室表面進行測量（如早期的扁千斤頂法），在計算原始應(yīng)力時再考慮擾動作用，但這種擾動非常復(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。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。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。2627測量方法分類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、重力法;3）測量基本原理不同劃分：直接測量法、間接測量法;直接測量法由測量儀器直接測量和記錄各種應(yīng)力量，如補償應(yīng)力、恢復(fù)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、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。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。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)展較為成熟的一種間接測量地應(yīng)力的方法。6.4地應(yīng)力測量方法6.4.2水壓致裂法1．測量原理

水壓致裂法在20世紀(jì)50年代被廣泛應(yīng)用于油田生產(chǎn)，通過在鉆井中制造人工的裂隙來提高石油的產(chǎn)量。哈伯特（M.K.Hubbert）和威利斯（D.G.Wiliis）在實踐中發(fā)現(xiàn)了水壓致裂裂隙和原巖應(yīng)力之間的關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)又被費爾赫斯特（C.Fairhurst）和海姆森（B.C.Haimson）用于地應(yīng)力測量。

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2023/2/530教材配套課件6.4地應(yīng)力測量方法31拉梅解答

6.4地應(yīng)力測量方法326.4地應(yīng)力測量方法33基爾斯解答

式中，，為鉆孔周邊的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；為周邊一點與軸的夾角。由式（4-10）可知，當(dāng)時，取得極小值，即如果采用圖6.12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度T之和后，在處，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，則有如果繼續(xù)向封隔段注入高壓水，使裂隙進一步擴展，當(dāng)裂隙深度達到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，則由圖6.12可見，應(yīng)和原巖應(yīng)力相平衡，即（6.10）（6.11）（6.12）（6.13）（6.14）34由（4-13）和（4-14）式，只要測出巖石抗拉強度T，即可由和，求出和，這樣和的大小和方向就全部確定了。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（4-13）式變?yōu)楦鶕?jù)式（6.14）和式（6.15）求和，需要知道封隔段巖石的抗拉強度，這往往是很困難的。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，記裂隙重開時的壓力為，則有這樣，由式（6.14）和（6.16）求和就無須知道巖石的抗拉強度。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。（6.15）（6.16）2023/2/535教材配套課件圖6.12水壓致裂應(yīng)力測量原理2．水壓致裂法的特點（1）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。（2）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。（3）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度。（4）測值代表性大。所測得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強度是代表較大范圍內(nèi)的平均值，有較好的代表性。（5）適應(yīng)性強。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。因此，這一方法越來越受到重視和推廣。但它存在一個較大的缺陷，就是主應(yīng)力方向測定得不準(zhǔn)。2023/2/536教材配套課件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．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)施加水壓以擴張裂隙，當(dāng)裂隙擴張至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，記錄壓力-時間曲線圖和流量-時間曲線圖，確定Pi

，Ps值。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)2—3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。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、井下電視、井下光學(xué)望遠鏡或印模器。水壓致裂法地應(yīng)力測量壓裂過程曲線水壓致裂測量結(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。水壓致裂法的突出優(yōu)點是能測量深部應(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，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)濟實用的。3．優(yōu)缺點6.4.3應(yīng)力解除法1.巖體孔底應(yīng)力解除法巖體孔底應(yīng)力解除法是向巖體中的測點先鉆進一個平底鉆孔，在孔底中心處粘貼應(yīng)變傳感器（例如電阻應(yīng)變花探頭或是雙向光彈應(yīng)變計）、通過鉆出巖芯，使受力的孔底平面完全卸載，從應(yīng)變傳感器獲得的孔底平面中心處的恢復(fù)應(yīng)變。再根據(jù)巖石的彈性常數(shù)，可求得孔底中心處的平面應(yīng)力狀態(tài)?？椎讘?yīng)力解除法主要工作步驟如圖6.13，應(yīng)變觀測系統(tǒng)如圖6.14。圖6.13孔底應(yīng)力解除法主要工作步驟1.安裝器；2.探頭；3.溫度補償器圖6.14孔底應(yīng)變觀測系統(tǒng)簡圖1—控制箱；2—電阻應(yīng)變儀；3—預(yù)調(diào)平衡箱2023/2/543（1）按試驗要求打出大孔，然后將孔底磨平打光；（2）將應(yīng)變計端部涂上膠結(jié)劑，并用專門工具送到孔底，施加壓力將應(yīng)變計端部和孔底擠壓在一起，直到膠結(jié)劑固化為止，這樣應(yīng)變片也就粘貼在孔底巖石上了，記錄應(yīng)變片在孔底的方位；3．測量步驟（3）將應(yīng)變計導(dǎo)線連接到應(yīng)變測量儀器上，記錄原始應(yīng)變數(shù)據(jù)（一般調(diào)零）；（4）進行套孔應(yīng)力解除，解除后再一次記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)應(yīng)力解除前后應(yīng)變片的讀數(shù)變化，即可求出孔底平面的應(yīng)力狀態(tài)。3．測量步驟孔底平面的應(yīng)力狀態(tài)和周圍原巖應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系還沒有理論解，只能通過試驗或數(shù)值分析方法求得。由于孔底應(yīng)力集中的狀況是非常復(fù)雜的，要精確確定二者之間的關(guān)系是很困難的，正因為這一點孔底應(yīng)變計測量的精度和實際應(yīng)用受到了很大影響。3．測量步驟另一方面，一孔測量也只能解決二維應(yīng)力，如若需要求解原巖應(yīng)力的六個應(yīng)力分量，就必須打互不平行的三個鉆孔進行測量。但該法也有自己的優(yōu)點，即它不需很長的套孔巖芯，因而有可能在較為破碎的巖石條件下使用。3．測量步驟2.巖體鉆孔套孔應(yīng)力解除法（全應(yīng)力解除法）2023/2/548基本假定：圍巖是線性、均勻、各向同性的彈性體；巖體加載、卸載過程中具有同樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系；解除孔徑不小于3倍測孔直徑，可近似處理為厚壁圓筒問題；應(yīng)力解除法所采用的鉆孔傳感器可分為位移（孔徑）傳感器和應(yīng)變傳感器兩類。中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所沒計制造的鉆孔徑變形計是上述第一類傳感器，測量元件分鋼環(huán)式和懸臂鋼片式兩種（如圖6.16）。圖6.16鉆孔變形計（a）鋼環(huán)式；（b）懸臂鋼片式該鉆孔變形計用來測定鉆孔中巖體應(yīng)力解除前后孔徑的變化值（徑向位移值）。鉆孔變形計置于中心小孔需要測量的部位，變形計的觸腳方位由前端的定向系統(tǒng)來確定。通過觸腳測出孔徑位移值，其靈敏度可達mm。2023/2/549教材配套課件（1）從地下巷道、隧道、峒室或其它開挖體的表面向巖體內(nèi)部打大孔，直至需要測量巖體應(yīng)力的部位。大孔要求：①直徑為小孔直徑的3倍以上，一般為130～150mm；②孔深為巷道、隧道或已開挖峒室跨度的3～5倍，以保證伸到未受開挖影響的原巖應(yīng)力區(qū)；3．測量步驟③打孔要保持一定的同心度；④孔底要磨平，并打出錐形孔，以利于打小孔與大孔同心；⑤孔的傾斜角一般為1～3°，打完后需放水、沖洗。3．測量步驟（2）從大孔孔底打同心小孔，用于安裝測試探頭。小孔要求：①直徑一般為36～38mm；②孔深一般為小孔直徑的10倍以上，以保證小孔中央部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)；③小孔要用水沖洗干凈。3．測量步驟（3）用一套專用裝置將測量探頭膠固到小孔中央部位。（4）用打大孔用的薄壁鉆頭繼續(xù)延伸大孔，從而使小孔周圍巖芯實現(xiàn)應(yīng)力解除。（5）由于應(yīng)力解除引起的小孔變形或應(yīng)變，可由空內(nèi)的測量系統(tǒng)測定，并通過記錄儀器記錄下來。3．測量步驟（6）根據(jù)測得的小孔變形或應(yīng)變通過有關(guān)計算公式，求出小孔周圍的原巖應(yīng)力狀態(tài)。3．測量步驟6.4.4聲發(fā)射法1．測試原理

材料在受到外荷載作用時，其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，從而發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射。

1950年，德國人凱澤（J.Kaiser）發(fā)現(xiàn)多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達到先前最大應(yīng)力值時，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當(dāng)應(yīng)力達到和超過歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象叫做凱澤效應(yīng)。從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點稱力凱澤點，該點對應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。后來國外許多學(xué)者證實了在巖石壓縮試驗中也存在凱澤效應(yīng)，許多巖石如花崗巖、大理巖、石英巖、砂巖、安山巖、輝長巖、閃長巖、片麻巖、輝綠巖、灰?guī)r、礫巖等也具有顯著的凱澤效應(yīng)，從而為應(yīng)用這一技術(shù)測定巖體初始應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。2023/2/555教材配套課件2．測試步驟（l）試件制備

為了消除由于試件端部與壓力試驗機上、下壓頭之間摩擦所產(chǎn)生的噪聲和試件端部應(yīng)力集中，試件兩端澆鑄由環(huán)氧樹脂或其他復(fù)臺材料制成的端帽（如圖6.18）。

從現(xiàn)場鉆孔提取巖石試樣，試樣在原環(huán)境狀態(tài)下的方向必須確定將試樣加工成圓柱體試件，徑高比為1:2~1:3。為了確定測點三維壓力狀態(tài)，試樣在原環(huán)境狀態(tài)下的方向必須確定，因此，在該點的巖樣中沿六個不同方向制備試件，假如該點的局部坐標(biāo)系為oxyz，則三個方向選定為坐標(biāo)軸方向，另三個方向選為oxy,oyz,ozx平面內(nèi)的軸角平分線方向。為了獲得測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律，每個方向的試件數(shù)