地应力及其测量

原岩应力基础知识1概述地应力场的分布规律地应力测量方法本章内容2一、概述次生应力或诱发应力受工程扰动之后的天然应力状态,J.Hudson:由于受井巷开挖、矿产资源开采等工程影响,原岩应力平衡状态被破坏后的应力.这一转换过程称为应力重分布.

原岩：

未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体.原岩应力亦称初始应力或地应力：

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.3地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析,实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件.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.一、概述－研究地应力的重要性1工程稳定性分析的原始参数.2确定开挖方案与支护设计的必要参数.4一、概述－地应力的成因1912年瑞士地质学家海姆A.Heim在大型越岭隧道施工过程中,通过观测和分析,首次提出了地应力概念,并假定地应力是静水应力状态.σh－水平应力；σv－垂直应力；γ－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假设,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λ.即其中,λ为侧压系数υ－上覆岩层泊松比垂直应力为主,侧压系数＜15

在20世纪20年代,我国地质学家四光指出：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N．Hast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1—2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.一、概述－地应力的成因6后来的研究进一步表明：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.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、牵引和改造,另外,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.----地应力测量一、概述－地应力的成因7一、概述－地应力的成因地应力场主要成分：自重应力场和构造应力场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局部应力场5地温梯度引起的应力场6地表剥蚀产生的应力场印度洋板块太平洋板块8一、概述－地应力的成因1自重应力场:

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、普遍存在,可以计量与深度成线性关系

在25~2700m范围内：

z=

HH/m,平均容重≈27kN/m3垂直应力：—平均容重,KN/m3侧压力：H—总深度m—侧压力系数假定条件：均匀连续且各向同性边界条件；半无限体9一、概述－地应力的成因由推出得：岩体由多层不同性质岩层组成时图4-3第j层应力：原始垂直应力和水平应力：10一、概述－地应力的成因2构造应力由岩石圈板块的相对位移引起的应力场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：目前世界上测定地应力最深的测点已达5000m,但多数测点的深度在1000m左右.很不均匀有的点最大主应力在水平方向,且＞垂直应力有的点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

构造应力以水平应力为主11二、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,且是时间和空间的函数.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.12二、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E.Hoek和E.T.Brown总结出的实测垂直应力随深度H变化的规律.在深度为25~2700m范围内,实测垂直应力呈线性增长.在埋深小于1000m时,测量值与预测值可能差别很大,有的甚至相差达到5倍,因此这个方程可以很好地估算出所有应力测量值的均值,但绝对不能用它来得到任一特定位置处的准确值,因此最好是测量而不是估算来确定垂直应力分量.偏差产生原因：测量误差、板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等13二、地应力场的分布规律3－水平应力普遍大于垂直应力实测资料表明,几乎所有地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内,其与水平面的夹角一般不大于30度,最大水平主应力普遍垂直应力,两者之比一般为0.5~5.5,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σh,max/σv之值一般为0.5~5.0,大多数为0.8~1.5.这说明,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,极个别情况下为最大主应力.14二、地应力场的分布规律4－平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小E.Hoek和E.T.Brown研究了世界各地116个现场地应力测量资料,平均水平应力与垂直应力的比值K,15二、地应力场的分布规律5－最大水平主应力与最小水平主应力也随深度呈线性增长关系6－最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大,显示出很强的方向性16二、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、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最大主应力在谷底或河床中心近于水平,而在两岸岸坡则向谷底或河床倾斜,并大致与坡面平行.17三、地应力测量方法工程建设中,对工程岩体地应力的掌握,最可靠的方法就是进行原位地应力测量.尽管地应力有各种假说和理论对地壳的受力有一定规律性认识,但工程岩体都会受到各种局部地质特征及其它因素的影响.地应力测量的目的：了解岩体中存在的应力大小和方向,从而为分析岩体工程的受力状态以及支护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发生提供依据.18三、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－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19三、地应力测量方法－a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MKHubbert等发现了水压致裂裂隙和原岩应力之间的关系,这一发现又被BCHaimson用于地应力测量测量方法：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；6－高压胶管；7－压力表；8－泵；9－封隔器；10－压裂段1－记录仪；2－高压泵；3－流量计；4－压力计20三、地应力测量方法－a水压致裂法由弹性力学可知：无限体中的一个圆形钻孔受到无穷远处二维应力场σ1最大水平应力,σ2最小水平应力,其钻孔周边的切向应力σθ和径向应力σr为：周边一点与σ1轴的夹角当θ＝0°时,σθ取得极小值,σθ＝3σ2－σ1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几点假定21三、地应力测量方法－a水压致裂法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,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不需要测试封隔段岩石的抗拉强度22三、地应力测量方法－a水压致裂法测量步骤：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,封隔形成承压段空间.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.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Pi,由于孔壁岩石破裂,压力达Pi后随即急剧下降关泵：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.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Ps水压致裂法地应力测试过程示意图假设钻孔中存在压力P0的裂隙水23三、地应力测量方法－a水压致裂法测量步骤：5卸压：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：按2~5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；7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：采用定向印模器,通过扩张印模器外层的生橡胶和自动定向罗盘记录裂隙方位.假设钻孔中存在压力P0的裂隙水水压致裂法地应力测试过程示意图24三、地应力测量方法－a水压致裂法的优点1设备简单：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：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.测量深部岩体应力,测量深度达5000m,德国：9000m25三、地应力测量方法－a水压致裂法的缺点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26三、地应力测量方法－b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：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.2基本原理：在与所测应力σ1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,重新分布.3测试步骤：27三、地应力测量方法－b应力恢复法测试步骤1选定试验点,在预开解除槽宽B,深＞B／2的中垂线上安装测量元件B／3.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.28三、地应力测量方法－b应力恢复法应变计的初始读数应力恢复法简单示意图29三、地应力测量方法－b应力恢复法应力恢复法

优点：采用该方法可以不用岩体中的应力应变关系,而直接得出岩体的应力.存在缺点：1若槽壁不是岩体主应力作用面,则在挖槽前的槽壁上存在剪应力,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.2应力恢复时,岩体应力应变关系与应力解除前并不完全相同,这也会影响量测的精度.

30三、地应力测量方法－c应力解除法基本原理：

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要点31三、地应力测量方法－c应力解除法一孔底应力解除法按测试深度分：表面、浅孔和深孔应力解除法；按测试部位分：孔底应力解除法孔底应变测试套孔应力解除法孔径变形测试和孔壁应变测试等向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔,在孔底中心处粘贴应变传感器；套孔钻出岩芯,使孔底平面完全卸载,应变传感器测得孔底平面中心恢复应变；在室内测得岩石的弹性常数；计算孔底中心处的平面应力状态.32三、地应力测量方法－c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.孔底应力解除法需要3个钻孔一个平面有3个独立的应力分量共面三钻孔法33三、地应力测量方法－c应力解除法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

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套孔应力解除法相比.2测量步骤如下：套孔应力解除法孔径变形测试和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34三、地应力测量方法－c应力解除法1打大孔：从岩体表面打大孔至测量部位,磨平孔底,清洗钻孔；大孔直径一般为130～150mm,大孔深度为巷道跨度的2.5倍以上；D＝3~5d2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36～38mm,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.35三、地应力测量方法－c应力解除法孔径变形测试法共面三钻孔法P1116-7θ孔径变化的测量由美国矿务局首创,后来武汉岩土所研制了同类仪器,这种方法要求在能取得完整岩芯的岩体中进行.36三、地应力测量方法－c应力解除法只需在一个钻孔中通过对洞壁应变量测3组应变花,9个应变片,就可完全确定岩体的六个空间应力分量孔壁应变测试法应变花37三、地应力测量方法－c应力解除法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.应力解除法的适用范围：381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J．Kaiser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