地應力測量概述

第四章地應力及其測量4.1概論4.2地應力直接測量法4.3地應力間接測量法4.1概論4.1.1概述4.1.2地應力測量的必要性4.1.3地應力的成因4.1.4地應力分布的一般規(guī)律4.1.5地應力測量的基本原理和方法一、定義1.地應力(天然應力、初始應力等）人類工程活動之前存在于巖體中的應力。2.重分布應力（二次分布應力、附加應力等）由于工程活動改變了的巖體中的應力?！胤植紤Α?+++++++++++++++++天然應力→←↓↑∧相對于第2洞室的天然應力4.1.1概述二、地應力的組成及起源1.組成：巖體自重→自重應力構(gòu)造運動→構(gòu)造應力流體作用→滲流應力其它（地溫、地球化學作用等）2.起源（主要指構(gòu)造運動的起源）：板塊運動地幔熱對流地球自轉(zhuǎn)速度變化拉張區(qū)擠壓區(qū)4.1.1概述a)它是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。區(qū)別于結(jié)構(gòu)力學、材料力學其他力學。b)傳統(tǒng)的巖石工程的開挖設(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。c)是巖石工程數(shù)值分析方法計算分析的必要前提條件。d)地應力應用領(lǐng)域廣泛。對地震預報、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的研究等也具有重要意義。4.1.2地應力測量的必要性e)對地應力的傳統(tǒng)認識有誤。1912年，瑞士地質(zhì)學家海姆首次提出了地應力的概念，靜水壓力假設(shè)

式中，σh為水平應力；σv為垂直應力；γ為上覆巖層容重；H為深度。1926年，蘇聯(lián)學者金尼克修正海姆假設(shè)，根據(jù)彈性力學理論推出：

式中，v為上覆巖層的柏松比。

4.1.2地應力測量的必要性

20世紀50年代N.Hast實測發(fā)現(xiàn)存在于地殼上部的最大主應力方向接近水平的，而且最大水平主應力一般為垂直應力的1～2倍，甚至更多。地應力測量發(fā)現(xiàn)存在于地殼上部的最大主應力幾乎處處是水平或接近水平的，從根本上動搖了地應力是靜水壓力的理論和以垂直應力為主的觀點。4.1.2地應力測量的必要性4.1.3地應力的成因垂直應力：—平均密度，KN/m3側(cè)壓力：H—總深度（m）—側(cè)壓力系數(shù)巖體自重垂直應力1）巖體自重應力場2）地幔熱對流（碰撞、俯沖、海岸）4.1.3地應力的成因3）板塊邊界受壓4.1.3地應力的成因4）巖漿侵入4.1.3地應力的成因5)地質(zhì)構(gòu)造應力4.1.3地應力的成因圖地形對初應力的影響6）地形、地表剝蝕對地應力影響4.1.3地應力的成因a.孔隙水壓力、流動水壓力(影響小)、靜水壓力（懸浮作用）

b.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力約為：

z--深度/m。溫度應力是同深度的垂直應力的1/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。7）水壓力、熱應力4.1.3地應力的成因1）地應力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應力場，它是時間和空間的函數(shù)。2）實測垂直應力基本等于上覆巖層的重量3）水平應力普遍大于垂直應力。4）平均水平應力與垂直應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。

4.1.4地應力分布的一般規(guī)律4.1.4地應力分布的一般規(guī)律以東經(jīng)100～105o為界分東西兩區(qū)。強度上：西強東弱（西高東低）方向上：西：NNE-SSW為主，東：近E-W。一、分區(qū)性（以中國為例）西南：印度板塊向NNE擠壓（5mm/a）東：太平洋板塊向W俯沖（1cm/a）南：菲律賓板塊向N俯沖北：西伯利亞板塊阻擋1跡線：N-NE-SSE中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠壓，形成了中國大陸巖體中的天然應力。4.1.4地應力分布的一般規(guī)律上覆巖體自重V多為壓應力V多為最小主應力，少數(shù)為中間主應力與最大主應力二、鉛直應力（V）4.1.4地應力分布的一般規(guī)律三、水平應力（h）巖體中天然應力常以水平應力為主，即h>v，特別是hmax>v,據(jù)統(tǒng)計資料：h/v≈0.8-3.0，說明巖體中水平天然應力主要受地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應力場的控制;水平應力具有強烈的各向異性，即h1≠h2，我國華北hmin/hmax≈0.2-0.8，華南hmin/hmax≈0.3-0.75。原因a.巖體各向異性;b.構(gòu)造運動的方向性;水平天然應力以壓應力為主，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應力，且是以一向壓，一向拉多見。另外在地表卸荷帶影響區(qū)，也可能出現(xiàn)水平應力為拉應力的現(xiàn)象。4.1.4地應力分布的一般規(guī)律六、高天然應力標志開挖洞室時，常產(chǎn)生巖爆、剝離；收斂變形大，使開挖斷面變??；軟弱夾層內(nèi)的物質(zhì)被擠出，節(jié)理閉合；餅狀巖心；水下開挖無水滲出。4.1.4地應力分布的一般規(guī)律四、天然應力比值系數(shù)()隨深度增加而減小。4.1.4地應力分布的一般規(guī)律五、主應力平面與水平面的關(guān)系據(jù)主應力平面與水平面的關(guān)系，天然應力狀態(tài)劃分為：水平應力場—兩個應力軸近水平，或與水平面夾角很小，另一應力軸近鉛直，三個應力軸與空間坐標一致，我國大陸范圍內(nèi)屬這種應力場;非水平應力場—水平應力與水平面夾45°左右，另一軸與水平面夾0~45°左右，分布于板塊邊緣。4.1.4地應力分布的一般規(guī)律七、影響天然應力的因素1.地形起伏a.水平應力向負地形集中，向正地形釋放b.在斜坡附近，應力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)+++++++++++++++++4.1.4地應力分布的一般規(guī)律2.結(jié)構(gòu)面………3.巖體性質(zhì)

硬巖往往可積累較高的應力，而軟巖則相反4.地下水

產(chǎn)生滲流應力5.地溫

產(chǎn)生溫度應力4.1.4地應力分布的一般規(guī)律巖體中一點原巖應力狀態(tài)示意圖

測量原始地應力就是確定存在于擬開挖巖體及其周圍區(qū)域的未受擾動的三維應力狀態(tài)，這種測量通常是通過一點一點的量測來完成的。巖體中一點的三維應力狀態(tài)可由選定坐標系中的六個分量來表示。

4.1.5地應力測量的基本原理和方法基本原理測量方法：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。測量原理的不同劃分：應力恢復法、應力解除法、應變恢復法、應變解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、X射線法、重力法。又可分為直接測量法和間接測量