第六章-地应力

岩石力学第四章：岩体地应力及其测量方法Rockmassstressanditsmeasurement4.1概述岩体介质有别于其他任何介质的主要特征在于，岩体内部应力和自重及地质构造运动有着密不可分的联系。受其影响导致岩体内部初始应力场分布相当复杂。在工程荷载作用下，岩体内部应力重新分布导致工程产生变形和破坏，所以了解初始应力场在岩体内分布情况就显得非常重要。4.1概述4.1.1地应力基本概念地应力（天然应力、初始应力等，virginalstress

）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。重分布应力（二次应力、诱导应力等，inducedstress）由于工程活动改变了的岩体中的应力。

4.1概述4.1.2地应力的成因、组成影响因素①地应力成因地应力产生的原因十分复杂，至今尚不十分清楚大陆板块边界受压引起的应力场；地幔热对流引起的应力场；由地心引力引起的应力场；岩浆侵入引起的应力场；地温梯度引起的应力场；地表剥蚀产生的应力场。

4.1概述4.1.2地应力的成因、组成影响因素

1915年，德国地球物理学家魏格纳提出了大陆漂移学说。到20世纪六十年代，板块构造学说问世。认为连续的地震活动带把岩石圈分裂分割成若干个大小不同的板块在软流圈上漂移。实际上，不仅大陆板块在漂移，大洋板块也在漂移。科学家们在古气候、古生物、古地磁和深海钻探等方面都找到了大陆飘移的证据。4.1概述4.1.2地应力的成因、组成影响因素板块运动的驱动力地幔对流

4.1概述4.1.2地应力的成因、组成影响因素

4.1概述4.1概述4.1.2地应力的成因、组成影响因素

地应力分布理论

海姆（A.Heim)静水应力假设（1878，瑞士）：地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即

金尼克弹性力学假设（1926年，苏联）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。

4.1概述4.1.2地应力的成因、组成影响因素地应力是静水压力？地应力以垂直应力为主？

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。当前的应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。4.1概述4.1.2地应力的成因、组成影响因素②自重应力和构造应力

(1)岩体的自重应力gravitationalstress

自重应力：地壳上部各种岩体由于受地心引力的作用而引起的应力，是由岩体的自重引起的。岩体自重作用不仅产生垂直应力，而且由于岩体的泊松效应和流变效应也会产生水平应力。研究岩体的自重应力时，一般把岩体视为均匀、连续且各向同性的弹性体，因而，可以引用连续介质力学原理来探讨岩体的自重应力问题。4.1概述4.1.2地应力的成因、组成影响因素②自重应力和构造应力

(1)岩体的自重应力gravitationalstress

地下某深度处的岩体重力为：

若将此处岩体视作均匀弹性体，考虑广义胡克定律：4.1概述4.1.2地应力的成因、组成影响因素当岩体由多层不同密度的岩层组成时，其中的自重应力可用如下公式计算：4.1概述4.1.2地应力的成因、组成影响因素②自重应力和构造应力

(2)构造应力techtonicstress

岩石圈运动在岩体内形成的应力称为构造应力。构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。构造应力又可称为活动构造应力和剩余构造应力。

活动构造应力（activetectonicstress

），即狭义的地应力，是地壳内现在正在积累的能够导致岩石变形和破裂的应力。

剩余的构造应力（residualtectonicstress

）是古构造运动残留下来的应力。近代地质力学的观点认为，在全球范围内构造应力的总规律是以水平应力为主。我国地质学家李四光认为，因地球自转角度的变化而产生地壳水平方向的运动是造成构造应力是水平应力为主的重要原因。4.2地应力场的分布规律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。5.最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。

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。4.2地应力场的分布规律中国大陆板块受到外部印度板块每年以5厘米速度和太平洋板块每年以数厘米速度的推挤，同时受到西伯利亚板块和菲律滨板块的约束。板块变形，形成主应力迹线，印、太板块的移动促成了中国山脉的形成，控制了地震的分布。

中国大陆板块边界所受的外力分布4.2地应力场的分布规律4.2地应力场的分布规律4.2地应力场的分布规律我国可分为三类基本反映构造应力场状态的地区：强烈构造应力区：包括台湾、西藏、新疆、甘肃、青海、云南、宁夏、四川西部等；中等构造应力区：包括河北、山西、陕西关中地区、山东、辽宁南部、吉林延吉地区、安徽中部、福建、广东沿海地区及广西等；弱构造应力区：包括江苏、浙江、湖南、湖北、河南、贵州、四川东部、黑龙江、吉林及内蒙的大部分。

同一类地区，其构造应力仍是不均匀分布，与小的地质构造运动（地壳变形）有关，有的地段强、有的地段弱。4.2地应力场的分布规律以东经100～1050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。4.2地应力场的分布规律垂直应力随深度的变化规律

随深度线性增加平均密度约为27kN/m34.2地应力场的分布规律平均水平应力随深度而增加

4.2地应力场的分布规律我国水平应力与垂直应力实测资料

4.2地应力场的分布规律平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小

4.3高应力区特征

研究高地应力问题的必要性：

研究高地应力本身就是岩石力学的基本任务。岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地应力大小的变化而变化。随着采矿深度的增加，我国中西部的开发，尤其是水电工程建设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题提出了新课题。4.3高应力区特征4.3.1高应力区判别准则和高地应力现象

①高应力判别准则目前国际国内无统一的标准。国内一般岩体工程以初始地应力在20-30MPa为高地应力(大于800米深)。不同岩石弹性模量不同，岩石的储能性能不同，地应力也不同，高地应力是相对于围岩强度而言的。高应力为一相对概念，埋深大不一定存在高应力问题，埋深小可能存在高应力问题。当围岩内部最大应力与围岩强度比值达到一定水平时，才能称为高应力，即：

极高地应力高地应力一般地应力法国隧道协会<22-4>4我国工程岩体分级<44-7>7日本新奥法指南>24-6>6日本仲野分级<22-4>44.3高应力区特征4.3.1高应力区判别准则和高地应力现象

①高应力判别准则高初始地应力岩体在开挖中出现的主要现象

应力情况主要现象强度比极高应力硬质岩：开挖过程有岩爆产生，有岩块弹出，硐室发生剥离，新生裂缝多，成洞性差，基坑开挖有剥离现象，成型性差。软质岩：岩芯有饼化现象，开挖工程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长。不易成洞，基坑发生显著隆起或剥离，不易成形。<4高应力硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂纹增多，成洞性较差，基坑时有剥离现象，成形性一般尚可。软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖工程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差。基坑时有隆起现象，成形性较差。4-74.3高应力区特征4.3.1高应力区判别准则和高地应力现象

②高地应力现象岩芯饼化现象：是一种岩体力学现象，高地应力区所特有的钻进过程中岩芯裂成饼状的现象。中等强度以下岩体在高应力作用下会产生饼化现象，钻孔会产生缩径。岩爆：坚硬完整岩体在强地应力作用下产生的能量突然以岩块崩塌的形式释放的事件。洞壁剥离：中等强度的岩体中开挖隧道，洞壁出现层层脱离的现象。基坑底部隆起：岩体开挖卸荷，出露岩石短期回弹。原位参数增高：岩体中高应力的存在，使得岩体波速、弹性模量增高。4.3高应力区特征4.3.2岩爆及其防治措施

岩爆：围岩处于高应力场条件下所产生的岩片（块）飞射抛撒，以及洞壁片状剥落等现象。它是岩石被挤压到弹性限度，岩体内积聚的能量突然释放所造成的一种岩石破坏现象。4.3高应力区特征4.3.2岩爆及其防治措施

岩爆产生的条件：地下工程开挖，洞室空间的形成是诱发岩爆的几何条件；围岩应力重分布和集中导致围岩积累大量弹性变形能，这是诱发岩爆的动力条件；岩体承受极限应力产生初始破裂后的剩余弹性变形能的集中释放量决定岩爆的弹射程度；岩爆通过何种方式出现，这取决于围岩的岩性、岩体结构特征、弹性变形能的积累和释放时间长短。4.3高应力区特征4.3.2岩爆及其防治措施

岩爆渐进破坏过程示意图

A、劈裂；B、剪断；C、弹射

4.3高应力区特征4.3.2岩爆及其防治措施岩爆发生机理岩爆规模划分4.3高应力区特征4.3.2岩爆及其防治措施

岩爆一般具有如下特征：爆裂声有强有弱；弹射基本上是弱弹射到无弹射；爆落岩石有体积较大的岩块和小体积的贝壳状岩片；爆落形成的爆坑有直角、阶梯形和窝型；岩爆发生的部位有一次性的也有重复性的；从岩爆声响到岩石爆落的时间间隔方面可分为速爆型和滞后型；从岩爆坑沿洞轴方向连续分布情况看有连续型、断续型和零星型。（a）直角形；（b）阶梯型；（c）窝状形；4.3高应力区特征4.3.2岩爆及其防治措施

岩爆产生的条件：地下工程开挖，硐室空间的形成为岩爆产生的几何条件；围岩应力重分布和集中导致大量弹性变形能产生、积累。岩体承受极限应力产生初始破裂后剩余弹性变形能的集中释放量，决定岩爆的弹射程度。岩爆出现方式取决于围岩岩性、岩体结构和弹性变形能的积累和释放时间。4.3高应力区特征4.3.2岩爆及其防治措施

岩爆发生的判据：我国工程岩体采取以下的判据：当时，无岩爆；当时，可能发生轻微岩爆或中等岩爆；当时，可能发生严重岩爆。4.3高应力区特征4.3.2岩爆及其防治措施

岩爆的防治：围岩加固：对已开挖硐室周边进行加固或在掌子面前方实行超前加固。改善应力条件：选择合理路线；设计合理断面；进行合理施工；应力解除。改善围岩性质：通过注水改善煤岩动力性质。施工安全：岩爆发生时间多在爆破施工后1h内比较激烈。4.4地应力测量方法4.4.1地应力测量基本原理岩体应力测量的目的:了解岩体中存在的应力大小和方向（工程稳定性分析的原始参数）为开挖方案与支护设计提供依据预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具4.4地应力测量方法4.4.1地应力测量基本原理地应力的种类岩体中的应力可分为原始应力和二次应力。岩体中一点的三维应力状态可以用来表示，坐标系可根据实际需要任意选择。地应力测量方法直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，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。其中，水压致裂法目前应用最为广泛，声发射法次之。

间接测量法中，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。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是间接法中较常用的，其中套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的发展较为成熟的一种地应力测量方法。

4.4地应力测量方法4.4.1地应力测量基本原理测量过程建立坐标→进行测量→得到测量点→借助数值分析和数理统计进行地应力场分布模拟4.4地应力测量方法4.4.2水压致裂法hydraulicfracturingmethod

①测量原理

水压致裂在上世纪50年代被用来提高石油产量，哈伯特和威利斯在试验中发现了水压裂隙和原岩应力的关系，菲尔赫斯特和海姆森将之应用于地应力测量。从弹性理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场（、）的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。

4.4地应力测量方法4.4.2水压致裂法hydraulicfracturingmethod

①测量原理

4.4地应力测量方法4.4.2水压致裂法hydraulicfracturingmethod

①测量原理根据弹性力学原理：在外应力和内部水压力共同作用下，钻孔周围的应力分布关系为：

作用在钻孔壁上的拉应力最大，此时：4.4地应力测量方法4.4.2水压致裂法hydraulicfracturingmethod

①测量原理

引起钻孔壁发生破裂的力为钻孔壁上的切向应力！切向应力最大处？切向应力最大值？

可通过两种途径分析最大切向应力方向!4.4地应力测量方法4.4.2水压致裂法hydraulicfracturingmethod

①测量原理当大主应力方向上的切应力达到超过岩石的抗拉强度时，钻孔周围岩石会被拉裂：

即：

此时角度为0°或180°，上式可转化为：4.4地应力测量方法4.4.2水压致裂法hydraulicfracturingmethod

①测量原理4.4地应力测量方法4.4.2水压致裂法

4.4地应力测量方法4.4.2水压致裂法（测量步骤）

4.4地应力测量方法4.4.2水压致裂法（测量步骤）

4.4地应力测量方法4.4.2水压致裂法（测量步骤）

4.4地应力测量方法4.4.2水压致裂法hydraulicfracturingmethod

②水压致裂法特点

设备简单：仅需普通钻机及液压止水设备即可；

操作方便：通过液压泵向钻孔内部注水，观察压裂过程；

测值直观：根据压裂时泵压等计算地应力值，直观；

测值代表性大：受试范围较大，代表性好；

适应性强：无需电子原件，有、无水条件下均可作业。

缺陷：无法准确定位最大主应力方向。4.4地应力测量方法4.4.3应力解除法stress-reliefmethod

①基本原理人为将受试岩体处的岩块与周围岩体分离，此处应力得到释放产生变形，运用仪器测得该变形，借助弹性力学相关知识计算实际作用于岩体上的应力大小。

按照测试深度：表面应力解除、浅孔应力解除以及深孔应力解除；

按照测试变形的不同：孔径变形测试、孔壁变形测试和孔底应力解除。4.4地应力测量方法4.4.3应力解除法stress-reliefmethod②钻孔孔底应力解除（浅孔）向测点钻进一个平底钻孔，孔底粘贴应变传感器，通过钻出岩芯使得孔底完全卸荷，测得孔底平面变形，根据岩石参数可求得孔底的平面应力状态。（深孔）应力状态为三向，一个钻孔不能达到测量要求！4.4地应力测量方法4.4.3应力解除法stress-reliefmethod

③钻孔套孔应力解除法采用大钻进行至测点位置，换小钻钻进一定深度，将测试原件（可以是孔径变形计或钻孔应变计）放入小孔，再次换大钻对小钻部位进行应力解除，测量小孔变形情况，得到原岩应力分布。4.4地应力测量方法4.4.4应力恢复法stress-recoverymethod

应力恢复法主要用来测定硐室围岩二次应力分布后的应力大小，仅在岩体表面应力测量中应用。

①基本原理在已知洞壁压力方向的情况下，在洞壁切槽可实现槽方向的应力释放，根据穆斯海里什维里的理论在中轴线OA上的应力状态为：4.4地应力测量方法4.4.4