岩石力学课件-地应力及其测量

第三章地应力及其测量3.1概论3.2直接测量法（水压致裂）3.3间接测量法（空心包体CSIRO）3.1概论3.1.1地应力测量的必要性a概念：地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。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。3.1概论3.1.1地应力测量的必要性c地应力分布理论：海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静水压力假设）式中，为水平应力；为垂直应力；为上覆岩层容重；为深度。Hvh3.1概论3.1.1地应力测量的必要性c地应力分布理论：金尼克假设：（弹性力学假设）式中，为上覆岩层的柏松比。HvHh13.1概论3.1.1地应力测量的必要性c地应力分布理论：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。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。3.1概论3.1.1地应力测量的必要性c地应力分布理论：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。3.1概论3.1.2地应力的成因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3.1概论3.1.3地应力分布的一般规律1）地应力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。2）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量Hv世界各过垂直应力随深度变化的规律3.1概论3.1.3地应力分布的一般规律1）地应力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。2）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量3）水平应力普遍大于垂直应力Hv世界各国水平主应力与垂直主应力的关系国家名称h,av/v(%)h,max/v0.80.8~1.21.2中国3240282.09澳大利亚022782.95加拿大001002.56美国1841413.29挪威1717663.56瑞典001004.99南非4124352.50前苏联5129204.30其他地区37.537.5251.963.1概论3.1.3地应力分布的一般规律1）地应力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。2）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。3）水平应力普遍大于垂直应力。4）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。Hv世界各国平均水平应力与垂直应力比随深度变化规律3.1概论3.1.3地应力分布的一般规律1）地应力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。2）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量3）水平应力普遍大于垂直应力4）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。5）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。Hv3.1概论3.1.3地应力分布的一般规律6)最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。世界部分国家和地区两个水平主应力的比值表实测地点统计数目h,min/h,max(%)1.0~0.750.75~0.500.50~0.250.25~0合计斯勘的纳维亚等地511467136100北美2222246239100中国251256248100中国华北地区1866122111003.1概论3.1.3地应力分布的一般规律6)最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。7）地应力的上述分布规律还会受到地形、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。3.1概论3.1.4地应力测量的基本原理和方法Oxzzxyyzxzyxzxyyxyz岩体中一点原岩应力状态示意图测量原始地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过一点一点的量测来完成的。岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标系中的六个分量xzyzxyzyx,,,,,来表示。3.1概论3.1.4地应力测量的基本原理和方法测量方法：测量手段的不同划分：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。测量原理的不同划分：应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法、重力法。3.1概论3.1.4地应力测量的基本原理和方法测量方法：测量基本原理不同划分：直接测量法和间接测量法。直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量，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。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，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。3.2直接测量法1扁千斤顶法2刚性包体应力记法3水压致裂法4声发射法3.2直接测量法(扁千斤顶法)示意图优缺点从原理上来讲，扁千斤顶法只是一种一维应力测量方法，一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的应力分量。为了确定该测点的六个应力分量就必须在该点沿不同方向切割六个扁槽，这是不可能实现的。扁千斤顶测量只能在巷道、峒室或其他开挖体表面附近的岩体中进行，因而其测量的是一种受开挖扰动的次生应力场，而非原岩应力场。同时，扁千斤顶的测量原理是基于岩石为完全线弹性的假设，对于非线性岩体，其加载和卸载路径的应力应变关系是不同的，由扁千斤顶测得的平衡应力并不等于扁槽开挖前岩体中的应力。3.2直接测量法(扁千斤顶法)3.2直接测量法(刚性包体应力计法)示意图3.2直接测量法(刚性包体应力计法)优缺点刚性包体应力计具有很高的稳定性，因而可用于对现场应力变化进行长期监测。然而通常只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况，而不能用于测量原岩应力。除钢弦应力计外，其他各种刚性包体应力计的灵敏度均较低，故20世纪80年代之前已被逐步淘汰。钢弦应力计目前仍在一些国家特别是美国得到较为广泛的应用。3.2直接测量法(水压致裂法)原理从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场(，)的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应力为式中，和分别为钻孔周边的切向应力和径向应力；为周边一点与轴的夹角。当＝0º时，取得极小值，此时122cos)(221210rr11233.2直接测量法(水压致裂法)原理如果采用图所示的水压致裂系统将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水，当水压超过和岩石抗拉强度T之和后，在＝0º处，也即所在方位将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压为，则有123iPTPi123P3水压致裂应力测量原理3.2直接测量法(水压致裂法)原理如果继续向封隔段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到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，将该恒定压力记为Ps,Ps应和原岩应力相平衡，即P3水压致裂应力测量原理2sP3.2直接测量法(水压致裂法)原理在钻孔中存在裂隙水的情况下，如封隔段处的裂隙水压力为P0,则P3水压致裂应力测量原理0123PTPi在初始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开时的压力为Pr，则有0123PPr3.2直接测量法(水压致裂法)原理由以上两式求和就无须知道岩石的抗拉强度。因此，由水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质，而完全由测量和记录的压力值来决定。P3水压致裂应力测量原理0123PPr2sP3.2直接测量法(水压致裂法)测量步骤1）打钻孔到准备测量应力的部位，井将钻孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径与所选用的封隔器的直径相一致。封隔器一般是充压膨胀式的，充压可用液体，也可用气体。2）向二个封隔器的隔离段注射高压水，不断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力；然后继续施加水压以扩张裂隙，当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高水压系统，保持水压恒定，此时的应力称为关闭压力，记为；最后卸压，使裂隙闭合。在整个加压过程中，同时记录压力-时间曲线图和流量-时间曲线图，确定Pi，Ps值。3.2直接测量法(水压致裂法)测量步骤3）重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力Pr和随后的恒定关闭压力Ps。这种卸压-重新加压的过程重复2—3次，以提高测试数据的准确性。Pr和Ps同样由压力-时间曲线和流量-时间曲线确定。4）将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。5）测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小，测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。3.2直接测量法(水压致裂法)优缺点水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向，所以从原理上讲，它是一种二维应力测量方法。水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，亦即平行于最大主应力的方向，这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中。水压致裂法的突出优点是能测量深部应力，已见报道的最大测深为5000m，这是其它方法所不能做到的。因此这种方法可用来测量深部地壳的构造应力场。同时，对于某些工程，如露天边坡工程，由于没有现成的地下井巷、隧道、峒室等可用来接近应力测量点，或者在地下工程的前期阶段，需要估计该工程区域的地应力场，也只有使用水压致裂法才是最经济实用的。3.2直接测量法(声发射法)材料在受到外载荷作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响，称为声发射。1950年，德国人凯泽（J.Kaiser）发现多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象叫做凯泽效应。凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行加载声发射试验，测定凯泽点，即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始（历史）三维应力状态。3.3间接测量法（主要介绍空心包法）3.3.1测量方法种类3.3.2空心包体法简介3.3.3空心包体测量步骤3.3.4空心包体法测量原理3.3.1测量方法种类切槽法，平行钻孔法---操作复杂实心包体法等—精度不如空心包体具体介绍略3.3间接测量法（主要介绍空心包法）3.3.1测量方法种类3.3间接测量法（主要介绍空心包法）空心包体应变计法：是国际岩石力学学会推荐使用的地应力测量方法是目前使用最为广泛的地应力测量方法是测量技术和计算理论比较成熟的方法是精度相对较高的地应力测量方法3.3.2空心包体法间介3.3间接测量法（主要介绍空心包法）打孔安装探头数据传输至采集器数据处理3.3.2空心包体法间介3.3间接测量法（主要介绍空心包法）相对于其他地应力测量方法有操作简便精度高且可以测量三维应力场的大小和分布主要特点：测量探头结构3.3间接测量法3.3.3空心包体测量步骤(c)(d)(b)(a)套孔取芯套芯小孔套芯大孔安装探头(c)(d)(b)(a)套孔取芯套芯小孔套芯大孔安装探头(c)(d)(b)(a)套孔取芯套芯小孔套芯大孔安装探头(1)在测试地点打大孔(2)从大孔底打同心小孔(3)在小孔中央位置安装测量探头(4)用薄壁钻头延伸大孔，使小孔周围岩芯实现应力解除