第6章地应力及其测量

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,*,*,*,原岩应力基础知识,1,概述,地应力场的分布规律,地应力测量方法,本章内容,2,一、,概述,次生应力,或,诱发应力,(,受工程扰动之后的天然应力状态,J.Hudson,):,由于受井巷开挖、矿产资源开采等工程影响，原岩应力平衡状态被破坏后的应力。,这一转换过程称为,应力重分布,。,原岩,：,未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体。,原岩应力,（亦称,初始应力,或,地应力,）：,定义一：原岩中存在的应力。,定义二：岩体在天然状态下所存在的内应力。,3,地应力,是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。,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。,一、,概述,研究地应力的重要性,（,1,）工程稳定性分析的原始参数。,（,2,）确定开挖方案与支护设计的必要参数。,4,一、,概述,地应力的成因,1912,年瑞士地质学家海姆（,A.Heim,）在大型越岭隧道施工过程中，通过观测和分析，,首次提出了地应力概念,，并假定地应力是静水应力状态。,h,水平应力；,v,垂直应力；,上覆岩层重量；,H,深度,1926,年， 苏联学者金尼克修正了地应力静水压力假设，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,。即,其中，,为侧压系数,上覆岩层泊松比,垂直应力为主，侧压系数,1,5,在,20,世纪,20,年代，我国地质学家,李四光,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),在斯堪的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,12,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。,一、,概述,地应力的成因,6,后来的研究进一步表明：,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。,由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外，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,，因而，只有通过对某点进行地应力实测才能了解该地的地应力状态。,-,地应力测量,一、,概述,地应力的成因,7,一、,概述,地应力的成因,地应力场主要成分：,自重应力场和构造应力场,(1),大陆板块边界受压引起的应力场,(2),由地心引力引起的应力场,(3),地幔热对流引起的应力场,(4),岩浆侵入引起的应力场,(,局部应力场,),(5),地温梯度引起的应力场,(6),地表剥蚀产生的应力场,印度洋板块,太平洋板块,8,一、,概述,地应力的成因,(1),自重应力,场,:,地壳上部各种岩体由于受地应力作用而引起的应力,竖直方向、普遍存在，可以计量,(,与深度成线性关系,),在,252700m,范围内：,z,=,H,(H/m,，平均容重 ,27kN/m,3,),垂直应力：,平均容重，,KN/m,3,侧压力：,H,总深度（,m,）,侧压力系数,假定条件：,均匀连续且各向同性,边界条件；,半无限体,9,一、,概述,地应力的成因,由,推出,得：,岩体由多层,不同性质,岩层组成时,(,图,4-3),第,j,层应力：,原始垂直应力和水平应力：,10,一、,概述,地应力的成因,(2),构造应力,(,由岩石圈板块的相对位移引起的应力,),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；,2),特点：,目前世界上测定地应力最深的测点已达,5000m,，但多数测点的深度在,1000m,左右。很不均匀,有的点最大主应力在水平方向，且垂直应力,有的点,垂直应力就是最大主应力,有的点最大主应力方向与水平面形成一定倾角,构造应力以水平应力为主,11,二、地应力场的分布规律,1,地应力是一个相对稳定性的非稳定应力场，且是时间和空间的函数。,三个主应力的大小和方向是随着空间和时间变化的，因而它是个非均匀的应力场。,地应力在空间上的变化,，从小范围来看，其变化是很明显的；但就某个地区整体而言，变化不大。如我国华北地区，北西到近于东西的主压应力,在某些地震活跃的地区，地应力大小和方向是,随时间的变化,也是非常明显的，在,地震前,，处于应力积累阶段，应力值不断升高，而,地震时,，集中的应力得到释放，应力值突然大幅度下降。主应力方向在地震发生时会发生明显改变，,震后,一段时间又恢复到震前状态。,12,二、地应力场的分布规律,2,实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量,E. Hoek,和,E.T. Brown,总结出的实测垂直应力随深度,H,变化的规律。,在深度为,252700m,范围内，实测垂直应力呈线性增长。,在埋深小于,1000m,时，测量值与预测值可能差别很大，有的甚至相差达到,5,倍，因此这个方程可以很好地估算出所有应力测量值的均值，但,绝对不能用它来得到任一特定位置处的准确值，因此最好是测量而不是估算来确定,垂直应力分量。,偏差产生原因：,测量误差、板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等,13,二、地应力场的分布规律,3,水平应力普遍大于垂直应力,实测资料表明，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，其与水平面的夹角一般不大于,30,度，最大水平主应力普遍垂直应力，两者之比一般为,0.55.5,，在很大情况下都大于,2,。,总结目前全世界地应力实测结果，得出,h,max,/,v,之值一般为,0.55.0,，大多数为,0.81.5,。这说明,，垂直应力在多数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力，极个别情况下为最大主应力。,14,二、地应力场的分布规律,4,平均水平应力,与,垂直应力,的比值随深度增加而减小,E. Hoek,和,E.T. Brown,研究了世界各地,116,个现场地应力测量资料，平均水平应力与,垂直应力的比值,K,，,15,二、地应力场的分布规律,5,最大水平主应力,与,最小水平主应力,也随深度呈线性增长关系,6,最大水平主应力,与,最小水平主应力,之值一般相差较大，显示出很强的方向性,16,二、地应力场的分布规律,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,最大主应力在谷底或河床中心近于水平，而在两岸岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面平行。,17,三、地应力测量方法,工程建设中，对工程岩体地应力的掌握，,最可靠的方法就是进行原位地应力测量,。,尽管地应力有各种假说和理论对地壳的受力有一定规律性认识，但工程岩体都会受到各种局部地质特征及其它因素的影响。,地应力测量的目的：,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支护及岩体加固提供依据，同时还为预报岩体失稳破坏及预测岩爆发生提供依据。,18,三、地应力测量方法,岩体应力测量可以分为,(,据测量基本原理不同,),：,直接测量,测定应力,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,),间接测量,测定应变、密度、渗透性、吸水性、电阻,/,电容,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它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,),19,三、地应力测量方法,a),水压致裂法,该方法于,20,世纪,50,年代用来提高石油开采产量的措施，后在实践中由,MK Hubbert,等发现了水压致裂裂隙和原岩应力之间的关系，这一发现又被,BC Haimson,用于地应力测量,测量方法,：,利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在钻孔中预定的测试深度封隔一段钻孔，然后向封隔段内注入高压流体,(,如水,),致使钻孔孔壁及其周围岩体在孔内径向压力下形成破裂，根据压裂过程曲线的压力特征值而确定地应力的一种方法。,5,高压钢管；,6,高压胶管；,7,压力表；,8,泵；,9,封隔器；,10,压裂段,1,记录仪；,2,高压泵；,3,流量计；,4,压力计,20,三、地应力测量方法,a),水压致裂法,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,(,1,最大水平应力,，,2,最小水平应力,),，其钻孔周边的切向应力,和径向应力,r,为：,周边一点与,1,轴的夹角,当,0,时，,取得极小值，,3,2,1,当水压达到,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,P,s,无限体,圆形钻孔,平面应变受力状态,几点假定,21,三、地应力测量方法,a),水压致裂法,假设钻孔中存在压力,P,0,的裂隙水时，则初始开裂压力,P,i,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,P,r,不需要测试封隔段岩石的抗拉强度,22,三、地应力测量方法,a),水压致裂法,测量步骤：,密封：,通过钻杆将两个可膨胀橡胶封隔器放置到钻孔选定测试段，封隔形成承压段空间。,注水加压：,液压泵对压裂段注水加压，孔壁承受逐渐增大的径向液压力。,孔壁岩石破裂,：在足够大的径向压力下，孔壁岩石沿阻力最小的方向出现裂隙，该裂隙在垂直孔轴的横截面上最小主应力平面内延伸。此时相应的泵压为临界破裂压力,Pi,，由于孔壁岩石破裂，压力达,Pi,后随即急剧下降,关泵：,关闭液压泵，泵压迅速下降，然后随着水渗入到岩层，,泵压缓慢下降。当压力降到使裂隙处于,临界闭合状态,的压力时，即垂直于裂隙面的最小主应力与液压回路达到平衡时的压力，称为瞬时关闭压力,Ps,水压致裂法地应力测试过程示意图,假设钻孔中存在压力,P,0,的裂隙水,23,三、地应力测量方法,a),水压致裂法,测量步骤：,(5),卸压：,打开压力阀，使裂隙完全闭合，泵压记录降为初始压力,P,0,；,(6),重张：,按,25,步骤连续进行多次加卸压循环，取得合理的压裂参数，判断岩石破裂和裂隙延伸的过程；,(7),解封：,压裂完毕后，使封隔器收缩恢复原状，即封隔器解封；,(8),裂隙方位记录：,采用定向,印模器，通过扩张印模器外层的生橡胶和自动定向罗盘记录裂隙方位。,假设钻孔中存在压力,P,0,的裂隙水,水压致裂法地应力测试过程示意图,24,三、地应力测量方法,a),水压致裂法,的优点,(1),设备简单：,用普通钻探方法打钻孔，用双止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩体，不需要复杂电磁测量设备。,(2),操作方便：,只通过液压泵向钻孔内注液以压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可。,(3),测值直观：,可根据压裂时泵压,(,初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力,),计算出地应力值，不需要复杂的换算及辅助测试，同时还可求得岩体抗拉强度。,(4),测值代表性大：,所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内平均值，有较好的代表性。,(5),适应性强：,这一方法不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下作试验，不怕电磁干扰，不怕震动。,因此，这一方法越来越受到重视和推广,。,测量深部岩体应力，测量深度达,5000m,，德国：,9000m,25,三、地应力测量方法,a),水压致裂法,的缺点,(1),准确的说，是一个二维地应力测量方法，它是假定钻孔方向是一个主应力方向，因为一般垂直地应力是一个主应力，所以可以测另两个（原岩）主应力；,(2),主应力方向定得不准，适用于完整脆性岩体二维地应力测量,26,三、地应力测量方法,b),应力恢复法,Tincelin,于,1952,年在法国用来直接测定岩体应力大小的方法。,(1),适用范围,：,仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用本方法较为方便。,(2),基本原理,：,在与所测应力,1,垂直方向上开应力解除槽，槽上下附近周围应力得到部分解除，,重新分布,。,(3),测试步骤：,27,三、地应力测量方法,b),应力恢复法,测试步骤,1),选定试验点，在预开解除槽（宽,B,深,B,2 ),的中垂线上安装测量元件（,B,3,）。测量元件可以是千分表、钢弦应变计或电阻应变片等。,2),记录量测元件,应变计的初始读数,。,3),开凿解除槽，记录应变计读数。,4),埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙。,5),达到一定强度以后，连接油泵，施压。随着加压,p,的增加，岩体变形逐步恢复。逐点记录压力,p,与恢复变形,(,应变,),的关系,6),假设岩体为,理想弹性体,，,当应变计恢复到,初始读数,时，此时施加的压力,p,即为所求岩体的主应力。,28,三、地应力测量方法,b),应力恢复法,应变计的初始读数,应力恢复法简单示意图,29,三、地应力测量方法,b),应力恢复法,应力恢复法,优点：,采用该方法可以不用岩体中的应力应变关系，,而直接得出岩体的应力。,存在缺点：,(1),若槽壁不是岩体主应力作用面，则在挖槽前的槽,壁上存在剪应力，很显然这种剪应力的作用在应力恢复,过程中没有考虑进去，这会导致一定误差。,(2),应力恢复时，岩体应力应变关系与应力解除前并,不完全相同，这也会影响量测的精度。,30,三、地应力测量方法,c),应力解除法,基本原理,：,人为地将需要测定岩体地应力状态处的岩体单元与周围岩体分离，此时岩体单元上所受的应力被解除，将产生,弹性恢复,。,应用一定的仪器测定弹性恢复的,应变值或变形值,，根据,连续、均质和各向同性的线弹性理论,的解答来计算岩体单元所受的应力状态。,岩体应力测量中应用较广的方法,切断联系,解除应力,应变恢复,测试应变,计算应力,流程,要点,31,三、地应力测量方法,c),应力解除法,(,一）孔底应力解除法,按,测试深度,分：表面、浅孔和深孔应力解除法；,按,测试部位,分：,孔底应力解除法,(,孔底应变测试,),套孔应力解除法,(,孔径变形测试,和,孔壁应变测试,等,),向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔，在孔底中心处粘贴,应变传感器,；套孔钻出岩芯，使孔底平面完全卸载，,应变传感器,测得孔底平面中心恢复应变；在室内测得岩石的弹性常数；计算孔底中心处的,平面应力状态,。,32,三、地应力测量方法,c),应力解除法,由于孔底应力解除法只需要钻进一段不长的岩芯，所以对较破碎的岩体也能应用。,孔底应力解除法,(,需要,3,个钻孔,),一个平面有,3,个独立的应力分量,共面三钻孔法,33,三、地应力测量方法,c),应力解除法,(1),测量原理,:,进行岩体中某点应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。,（二）套孔应力解除法,发展时间最长，技术比较成熟；在适用性和可靠性方面，目前还没哪种方法可以和,套孔,应力解除法相比。,(2),测量步骤如下：,套孔应力解除法,(,孔径变形测试,和,孔壁应变测试,),测试套孔应力解除后的孔径变化,测试套孔应力解除后的孔壁应变,位移传感器,应变传感器,34,三、地应力测量方法,c),应力解除法,1,）打大孔：,从岩体表面打大孔至测量部位，磨平孔底，清洗钻孔；大孔直径一般为,130,150mm,，大孔深度为巷道跨度的,2.5,倍以上；,(D,35d),2,）打小孔并放水冲洗钻孔：,小孔直径由选用探头直径决定，一般为,36,38mm,，小孔深度一般为孔径,10,倍左右,3,）安装测量探头至小孔中央部位,：,4,）岩石打孔，实现应力解除,：,通过量测系统（测量探头等）测得的小孔变形或应变，根据有关计算公式求出小孔周围原岩应力。,35,三、地应力测量方法,c),应力解除法,孔径变形测试法,共面三钻孔法,P111(6-7),孔径变化的测量,由美国矿务局首创，后来武汉岩土所研制了同类仪器，这种方法要求在能取得完整岩芯的岩体中进行。,36,三、地应力测量方法,c),应力解除法,只需在,一个钻孔,中通过对洞壁应变量测,(3,组应变花，,9,个应变片）,，,就可完全确定岩体的六个空间应力分量,孔壁应变测试法,应变花,37,三、地应力测量方法,c),应力解除法,因为该方法要求取出足够长的完整岩芯，一方面是保障直径变化测量的可靠性，确保处于弹性状态，弹性理论才是适用的；另一方面要用它测定岩石的弹性模量。,该方法要求在取得完整岩芯的岩体中进行，一般至少要能取出达到大孔直径,2,倍长度的岩芯，因此在破碎和弱面多的岩体中，或在极高的原岩应力区岩芯发生,“,饼状,”,断裂的情况下不宜使用。,应力解除法的适用范围：,38,（,1,）测试原理,材料在受到外荷载作用发生破坏时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，从而发出声响，称为 。,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 。从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为 ，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。,后来国外许多学者证实了在岩石压缩试验中也存在凯泽效应，许多岩石如花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰岩、砾岩等也具有显著的凯泽效应，从而为应用这一技术测定岩体初始应力奠定了基础。,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 进行加载声发射试验， ，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。,声发射,凯泽效应,凯泽点,加工不同方向的岩石试件,测定凯泽点,三、地应力测量方法,d),声发射法,39,(2),测试步骤,1,）试样制备,现场钻孔提取岩样，岩样在,原环境中的方向,必须确定。将岩样加工成圆柱体试件，高径比为,2,：,1-3,：,1,。沿测点的,六个不同方向,制备试件。为了获得测试数据的统计规律，每个方向的试件为,15-25,块,。,为了消除,由于试件端部与压力试验机上、下压头之间摩擦所产生的噪声和试件端部应力集中，试件两端可浇铸由环氧树脂或其他复合材料制成的端帽。,2),声发射测试,加压试件并同时监测产生的声发射现象。,附图,4,21,40,(3),计算地应力,由每次试验得到的凯泽点可以确定该试件轴线方向先前受到的最大应力值。,15,25,个试件获得一个方向的统计结果，六个方向的应力值即可确定取样点的历史最大三维应力大小和方向。,注意： 高强度的脆性岩石具有较明显的声发射凯泽效应，而多孔隙低强度及塑性岩体的凯泽效应不明显（,Felicity,效应,）,，不能用声发射法测定比较软弱疏松岩体中的应力。,41,