第 6 章 岩体天然应力状态及其测试

1、第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.1概述6.2自重应力场特征6.3地应力研究中的主要成果6.4岩体天然应力场的基本特征6.5地应力测试方法,6.1.1研究地应力场是岩体工程建设的迫切需要岩体与其它材料的显著不同是始终处于天然应力场中,但岩体中各点应力状态、分布规律及大小不同。工程建筑物的失事、破坏都直接与天然应力场有关例如：湖北某水电站基坑由于水平应力作用，坡脚发生80mm的水平位移。甘肃金川镍矿一运输巷道，埋深450m，巷道走向N60W，开挖后，破坏严重，后经地应力测试，有强大水平应力作用，18.0-19.5MPa,方向N30E,与巷道走向正交.,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6

2、.1概述,6.1.2对地应力场的认识过程1878年,瑞士地质学家Heim,提出静水应力假说;1932年,美国胡佛大坝进行地应力测量;1952年,N.Hast在瑞典矿山中测量地应力;1960S-1970S,地应力测试在国外广泛开展;1970S-1980S,苏联水压致裂测量最大深度5.1KM;1990S测试深度10.0KM;中国,1960S,开始测试,64年,钻孔深度80m;1980S-90S,重要的水电工程测试,二滩、龙羊峡、三峡等,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.1概述,6.1.3地应力场成因1）板块运动2）地幔热对流3）地球旋转4）重力5）温度梯度6）岩浆侵入7）水压梯度,第6章岩体

3、天然应力状态及其测试技术,6.1概述,形成:地球引力作用特点:1)垂直与水平应力均为压应力,水平应力由垂直应力诱导产生,无剪应力;2)自重应力场是稳定应力场,不是时间的函数.自重应力场:,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.2自重应力场特征,6.2.1金尼克假说岩体处于弹性状态,侧压系数,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.2自重应力场特征,6.2.2海姆假说1878年瑞士地质学家Heim提出:在岩体深处的原岩垂直应力与其上覆岩层的重量成正比,而水平应力与垂直应力大致相等.即适用条件:深部岩体,(即流变性塑性岩体),第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.2自重应力场特征,6.2.3自

4、重应力场的一般特点1)在线弹性岩体中的自重应力场中,岩体的侧压系数随深度增加而增加,深度小于300m时,水平应力仅为垂直应力的10-20%,在2000M,二者相等.为静水压应力场.2)在粘弹性或粘性岩体中,不论深度如何,侧压系数均为1.自重应力场均为静水应力场.,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.2自重应力场特征,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.2自重应力场特征,重点:自重水平应力与岩性密切相关.金尼克假说对应弹性岩体海姆假说对应粘性与塑性岩体岩体特性与围压密切相关,围压增加,岩体向延性转化.确定自重应力场的方法:确定该地的岩体特性,埋深等,再选择用什么理论.,第6章岩体天然应力

5、状态及其测试技术,6.3地应力研究中的主要成果,1)地应力场以水平应力为主,浅部适用,中国基本适用;2)应力转化的临界深度地区临界深度冰岛200m中国(广东)250-300德国中西部400m日本600m南非与美国1000M,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.3地应力研究中的主要成果,3)主要地区地应力场分布特征美国(a)加州-内华达最大主应力NE35-45(0-500m)(b)中不俄明-新墨西哥最大主应力NE35-45500D3000m,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.3地应力研究中的主要成果,C)中西部d)纽约-宾州D850m,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.3地应力研

6、究中的主要成果,美国的总体规律方向NE向40-450-5000m内,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.3地应力研究中的主要成果,苏联a)波罗地盾max=10050kg/cm2b)乌拉尔地区max=400200kg/cm2c)阿尔泰地区max=700350kg/cm2d)贝加尔地区max=1000500kg/cm2,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.3地应力研究中的主要成果,中国特点:我国主要受印度洋板块与太平洋板块与欧亚板块的相对运动作用,形成了中国的地应力分布特征a)喜马拉雅山前缘潜在的逆断型应力状态分布区EW,垂直于喜马拉雅山脉近东西向;b)中部潜在的走滑型应力状态分布区,NE

7、;c)华北华东地区张剪性走滑型应力状态分布区,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.3地应力研究中的主要成果,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.3地应力研究中的主要成果,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.4岩体天然应力场的基本特征,6.4.1基本特征1)地壳中主应力为压应力,方向基本上是铅直和水平的.2)垂直应力随深度呈线性增长.3)水平应力分布特点a)绝大部分最大水平应力大于垂直应力h/Z=0.5-5.5,大部分在0.9-1.2之间b)第一水平主应力接近水平,它与水平面的夹角小于30度.C)两水平应力不相等,具有明显的方向性.hmax/Hmin=1.4-3.3,第6章岩体天然应

8、力状态及其测试技术,6.4岩体天然应力场的基本特征,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.4岩体天然应力场的基本特征,6.4.1基本特征中国平均水平主应力随深度的变化:平均水平应力与垂直应力的比值K:K=1.5-5.0Z100m;水平应力与垂直应力的比值:Z500m,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.4岩体天然应力场的基本特征,6.4.1基本特征世界各地116个现场地应力测量数据,平均水平应力与垂直应力的比值K为,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.4岩体天然应力场的基本特征,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.4岩体天然应力场的基本特征,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6

9、.4岩体天然应力场的基本特征,6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素a)地质构造的作用地质构造条件是是决定一个地区天然应力特征的最本质的因素,控制该地区的地应力类型、方向、量级与分布特征。但要注意区别古构造与现代构造，以及现代应力场例如：苏联的克里沃罗格煤田最大主应力平行与萨克萨干向斜轴；未经构造变动的沉积地层中，垂直应力大致等于自重应力构造轻微：垂直应力比自重应力大20-30%构造剧烈：垂直应力远高于自重应力。,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.4岩体天然应力场的基本特征,6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素a)地质构造的作用,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.4岩体天然应

10、力场的基本特征,6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素b)岩性的影响岩体中天然应力是能量累积与释放的结果，岩石性质影响天然应力量级的大小。规律：在同一地质体中，弹性模量高，强度大的岩体中，地应力高，而弹性模量低，强度小，则地应力低。例如：武汉岩土所统计：弹性模量相差1.5数量级,应力差1个量级;坚硬白云质岩,E=1.05*105MPa,应力为10-30MPa,粉砂岩1.86*103MPa,应力为1-3MPa,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.4岩体天然应力场的基本特征,6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素1982白世伟统计二滩水电站坝区实测最大主应力与杨氏模量的关系如图,第6章岩体

11、天然应力状态及其测试技术,1994朱焕春,陶振宇统计岩浆岩水平应力随深度变化H=0.0311H+13.65h=0.0131H+8.20,6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,1994朱焕春,陶振宇统计沉积岩水平应力随深度变化H=0.0219H+7.89h=0.0161H+3.83,6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,1994朱焕春,陶振宇统计变质岩水平应力随深度变化H=0.0209H+12.h=0.0132H+8.33,6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,1994朱焕春,

12、陶振宇获得结论:a)岩浆岩中水平应力一般较高,在几百米以内尤其显著,但分散性大,两水平应力的差值也大;b)沉积岩中地应力水平一般较低,在不同深度上表现为最好的线性分布特征,最小水平应力相对较高,两个水平主应力的差值最小;c)变质岩中水平应力大小不论在几百米,乃至千余米都比较分散,在浅层其大小和水平差应力值总体上介于岩浆岩与沉积岩之间.D)岩体地应力与岩石弹性模量呈正相关关系,并且以弹性模量高的岩石更为突出.,6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,C)地形地貌的影响地形地貌使地壳表层岩体天然应力场更加复杂化.地形地貌条件不仅使天然应力量级发生变化,而且也控

13、制方向.在河谷区最大主应力方向有时平行于山坡方向,有时恰与等高线近似一致.这是十分复杂的.,6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.5.1表面应力测试是早期岩体应力测试方法,它是在岩体表面或天然、人工洞室围岩表面，测试岩体应力的大小和方向的方法。分类：应力解除法（完全解除，部分解除）应力恢复法测试仪器：钢铉应变计、电阻片等应力恢复法：应力解除法,6.5地应力测试方法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.5.1表面应力测试,6.5地应力测试方法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.5.2孔内应力测试是较普遍采用的岩体应力测试方法。分类：钻孔变形法

14、钻孔应力法钻孔应变法（孔底应变法、孔壁应变法）（1）钻孔变形法：通过测量应力解除前后钻孔孔径的变化，计算获得岩石应力。采用钻孔变形计。仪器：美国矿务局USBM型中科院武汉岩土所36-2型（图a）（2）钻孔应力法：在测孔内安设刚性钻孔变形计，根据应力解除前后变形计上压力变化来计算岩石应力。仪器：瑞典N。Hast，压磁应力计中国地质力学所YJ-73型压磁应力计,6.5地应力测试方法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.5.2孔内应力测试（3）孔底应变法：通过测量应力解除前后钻孔端部的应变变化而计算应力的。仪器：南非E.R.Leeman“门塞式”(4)孔壁应变法:通过测量应力解除前后钻孔孔壁表面

15、应变变化来计算应力的.仪器:葡萄牙Rocha等中国:长沙矿冶院,地质力学所这是国内外主要的地应力测试仪器.单孔全应变计(三轴应变计)方法,原理,理论,6.5地应力测试方法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,A)钻孔变形法b)钻孔应力法c)孔底应变法d)孔壁应变法,6.5地应力测试方法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.5.2孔内应力测试单孔全应变计(三轴应变计)方法,原理,理论,6.5地应力测试方法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,理论三向应力计算:可求得六个应力分量计算主应力及方向余弦,6.5地应力测试方法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.5.3水压致裂法它是80年代才发

16、展的能测量地壳深部应力的唯一方法,利用橡胶封隔器在已知深度处封隔一段钻孔,然后注入流体,使钻孔增压至破坏,同时记录流体压力随时间的变化,最终获得地应力的方法.测试方法:,6.5地应力测试方法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.5.3水压致裂法,6.5地应力测试方法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.5.3水压致裂法,理论分析,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,孔壁开裂:重张压力T0=P0b-Pb1计算地应力的方法瞬间关闭压力为hmin=Ps1当垂直应力最小时第二次关闭压力为V=Ps2抗拉强度T=P0b-Pb1最大水平主应力hmax=3hmin-Pb1-P0,6.5水压致裂法,第6

17、章岩体天然应力状态及其测试技术,示例:孔深18-20m初次破裂压力Pb0=8.8MPa重张压力Pb1=3.1MPa关闭压力Ps1=2.9MPa渐近关闭压力Ps2=1.7MPahmin=Ps1=2.9MPaT=8.8-3.1=5.7MPahmax=3hmin-Pb1-P0=3*2.9-3.1-0.2=5.4MPa,6.5水压致裂法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.5.3水压致裂法应力方向用印模器的印痕获得,6.5地应力测试方法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.5.4裂缝扩展规律问题:(1)当裂缝扩展远离井壁之后是否仍保持起裂时的原有方向延伸;(2)裂缝扩展过程中,遇到地层岩性发生变化,例如岩层交界面,断裂面,裂隙等会不会终止扩展或改变延伸方向.A)裂缝的扩展方向裂缝在岩体中传播,始终沿最小阻抗的路径扩展.一般:垂直于最小主应力方向.B)裂缝失稳扩展所需要的能量.,6.5地应力测试方法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,垂直裂缝半径为R的圆盘型水平裂缝垂直裂缝水平裂缝,6.5地应力测试方法,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.5.4裂缝扩展规律B)岩性变化对裂缝扩展的影响软弱界面能阻止裂缝扩展联结强的界面容易穿透,6.5地应力测试方法,E小,E大,小到大难,大到小易,第6章岩体天然应力状态及其测试技术,6.5.5地应