第4章_岩体地应力及其测量方法-hyr2015

第4章岩体地应力及其测量方法§1概述§2地应力场的分布规律§3高地应力区特征§4地应力测量方法第4章岩体地应力及其测量方法一、定义1.地应力(天然应力、初始应力等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。2.二次应力（重分布应力、诱导应力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。→←二次应力↓↑∧++++++++++++++++++地应力→←↓↑∧相对于第2洞室的地应力4.1概述4.1.1地应力的基本概念•关于地应力的古典假设•1、海姆假设：•在前言中我们已经介绍过，人们认识地应力还只是近百年的事，1912年瑞士的地质科学家海姆（A.Heim）在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察与分析，首次提出了地应力的概念，•二、关于地应力的古典假设•1、海姆假设：•假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，并且等于单位面积上覆盖岩层的重量，即：•式中：—水平应力；—垂直应力；—覆盖岩层的容重；—覆盖岩层的深度。hvHhvH•海姆认为：•（1）原岩应力各向等压，即静水压力状态。•（2）上覆岩体的重量，历经漫长的地质年代后，由于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导致水平应力最终与铅重应力相均衡。•这一法则，仍为许多岩石力学家在认识深部地应力状态时所接受。•2、金尼克假设•1926年，原苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设，•他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆盖岩层的重量，•而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数。H•2、金尼克假设•金尼克根据弹性理论（假定岩体是均匀的、连续的弹性介质体，得出水平应力总归小于铅垂应力的结论），•认为这个测压系数等于，即：•式中：—上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊松比的常值范围为0.15~0.30。1,1vhHH•此时，当时，，即海姆假说只是金尼克假说的一个特例。•同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公式来定量地计算地应力的大小，并且也都认为地应力只与重力有关，即以垂直应力为主，他们不同点只在于测压系数的不同。0.5hvH小结c地应力分布理论：1）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静水压力假设）海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。2）金尼克假设：（弹性力学假设），v为上覆岩层的柏松比。修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。HvhHvHh1•我国的地质学家李四光：•20年代指出“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量”。•50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最大水平应力主应力一般为垂直应力的1～2倍。•这样就从根本上动摇了地应力是静水压应力的理论和垂直应力为主的观点。3）李四光：在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。4）哈斯特：地应力测量发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。5）近期研究：重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。c地应力分布理论：•因此，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，•地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得，要了解一个地区的地应力状态，唯一的方法就是进行地应力测量。•因此，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，•地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得，要了解一个地区的地应力状态，唯一的方法就是进行地应力测量。•6.2地应力的成因•产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不是十分清楚。•近30多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种运动过程密切相关，研究意义三、地应力场的组成地应力场是下述各种应力场的迭加，其中构造应力场和自重应力场是主要组成部分。（1）大陆板块边界受压引起的应力场构造应力；（2）地幔热对流引起的应力场；（3）由地心引力引起的应力场自重应力；（4）岩浆侵入引起的应力场局部应力；（5）地温梯度引起的应力场温差应力；（6）地表剥蚀产生的应力场剥蚀应力。组要组成部分4.1概述4.1.2地应力的成因和影响因素四、岩体的自重应力由岩体的自重引起的应力称为自重应力。研究岩体的自重应力时●一般将岩体视为均匀、连续且各向同性的弹性体；●用连续介质力学原理进行分析；●将岩体视为半无限体，即上部以地表为界，下部及水平方向均无界限。4.1.2地应力的成因和影响因素四、岩体的自重应力1.岩体中某点的自重应力的求取设距地表深度为H处取一单元体（图4-2），并设其为各向同性的弹性体。垂直应力即为该单元体上覆岩体的重量，即：σz=γH(4-2)式中：γ——上覆岩体的平均重力密度（kN/m3）。由约束条件εx=εy=0和广义虎克定律，可得到水平应力，即：侧压系数：某点的水平应力与垂直应力的比值称为侧压系数，即：(4-4)11xyzH1xz4.1.2地应力的成因和影响因素四、岩体的自重应力2.多层岩体自重应力的求取若岩体由多层不同重力密度的岩层所组成（图4-3）：●各岩层的厚度为hi,重度为γi,泊松比为μi(i=1,2,…,n)。●则第n层底面岩体的自重初始应力为：11(4-6)1nziiinnxynziiinhh4.1.2地应力的成因和影响因素四、岩体的自重应力关于侧压系数λ的讨论一般岩体的泊松比μ=0.2～0.35，故λ=0.25～0.54●即在自重应力场中，σz、σx、σy都是主应力，且σx=σy=（0.25～0.54）σz。岩体越软，则μ越大，故λ越大。当岩石处于塑性状态时，即μ=0.5时，λ=1，此时σx=σy=σz。●它表示岩体处于静水应力状态，即海姆假说。●海姆认为岩石长期受重力作用产生塑性变形，甚至在深度不大时也会发展成各向应力相等的隐塑性状态。●地壳深处，由于高温高压，坚硬的脆性岩石也将逐渐转变为塑性状态。据估算，此深度应在距地表10km以下。4.1.2地应力的成因和影响因素四、岩体的自重应力构造应力构造应力：由构造运动引起的应力称为构造应力。构造运动：由地球内动力地质作用，引起地壳变化，使岩层或岩体发生变形和变位的运动，称为地壳运动，也常称为构造运动。近代地质力学的观点认为，在全球范围内，构造应力的总规律是以水平应力为主。李四光认为，因地球自转角度的变化而产生地壳水平方向的运动是造成构造应力以水平应力为主的重要原因。4.1.2地应力的成因和影响因素五、构造应力4.2地应力场的分布规律自从哈斯特首开地应力测量先河之后，各国岩石力学工作者也纷纷开展了地应力测量工作，积累了丰富的实测资料。霍克和布朗等人对这些资料进行了分析和总结，发现浅部地壳应力分布具有一些基本规律。下面从以下四个方面介绍这些规律：4.2.1地应力场的宏观表现4.2.2地应力场各分量之间的关系4.2.3地应力场随深度的变化规律4.2.4影响地应力场分布的主要因素4.岩体地应力及其测量方法4.2地应力场的分布规律4.2.1地应力场的宏观表现地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。“非稳定应力场”表现在：●就空间而言，各处的应力状态（方向、大小）是变化的；●就时间而言，因地震、岩浆侵入、地表剥蚀、人类活动等作用，各处的应力状态也是变化的。▲地震前，应力积累，应力值不断升高；▲地震后，应力得到释放，应力值大幅度下降；▲地震时主应力方向会发生明显变化，震后一段时间又会恢复到震前的状态。4.2地应力场的分布规律4.2.1地应力场的宏观表现“具有相对稳定性”表现在：●就空间而言，在小范围内，应力状态的变化很明显；但就整个地区整体而言，地应力的变化是不大的。●就时间而言，应力状态的变化是缓慢的。▲地震引起的应力突然变化是短时的。4.2地应力场的分布规律4.2.1地应力场的宏观表现4.2.2地应力场各分量之间的关系（1）水平地应力与垂直地应力的关系水平应力普遍大于垂直应力。●实测资料表明，在绝大多数地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于30°；●最大水平主应力σh，max普遍大于垂直应力σv，一般σh，max/σv=0.5～5.5，在很多情况下大于2。（见表4-1，P96）●平均水平应力σh，av也普遍大于σv，一般σh，av/σv=0.5～5.0，大多数为0.8～1.5（表4-1）。垂直应力σv在多数情况下为σmin,少数情况下为σm,只在个别情况下为σmax。4.2地应力场的分布规律4.2.2地应力场各分量之间的关系(2)水平地应力两主应力分量之间的关系最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。●σh,min/σh,max一般为0.2～0.8，多数为0.4～0.8，参见表4-2。4.2地应力场的分布规律4.2.2地应力场各分量之间的关系4.2.3地应力场随深度的变化规律（1）垂直应力随深度的变化规律实测垂直应力随深度近似线性增长，基本等于上覆岩层的重量。●从图4-4看出，在25～2700m范围内，垂直应力σv呈线性增长。▲大致相当于按γ=27kN/m3计算出来的重力γH。在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差。引起偏差的原因：●测量引起的误差；●板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等。4.2地应力场的分布规律4.2.3地应力场随深度的变化规律（2）水平应力随深度的变化规律最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。●斯蒂芬森给出了某地区由实测结果总结的线性方程：σh,max=6.7+0.0444H（MPa）σh,min=0.8+0.0329H(MPa)●上两式中常数项较大，反映了在某些地区近地表处仍存在显著水平应力的事实。4.2地应力场的分布规律4.2.3地应力场随深度的变化规律4.2地应力场的分布规律4.2.3地应力场随深度的变化规律（3）应力比值深度的变化规律平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。●霍克和布朗根据各国实测资料，总结出如下规律：式中：H——深度（m）。1000.30.5(4-8)hvHH,av1500≤≤4.2.4影响地应力场分布的主要因素地应力的分布规律受以下因素影响而发生变化：●影响因素：地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等。●特别是地形和断层的扰动影响最大。4.2地应力场的分布规律4.2.4影响地应力场分布的主要因素地形对地应力的影响一般来说，谷底是应力集中的部位，越靠近谷底应力集中越明显。最大主应力在谷底或河床中心近于水平，而在两岸岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面相平行。4.2地应力场的分布规律4.2.4影响地应力场分布的主要因素锦屏河谷下切后最大主应力分布锦屏河谷下切后剪应力分布图断层和结构面对地应力的影响在断层和结构面附近，地应力分布状态将会受到明显的扰动。●断层端部、拐角处及交汇处将出现应力集中的现象。▲端部的应力集中与断层长度有关，长度越大，应力集中越强烈；▲拐角处的应力集中程度与拐角大小及其与地应力的相互关系有关。由于断层带中的岩体一般都较软弱和破碎，不能承受高的应力和不利于能量积累，所以成为应力降低带，其最大主应力和最小主应力与周围岩体相比均显著减小。同时，断层的性质不同，对周围岩体应力状态的影响也不同。●压性断层中的应力状态与周围岩体比较接近，仅是主应力的大小比周围岩体有所下降；●而张性断层中的地应力大小和方向与周围岩体相比均发生显著变化。4.2地应力场的分布规律4.2.4影响地应力