岩体初始应力及其测量

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,岩体初始应力及其测量,1,本章内容：,5-1,基本概念,5-2,岩体的自重应力,5-3,岩体构造应力,5-4,岩体初始应力分布状态,5-5,岩体初始应力场测定,授课学时：,4,学时,2,1,、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：,3,5,-,1,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。,4,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。,5,-,1,基本概念,5,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。,5,-,1,基本概念,6,5,-,2,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：,在半无限体中任一微元体上的正应力均为主应力，且有,7,得：,其中,为岩体静止侧压力系数。,根据虎克定律：,8,在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：,9,对于均质成层岩体：,10,对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：,当岩层水平时,则有 ：,11,解得 ：,当岩层垂直时,12,岩体自重应力的特点：,（,1,）水平应力,x,、,y,小于垂直应力,z,；,（,2,）,x,、,y,、,z,均为压应力；,（3）,z,只与岩体密度和深度有关，而,x,、,y,还同时与岩体弹性常数,E、,有关；,（4）结构面影响岩体自重应力分布。,13,在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，,=0.200.30,在深部，岩体转入塑性状态，,=0.50,，,1,，则有：,x,=,y,=,z,z,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,）,14,5,-,3,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。,15,二、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。,16,三、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,17,2、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。,18,由地质特征推断构造应力方向,19,由地质特征推断构造应力方向,20,（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。,S,1,S,2,扭性断层,张性断层,21,5,-,4,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3000,m。,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,H,普遍大于垂直应力,v,即,侧压力系数,H,/,v,1;,三、原岩应力三个主应力,Hmax,，,Hmin,，,v,均随深度增加而增大；,1、平均水平应力,H,与垂直应力,v,的比值随深度增加而减小。,22,2、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：,Hmax,6.70.0444H(Mpa),Hmin,0.80.0329H(Mpa),4、实测垂直应力,v,基本上等于上覆岩层的重力,在252700,m,深度内，,v,随深度线性增加，大致相当于按平均重度,=27kN/m,3,计算出来的重力,H,即,v,27,H。,23,四、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。,24,5,-,5,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（一）基本原理,地下某点的岩体处于三向压缩状态，如用人为的方法解除其应力，必然发生弹性恢复，测定其恢复的应变，利用弹性力学公式则可算出岩体初始应力。,破坏联系，解除应力；弹性恢复，测出变形；根据变形，转求应力。,25,1、已知主应力方向的应力解除,如图示平板：,在受力状态下，贴上应变片此时：,卸去外力，变形恢复，此时：,根据广义虎克定律：,解得：,(1),26,由弹性原理：,式中：,为,x,轴成,角度方向的线应变 。,由上式可解得,x,y,xy,2、未知主应力方向的应力解除,(,2),27,解得,x,y,xy,可按下式求出主应变,1,2,和,0,已知,1,3,0,即可按(1)式求出主应变,1 ,3 。,(3),28,3、,应变花种类,为计算方便，常把三个应变片布置成如图所示的形式。,即：等角应变花、直角应变花,29,A、,直角应变花,1, 0,0,，,2, 45,0,，,3, 90,0,将,x,y,xy,代入(3)式得：,(4),将,1,3,0,代入(1)式求出主应变,1 ,3 ：,(5),30,B、,等角应变花,1,0,0,，,2,60,0,，,3,120,0,由上式可解得,x,y,xy,，,并将其代入(3)式得：,(7),(6),31,将,（7）,式,代入(1)式得：,注意：,按上式方法计算得出的,1,，,3,是平面状态下（钻孔断面内）的次主应力，而不是该点的主应力。,次主应力,：是某坐标面内两个正应力的极值，一般不等于主应力；次主应力面上仍有剪应力；只有在三个正交的平面上的剪应力都为零时，次主应力才等于主应力。,(8),32,（二） 应力解除方法,1、,孔底应力解除法,孔底应力解除法测定岩体应力的步骤：,1、打大孔至测点，磨平孔底。,2、在孔底粘贴电阻应变花探头。,3、解除应力，测量其应变。,4、取出岩心，测其弹性参数。,5、计算岩体应力。,33,对于等角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：,34,对于直角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：,x,y,z,xy,为,孔底平面上开挖扰动的次主应力。,(9),35,孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算：,式中：,x,，,y,，,z,为孔底的原岩应力。其中，,a,b,c,d,系数无理论解，只有通过实验或数值分析求得。不同的研究者给出不同的值，古德曼解值：,(9),36,孔底应力解除法的评价,优点,：解除岩心短，不需要打很长的套孔岩心，适用于完整性差的岩体。,缺点,：采用孔底应力解除时，单孔不能确定岩体应力的六个分量，必须进行三孔测定，才能确定岩体,的原岩应力；无理论计算公式，只能用经验公式计算岩体的三维应力。,37,2、孔径变形法,孔径变形法通过测定钻孔孔径变形求解岩体应力，其应力解除工序为：,1、打大孔至测点，磨平孔底。,2、打同心小孔，安装孔径变形计探头。,3、延伸大钻孔解除应力，同时测量孔径变形。,4、取出岩心，测其弹性参数,E、。,5、计算岩体应力。,38,假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩体应力,1,的夹角为,1,、,2,、,3,，,测得的孔径变形分别为,u,1、,u,2,、u,3,孔壁径向位移为其1/2。,2、孔径变形法,39,由弹性力学公式，在二向应力,1,、,3,的作用下，无限大平板内圆孔周边径向位移,u,的计算公式为：,平面应力：,平面应变：,式中：,d,圆孔直径；,u,圆孔周边的径向位移；,u,的方向与,1,的夹角。,2、孔径变形法,40,当,1,，,2,，,3,的间隔为60,0,时，按下式计算岩体应力：,如果（,d),式成立，则,1,为,1,与,u,1,的夹角，否则为,2,与,u,1,的夹角,。,上式中的,K，,对于浅孔，可作平面应力问题处理,，,K=d/E,;,对于深孔，可作平面应变问题处理，,K=（1,2,)d/E,.,其中,d,为钻孔直径，,为岩石的泊松比。,(10),41,当,1,，,2,，,3,的间隔为45,0,时，按下式计算岩体应力：,如果（,d),式成立，则,1,为,1,与,u,1,的夹角，否则为,2,与,u,1,的夹角,。,上式中的,K，,对于浅孔，可作平面应力问题处理,，,K=d/E,;,对于深孔，可作平面应变问题处理，,K=（1,2,)d/E,.,其中,d,为钻孔直径，,为岩石的泊松比。,(11),42,按上式计算得出的,1,， ,2,是钻孔断面内的次主应力。,要确定一点的全应力，必须向测点打三个不同方向的钻孔，进行同样测定，然后再按最小二乘法求解。,43,3,、 孔壁应变法,（1）测试工序,孔壁应变法是通过测定钻孔孔壁的应变求解岩体应力的6个分量，其应力解除工序与孔径变形法相似：,1、打大孔至测点，磨平孔底。,2、打同心小孔，安装应变花探头。,3、套孔解除应力，超过小孔底部5,cm,同时测量孔壁应变,。,4、取出岩心，测其弹性参数,E、,。,5、计算岩体应力。,44,应变计探头孔壁布置3个应变花，每个应变花由3个应变片组成，采用直角应变花形式。,（,2,）,孔壁应变花布置,45,一个无限体的钻孔，受到无限远处的三维应力场（原岩应力场,x,、,y,、,z,、,xy,、 ,yz,、,zx,),作用时，孔边围岩应力（,r,、,、,z,、,r,、,z,、,rz,采用柱坐标，柱坐标的,z,轴和直角坐标的,z,轴相一致）分布公式为：,（,3,）,钻孔围岩应力分布公式,46,(12),47,当,r=a,时，即钻孔壁上的应力为：,可见，钻孔壁上各点处于二向应力状态，在孔壁上的,z-,坐标平面内布置应变花测量应变以求应力是可行的。,(13),48,（4）孔壁应力和孔壁应变的关系,在,-z,坐标系：,由虎克定律：,(14),49,（5）孔壁应力和原岩应力的关系,由（14）式可由孔壁应变求出孔壁应力，由（13）式即可求出原岩应力，令式中,=/2, , 7/4, 。,(14),(13),50,当,=/2,(15),当,=7/4,(16),(17),当,=,可见，求解6个原岩应力分量，只需选取上面其中6方程即可。孔壁应变法只打一个钻孔就可以确定一点的应力状态。,51,二、水压致裂法,1,、基本原理,对测试段钻孔用特制封隔器密封起来，然后对密封段加高压水直至孔壁岩石产生张裂隙。根据裂隙的方向及泵压的大小分析确定原岩的应力状态。,水压致裂装置,封隔器,钻孔,高压水,52,2,、基本假设,（,1,）一个主应力方向是垂直的，其大小等于上覆岩层的自重应力。而另外两个主应力是水平的，且破裂方向垂直于最小主应力方向。即,钻孔方向为某一主应力方向。,（,2,）岩体是均质、各向同性的线弹性体。,3,、适用条件： 完整性好的脆性岩体。,53,水压致裂法测定系统,54,两向受不相等的均布力,1,、,2,作用时的应力分量：,孔壁（,r=),应力分量：,式中：,为周边一点与,1,的夹角。,当,0,o,时，,取极小值，此时,（,1,）,55,由弹性力学厚壁筒公式，在,只受内压,q,1,作用,：,若,R ,得到具有圆孔的无限大薄板，或具有圆形孔道的无限大弹性体，其解答为：,若,r,得到：,根据岩体力学应力符号规定，得孔壁切向应力：,（,2,）,56,当钻孔,受水压力,P,作用,且受水平原岩应力,1,、,2,作用，钻孔壁的最小切向应力为式（,1,）与（,2,）的叠加：,岩体破裂条件：,于是：,式中,p,ic1,为孔壁发生初始裂缝时的水压力，,t,为,封隔段,岩石抗拉强度。,可见，当水压力达到,p,ic1,时，孔壁将沿,1,的方位开裂。,如果钻孔中有裂隙水，其水压力为,P,0,，则：,（,3,）,57,继续注入高压水，裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到,3,倍钻孔直径时，此处接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定（,P,S,),则有：,如果测出封隔段岩石抗拉强度,t,，即可由式（,3,）、（,4,）求出,1,和,2,（,4,）,因此，在初始裂隙产生后，将水压力卸除，使裂隙闭合，然后重新加压，使裂隙重新打开，这时水压力为,p,ic2,，则有,（,5,）,由式（,5,）、（,4,）可求出,1,和,2,58,联立解得：,（,4,）,（,5,）,（,3,）,A、,岩石抗拉强度：,B、,最大水平应力：,C、,最小水平应力：,可见，水压致裂法只能确定垂直于钻孔平面内的最大和最小主应力，实际上是一种二维应力测量方法。若要确定测点的三维应力状态，必须打互不平行的交汇于一点的的三个钻孔。这是非常困难的。,59,4,、水压致裂试验成果,孔隙水压力,P,s,关闭压力,P,ic2,使裂缝重新张开的,压力,p,ic1,孔壁岩石破裂压力,（,a,）裂缝沿轴向产生和延伸,（,b,）裂缝沿轴向产生向水平方向延伸,60,A、,岩石抗拉强度：,（1）试验曲线只有一个关闭压力,p,s,B、,最大水平应力：,C、,最小水平应力：,D、,垂直应力按岩体自重计算：,61,（2）试验曲线有两个关闭压力,p,s1,和,p,s2,A、,最小水平应力：,B、,垂直应力：,C、,最大水平应力：,62,5,、水压致裂法评价,优点：,1,、能测量深部岩体应（,5000m,）；,2,、可以使用各种尺寸的勘探钻孔，在勘探阶段便可测定；,3,、不须对钻孔进行应力解除，不须精密的仪器；,4,、不需要岩体弹性参数。,缺点,1,、假定钻孔方向为主应力方法，因此，实测的三维主应力是近似的。,2,、设备笨重，钻孔封隔加压技术较复杂；,63,三、声发射法,声发射,岩石受外荷载作用，其内部储存的应变能因微裂隙产生和发展而快速释放，从而产生弹性波，发出声响，称为声发射。,凯塞效应,1950,年，德国人,J.Kasiser,发现多晶金属的应力从其历史最高点水平释放后，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，这一现象称为,凯塞效应,。,凯塞,点,从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯塞点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。,64,岩石也具有声发射现象。,凯塞效应为岩石应力测量提供了途经。即从原岩中取样,沿,6,个不同方向制备试件（每个方向试件为,15,25,块）,加压测试,凯塞点,计算地应力。,压力,/KN,声发射事件数,/10,3,凯塞点,时间,/s,65,