岩体力学05-地应力及其测量课件

第五章第五章 地应力及其测量地应力及其测量一、地应力的概念及研究意义地应力的概念及研究意义二、地应力成因及分布的一般规律二、地应力成因及分布的一般规律三、地应力测量的基本原理及方法三、地应力测量的基本原理及方法一、地应力的概念一、地应力的概念1 1、地应力地应力(又称为天然应力、初始应力、一次应力又称为天然应力、初始应力、一次应力等）：人类工程活动之前存在于岩体中的应力。等）：人类工程活动之前存在于岩体中的应力。2 2、重分布应力重分布应力（又称二次分布应力、附加应力等）（又称二次分布应力、附加应力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。由于工程活动改变了的岩体中的应力。重分布应力重分布应力+天然应力天然应力 相对于第相对于第2洞洞室的天然应力室的天然应力二、地应力的研究意义二、地应力的研究意义1 1、天然应力是引起岩土工程变形和破坏的根本作、天然应力是引起岩土工程变形和破坏的根本作用力用力，其地位相当于工程习惯中所理解的外部荷载，其地位相当于工程习惯中所理解的外部荷载，但又与材料力学、弹性力学中泛指的外荷载又有不但又与材料力学、弹性力学中泛指的外荷载又有不同。地下工程是在原岩应力作用下开挖的，即地下同。地下工程是在原岩应力作用下开挖的，即地下工程是先受力、后开挖，并且地应力从开挖前到最工程是先受力、后开挖，并且地应力从开挖前到最终一直对围岩起作用。终一直对围岩起作用。2 2、原岩应力是涉及地壳问题各个学科领域最基础性的原始资、原岩应力是涉及地壳问题各个学科领域最基础性的原始资料。料。1 1）在地球物理领域，科学家们汇集了全球陆地与海底大量）在地球物理领域，科学家们汇集了全球陆地与海底大量的地应力测量资料，编制了地壳应力分布图，并用于建立地的地应力测量资料，编制了地壳应力分布图，并用于建立地壳构造模型和研究地壳运动规律，这项工程促进了地球动力壳构造模型和研究地壳运动规律，这项工程促进了地球动力学，包括地震机制研究的发展。学，包括地震机制研究的发展。2 2）在采矿工程领域，原岩应力的大小和方向是井巷断面形）在采矿工程领域，原岩应力的大小和方向是井巷断面形状优化设计、方位的合理选择以及井巷支护、采场矿山压力状优化设计、方位的合理选择以及井巷支护、采场矿山压力控制的最主要依据之一。控制的最主要依据之一。3 3）在其它领域，如水利水电坝基选择和大坝稳定性，石油）在其它领域，如水利水电坝基选择和大坝稳定性，石油钻孔孔壁稳定性和增加采油率的裂井工程，核废料处理中防钻孔孔壁稳定性和增加采油率的裂井工程，核废料处理中防止泄露和污染、地热利用工程以及地质灾害防治工程等等，止泄露和污染、地热利用工程以及地质灾害防治工程等等，都要用到地应力这个基本参数。都要用到地应力这个基本参数。3 3、在岩土工程的数值分析方法如有限元法等、在岩土工程的数值分析方法如有限元法等中地应力的大小和方向也是最原始的输入参中地应力的大小和方向也是最原始的输入参数数。没有可靠正确的地应力资料，任何数值。没有可靠正确的地应力资料，任何数值分析便没有意义。分析便没有意义。因此，地应力是确定工程岩体力学属性、进因此，地应力是确定工程岩体力学属性、进行工程岩体的稳定性分析、实现岩体工程设行工程岩体的稳定性分析、实现岩体工程设计和决策科学化的前提。计和决策科学化的前提。三、地应力的研究历史三、地应力的研究历史1 1、国际、国际l18781878年海姆提出天然应力；年海姆提出天然应力；l19321932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力；地测定了岩体中的天然应力；l到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深大部分是浅部，最深51085108米（美国密西根水压致米（美国密西根水压致裂法）。裂法）。2 2、国内、国内l5050年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有深的有39583958米（天津大港）。米（天津大港）。一、地应力的概念及研究意义地应力的概念及研究意义二、地应力成因及分布的一般规律二、地应力成因及分布的一般规律三、地应力测量的基本原理及方法三、地应力测量的基本原理及方法一、地应力的成因一、地应力的成因1、组成、组成：岩体自重岩体自重自重应力自重应力 构造运动构造运动构造应力构造应力流体作用流体作用渗流应力渗流应力 地温梯度地温梯度温度应力温度应力其它其它（地球化学作用等）（地球化学作用等）2、构造应力起源、构造应力起源：地幔热对流地幔热对流板块运动板块运动 地球自转速度变化地球自转速度变化地质力学地质力学西南西南：印度板块向：印度板块向NNENNE挤挤压（压（5mm/a5mm/a）东东：太平洋板块向：太平洋板块向W W俯冲俯冲（1cm/a1cm/a）南南：菲律宾板块向：菲律宾板块向N N俯冲俯冲北北：西伯利亚板块阻挡：西伯利亚板块阻挡 1 1迹线迹线：N-NE-SSEN-NE-SSEv中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。1 1地应力一般是三轴压应力状态地应力一般是三轴压应力状态，且为以水平，且为以水平应力为主的应力为主的三轴三轴不等不等压应力压应力场场几乎所有地区均有两个主应力位于水平或几乎所有地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面之间的夹接近水平的平面内，其与水平面之间的夹角一般不大于角一般不大于3030。水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。另外在地表卸荷带影响区，一向拉多见。另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力为拉应力的现象。也可能出现水平应力为拉应力的现象。二、岩体天然应力的分布特征二、岩体天然应力的分布特征2 2地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场地应力地应力的三个主应力的大小和方向随着空间和时间的的三个主应力的大小和方向随着空间和时间的变化而变化，因而是非稳定场。变化而变化，因而是非稳定场。在空间上，从小范围来看，其变化是很明显的，相距在空间上，从小范围来看，其变化是很明显的，相距数十米，应力的大小和方向可能不同。但就整个区域数十米，应力的大小和方向可能不同。但就整个区域而言地应力的变化是不大的。因此，地应力具有区域而言地应力的变化是不大的。因此，地应力具有区域性的特点。性的特点。地壳活动强烈的地区，地应力大小和方向随时间变化地壳活动强烈的地区，地应力大小和方向随时间变化明显。地震前应力积累，应力值不断升高；地震时应明显。地震前应力积累，应力值不断升高；地震时应力释放，应力值突然大幅下降。主应力方向在地震时力释放，应力值突然大幅下降。主应力方向在地震时会发生明显的改变，在震后一段时间又会恢复到震前会发生明显的改变，在震后一段时间又会恢复到震前状态。状态。以东经以东经100105o为界分东西两区。为界分东西两区。q强度上：西强东弱（西高东低）强度上：西强东弱（西高东低）q方向上：西：方向上：西：NNE-SSW为主，东：近为主，东：近E-W。3 3实测垂直应力实测垂直应力 V基基本上等于上覆岩层的重本上等于上覆岩层的重量量对全世界实测垂对全世界实测垂直应力资料的统直应力资料的统计分析，在深度计分析，在深度252700m252700m的范围的范围内，垂直应力呈内，垂直应力呈线性增长，大致线性增长，大致相当于按平均重相当于按平均重度度27kN/m27kN/m3 3计算的计算的应力值应力值 H H。4 4水平应力水平应力 h普遍大于垂直应力普遍大于垂直应力 V最大水平主应力普遍大于垂直主应力，两者之最大水平主应力普遍大于垂直主应力，两者之比一般为比一般为0.55.50.55.5，多数情况下大于，多数情况下大于2 2；平均水；平均水平主应力（最大水平主应力与最小水平主应力平主应力（最大水平主应力与最小水平主应力的平均值）与垂直主应力的比值一般为的平均值）与垂直主应力的比值一般为0.550.55，大多数为大多数为0.81.50.81.5。地壳中水平主应力普遍大于垂直主应力。地壳中水平主应力普遍大于垂直主应力。垂直主应力多数情况下为最小主应力，少数情垂直主应力多数情况下为最小主应力，少数情况为中间主应力，个别情况为最大主应力。况为中间主应力，个别情况为最大主应力。说明水平构造运动如板块移动碰撞控制着地壳说明水平构造运动如板块移动碰撞控制着地壳浅部应力的形成与分布。浅部应力的形成与分布。5 5、平均水平应力与垂直应力的、平均水平应力与垂直应力的比值比值（平均侧压力系数平均侧压力系数）随深随深度的增加而减小度的增加而减小实测资料表明，在深度实测资料表明，在深度不大时，不大时，相当分散，相当分散，但随着深度的增加，该但随着深度的增加，该值的变化范围逐步缩小，值的变化范围逐步缩小，并趋于并趋于1 1，表明在地壳深，表明在地壳深度有可能出现静水压力度有可能出现静水压力状态。状态。与深度与深度z z的关系为：的关系为：6 6水平应力随深度呈线性增长水平应力随深度呈线性增长斯蒂芬森等根据实测结果给出了芬诺斯堪斯蒂芬森等根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平主应力、最小水平主应的亚古陆最大水平主应力、最小水平主应力随深度力随深度z(z(单位单位m)m)变化的线性关系为：变化的线性关系为：7 7最大水平主应力和最小主应力值一般相差较大，最大水平主应力和最小主应力值一般相差较大，显示出很强的各向异性显示出很强的各向异性最小水平主应力与最大水平主应力之比一最小水平主应力与最大水平主应力之比一般为般为0.20.80.20.8，多数是，多数是0.40.80.40.8各向异性的原因：构造运动的方向性；岩各向异性的原因：构造运动的方向性；岩体的各向异性体的各向异性8 8地应力受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特地应力受地形、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，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影响很大特别是地形和断层的影响很大在具有负地形的峡谷地区或山区，地形对侵在具有负地形的峡谷地区或山区，地形对侵蚀基准面以上及以下一定范围内表现特别明蚀基准面以上及以下一定范围内表现特别明显。谷地是应力集中的部位，越靠近谷地应显。谷地是应力集中的部位，越靠近谷地应力集中越明显。最大主应力在谷地或河床中力集中越明显。最大主应力在谷地或河床中心近于水平，而在岸坡则向谷底或河床倾斜，心近于水平，而在岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面平行。并大致与坡面平行。在断层和结构面附近，地应力分布受到明显在断层和结构面附近，地应力分布受到明显扰动，断层端部、拐角处及交汇处出现应力扰动，断层端部、拐角处及交汇处出现应力集中现象。集中现象。第六章第六章 地应力及其测量地应力及其测量一、地应力的概念及研究意义地应力的概念及研究意义二、地应力成因及分布的一般规律二、地应力成因及分布的一般规律三、地应力测量的基本原理及方法三、地应力测量的基本原理及方法自重应力理论自重应力理论地震震源机制解地震震源机制解地变形量测地变形量测天然应力测量天然应力测量大地水准测量大地水准测量三角网测量三角网测量GPS测量测量地应地应力确力确定定方方法法 zA一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力适用于：地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基适用于：地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面稳定准面稳定1 1、均质各向同性岩体、均质各向同性岩体A2 2、水平层状岩体、水平层状岩体3 3、垂直层状岩体、垂直层状岩体A二、天然应力的量测二、天然应力的量测天天然然应应力力的的量量测测方方法法水压致裂法水压致裂法应力恢复法（扁千斤顶法）应力恢复法（扁千斤顶法）套芯应力解除法套芯应力解除法光弹法光弹法声发射法声发射法X射线法射线法A1 1、水压致裂法、水压致裂法tpc1pS pc2p0水压力随时间的变化曲线水压力随时间的变化曲线tpc1pS pc2p0假设：假设：天然应力为水平应力场，其铅直应力天然应力为水平应力场，其铅直应力 v v=gzgz假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中 的一的一个小圆孔。作用应力为个小圆孔。作用应力为 h,maxh,max、h,minh,min，根据弹性理论，根据弹性理论中的柯西解，未加水压力时，中的柯西解，未加水压力时，A A点的应力为：点的应力为：A A=3=3 h,minh,min-h,maxh,max在水压力作用下，孔壁产生拉裂破坏的条件为在水压力作用下，孔壁产生拉裂破坏的条件为:A维持破裂展开，又不继续发展的条件为维持破裂展开，又不继续发展的条件为 联立上两式有联立上两式有而：而：因此，可得测点的天然应力为因此，可得测点的天然应力为据据岩岩体体破破裂裂方方向向确确定定：破破裂裂平平行行于于 ，垂垂直直于于 ，破破裂裂方方向向由由压压痕痕、井井下下电电视视等确定。等确定。优点：优点：测深大，测深大，z z可达数百米，目前最深达可达数百米，目前最深达51085108米；米；施工技术简单，不需要应力计等仪器。施工技术简单，不需要应力计等仪器。应力方向：应力方向：千斤顶千斤顶油泵油泵时间千斤顶压力 pc测点分离值 d0 d步骤：步骤：在岩壁上选择测点，固定在岩壁上选择测点，固定A A、B B两点。两点。d15cmd15cm；刻槽应力释放、变形，刻槽应力释放、变形，d d0 0 d;d;安装扁千斤顶安装扁千斤顶;加压应力恢复加压应力恢复d d d d0 0，到，到d=dd=d0 0时的千斤顶压力时的千斤顶压力即为即为 ；2 2、应力恢复法（扁千斤顶法）、应力恢复法（扁千斤顶法）重复重复 测量另一个方向的测量另一个方向的 W W ；计算天然应力：假定天然应力为水平应力场，计算天然应力：假定天然应力为水平应力场，当测得侧壁应力当测得侧壁应力 R R和底板应力和底板应力 W W 时，则有时，则有:3 3、钻孔套芯应力解除法、钻孔套芯应力解除法基本原理基本原理+仪器仪器套芯解除套芯解除钻孔钻孔同心套钻同心套钻放放应变计应变计应力解除应力解除应力计算应力计算位移恢复位移恢复设天然应力为水平应力场设天然应力为水平应力场4545计算公式：计算公式：应变计互成应变计互成4545，据上式有，据上式有用消元法解三元一次方程，得用消元法解三元一次方程，得：应变计互为应变计互为6060时时，可按下列公式计算，可按下列公式计算6060选点、钻孔：选点、钻孔：130mm130mm ，深，深度一般小于度一般小于30m;30m;在在孔孔底底打打一一测测量量孔孔：36mm36mm，深度一般，深度一般50cm50cm，并洗干净；，并洗干净；安装应变计：并与应变仪连接，安装应变计：并与应变仪连接，测记稳定初始读数；测记稳定初始读数；套套钻钻解解除除：在在应应力力解解除除过过程程中中，测测记记应应变变计计读读数数，至至应应变变完完全全解除为止；解除为止；折断岩心，在室内求取岩石的折断岩心，在室内求取岩石的E Em m;按前述公式求解：天然应力按前述公式求解：天然应力 hmaxhmax，hminhmin测量步骤：测量步骤：优点优点：能较准确地量测出岩体中的天然应力：能较准确地量测出岩体中的天然应力 缺点缺点：只能量测浅部（：只能量测浅部（30m30m以内）天然应力以内）天然应力 。深度大了，套钻技术难度大、精度低。深度大了，套钻技术难度大、精度低。