北京交通大学高等岩石力学课件3 地应力及其测量原理

1、3.1 概概 述述 a 地层未受到扰动时，地层未受到扰动时，存在于地层内各点的应力存在于地层内各点的应力称为称为原岩应力原岩应力，或称为，或称为原原始应力始应力，或称为，或称为初始地应初始地应力力（in situ stress）。它是）。它是地下工程围岩变形、破坏、地下工程围岩变形、破坏、支护结构受力的根本渊源。支护结构受力的根本渊源。 3.1.1 地应力概念地应力概念 b 当地层被开挖当地层被开挖后，存在于开挖空间后，存在于开挖空间周围岩体中重新分布周围岩体中重新分布的应力称为的应力称为次生应力次生应力，也叫也叫诱发应力诱发应力（induced stress）。）。 3.1.2 地应力研究国

2、内外情况地应力研究国内外情况v 1905-1912，瑞士地质学者海姆（，瑞士地质学者海姆（Heim）假定）假定zyx v 1925-1926，金尼克假定，金尼克假定zyx 1v1932年，美国人劳伦斯年，美国人劳伦斯(Lieurace)在胡佛坝下面的在胡佛坝下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量。了原岩应力的测量。 1 国外发展情况v在在20世纪世纪50年代，瑞典人哈斯特年代，瑞典人哈斯特(Hast)采用应力解采用应力解除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量。除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量。19

3、58年首次公布了他于年首次公布了他于1952-1953年在瑞典拉伊斯瓦年在瑞典拉伊斯瓦尔尔(Laiswall)铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区的地铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区的地应力测量结果，首次测得近地表地层中的水平应力高应力测量结果，首次测得近地表地层中的水平应力高于垂直应力，引起了人们的关注。于垂直应力，引起了人们的关注。 v20世纪世纪60年代中期之后，开创了三维地应力测量技年代中期之后，开创了三维地应力测量技术，其中以澳大利亚联邦科学和工业研究组织研制的术，其中以澳大利亚联邦科学和工业研究组织研制的CSIRO型空心包体应变计应用最为广泛。型空心包体应变计应用最为广泛。 v20世纪世纪

4、60年代末，美国人费尔赫斯特和海姆森提出年代末，美国人费尔赫斯特和海姆森提出了水压致裂法，其突出优点是能够测量地壳深部的地了水压致裂法，其突出优点是能够测量地壳深部的地应力。应力。 v20世纪世纪80年代初，瑞典国家电力局年代初，瑞典国家电力局(SSPB)研制成功研制成功了水下钻孔三向应变计了水下钻孔三向应变计 v20世界世界80年代后，年代后，Zoback、 StePhansson 、Klein和和Ban 、Herget、 Hudson 、Kugawara、格佐夫斯、格佐夫斯基等人绘制了美国大陆、斯堪的纳维亚半岛、西欧、基等人绘制了美国大陆、斯堪的纳维亚半岛、西欧、加拿大、英国、日本、前苏联

5、的地壳应力图。加拿大、英国、日本、前苏联的地壳应力图。2 国内发展情况v20世纪世纪40年代，地质学家李四光把地应力作为地年代，地质学家李四光把地应力作为地质力学的一部分进行了研究。质力学的一部分进行了研究。 v地应力实测工作从上个世纪地应力实测工作从上个世纪60年代初开始，年代初开始，19621964年在三峡平善坝坝址获得了岩体表面应力年在三峡平善坝坝址获得了岩体表面应力测量成果。测量成果。 v1964年，在陈宗基院士的带领下，中国科学院武汉年，在陈宗基院士的带领下，中国科学院武汉岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应力岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应力解除测量，测量深度为

6、解除测量，测量深度为80m。 v1966年开展了地应力对地震预报的研究，并在河北年开展了地应力对地震预报的研究，并在河北省隆尧县建立了我国第一个地应力观测台站，省隆尧县建立了我国第一个地应力观测台站，v1980年国家地震局首次进行了水力压裂地应力测量，年国家地震局首次进行了水力压裂地应力测量，从而迈出了我国深部应力测量的第一步。从而迈出了我国深部应力测量的第一步。 v20世纪世纪80年代以后，空心包体应变计进入我国，随年代以后，空心包体应变计进入我国，随后地质力学所、长冶院和长科院等研制了后地质力学所、长冶院和长科院等研制了KX-81，KX-2003，CKX-97，CKX-01型空心包体。北京

7、科技型空心包体。北京科技大学的蔡美峰对大学的蔡美峰对CSIRO空心包体应变计做了重大改进。空心包体应变计做了重大改进。 v1991年刘允芳、年刘允芳、 1994年高建理，提出利用水压致裂年高建理，提出利用水压致裂法进行三维地应力测量，取得了很好的测量结果。法进行三维地应力测量，取得了很好的测量结果。 v2004年葛修润，侯名勋提出了一种钻孔局部壁面应年葛修润，侯名勋提出了一种钻孔局部壁面应力全解除法；胡斌，章光等在套孔应力解除的基础上力全解除法；胡斌，章光等在套孔应力解除的基础上提出了一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计。提出了一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计。 温度应力温度应力封闭应

8、力封闭应力新构造应力新构造应力古构造残余应力古构造残余应力构造应力构造应力重力应力重力应力原岩应力原岩应力3.2 地应力的构成及影响因素地应力的构成及影响因素 3.2.1 自重应力自重应力 yxxyz11H22HnnHxzzxz 垂直应力计算方法垂直应力计算方法(a)单一地层单一地层(b)多层地层多层地层 由地壳岩层的重量引起。由地壳岩层的重量引起。Hz niiizH1 上覆各层岩体容重；上覆各层岩体容重； i上覆岩层平均容重。上覆岩层平均容重。 垂直方向垂直方向水平方向水平方向zyx 侧压系数。侧压系数。 假定水平方向应变为零，根据胡克定假定水平方向应变为零，根据胡克定律可导出下式律可导出下

9、式 0101zxyyzyxxEE Hzyx 11连立求解，得连立求解，得 1即即 当泊桑比值为当泊桑比值为0.5时，得到侧压系数为时，得到侧压系数为1.0 ，所以海姆观点是金尼克公式的一个特例。所以海姆观点是金尼克公式的一个特例。 岩石的泊桑比值通常在岩石的泊桑比值通常在0.100.35之间。因之间。因此在自重应力场中侧压系数在此在自重应力场中侧压系数在0.100.54之间，之间，而主要在而主要在0.250.43之间。之间。3.2.2 构造应力构造应力 1 古构造应力：是地质史上由于构造运动残古构造应力：是地质史上由于构造运动残留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力。留于岩体内部的应力，也称为

10、构造残余应力。 2 新构造运动应力是现今正在形成某种构造新构造运动应力是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。最新地壳变形的应力。 3 封闭应力是在各种地质因素长期作用下封闭应力是在各种地质因素长期作用下残存于结构内部的应力。残存于结构内部的应力。 3.2.3 地应力的影响因素地应力的影响因素 1 地质构造对地应力的影响地质构造对地应力的影响 地质构造主要影响地应力的分布和传递：地质构造主要影响地应力的分布和传递： （1）在静应力场中，断裂构造对地应力大小和方向的影响）在静应力场中，断裂构造对地应力大小和方向的影

11、响是局部的。是局部的。 （2）在同一构造单元体内地应力大小和方向均较一致，而）在同一构造单元体内地应力大小和方向均较一致，而靠近断裂或其他分离面附近大小和方向才有较大变化。靠近断裂或其他分离面附近大小和方向才有较大变化。 （3）在活动断层附近和地震地区，地应力大小和方向都有）在活动断层附近和地震地区，地应力大小和方向都有较大变化。较大变化。 （4）地质构造面与地应力方向关系，一般在水平面内，最）地质构造面与地应力方向关系，一般在水平面内，最大主应力的方向常垂直于构造线。大主应力的方向常垂直于构造线。2 地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响 地形地貌对地应力的影响是复

12、杂的。地形地貌对地应力的影响是复杂的。 剥蚀可以造成巨大的水平应力。由构造作用与由剥蚀作用剥蚀可以造成巨大的水平应力。由构造作用与由剥蚀作用产生的水平应力的主要区别在于，由构造作用产生的水平应力产生的水平应力的主要区别在于，由构造作用产生的水平应力具有明显的方向性；而由剥蚀产生的水平应力，不具方向性。具有明显的方向性；而由剥蚀产生的水平应力，不具方向性。 岩体地应力是能量积累与释放的结果。从能量岩体地应力是能量积累与释放的结果。从能量的积累观点来看，岩体应力的上限必然要受到岩体强的积累观点来看，岩体应力的上限必然要受到岩体强度的限制。度的限制。例如，当例如，当50GPa以上的岩体，最大应以上的

13、岩体，最大应力一般为力一般为1030MPa，而，而10GPa以下的岩体应力以下的岩体应力很少超过很少超过10MPa。 这样，弹性模量较大的岩体有利于地应力积累，这样，弹性模量较大的岩体有利于地应力积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位，而塑性岩体容所以地震和岩爆容易发生在这些部位，而塑性岩体容易产生变形，不利于应力积累易产生变形，不利于应力积累 。3 岩石力学性质对地应力的影响岩石力学性质对地应力的影响 4 温度对地应力的影响温度对地应力的影响 岩体温度对地应力的影响表现在两个方岩体温度对地应力的影响表现在两个方面：地温梯度和岩体局部温度的影响。面：地温梯度和岩体局部温度的影响。 地温梯度一般

14、为地温梯度一般为 3100 510岩体的体膨胀系数约为岩体的体膨胀系数约为 而岩体的弹性摸量一般为而岩体的弹性摸量一般为10GPa )(.MPa0030010HEHT 温度应力温度应力 TTzTyTx温度应力一般是静水压力温度应力一般是静水压力 3.3 地壳浅部地应力的变化规律地壳浅部地应力的变化规律 3.3.1 地应力是个非稳定应力场地应力是个非稳定应力场 3.3.2 实测垂直应力实测垂直应力 基本等于上覆岩基本等于上覆岩 层重量层重量 zH3.3.3 水平应力普遍大于垂直应力水平应力普遍大于垂直应力 在深度为在深度为252700m范围内，垂直应力呈线性增长，范围内，垂直应力呈线性增长，大致

15、相当于按平均容重大致相当于按平均容重0.027MN/m3计算出来。计算出来。 5 . 01500z 3 . 0100z 上限：下限：3.4 原岩应力的现场实测方法原岩应力的现场实测方法 初始地应力对工程设计是不可缺少的基础资料初始地应力对工程设计是不可缺少的基础资料之一。由于原岩应力不易计算，最好的办法就是通之一。由于原岩应力不易计算，最好的办法就是通过现场量测获得。过现场量测获得。 岩体应力的现场量测包括岩体原岩应力测试和岩体应力的现场量测包括岩体原岩应力测试和洞室围岩二次应力测试。洞室围岩二次应力测试。 地应力测试方法分为直接法和间接法：直接法常地应力测试方法分为直接法和间接法：直接法常用

16、的有用的有扁千斤顶法、水压致裂法、声发射法；扁千斤顶法、水压致裂法、声发射法；间接间接法有法有应力解除法（按测量手段不同主要有孔径变形应力解除法（按测量手段不同主要有孔径变形法和孔壁应变法）。法和孔壁应变法）。3.4.1 直接法直接法 1 扁千斤顶法扁千斤顶法测量方法：岩壁切槽两侧固定立柱间距离变化；测量方法：岩壁切槽两侧固定立柱间距离变化； 岩壁切槽附近应变的变化。岩壁切槽附近应变的变化。2 水压致裂法水压致裂法 初始劈裂压力初始劈裂压力稳定开裂压力稳定开裂压力关闭压力关闭压力开启压力开启压力p 3 2312112144003012202200301cos rRrRprRb 22030103

17、01cos bp时时 0Rr 在水压力为在水压力为pb，原始应力，原始应力为为1、3共同作用下，孔周共同作用下，孔周边岩体中切向应力：边岩体中切向应力：bp 01033 最最小小切切向向应应力力为为：时时 , 0 孔壁切向应力孔壁切向应力00003131bPt tbp 03013时，孔壁发生拉裂，得：时，孔壁发生拉裂，得：考虑孔隙水压力考虑孔隙水压力P0tbpp 003013当第二次加压至裂隙张开，此时水压力为当第二次加压至裂隙张开，此时水压力为Pb0, t=00003013ppb 0bbtpp 1 测量深度不受限制、代表性好；测量深度不受限制、代表性好； 2 操作操作方便；方便； 3 测值直

18、观；测值直观； 4 适应性强。适应性强。 于是，得：于是，得： 而关闭水泵后，裂隙中保持的稳定压力正好而关闭水泵后，裂隙中保持的稳定压力正好与最小主应力相平衡，得：与最小主应力相平衡，得：000301000333bstbbbtsPPPPPP 3 声发射法声发射法 材料在受到外力作用时，其内部储存的应变能材料在受到外力作用时，其内部储存的应变能快速释放产生弹性波，发出声响，称为声发射。快速释放产生弹性波，发出声响，称为声发射。 材料从其历史最高应力水平释放后，再重新加材料从其历史最高应力水平释放后，再重新加载，当应力没有达到历史最高应力值时，声发射很载，当应力没有达到历史最高应力值时，声发射很少

19、，当应力超过历史最高应力值时，会有大量声发少，当应力超过历史最高应力值时，会有大量声发射产生，这一现象称为射产生，这一现象称为Kaiser效应。效应。 试件制备，在同一位置按试件制备，在同一位置按6个不同方向取样，要个不同方向取样，要记录下每个试件所代表的方向，每个方向作记录下每个试件所代表的方向，每个方向作1525块。加载采用小吨位单轴压力机，加载速率恒定。块。加载采用小吨位单轴压力机，加载速率恒定。AE总计数时间/sKaiser点试件AE接收传感器3.4.2 间接法间接法 它的基本原理是：当需要测定岩体中某点的应它的基本原理是：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为地将该处的岩体单元与周围

20、岩体分力状态时，人为地将该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将被解除。该单元离。此时岩体单元上所受的应力将被解除。该单元体将产生弹性恢复的应变值或变形值，用传感器测体将产生弹性恢复的应变值或变形值，用传感器测量这一应变和位移，再根据应力和应变或位移之间量这一应变和位移，再根据应力和应变或位移之间的关系计算原岩应力。的关系计算原岩应力。 1 应力解除法原理应力解除法原理2 应力解除法的实施步骤应力解除法的实施步骤 1） 套钻大孔（套钻大孔（D=118mm）；）；2 ）取岩芯并将孔底磨平；取岩芯并将孔底磨平；3 ）套钻小孔（套钻小孔（d=36mm）；）；4 ）取小孔岩芯；取小孔岩

21、芯；5 ）粘贴元件测初读数；粘贴元件测初读数；6 ）应力解除；应力解除；7 ）取岩芯；取岩芯；8 ）测终读数测终读数3 应力解除法的测量方法应力解除法的测量方法1）孔径变形法）孔径变形法 测量应力解除前后钻孔直径的变化测量应力解除前后钻孔直径的变化d，采用美国矿山，采用美国矿山局局USBM孔径变形计或中科院武汉岩土所孔径变形计或中科院武汉岩土所36-2型孔径变形型孔径变形计进行测量。计进行测量。USBM孔径变形计结构原理图孔径变形计结构原理图 这种方法要求在能取得完整岩芯的岩体中进行，这种方法要求在能取得完整岩芯的岩体中进行，一般至少要能取出大孔直径一般至少要能取出大孔直径2倍长度的岩芯。倍长

22、度的岩芯。 dyxyxxy应力解除前应力解除后00000d+d12d+d3d+d 孔径变化与所在断面上原始地应力关系为：孔径变化与所在断面上原始地应力关系为： 24221000002sincosxyyxyxdEd 取三个不同取三个不同i，可得到三个不同方向的直径，可得到三个不同方向的直径变化变化d i，形成以下的三元一次方程组，形成以下的三元一次方程组 3030000232020000221010000212sin42cos212sin42cos212sin42cos21 xyyxyxxyyxyxxyyxyxdEddEddEd 要测定一点的其他三个应力分量，需要采用三要测定一点的其他三个应力分

23、量，需要采用三孔交汇法。工作量比较大。孔交汇法。工作量比较大。2） 孔壁应变法孔壁应变法 只需在一个钻孔内进行量测，即可确定六个空间只需在一个钻孔内进行量测，即可确定六个空间应力分量。应力分量。 00002422zxyyxz sincos 242200000sincosxyyxyx sincos0022zxyzz 122 473 取取 分别为：分别为： 得到一下九个方程：得到一下九个方程： 010010001232yzzyxzyxz 020020002232zxzyxzyxz 0030003003244zxyzzxyyxzxyz 122 473 112AiBiBiAiiE 122BiAiCii

24、zE 112BiAiBiAiziE 设第设第i个测点三个方向应变片读数分别个测点三个方向应变片读数分别为：为：Ai、Bi、Ci 12102101202381381 zzyx 201032102121281 zzxzyzxy 三轴应变计，三轴应变计，国际岩石力学与工程学会制国际岩石力学与工程学会制定的地应力测量建议方法中定名为定的地应力测量建议方法中定名为CSIR型应型应变计。变计。 空心包体式三轴应变计。空心包体式三轴应变计。 l一应变计电缆；一应变计电缆；2一安装杆；一安装杆；3一连接销：一连接销：4，13一密封一密封圈；圈；5一环氧树脂筒；一环氧树脂筒；6一空腔、内装粘结剂；一空腔、内装粘结剂；7一电阻应变一电阻应变花；花；8一固定销；一固定销；9一应变计与空壁之间的空隙；一应变计与空壁之间的空隙；l0一活塞；一活塞；11一岩石钻孔壁；一岩石钻孔壁；12一出胶径向孔；一出胶径向孔；14一导向头一导向头 实测地应力以压应力为正；实测地应力以压应力为正； 、 、 分别为最大、中间和最小主应力；分别为最大、中间和最小主应力； 、 、 分别为三个主应力的方位角（沿顺分别为三个主应力的方位角（沿顺时针与正北方向的夹