地应力及其原理

2020/3/191岩体力学主讲人：赵启峰TEL:15132665168E-mail:[e-mail]华北科技学院安全工程学院第六章地应力及其测量学习指导：主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。重点岩体的初始应力概念岩体初始应力的测量方法6地应力及其测量6.1概述6.1.1基本概念地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力状态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力。6地应力及其测量6.1概述6.1.1基本概念次生应力：受开挖、手动影响，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。应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。6.1概论一、地应力测量的必要性地应力分为自重应力场和构造应力场。自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力；构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的应力，地质作用残存的应力。b重要性：决定洞室布置的决定性因素之一。稳定性分析的重要参数。1)引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力。2)传统开挖设计和施工的经验类比法有局限性。小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法往往是有效的大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不足。b重要性：决定洞室布置的决定性因素之一。3)岩石工程数值分析方法计算分析的必要前提条件4)地应力应用领域广泛。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。6.1.2地应力的特点及其重要性地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑和其他各种地下工程或露天岩石开挖工程变形和破坏的原始动力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩石工程开挖设计和决策的必要前提条件。6.1.2地应力的特点及其重要性为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工，就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查，只有详细了解了这些工程影响因素，通过定量计算和分析，才能做出既经济又安全实用的工程设计。对于矿山来说，只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才能合理确定矿山总体布置，确定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸等。在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状态，最理想的走向是与最大主应力方向平行，当然，在实际工程中还要综合考虑工程需要和其它影响因素。应用领域：地应力在地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料存储、岩爆、瓦斯突出及地球动力学研究等最基础的原始资料。综上所述，地应力的特点及其重要性如下：1、地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力；2、地位相当于工程中习惯性理解的外荷载，但又与材力、弹力中泛指的外荷载有所不同；3、地下工程是先受力，后开挖，并且地应力从开挖前到最终一直对围岩起着作用；4、地应力是涉及地壳问题、地下工程问题理论分析、计算中最基础的原始资料。6.1.3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，6.1.3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。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，6.2地应力的成因包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地球非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可以引起相应的应力场。下面就几种主要成因进行分述：（1）大陆板块边界受压引起的应力场中国大陆板块受到外部印度洋板块和太平洋板块两板块的挤压，推挤速度为每年数厘米，同时还受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束我国大陆板块发生变形，产生水平压应力场，其主应力迹线如图4-1所示。（2）地幔热对流引起的应力场由硅镁组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动。当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就分为两股方向相反的平流，经一定流程直到与令一对流圈的反向平流相遇，一起转为下降流回到地球深处，形成封闭的循环体系。地幔热对流引起地壳下面的水平切向力。（3）由地心引力引起的应力场由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度等，均会引起垂直方向应力的变化。3）由地心引力引起的应力场由地心引力引起的应力场称为重力应力场。重力应力场是各种应力场中唯一可以测量的应力场。垂直应力：—平均容重，KN/m3H—总深度（m）图岩体自重垂直应力HG（4）岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩过程，由于不同的热膨胀系数及热力学过程等，均会在周围地层中产生相应的应力场，但它是一种局部应力场。4）岩浆侵入引起的应力场岩浆倾入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层产生相应的应力场。与上述三种应力场不同，由岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。（5）地温梯度引起的应力场地层的温度随着深度的增加而升高，一般的温度梯度为每百米3℃。由于温度梯度而引起地层中不同深度不同的膨胀，从而引起地层中的局部压应力产生。5）地温梯度引起的应力随埋深增加，地温增高，岩体性质改变产生附加应力。一般地温梯度：岩体的体膨胀系数：，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力约为：zMPazMPaEzT003.0101003.045z--深度/m。随埋深增加，地温增高，岩体性质改变而产生附加应力。温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。-510100/3mC（6）地表剥蚀产生的应力场地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和剥蚀作用，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度所引起的自重应力还要大得多的水平应力。地壳岩体因为风化、侵蚀、雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用，使得岩体内产生颗粒的结构变化和应力松弛产生水平应力场。区域初始应力场有一致性，而区域内局部地点的初始应力又有很大差别，主要是由地质因素造成的。孤立山体：岩体自重起主导作用，σVσH陡峭河谷：底部出现应力集中，最大主应力与河谷轴近似垂直。如二滩水电站处于河谷地段的应力集中范围达500m，深度250m断裂带：残留较大构造应力。如云南鲁布革电站工程中岩体最大主应力与断层走向近似垂直，积聚于上盘岩体中。地壳表面剥蚀：垂直应力减少，近地表处，σHσV此外，地震活跃地区，初始应力大小和方向还随时间而变化。6.3地应力的变化规律通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些基本规律：（1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应力的大小和方向是随着时间和空间而变化的，因而它是一个非稳定的应力场，6.3地应力的变化规律（1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。从小范围来看，它在空间上的变化是比较明显的，但就某个地区整体而言，其变化并不大。在某些地震活跃地区，地应力的大小和方向随时间的变化是很明显的，地震前，应力处于累积阶段，应力值不断升高，而地震时使集中应力得到释放，应力值大幅度下降，要过一段时间后才能恢复到震前状态。（2）实测铅垂应力基本等于上覆岩层重量对全世界实测统计资料的分析表明，在深度为25～2700m的范围内，垂直应力呈线性增长，大致符合海姆的假设规律，但在某些地区的测量结果有一定的偏差，这些偏差除测量误差外，板块移动、岩浆运动和不均匀膨胀、扩容等都会产生垂直应力异常。图4-2是霍克（E.Hoek）和布朗（E.T.Brown）总结出来的世界各国值随深度H的变化规律。2）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量Hv世界各国垂直应力随深度变化的规律垂直应力随深度线性增加。平均容重约为27KN/m3kPaHv27（3）水平应力普遍大于铅垂应力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°，最大水平主应力普遍大于垂直应力，它们的比值一般在0.5～5.5之间，在很多情况下比值大于2。垂直应力在大多数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力，只在个别情况下为最大主应力。这再次说明，水平方向的构造运动对地壳浅层地应力的形成起控制作用。3）水平应力普遍大于垂直应力。国家名称平均水平应力/垂直主应力(%)最大水平应力垂直主应力0.80.8~1.21.2中国3240282.09澳大利亚022782.95加拿大001002.56美国1841413.29挪威171