岩石力学---第4章 地应力及其测量

第四章地应力及其测量基本要求1．掌握初始应力的概念，了解构造应力的概念，掌握自重应力的计算方法；2．了解原岩应力的一般规律及影响原岩应力分布的因素；3．了解地应力的实测方法。1、岩体初始应力场的构成；2、重力应力场和构造应力场的特点；3、原岩应力场的分布状态；4、应力解除法的基本原理。关键术语：原岩、原岩应力、自重应力、构造应力、应力解除要求：1、掌握本课程重点难点内容；2、了解原岩应力分布状态；3、了解影响原岩应力分布的因素；4、熟悉几种应力解除法测试原岩应力的方法和测试步骤。本章的重点难点：基本概念原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡状态的岩体，称为原岩。围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，称为围岩。原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，又称为初始地应力或地应力。原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布状态称为原岩应力场，又称为初始地应力场。即未经采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。第四章地应力及其测量自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。它是由岩体自重引起的。自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态称为自重应力场。构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。基本概念次生应力（二次应力）岩体开挖扰动了原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的应力称为次生应力或二次应力。原岩应力≈自重应力＋构造应力迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。基本概念地应力:指岩体在天然状态下所存在的内应力,通常又称为原岩应力、初始应力。1.地应力定义与此相对应，受井巷开挖、矿产资源开采等工程影响，在影响范围以内的原岩应力平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。这一转换过程称为应力重分布。2.研究地应力的重要性地应力是各种岩石工程变形和破坏的根本作用力；是影响岩石开挖工程稳定性的最重要最根本的因素之一；是进行大规模科学计算分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。同时，地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。3.地应力认识简史1912年瑞士地质学家海姆（A.Heim），根据大量实际施工观测和分析，首次提出地应力概念，并假定地应力是一种静水应力状态。σh－水平应力；σv－垂直应力；γ－上覆岩层重量；H－深度Hvh1926年，苏联学者金尼克修正了地应力静水压力架设，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应力）是泊松效应的结果，应乘以一个修正系数λ。即HvHvh1其中，λ为侧压系数1υ－上覆岩层泊松比早在20世纪20年代，我国地质学家李四光就指出：“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。”1958年，瑞典工程师哈斯特(N．Hast)在纳维亚半岛进行地应力测量工作时发现：在地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，最大水平主应力一般为垂直应力的1—2倍以上；在某些地表处，测得的最大水平应力高达7MPa，从根本上动摇了静水压力理论和以垂直应力为主的观点。后期研究进一步表明：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。当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。而且，地应力场还受到其他多种因素的影响，造成地应力状态的复杂性和多变性。§4.2地应力的成因（自学）(1)大陆板块边界受压引起的应力场(2)地幔热对流引起的应力场(3)由地心引力引起的应力场(4)岩浆侵入引起的应力场(5)地温梯度引起的应力场(6)地表剥蚀产生的应力场地应力主要成分：自重应力和构造应力(1)自重应力场竖直方向、普遍存在，可以计量(与深度成线性关系)在25~2700m范围内：v=H(H/m，平均容重≈27kN/m3)地应力主要成分(1)自重应力场竖直方向、普遍存在，可以计量(与深度成线性关系)在25~2700m范围内：v=H(H/m，平均容重≈27kN/m3)(2)构造应力场1)成因（有增有减）：地球公转和自转引起大陆板块东西和南北向挤压；其它：岩浆侵入、地幔热对流、地表剥蚀(1)自重应力场竖直方向、普遍存在，可以计量(与深度成线性关系)在25~2700m范围内：v=H(H/m，平均容重≈27kN/m3)(2)构造应力场1)成因（有增有减）：地球公转和自转引起大陆板块东西和南北向挤压；其它：岩浆侵入、地幔热对流、地表剥蚀2)特点：水平为主，局部存在，分布无规律最大水平应力系数浅部普遍1，平均水平应力系数多为0.8~1.5，深部趋近1。岩体的自重应力一、基本公式在均匀岩体中，深度为z处的岩体的竖向自重应力为：zz0,yxyx在半无限体中任一微元体上的正应力均为主应力，且有0zxyzxyzzyx1得：0)((1zyxyxE其中λ为岩体静止侧压力系数。根据虎克定律：在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：zzzzyx10zxyzxyiniizh1zzyx1对于均质成层岩体：对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：当岩层水平时0//////EEEzyxyxyx则有：zyxEE////1iniizh1解得：0////////EEEzyxx0//////EEExzyyiniizh1zxEE////////)1()1(zy////1)1(当岩层垂直时岩体自重应力的特点：（1）水平应力σx、σy小于垂直应力σz；（2）σx、σy、σz均为压应力；（3）σz只与岩体密度和深度有关，而σx、σy还同时与岩体弹性常数E、μ有关；（4）结构面影响岩体自重应力分布。在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，μ=0.20~0.30,在深部，岩体转入塑性状态，μ=0.50，λ＝1，则有：σx=σy=σz＝γz各向等压的应力状态，又称为静水压力状态。著名的海姆假说（瑞士地质学家1871）岩体构造应力一、构造应力场的概念构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。岩体构造应力是构造运动中积累或剩余的一种分布力。构造应力场是构造运动中积累或剩余的一种应力场，相对于人类活动时期而言，除构造活动区外，它是剩余应力场。二、构造运动的起因地质学家分析地球表层（包括地壳和地幔）结构及其运动规律和发展，提出了各种大地构造学说，最具代表的是地质力学学说和板块构造学说。1、地质力学学说该学说认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力：一种是经向水平离心力；一种是纬向水平惯性力。这两种力是引起地壳岩体中出现构造应力的根本原因。大量的实测资料说明岩体中水平应力大于垂直应力，说明构造应力以水平应力为主。2、板块构造学说该学说认为板块运动的核心是海底扩张。海底扩张是由于地幔对流引起的。三、构造应力场分析根据岩体变形破坏机理，对构造运动留下的遗迹（构造形迹）进行分析，以判断构造应力的主应力方向。（一）构造形迹的形成机理1、褶皱形成机理2、断层和节理的形成机理断层、节理形成机理有三种：张性的、扭性的、压性的。（1）张性断层是由于岩体中的张应变超过极限而产生的。这种断层层面不规则，断层走向与最大主应力方向平行。小的张性断裂两盘岩石不一定发生错动，称之为张性节理。（2）压性断层和扭性断层都可用莫尔－库伦理论来解释。由地质特征推断构造应力方向由地质特征推断构造应力方向（二）构造体系及区域构造应力场对一个区域而言，在一次构造运动中，既有褶皱又有断层和节理等。这些构造形迹尽管形态各异、性质不同、大小悬殊，但大都不是孤立出现，而是相伴而生，共同形成一个构造体系。例如米字型构造体系。S1,S2’扭性断层－－－张性断层岩体初始应力（原岩应力）分布状态目前，原岩应力的实测深度达3000m。在这一深度内，原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场；二、水平应力σH普遍大于垂直应力σv,即侧压力系数λ＝σH/σv1;三、原岩应力三个主应力σHmax，σHmin，σv均随深度增加而增大；1、平均水平应力σH与垂直应力σv的比值随深度增加而减小。5.015003.0100HH2、两个水平应力的关系一般有3、最大、最小水平主应力随深度线性增加：σHmax＝6.7＋0.0444H(Mpa)σHmin＝0.8＋0.0329H(Mpa)4、实测垂直应力σv基本上等于上覆岩层的重力在25～2700m深度内，σv随深度线性增加，大致相当于按平均重度γ=27kN/m3计算出来的重力γH,即σv＝27H。8.0~2.0maxminHH四、原岩应力的分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平行；断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。地应力的测量方法直接测量法间接测量法直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法。§4.4地应力的测量方法地应力是岩石地下工程结构变形与破坏的源动力。岩体应力现场测量的目的是了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工程的受力状态以及为岩体加固提供依据。（1）地应力分布规律是岩石地下工程总体规划设计的依据；（2）地应力是岩石地下工程结构设计及稳定性分析的依据。地应力的测量方法直接测量法间接测量法间接测量法：借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，然后通过已知的换算公式计算岩体中的应力值。因此，在计算应力时，必须首先确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。套孔应力解除法和其他的应力或应变解除方法以及地球物理方法等都是常用的间接测量法，其中套孔应力解除法应用最为普遍且发展较为成熟。1水压致裂法（1）测量原理2cos221210r由弹性力学可知：无限体中的一个圆形钻孔受到无穷远处二维应力场(σ1，σ2)，其钻孔周边的切向应力σθ和径向应力σr为：周边一点与σ1轴的夹角当θ＝0°时，σθ取得极小值，σθ＝3σ2－σ1当水压达到TPi123孔壁发生初始开裂当继续注水使裂隙深度扩展至3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态停止加压，保持压力恒定，记此时压力为Ps2sP假设钻孔中存在压力P0的裂隙水时，则初始开裂压力Pi0123PTPi在初始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后重新注水加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开的压力为Pr0123PPr(2)测量步骤1）打钻孔到准备测量应力的部位，用封闭器封闭待加压段。2）向封闭段注水加压，记录初始开裂压力Pi；继续注水加压，使裂隙扩张至3倍钻孔直径，关闭高压系统，保持水压恒定，记录此时关闭压力Ps；最后卸压，使裂隙闭合。3）重新向封闭段注水加压，记录裂隙重新打开的压力Pr和随后的恒定关闭压力PS；重复此加压－卸压的过程2～3次。4）完全卸压，取出全部设备。5）采用印模器等设备测量水压致裂裂隙的位置