第六章 岩体初始应力

1、第六章 岩体初始应力中南大学中南大学岩石力学与工程研究所岩石力学与工程研究所唐礼忠唐礼忠6.5 岩体初始应力分布状态 6.1 初始应力的基本概念6.2 岩体自重应力6.3 岩体构造应力6.4 岩体应力测定 6.1 初始应力的基本概念- -人类工程活动之前存在于岩体中的应力。人类工程活动之前存在于岩体中的应力。一、定义一、定义地应力、初始应力、原岩应力地应力、初始应力、原岩应力- -岩体在天然状态下的内在应力。岩体在天然状态下的内在应力。初始应力初始应力/ /in-situ stress： - -在岩体工程开挖之前的岩体中或者在工程影响区之外的岩体在岩体工程开挖之前的岩体中或者在工程影响区之外的

2、岩体中存在的三维应力中存在的三维应力 + + + + + +初始应力 重分布应力rs二、初始应力的组成二、初始应力的组成四、应力状态四、应力状态三维应力状态，一般为压应力，包括应力大小和方向。三维应力状态，一般为压应力，包括应力大小和方向。岩体自重岩体自重自重应力自重应力(gravitational stress)构造运动构造运动构造应力构造应力(tectonic stress)流体作用流体作用渗流应力渗流应力 (seepage stress, water pressure)其它（地温、地球化学作用等）其它（地温、地球化学作用等）三、起源（主要指构造运动的起源）三、起源（主要指构造运动的起源）

3、板块运动板块运动地幔热对流地幔热对流地球自转速度变化地球自转速度变化地下流体状态地下流体状态6.2 岩体自重应力自重应力是指上覆岩体的重量所产生的应力。自重应力是指上覆岩体的重量所产生的应力。一、定义一、定义二、计算公式二、计算公式一般假定计算点附近岩体为均质、各向同性的一般假定计算点附近岩体为均质、各向同性的连续体进行估算。铅垂方向自重应力分量连续体进行估算。铅垂方向自重应力分量 z为单元体以上至地表的岩柱的重量，即：为单元体以上至地表的岩柱的重量，即： 式中，式中，g 是岩体平均容重，是岩体平均容重，KN/ m3；是计算点；是计算点处距地表深度，处距地表深度，m；z 为铅垂应力分量，为铅垂

4、应力分量，Mpa。1 1、垂直应力计算、垂直应力计算zzzxy如果在研究深度范围内有几层不同的岩层，垂直应力分量可用下式计如果在研究深度范围内有几层不同的岩层，垂直应力分量可用下式计算：算： 式中，式中，i 为第为第 i 层岩体密度；层岩体密度；hi 为第为第i层岩体厚度；层岩体厚度；n 为计算的为计算的岩层数。岩层数。上式可改写为：上式可改写为： 式中，式中，是岩体平均密度，是岩体平均密度，KN/m3 ；是重力加速度：；是重力加速度：9.8m/s2；z 深度，深度，m；gzzniiizgh1称为侧应力系数，表示水平应力与垂直应力的比值。称为侧应力系数，表示水平应力与垂直应力的比值。 半无限体

5、各向同性弹性体中，岩体单元在半无限体各向同性弹性体中，岩体单元在x、y方向受相邻单元方向受相邻单元限制不产生变形，即限制不产生变形，即x=0，y=0。由广义。由广义Hook定律，得定律，得2 2、水平应力计算、水平应力计算可以得到可以得到令令一般岩石的一般岩石的=0.20.3，则，则=0.250.43。当当=0.5时，时，=1，即，即x=y=z静水压力状态静水压力状态三、岩体自重应力的特点三、岩体自重应力的特点 自重应力的三个分量都是压应力；自重应力的三个分量都是压应力；铅垂应力分量只与岩体容重有关，水平应力还铅垂应力分量只与岩体容重有关，水平应力还与岩体的弹性参数有关，小于铅垂应力；与岩体的

6、弹性参数有关，小于铅垂应力；岩体中的结构面影响岩体自重应力。岩体中的结构面影响岩体自重应力。a.b.c.6.3 岩体构造应力一、构造应力场的概念一、构造应力场的概念 岩体构造应力是在地壳造山运动岩体构造应力是在地壳造山运动(tectogenesis )和造陆运动中积累和造陆运动中积累(accumulate)或剩余或剩余(remain)的一种分布力。的一种分布力。 2 2、构造应力场分类、构造应力场分类按构造运动的按构造运动的活动性划分活动性划分 古构造应力场古构造应力场 现今仍在活动的构造应力场现今仍在活动的构造应力场 按构造运动的按构造运动的规模划分规模划分 全球性构造应力场全球性构造应力场

7、 区域性构造应力场区域性构造应力场 局部构造应力场局部构造应力场 1 1、构造应力场定义、构造应力场定义二、构造应力场分析二、构造应力场分析 主要借助于岩体中存在的各种构造形迹，弄清构造体系主要借助于岩体中存在的各种构造形迹，弄清构造体系(structural system)，从而确定形成这种构造体系时的构造应力场的主应力方向，从而确定形成这种构造体系时的构造应力场的主应力方向1 1、构造形迹、构造形迹(structural feature)(structural feature)的形成机理的形成机理 构造形迹：构造形迹： 在一次构造运动中，形成一系列的褶皱和断裂（断在一次构造运动中，形成一系

8、列的褶皱和断裂（断层和节理等），它们是构造运动留下的遗迹层和节理等），它们是构造运动留下的遗迹构造形迹构造形迹1）褶皱）褶皱(fold) 褶皱和直立岩层的走向褶皱和直立岩层的走向 构造线构造线(structural line)： 垂直于垂直于1 构造应力场的主应力方向构造应力场的主应力方向2）断层和节理）断层和节理 张性断裂和剪切断裂张性断裂和剪切断裂 张性断层：张性断层： 大规模的张性断层的形成与岩石在单轴压缩条件下产生大规模的张性断层的形成与岩石在单轴压缩条件下产生纵向劈裂相似，是由于张应变超过极限而产生的。纵向劈裂相似，是由于张应变超过极限而产生的。 总体方向与最大主应力方向平行。总体方

9、向与最大主应力方向平行。 剪性断裂：剪性断裂： 压性断层和扭性断层，都可用莫尔压性断层和扭性断层，都可用莫尔-库仑理论来解释库仑理论来解释 2 2、构造体系及区域构造应力场、构造体系及区域构造应力场(regional structural (regional structural streaa field) streaa field) 对于一个区域来说，对于一个区域来说，在一次构造运动中在一次构造运动中形成一系列的构造形成一系列的构造形迹，形迹， 构造体系：构造体系： 在一次构造运动中在一次构造运动中不同规模的构造应不同规模的构造应力场具有逐级控制力场具有逐级控制的关系。的关系。 例米字形构造

10、体系： 构造形迹的序次构造形迹的序次构造应力场构造应力场6.4 岩体应力测定 一、应力解除法一、应力解除法(stress(stress relief method) relief method) 1 1、基本原理、基本原理 假定地下处于初始三维应力状态的岩体为线弹性体，将岩体假定地下处于初始三维应力状态的岩体为线弹性体，将岩体脱离母岩，则所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。脱离母岩，则所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。 用仪器测得恢复应变，则为：用仪器测得恢复应变，则为：然后，利用弹性力学公式则可然后，利用弹性力学公式则可计算岩体初始应力计算岩体初始应力 破坏联系破坏联系-解除应力解除应

11、力-弹性恢复弹性恢复-测出变形测出变形-根据变根据变形，转求应力。形，转求应力。 这个过程可以归结为：这个过程可以归结为：2 2、孔底应力解除法、孔底应力解除法 1）测定岩体应力的步骤）测定岩体应力的步骤 2）应变花）应变花(strain gauge rose)： 3）计算公式）计算公式（1）等角应变花情况（2）直角应变花情况 3 3、孔径变形法、孔径变形法 1）测定岩体应力的步骤）测定岩体应力的步骤 2）应力计算）应力计算假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩体应力体应力 1 的夹角分别为的夹角分别为 1, 2 和和3，测，测得的孔径变形分别为得的孔径变形分

12、别为u1, u2, u3，孔壁径向位，孔壁径向位移为其移为其1/2，如图。，如图。 当当1, 2 和和 3 之间隔为之间隔为60 时，则按下式岩时，则按下式岩体应力：体应力：4 4、孔壁应变法、孔壁应变法 基本原理基本原理测量步骤测量步骤岩体三维应力计算：岩体三维应力计算： 根据弹性力学，在9个应变片的情况下，孔壁应变与岩体应力的关系有9个方程式，在12个应变片的情况下，有12个方程式。可根据9个或12个方程式采用最小二乘法(least square method)求解岩体应力的6个分量x，y，z，txy，tyz，tzx 。二、水压致裂法二、水压致裂法1 1、基本原理：、基本原理： 借助于封隔

13、器在垂直钻孔中测点处封隔一段，作为压裂段，然后将借助于封隔器在垂直钻孔中测点处封隔一段，作为压裂段，然后将压裂液送入压裂段，通过加压泵对压裂段施加水压力，使孔壁岩石压裂液送入压裂段，通过加压泵对压裂段施加水压力，使孔壁岩石破裂，然后用印模器印出压裂裂缝，或通过钻孔电视照相机照相，破裂，然后用印模器印出压裂裂缝，或通过钻孔电视照相机照相，借助于安装指南针测定压裂裂缝的方向，并根据压裂时的水压力计借助于安装指南针测定压裂裂缝的方向，并根据压裂时的水压力计算岩体初始应力。算岩体初始应力。 压裂裂缝的产生：假定岩体铅垂应压裂裂缝的产生：假定岩体铅垂应力为一个主应力，例如力为一个主应力，例如3 ，根据基

14、，根据基尔希公式，钻孔周边切向应力最小尔希公式，钻孔周边切向应力最小值为值为q=321 ，压裂裂缝在图，压裂裂缝在图所示位置，借助于印模器可印下这所示位置，借助于印模器可印下这个位置（方向）。个位置（方向）。2 2、水压致裂试验、水压致裂试验 （2）测试过程）测试过程1）测试设备）测试设备a.a.在已知应力分量方向在已知应力分量方向( (例如垂直应力分量的方向与重力方例如垂直应力分量的方向与重力方向一致向一致) )的情况下，钻与之平行的孔。的情况下，钻与之平行的孔。b.b.选择岩芯完整无宏观节理的孔段作为试验的封堵段，然后选择岩芯完整无宏观节理的孔段作为试验的封堵段，然后将封堵塞送入孔中，通入

15、压力水使封堵器橡胶栓膨涨。将封堵塞送入孔中，通入压力水使封堵器橡胶栓膨涨。c.c.经高压水管向封堵段注入压力水，使岩体发生破裂，此时经高压水管向封堵段注入压力水，使岩体发生破裂，此时的水压称为临界破坏压力的水压称为临界破坏压力P Pb b，在压力表上表现为急剧下降，在压力表上表现为急剧下降，最后停留在其一压力水平。最后停留在其一压力水平。d.d.停止增压，关闭液压泵，压力迅速下降，裂隙停止扩展，停止增压，关闭液压泵，压力迅速下降，裂隙停止扩展，并趋于闭合，当压力降到使裂隙处于临界闭合状态时的平衡并趋于闭合，当压力降到使裂隙处于临界闭合状态时的平衡压力，叫做关闭压力压力，叫做关闭压力P Ps s

16、。e.e.放水卸压，裂隙完全闭合，泵压为零或初始孔隙压力水平，放水卸压，裂隙完全闭合，泵压为零或初始孔隙压力水平，然后再对封堵段加压使裂隙重新张开，此时所需压力为然后再对封堵段加压使裂隙重新张开，此时所需压力为P Pr r。重复2至5步完成23压裂循环，以便取得合理的压裂参数及正确地判断岩石破裂及裂隙延伸过程。f.f.解除封孔，用印模栓塞记录破裂裂隙的方向。解除封孔，用印模栓塞记录破裂裂隙的方向。破裂过程的压力时间曲线全部试验过程用压力-时间曲线表示，如图所示。图的上部表示钻孔封堵段孔壁在试验过程中的状态。6.5 岩体初始应力分布状态 一、岩体初始应力大小和方向随深度的变化一、岩体初始应力大小

17、和方向随深度的变化 岩体初始应力三个主应力岩体初始应力三个主应力Hmax、 Hmin 、 V 均随深度增加而增大。均随深度增加而增大。 1 1、我国测试结果、我国测试结果HmaxHminHmaxHmin2 2、拉纳利、拉纳利(G.Ranalli)(G.Ranalli)等人等人 平均水平应力大于岩石静水压力，平均水平应力与铅垂应力之比约为平均水平应力大于岩石静水压力，平均水平应力与铅垂应力之比约为2:1，平均水平应力随深度变化的近似关系为：平均水平应力随深度变化的近似关系为： 在地盾区及古生代褶皱带在地盾区及古生代褶皱带：在地台中的沉积盖层，古生代褶皱带的裂缝块状岩体以及断裂带：在地台中的沉积盖层，古生代褶皱带的裂缝块状岩体以及断裂带： 平均水平应力小于覆盖层平均水平应力小于覆盖层(overburden)的压力，平均水平应力的压力，平均水平应力与铅垂应力之比约为与铅垂应力之比约为1：2，平均水平应力随深度变化的近似，平均水平应力随深度变化的近似关系为（如上图中关系为（如上图中DE线）：线）： 铅垂应力一般与上覆岩层重量计算的结果大体一致，即铅垂应力一般与上覆岩层重量计算的结果大体一致