第4章地应力及其测量

1、1原岩应力基础知识中国矿业大学中国矿业大学力建学院岩石力学与工程研究所力建学院岩石力学与工程研究所王王 迎迎 超超联系方式：联系方式： 1526201382115262013821（手机）（手机）2n 一、概述n 二、地应力场的分布规律n 三、地应力测量方法本章内容本章内容3一、一、概述概述次生应力次生应力诱发应力诱发应力原岩原岩： 未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体。未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体。原岩应力原岩应力（亦称（亦称初始应力初始应力或或地应力地应力）：）： 定义一：原岩中存在的应力。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。定义二：岩体在天然状

2、态下所存在的内应力。4一、一、概述概述研究地应力的重要性研究地应力的重要性传统岩石工程开挖设计和施工是根据传统岩石工程开挖设计和施工是根据经验经验来进行。当来进行。当开挖是在小规模范围内和接近地表深度上进行时，开挖是在小规模范围内和接近地表深度上进行时，经验类经验类比比的方法往往是有效的。的方法往往是有效的。 但是随着但是随着工程开挖规模的扩大和不断向深部发展工程开挖规模的扩大和不断向深部发展，经，经验类比越来越失去其作用，根据经验进行开挖施工往往造验类比越来越失去其作用，根据经验进行开挖施工往往造成成岩体工程的失稳、坍塌或破坏岩体工程的失稳、坍塌或破坏，引发，引发工程事故工程事故。为了对各种

3、岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工，就必须对影响为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工，就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查，只有详细了解了这些工程稳定性的各种因素进行充分调查，只有详细了解了这些工程影响工程影响因素因素，并通过，并通过定量计算和分析定量计算和分析，才能做出既经济又安全实用的工程设，才能做出既经济又安全实用的工程设计。计。地应力状态是最重要最根本的因素之一。举例：地应力状态是最重要最根本的因素之一。举例：矿山设计矿山设计(总体总体布置、确定巷道和采场的最佳断面形状、尺寸布置、确定巷道和采场的最佳断面形状、尺寸）。5地应力地应力是各种岩石开挖工程是各种岩石开挖工

4、程变形和破坏变形和破坏的根本作用力；是的根本作用力；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。设计和决策科学化的必要前提条件。地应力地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油状态对地震预报、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。以及地球动力学的研究等也具有重要意义。一、一、概述概述研究地应力的重要性研究地应力的重要性（1）工程稳定性分析的原始参数。）工程稳定性分析的原始参数。（

5、2）确定开挖方案与支护设计的必要参数。）确定开挖方案与支护设计的必要参数。6一、一、概述概述地应力的成因地应力的成因1912年瑞士地质学家海姆（年瑞士地质学家海姆（A.Heim）在大型越岭隧道施工过程中，通）在大型越岭隧道施工过程中，通过观测和分析，过观测和分析，首次提出了地应力概念首次提出了地应力概念，并假定地应力是，并假定地应力是静水应力静水应力状状态。态。h水平应力；水平应力； v垂直应力；垂直应力；上覆岩层重量；上覆岩层重量；H深度深度 Hvh 19261926年，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

6、等于上覆岩层的重量，而点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力侧向应力( (水平应力）是泊松效应水平应力）是泊松效应的结果的结果，应乘以一个修正系数，应乘以一个修正系数。即。即HvHvh1其中，其中，为侧压系数为侧压系数1上覆岩层泊松比上覆岩层泊松比垂直应力为主，垂直应力为主，侧压系数侧压系数17 在在20世纪世纪20年代，我国地质学家年代，我国地质学家李四光李四光指出：指出：“在构造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。分量的重要性远远超过垂直应力分量。” 19581958年，瑞典工程师哈

7、斯特年，瑞典工程师哈斯特(N(NHast) Hast) 在斯堪的纳维亚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力几乎处处是水平或接近水平水平或接近水平的，最大水平主应力一般为的，最大水平主应力一般为垂直应力的垂直应力的1 12 2倍以上倍以上；在某些地表处，测得的最大水平；在某些地表处，测得的最大水平应力高达应力高达7MPa，从根本上动摇了，从根本上动摇了静水压力理论静水压力理论和以和以垂直垂直应力为主应力为主的观点。的观点。 一、一、概述概述地应力的成因地应力的成因8 后来的研究进一步表明：后来的研究进一步

8、表明：重力作用和构造运动重力作用和构造运动是引起地是引起地应力的主要原因，其中尤以应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动水平方向的构造运动对地应力对地应力的形成影响最大。的形成影响最大。 当前的地应力状态主要由当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动最近的一次构造运动所控制，所控制，但也与历史上的构造运动有关。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，造成造，另外，地应

9、力场还受到其他多种因素的影响，造成地地应力状态的复杂性和多变性应力状态的复杂性和多变性，因而，只有通过对某点进行，因而，只有通过对某点进行地应力实测地应力实测才能了解该地的地应力状态。才能了解该地的地应力状态。-地应力测量地应力测量一、一、概述概述地应力的成因地应力的成因9 初始地应力通常包括初始地应力通常包括自重应力自重应力和和构造应力构造应力两种。两种。 据近代地质力学观点，从全球来看，构造据近代地质力学观点，从全球来看，构造应力的总规律以应力的总规律以水平应力水平应力为主。为主。 10一、一、概述概述地应力的成因地应力的成因地应力场主要成分：地应力场主要成分：自重应力场和构造应力场自重应

10、力场和构造应力场(1)(1)大陆板块边界受压引起的应力场大陆板块边界受压引起的应力场 (2)(2)由地心引力引起的应力场由地心引力引起的应力场(3)(3)地幔热对流引起的应力场地幔热对流引起的应力场(4)(4)岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入引起的应力场( (局部应力场局部应力场) )(5)(5)地温梯度引起的应力场地温梯度引起的应力场(6)(6)地表剥蚀产生的应力场地表剥蚀产生的应力场印度洋板块印度洋板块太平洋板块太平洋板块11一、一、概述概述地应力的成因地应力的成因(1)自重应力自重应力场场: 地壳上部各种岩体由于受地应力作用而引起的应力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、

11、普遍存在，可以计量竖直方向、普遍存在，可以计量(与深度成线性关系与深度成线性关系) 在在252700m范围内：范围内： z= H (H/m，平均容重，平均容重 27kN/m3)垂直应力：平均容重，KN/m3侧压力：H总深度（m）侧压力系数HzHAHAZZyX假定条件：均匀连续且各向同性边界条件；半无限体12一、一、概述概述地应力的成因地应力的成因zx1由推出1得：岩体由多层岩体由多层不同性质不同性质岩层组成时岩层组成时(图4-3)第j层应力：jiiijzh1原始垂直应力和水平应力：01zyxyxEjzjjyjxjj1jxy11 1nnnzi inzi iiinhh13一、一、概述概述地应力的成

12、因地应力的成因(2) 构造应力场构造应力场(由岩石圈板块的相对位移引起的应力由岩石圈板块的相对位移引起的应力) 1) 成因（有增有减）：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；地球公转和自转引起大陆板块东西和南北向挤压； 2) 特点：特点：目前世界上测定地应力最深的测点已达目前世界上测定地应力最深的测点已达5000m，但，但多数测点的深度在多数测点的深度在1000m左右。很不均匀左右。很不均匀 有的点有的点最大主应力在水平方向最大主应力在水平方向，且垂直应力，且垂直应力 有的点有的点垂直应力就是最大主应力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有

13、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构造应力以水平应力为主14二、地应力场的分布规律二、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，且是地应力是一个相对稳定性的非稳定应力场，且是时间时间和空间的函数和空间的函数。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

14、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。15二、地应力场的分布规律二、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实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量0.027vHE. Hoek和和E.T. Brown总结出的实测垂直总结出的实测垂直应力随深度应力随深度H变化的规律。变化的规律。在深度为在深度为252700m范围内，实测垂直应范围内，实测垂直应力呈线性增长。力呈线性增长。在在埋深小于埋深小于1000m时，测量值与预测值可时，测量值与预测值可能能差别很大差别很大，有的甚至相差达到，有的甚至相差达到5倍，因倍，因此这个方程可以很好地估算出所有应力

15、测此这个方程可以很好地估算出所有应力测量值的量值的均值均值，但绝对不能用它来得到任一，但绝对不能用它来得到任一特定位置处的准确值，因此最好是特定位置处的准确值，因此最好是测量而测量而不是估算不是估算来确定来确定垂直应力分量。垂直应力分量。偏差产生原因：偏差产生原因：测量误差、板块移动、岩浆对流测量误差、板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等和侵入、扩容、不均匀膨胀等vH16二、地应力场的分布规律二、地应力场的分布规律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实测资料表明，几乎所有地区均有实测资料表明，几乎所有地区均有两个主应力位于水平两个主应力位于水平或接近水平的平面内或接近水平

16、的平面内，其与水平面的夹角一般不大于，其与水平面的夹角一般不大于30度，度，最大水平主应力普遍大于垂直应力最大水平主应力普遍大于垂直应力，两者之比一般，两者之比一般为为0.55.5，在很大情况下都大于，在很大情况下都大于2。总结目前全世界地应力实测结果，得出总结目前全世界地应力实测结果，得出h,max/v之值一之值一般为般为0.55.0，大多数为，大多数为0.81.5。这说明。这说明，垂直应力在多，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，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。极个别情况下为最大主应力。17二、地应力场的分布规律二、地应力场

17、的分布规律4平均水平应力平均水平应力与与垂直应力垂直应力的比值随深度的比值随深度增加而减小增加而减小10015000.30.5KHHE. Hoek和和E.T. Brown研究研究了世界各地了世界各地116个个现场地应现场地应力测量资料，平均水平应力测量资料，平均水平应力与力与垂直应力的比值垂直应力的比值K，18二、地应力场的分布规律二、地应力场的分布规律5最大水平主应力最大水平主应力与与最小水平主应力最小水平主应力随深度呈线性增长关随深度呈线性增长关系系0.027vH,max6.7 0.0444hH,min0.8 0.0329hH6最大水平主应力最大水平主应力与与最小水平主应力最小水平主应力之

18、值一般相差较大，之值一般相差较大，显示出很强的方向性显示出很强的方向性0.20.8,0.40.8多数情况下为19二、地应力场的分布规律二、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、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，岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是特别是地形和断层的扰动影响地形和断层的扰动影响最大最大最大主应力在谷底或河床中最大主应力在谷底或河床中心近于水平，而在两岸岸坡心近于水平，而在两岸岸坡则向谷底或河床倾斜，并大则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面平行。致与坡面平行。三

19、、地应力测量方法三、地应力测量方法工程建设中，对工程岩体地应力的掌握，工程建设中，对工程岩体地应力的掌握，最可靠的方法就最可靠的方法就是进行原位地应力测量是进行原位地应力测量。这是因为尽管地应力有各种假说。这是因为尽管地应力有各种假说和理论对地壳的受力和理论对地壳的受力有一定规律性认识有一定规律性认识，但工程岩体由于，但工程岩体由于各种局部地质特征及其它因素的影响，对岩体地应力大小、各种局部地质特征及其它因素的影响，对岩体地应力大小、方向和分布规律，只有通过现场量测手段才能获得工程建方向和分布规律，只有通过现场量测手段才能获得工程建设所需要的可靠资料。设所需要的可靠资料。地应力测量的目的：地应

20、力测量的目的：了解岩体中存在的了解岩体中存在的应力大小和方向应力大小和方向，从而为分析岩体工程，从而为分析岩体工程的的受力状态以及支护受力状态以及支护及岩体加固提供依据，同时还为预报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岩体失稳破坏及预测岩爆发生提供依据。发生提供依据。21三、地应力测量方法三、地应力测量方法岩体应力测量可以分为(据测量对象不同) ：岩体初始应力测量测定岩体初始地应力场地下工程应力分布测量测定岩体开挖后引起应力重分布原位地应力测量就是原位地应力测量就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域确定存在于拟开挖岩体及其周围区域未受扰动的未受扰动的三维应力状态三维应力状态。,

21、xyzxyyzzx z22三、地应力测量方法三、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由测量仪器直接测量和记录各种应力量应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些由这些应力量应力量和和原岩应力原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。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

22、有关的间接物理量与应力有关的间接物理量的变化，然后通过已知的的变化，然后通过已知的换算公式计算岩体中的应力值换算公式计算岩体中的应力值。因此，在计算应力时，。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。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)23三、地应力测量方法三、地应力测量方法a) 水压致裂法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

23、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；高压钢管；6高压胶管；高压胶管；7压力表；压力表；8泵；泵；9封隔器；封隔器；10压裂段压裂段1记录仪；记录仪；2高压泵；高压泵；3流量计；流量计；4压力计压力计24三、地应力测量方法三、地应力测量方法a) 水压致裂法水压致裂法2cos221210r由弹性力学可知：由弹性力学可知：无限体中的

24、一个圆形钻孔受到无穷无限体中的一个圆形钻孔受到无穷远处二维应力场远处二维应力场( (1 1最大水平应力最大水平应力， 2 2最小水平应最小水平应力力) ) ，其钻孔周边的切向应力，其钻孔周边的切向应力和径向应力和径向应力r r为：为：周边一点与1轴的夹角当当0 0时，时， 取得极小值，取得极小值， 3 3 2 2 1 1当水压达到当水压达到tiSP123孔壁发生初始开裂孔壁发生初始开裂当继续注水使裂隙深度扩展至当继续注水使裂隙深度扩展至3 3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态停止加压，保持压力恒定，记此时压力为停止加压，保持压力恒定，记此时压力为P Ps

25、s2sP无限体圆形钻孔平面应变受力状态几点假定21325三、地应力测量方法三、地应力测量方法a) 水压致裂法水压致裂法假设钻孔中存在压力假设钻孔中存在压力P0的裂隙水时，则初始开裂压力的裂隙水时，则初始开裂压力Pi0123PSPti在初始裂隙产生后，将水压卸除，使，然后重新注水加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开的压力为 Pr0123PPr2sP2sP不需要测试封不需要测试封隔段岩石的抗隔段岩石的抗拉强度拉强度26三、地应力测量方法三、地应力测量方法a) 水压致裂法水压致裂法测量步骤：测量步骤：(1) 密封：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，封隔形成通过钻杆将两个可膨胀橡胶

26、封隔器放置到钻孔选定测试段，封隔形成承压段空间。承压段空间。(2) 注水加压：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。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。(3) 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Pb，由于孔壁岩石破裂，压力达Pb后随即急剧下降(4) 关泵：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。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

27、最小主应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水压致裂法水压致裂法地应力测试地应力测试过程示意图过程示意图假设钻孔中假设钻孔中存在压力存在压力P0的裂隙水的裂隙水0123PSPtb2sP27三、地应力测量方法三、地应力测量方法a) 水压致裂法水压致裂法测量步骤：测量步骤：(5) 卸压：卸压：打开压力阀，使裂隙完全闭合，泵压记录降为初始压力打开压力阀，使裂隙完全闭合，泵压记录降为初始压力P0；(6) 重张：重张：按按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

28、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；石破裂和裂隙延伸的过程；(7) 解封：解封：压裂完毕后，使封隔器收缩恢复原状，即封隔器解封；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：裂隙方位记录：采用定向采用定向印模器，通过扩张印模器简外层的生橡胶和自动定向罗盘记录裂隙的长度和方位。假设钻孔中假设钻孔中存在压力存在压力P0的裂隙水的裂隙水0123PPr2sP水压致裂法水压致裂法地应力测试地应力测试过程示意图过程示意图28三、地应力测量方法三、地应力测量方法a) 水压致裂法水压致裂法的优点的优点(1)设备简单：设备简单：用普通钻探方法打钻

29、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：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：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：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：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因此，这一

30、方法越来越受到重视和推广。29三、地应力测量方法三、地应力测量方法a) 水压致裂法水压致裂法的缺点的缺点(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。30三、地应力测量方法三、地应力测量方法b) 应力恢复法应力恢复法Tincelin于1952年在法国用来直接测定岩体应力大小的方法。(1) 适用范围适用范围(2)基本原理基本原理1(3)测试步骤：测试步骤：31三、地应力测量方法三、地应力测量方法b) 应力恢复法应力恢复法测试步骤测试步骤1

31、) 选定试验点，在预开解除槽（宽B, 深B2 )的中垂线上安装测量元件（B3 ）。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。32三、地应力测量方法三、地应力测量方法b) 应力恢复法应力恢复法应变计的初始读数应力恢复法简单示意图应力恢复法简单示意图33三、地应力测量方法三、地应力

32、测量方法b) 应力恢复法应力恢复法应力恢复法应力恢复法 优点：优点：采用该方法可以采用该方法可以不用岩体中的应力应变关系不用岩体中的应力应变关系，而直接得出岩体的应力。而直接得出岩体的应力。 存在缺点：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壁上存在剪应力，很显然这种剪应力的作用在应力恢复，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。过程中没有考虑进去，这会导致一定误差。 (2)应力恢复时，应力恢复时，岩体应力应变关系与应力解除前并岩体应力应变关系与应力解除前并不完全相同不完全相同，这也会影响

33、量测的精度。，这也会影响量测的精度。 34三、地应力测量方法三、地应力测量方法c) 应力解除法应力解除法基本原理基本原理： 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。岩体应力测量中岩体应力测量中应用较广的方法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流程要点要点35三、地应力测量方法三、地应力测量方法c) 应力解除法应力解除法( (一）孔底应力解除法一）孔底应力解除法按按测试深度测试深度分：表面、浅

34、孔和深孔应力解除法；分：表面、浅孔和深孔应力解除法；按按测试部位测试部位分：分：孔底应力解除法孔底应力解除法(孔底应变测试孔底应变测试)套孔应力解除法套孔应力解除法(孔径变形测试孔径变形测试和和孔壁应变测试孔壁应变测试等等)向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔，在孔底向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔，在孔底中心处粘贴中心处粘贴应变传感器应变传感器；套孔钻出岩芯，使孔；套孔钻出岩芯，使孔底平面完全卸载，底平面完全卸载，应变传感器应变传感器测得孔底平面中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；计算孔底中心处的算孔底中心处的平面应力状态平面应力状态。3

35、6三、地应力测量方法三、地应力测量方法c) 应力解除法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。孔底应力解除法孔底应力解除法(需要需要3个钻孔个钻孔)一个平面有一个平面有3个个独立的应力分量独立的应力分量共面三钻孔法共面三钻孔法37三、地应力测量方法三、地应力测量方法c) 应力解除法应力解除法(1)测量原理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，

36、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。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。P111发展时间最长，技术比较成熟；在适发展时间最长，技术比较成熟；在适用性和可靠性方面，目前还没哪种方用性和可靠性方面，目前还没哪种方法可以和法可以和应力解除法相比。应力解除法相比。(2)测量步骤如下：测量步骤如下：套孔应力解除法套孔应力解除法(孔径变形测试孔径变形测试和和孔壁应变测试孔壁应变测试)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38三、地应力测量方法三、地应力测量方法c) 应力解除法应力解除法1）打大孔：从岩体表面打大孔至测量部

37、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；(D35d)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。39 巷道影响圈应力解除孔D=(3-5)dd=28-46mm探头（3）（2）测量孔一次解除长度= 超过探头位置 (3-5)d测量孔卸载孔槽宽弹性恢复位移岩芯（1）2a (3-5)a（4）40 41三、地应力测量方法三、地应力测量方法c) 应力解除法

38、应力解除法孔径变形测试法共面三钻孔法共面三钻孔法孔径变化的测量孔径变化的测量由美国矿务局首创，后来武汉岩土所由美国矿务局首创，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。取得完整岩芯的岩体中进行。,xyzxyyzzx 42三、地应力测量方法三、地应力测量方法c) 应力解除法应力解除法只需在只需在一个钻孔一个钻孔中通过对洞壁应变的量测，中通过对洞壁应变的量测，就可完全确定岩体的六个空间应力分量就可完全确定岩体的六个空间应力分量孔壁应变测试法孔壁应变测试法43三、地应力测量方法三、地应力测量方法c) 应力解除法应力解除法 因为该方法要求取

39、出因为该方法要求取出足够长的完整岩芯足够长的完整岩芯，一方面是保，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。论才是适用的；另一方面要用它测定岩石的弹性模量。 该方法要求在取得该方法要求在取得完整岩芯完整岩芯的岩体中进行，一般至少的岩体中进行，一般至少要能取出达到大孔直径要能取出达到大孔直径2 2倍长度的岩芯，因此在破碎和弱倍长度的岩芯，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面多的岩体中，或在极高的原岩应力区岩芯发生“饼状饼状”断裂的情况下不宜使用。断裂的情况下不宜使

40、用。应力解除法的适用范围：应力解除法的适用范围：44三、地应力测量方法三、地应力测量方法c) 声发射法声发射法（1 1）测试原理）测试原理 材料在受到外荷载作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性材料在受到外荷载作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，从而发出声响，称为波，从而发出声响，称为声发射声发射。19501950年，德国人凯泽年，德国人凯泽(J(JKaiser)Kaiser)发现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当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射后，则大量产生声发射，这一现象叫做，这一现象叫做凯泽效应凯泽效应。从很少产生