中矿岩石力学-第四章.ppt

第四章第四章 地应力及其测量地应力及其测量 基本要求基本要求 1 1掌握初始应力的概念，了解构造应力的概念掌握初始应力的概念，了解构造应力的概念 ，掌握自重应力的计算方法；，掌握自重应力的计算方法； 2 2了解原岩应力的一般规律及影响原岩应力分了解原岩应力的一般规律及影响原岩应力分 布的因素；布的因素； 3 3了解地应力的实测方法。了解地应力的实测方法。 第四章 地应力及其测量 4.1 4.1 概述概述 地应力地应力: : 指岩体在天然状态下所存在的内应力指岩体在天然状态下所存在的内应力, , 通通 常又称为原岩应力、初始应力。常又称为原岩应力、初始应力。 与此相对应，受井巷开挖、矿产资源开采等工与此相对应，受井巷开挖、矿产资源开采等工 程影响，在程影响，在影响范围(3-5R0)以内的原岩应力平衡以内的原岩应力平衡 状态被破坏后的应力称为状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力次生应力或诱发应力。 这一转换过程称为这一转换过程称为应力重分布应力重分布。 1. 地应力定义 2. 研究地应力的重要性 地应力是各种岩石工程变形和破坏的根本作用力； 是影响 岩石开挖工程稳定性的最重要最根本的因素之一；是进行 大规模科学计算分析，实现开挖设计和决策科学化的必要 前提条件。 同时，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。 3. 地应力认识简史 1912年瑞士地质学家海姆（A.Heim），根据大量实际施工观 测和分析，首次提出地应力概念，并假定地应力是一种静水应 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架设，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 早在20世纪20年代，我国地质学家李四光就指出：“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(NHast) 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。 后期研究进一步表明：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。 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。 4.2 地应力的成因 (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 (5)地温梯度引起的应力场 (6)地表剥蚀产生的应力场 地应力主要成分： 自重应力和构造应力 (1)自重应力场 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： v= H (H/m，平均容重 27kN/m3) (2) 构造应力场 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：水平为主，局部存在，分布无规律 最大水平应力系数浅部普遍1， 平均水平应力系数多为0.81.5， 深部趋近1。 地应力主要成分 4.3 地应力的分布规律 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随深度呈线性增长关系（实测） 。 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。 4.4 地应力的测量方法 直接测量法 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，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他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。 1 水压致裂法 （1）测量原理 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， 2) ，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Ps 无限体圆形钻孔 平面应变受力状态 32-1+T-p0 2 32-1-p0 假设钻孔中存在压力P0的裂隙水时，则初始开裂压力Pi 在初始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合裂隙闭合，然后重新注水加压， 使裂隙重新打开，记裂隙重开的压力为 Pr (2) 测量步骤 1）打钻孔到准备测量应力的部位，用封闭器封闭待加压段。 2）向封闭段注水加压，记录初始开裂压力Pi；继续加压注水，使裂隙扩张 至3倍钻孔直径，关闭高压系统，保持水压恒定，记录此时关闭压力Ps；最 后卸压，使裂隙闭合。 3）重新向封闭段注水加压，记录裂隙重新打开的压力Pr和随后的恒定关闭 压力PS；重复此加压卸压的过程23次。 4）完全卸压，取出全部设备。 5）采用印模器等设备测量水压致裂裂隙的位置、方向和大小。 点评（直接法） 优点： (1)设备简单。 只需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，不需要复杂的电磁测量设备。 (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。 它可根据压裂时泵压(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的平均值，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。 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（P145蔡） （3）水压致裂法的优缺点 2 声发射法 （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(JKaiser)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 (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421 (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。 1525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，不能用声发射 法测定比较软弱疏松岩体中的应力。 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。 3 应力解除法 岩体应力测量中应用较广的方法 适用条件：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。 其测量和计算都较复杂。（略）其测量和计算都较复杂。（略） (一）孔底应力解除法（自学，P109图图4-134-13） (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（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 种方法可以和应力解除法相比。 (2)测量步骤：附图3-12 P149蔡 1）打大孔：从岩体表面打大孔至岩体应力测量部位，磨平孔底，清 洗钻孔； 大孔直径一般为130150mm，大孔深度为巷道跨度的2.5倍以上， 一定的同心度； 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3638mm，小孔深度一般 为孔径的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。 (3) 适用范围： 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。 1 1）刚性测量探头不适于应力接触测量，因为它对）刚性测量探头不适于应力接触测量，因为它对 应力解除过程种的小孔变形或应变有限制或约束应力解除过程种的小孔变形或应变有限制或约束 ，影响套孔岩芯种的应力释放。，影响套孔岩芯种的应力释放。 2 2）要得到岩体全应力的六个独立的应力分量，需）要得到岩体全应力的六个独立的应力分量，需 要有三个不用方向的钻孔进行测量。要有三个不用方向的钻孔进行测量。 (4)注意： 4 应力恢复法（直接法，与应力解除法区别） (1) 适用范围：仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方 向时，采用本方法较为方便。向时，采用本方法较为方便。 (2)基本原理：在与所测应力在与所测应力1 垂直方向上开应力解除槽，槽上下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，附近周围应力得到部分解除，重新重新 分布分布。若把槽看作一条缝，根据。若把槽看作一条缝，根据 H.NH.N穆斯海里什维理论，则槽中垂穆斯海里什维理论，则槽中垂 线线OAOA上的应力状态为：上的应力状态为： 1x1x , , 1y： ：OAOA线上某点线上某点B B的应力分量 的应力分量 ：B B点离槽中心点离槽中心OO距离的倒数。距离的倒数。 在槽中埋设压力枕，通过压力枕对槽加压，如在槽中埋设压力枕，通过压力枕对槽加压，如施加压力施加压力 为为p p，则在，则在OAOA直线上某点直线上某点B B的应力分量为：的应力分量为： x x= = 1x1x + + 2x2x = = 2 2 y y= = 1y1y + + 2y2y = = 1 1 当压力枕所施加的力当压力枕所施加的力p