岩体力学05-地应力及其测量

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,土木工程专业基础课岩体力学,*,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,*,土木工程专业基础课岩体力学,*,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,*,土木工程专业基础课岩体力学,*,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,*,土木工程专业基础课岩体力学,*,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,*,土木工程专业基础课岩体力学,*,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,*,土木工程专业基础课岩体力学,*,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,*,土木工程专业基础课岩体力学,*,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,*,土木工程专业基础课岩体力学,*,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,*,土木工程专业基础课岩体力学,*,第五章 地应力及其测量,一、,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,三、地应力测量的基本原理及方法,一、地应力的概念,1,、,地应力,(,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。,2,、,重分布应力,（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。,重分布应力,+,+,+,天然应力,相对于第,2,洞室的天然应力,二、地应力的研究意义,1,、天然应力是引起岩土工程变形和破坏的根本作用力,，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终一直对围岩起作用。,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料。,1,）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。,2,）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、采场矿山压力控制的最主要依据之一。,3,）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。,3,、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数,。没有可靠正确的地应力资料，任何数值分析便没有意义。,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、实现岩体工程设计和决策科学化的前提。,三、地应力的研究历史,1,、国际,1878,年海姆提出天然应力；,1932,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；,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,5108,米（美国密西根水压致裂法）。,2,、国内,50,年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有,3958,米（天津大港）。,一、,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,三、地应力测量的基本原理及方法,一、地应力的成因,1,、组成,：,岩体自重,自重应力,构造运动,构造应力,流体作用,渗流应力,地温梯度,温度应力,其它,（地球化学作用等）,2,、构造应力起源,：,地幔热对流,板块运动,地球自转速度变化,地质力学,西南,：印度板块向,NNE,挤压（,5mm/a,）,东,：太平洋板块向,W,俯冲（,1cm/a,）,南,：菲律宾板块向,N,俯冲,北,：西伯利亚板块阻挡,1,迹线,：,N-NE-SSE,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。,1,地应力一般是三轴压应力状态,，且为以水平应力为主的,三轴,不等,压应力,场,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角一般不大于,30,。,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，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。,二、岩体天然应力的分布特征,2,地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场,地应力,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。,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。,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状态。,以东经,100,105,o,为界分东西两区。,强度上：西强东弱（西高东低）,方向上：西：,NNE-SSW,为主，东：近,E-W,。,3,实测垂直应力,V,基本上等于上覆岩层的重量,对全世界实测垂直应力资料的统计分析，在深度,252700m,的范围内，垂直应力呈线性增长，大致相当于按平均重度,27kN/m,3,计算的应力值,H,。,4,水平应力,h,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，两者之比一般为,0.55.5,，多数情况下大于,2,；平均水平主应力（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,0.55,，大多数为,0.81.5,。,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浅部应力的形成与分布。,5,、平均水平应力与垂直应力的比值,（,平均侧压力系数,）,随深度的增加而减小,实测资料表明，在深度不大时，,相当分散，但随着深度的增加，该值的变化范围逐步缩小，并趋于,1,，表明在地壳深度有可能出现静水压力状态。,与深度,z,的关系为：,6,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的亚古陆最大水平主应力、最小水平主应力随深度,z(,单位,m),变化的线性关系为：,7,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,最小水平主应力与最大水平主应力之比一般为,0.20.8,，多数是,0.40.8,各向异性的原因：构造运动的方向性；岩体的各向异性,8,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，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，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扰动，断层端部、拐角处及交汇处出现应力集中现象。,第六章 地应力及其测量,一、,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,三、地应力测量的基本原理及方法,自重应力理论,地震震源机制解,地变形量测,天然应力测量,大地水准测量,三角网测量,GPS,测量,地应力确定,方法,z,A,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、当地侵蚀基准面稳定,1,、均质各向同性岩体,A,2,、水平层状岩体,3,、垂直层状岩体,A,二、天然应力的量测,天然应力的量测方法,水压致裂法,应力恢复法（扁千斤顶法）,套芯应力解除法,光弹法,声发射法,X,射线法,A,1,、水压致裂法,t,p,c1,p,S,p,c2,p,0,水压力随时间的变化曲线,t,p,c1,p,S,p,c2,p,0,假设：,天然应力为水平应力场，其铅直应力,v,=gz,假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中 的一个小圆孔。作用应力为,h,max,、,h,min,，根据弹性理论中的柯西解，未加水压力时，,A,点的应力为：,A,=3,h,min,-,h,max,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,联立上两式有,而：,因此，可得测点的天然应力为,据岩体破裂方向确定：破裂平行于 ，垂直于 ，破裂方向由压痕、井下电视等确定。,优点：,测深大，,z,可达数百米，目前最深达,5108,米；施工技术简单，不需要应力计等仪器。,应力方向：,千斤顶,油泵,时间,千斤顶压力,p,c,测点分离值,d,0,d,步骤：,在岩壁上选择测点，固定,A,、,B,两点。,d15cm,；,刻槽应力释放、变形，,d,0,d;,安装扁千斤顶,;,加压应力恢复,d,d,0,，到,d=d,0,时的千斤顶压力即为 ；,2,、应力恢复法（扁千斤顶法）,重复,测量另一个方向的,W,；,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,R,和底板应力,W,时，则有,:,3,、钻孔套芯应力解除法,基本原理,+,+,+,仪器,套芯解除,钻孔,同心套钻,放,应变计,应力解除,应力计算,位移恢复,设天然应力为水平应力场,45,45,计算公式：,应变计互成,45,，据上式有,用消元法解三元一次方程，得,：,应变计互为,60,时,，可按下列公式计算,60,60,选点、钻孔：,130mm,，深度一般小于,30m;,在孔底打一测量孔：,36mm,，深度一般,50cm,，并洗干净；,安装应变计：并与应变仪连接，测记稳定初始读数；,套钻解除：在应力解除过程中，测记应变计读数，至应变完全解除为止；,折断岩心，在室内求取岩石的,E,m,;,按前述公式求解：天然应力,hmax,，,hmin,测量步骤：,优点,：能较准确地量测出岩体中的天然应力,缺点,：只能量测浅部（,30m,以内）天然应力。深度大了，套钻技术难度大、精度低。,