地應(yīng)力及其測(cè)量原理

3.1概述

概念：a

地層未受到擾動(dòng)時(shí)，存在于地層內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力稱為原巖應(yīng)力，或稱為原始應(yīng)力，或稱為初始地應(yīng)力（insitustress）。它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。

b

當(dāng)?shù)貙颖婚_(kāi)挖后，存在于開(kāi)挖空間周?chē)鷰r體中重新分布的應(yīng)力稱為次生應(yīng)力，也叫誘發(fā)應(yīng)力（inducedstress）。3地應(yīng)力及其測(cè)量原理原巖應(yīng)力與次生應(yīng)力

1905-1912瑞士地質(zhì)學(xué)者海姆（Heim）

1925-1926金尼克

1915年瑞典人哈斯特（Hast，N）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)力和水平應(yīng)力的數(shù)值，至少在3000m范圍以內(nèi)，海姆和金尼克的假說(shuō)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)，至今還很膚淺，所以還不能計(jì)算，只能通過(guò)實(shí)測(cè)獲得。3.2地應(yīng)力的構(gòu)成及影響因素

3.2.1自重應(yīng)力yxzxz圖5-2垂直應(yīng)力計(jì)算方法(a)單一地層(b)多層地層

由地殼巖層的重量引起。——上覆各層巖體容重；

——上覆巖層平均容重。

垂直方向水平方向——側(cè)壓系數(shù)。

假定水平方向應(yīng)變?yōu)榱?，根?jù)胡克定律可導(dǎo)出下式連立求解，得即當(dāng)泊桑比值為0.5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)特例。巖石的泊松比值通常在0.10~0.35之間。因此在自重應(yīng)力場(chǎng)中側(cè)壓系數(shù)在0.10~0.54之間，而主要在0.25~0.43之間。3.2.2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)殘留于巖體內(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。

3封閉應(yīng)力是在各種地質(zhì)因素長(zhǎng)期作用下殘存于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力。3.2.3地應(yīng)力的影響因素1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：（1）在靜應(yīng)力場(chǎng)中，斷裂構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力大小和方向的影響是局部的。（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。（3）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。（4）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。2地形地貌和剝蝕作用對(duì)地應(yīng)力的影響地形地貌對(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。從能量的積累觀點(diǎn)來(lái)看，巖體應(yīng)力的上限必然要受到巖體強(qiáng)度的限制。例如，當(dāng)Ｅ＝50GPa以上的巖體，最大應(yīng)力一般為10～30MPa，而Ｅ＝10GPa以下的巖體應(yīng)力很少超過(guò)10MPa。

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4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)方面：地溫梯度和巖體局部溫度的影響。

地溫梯度一般為３℃／100ｍ巖體的體膨脹系數(shù)約為

而巖體的彈性摸量一般為10GPa

溫度應(yīng)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1在地下工程中1）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；3）地下洞室斷面幾何形狀；4）堅(jiān)硬脆性巖體中的巖爆；2在地上工程中主要是基坑開(kāi)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。3.3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)3.3.2實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層重量3.3.3水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力在深度為25~2700m范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)，大致相當(dāng)于按平均容重0.027MN/m3計(jì)算出來(lái)。上限：下限：3.4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)資料之一。由于原巖應(yīng)力不易計(jì)算，最好的辦法就是通過(guò)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：直接法常用的有扁千斤頂法、水壓致裂法、聲發(fā)射法；間接法有應(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）。3.4.1直接法1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；巖壁切槽附近應(yīng)變的變化。2水壓致裂法初始劈裂壓力穩(wěn)定開(kāi)裂壓力關(guān)閉壓力開(kāi)啟壓力在水壓力為pb，原始應(yīng)力為σ1、σ3共同作用下，孔周邊巖體中切向應(yīng)力：孔壁切向應(yīng)力時(shí)，孔壁發(fā)生拉裂，得：考慮孔隙水壓力P0當(dāng)?shù)诙渭訅褐亮严稄堥_(kāi)，此時(shí)水壓力為Pb0,σt=0

1測(cè)量深度不受限制、代表性好；

2操作方便；

3測(cè)值直觀；

4適應(yīng)性強(qiáng)。

于是，得：而關(guān)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：3聲發(fā)射法材料在受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部?jī)?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。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(méi)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(guò)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Kaiser效應(yīng)。試件制備，在同一位置按6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15～25塊。加載采用小噸位單軸壓力機(jī)，加載速率恒定。3.4.2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)力狀態(tài)時(shí)，人為地將該處的巖體單元與周?chē)鷰r體分離。此時(shí)巖體單元上所受的應(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)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。

1應(yīng)力解除法原理2應(yīng)力解除法的實(shí)施步驟1）套鉆大孔（D=118mm）；2）取巖芯并將孔底磨平；3）套鉆小孔（d=36mm）；4）取小孔巖芯；5）粘貼元件測(cè)初讀數(shù)；6）應(yīng)力解除；7）取巖芯；8）測(cè)終讀數(shù)3應(yīng)力解除法的測(cè)量方法1）孔徑變形法測(cè)量應(yīng)力解除前后鉆孔直徑的變化Δd，采用美國(guó)礦山局USBM孔徑變形計(jì)或中科院武漢巖土所36-2型孔徑變形計(jì)進(jìn)行測(cè)量。USBM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，一般至少要能取出大孔直徑2倍長(zhǎng)度的巖芯?？讖阶兓c所在斷面上原始地應(yīng)力關(guān)系為：取三個(gè)不同θi，可得到三個(gè)不同方向的直徑變化Δd

i，形成以下的三元一次方程組要測(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。2）孔壁應(yīng)變法只需在一個(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。取分別為：得到一下九個(gè)方程：設(shè)第i個(gè)測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向應(yīng)變片讀數(shù)分別為：εAi、εBi、εCi三軸應(yīng)變計(jì)，國(guó)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CSIR型應(yīng)變計(jì)。空心包體式三軸應(yīng)變計(jì)。

l一應(yīng)變計(jì)電纜；2一安裝桿；3一連接銷(xiāo)：4，l3一密封圈；5一環(huán)氧樹(shù)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(xiāo)；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；、、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（與水平面的夾角）。3.5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)測(cè)點(diǎn)編號(hào)12345測(cè)點(diǎn)位置DK66+580DK81+95DK72+37DK76+156DK74+610測(cè)點(diǎn)埋深(m)32027071010851640(MPa)10.6415.0721.0434.0584.16(MPa)9.1510.5712.2627.5528.22(MPa)5.238.327.6414.9916.13(°)28333133230258(°)15241226143104(°)193629823510(°)1.00.327.074.065(°)59.014.028.07.023(°)31.076.049.015.010秦嶺隧道實(shí)測(cè)地應(yīng)力