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1、第四章第四章 地应力及其测量地应力及其测量本章内容：本章内容： 4-1 4-1 基本概念基本概念 4-2 4-2 岩体自重应力岩体自重应力 4-3 4-3 岩体构造应力岩体构造应力 4-4 4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 4-5 4-5 岩体初始应力分布状态岩体初始应力分布状态 授课学时：授课学时：4 4学时学时本章的重点难点：本章的重点难点： 1 1、岩体初始应力场的构成；、岩体初始应力场的构成； 2 2、重力应力场和构造应力场的特点；、重力应力场和构造应力场的特点； 3 3、原岩应力场的分布状态；、原岩应力场的分布状态； 4 4、应力解除法的基本原理、应力解除法的基本原理关键
2、术语：关键术语：原岩、原岩应力、自重应力、构造应力、应力原岩、原岩应力、自重应力、构造应力、应力 解除解除基本要求：基本要求： 1 1、掌握本课程重点难点内容；、掌握本课程重点难点内容； 2 2、了解原岩应力分布状态；、了解原岩应力分布状态； 3 3、了解影响原岩应力分布的因素；、了解影响原岩应力分布的因素； 4 4、熟悉几种应力解除测试原岩应力的方法和步骤、熟悉几种应力解除测试原岩应力的方法和步骤4 4- -1 1 基本概念基本概念 大地岩体是预应力体大地岩体是预应力体 地应力产生的原因：地应力产生的原因： 地心引力地心引力引起的应力场引起的应力场 大陆板块边界受压大陆板块边界受压引起的应力
3、场引起的应力场 地幔热对流地幔热对流引起的应力场引起的应力场 岩浆侵入岩浆侵入引起的应力场引起的应力场 地温梯度地温梯度引起的应力场引起的应力场 地表剥蚀地表剥蚀引起的应力场引起的应力场4 4- -1 1 基本概念基本概念 原岩原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡状态的岩体，称为原岩。平衡状态的岩体，称为原岩。 围岩围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，称为围岩。称为围岩。 原岩应力原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，又称为初始地应力或地应力。又称为初始地应力
4、或地应力。 原岩应力场原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布原岩应力在岩体空间有规律的分布状态称为原岩应力场，又称为初始地应力场。即未经状态称为原岩应力场，又称为初始地应力场。即未经采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。 自重应力自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。它是由岩体自重引起的。的作用而产生的应力。它是由岩体自重引起的。 自重应力场自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态。自重应力在空间有规律的分布状态。 构造应力构造应力：由地质构造作用产生的应力。或地壳由地质构造作用产生的应力。
5、或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。量，这就是构造应力。 构造应力场构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态。构造应力在空间有规律的分布状态。4 4- -1 1 基本概念基本概念 次生应力次生应力（二次应力）岩体开挖扰动（二次应力）岩体开挖扰动了了原岩的自原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的应力称为次生应力或二次应力。化后的应力称为次生应力或二次应力。 原岩应力原岩应力自重应力构造应力自重应力构造应力 迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理
6、论迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状计算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。态。 4 4- -1 1 基本概念基本概念4 4- -2 2 岩体的自重应力岩体的自重应力一、基本公式一、基本公式 在均匀岩体中，深度为在均匀岩体中，深度为z z处的岩体的竖向自重处的岩体的竖向自重应力为：应力为：zz 0, yxyx 在半无限体中任一微元体上的在半无限体中任一微元体上的正应力均为主应力，且有正应力均为主应力，且有0 zxyzxy zzyx 1得：得： 0)(1 zyxyxE 其中其中为岩体静止为岩体静止 侧压力系数侧压力系数。根据虎克定律
7、：根据虎克定律：4-2 岩体的自重应力岩体的自重应力在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：zz zzyx 10 zxyzxy 4-2 岩体的自重应力岩体的自重应力iniizh 1 zzyx 1对于均质水平层状岩体：对于均质水平层状岩体：4-2 岩体的自重应力岩体的自重应力0 zxyzxy 对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：当岩层水平时当岩层水平时0/ EEEzyxyx yx 则有则有 ：zyxEE /1iniizh 1 4-2 岩体的自重应力岩体的自重应力解得解得 ：0/ EEEzyxx 0/ EEExzyy inii
8、zh 1 zxEE /)1()1(zy /1)1( 当岩层垂直时当岩层垂直时4-2 岩体的自重应力岩体的自重应力 二、二、岩体自重应力的特点岩体自重应力的特点 水平应力水平应力x x、y y一般小于垂直应力一般小于垂直应力z z ； x x、y y、z z均为压应力；均为压应力； z z只与岩体密度和深度有关，而只与岩体密度和深度有关，而x x、y y 还同还同时与岩体弹性常数时与岩体弹性常数 E E、有关；有关； 结构面影响岩体自重应力分布。结构面影响岩体自重应力分布。4-2 岩体的自重应力岩体的自重应力 在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态， =0.20=
9、0.200.300.30 在深部，岩体转入塑性状态，在深部，岩体转入塑性状态， =0.50=0.50 ，1 1，则有：则有： x x= = y y= = z zz z 各向等压的应力状态，又称为各向等压的应力状态，又称为静水压力状态静水压力状态。著名的著名的海姆假说（瑞士地质学家海姆假说（瑞士地质学家18711871）4-2 岩体的自重应力岩体的自重应力4 4- -3 3 岩体构造应力岩体构造应力 一、构造应力场的概念一、构造应力场的概念 构造应力构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的力。或地壳中长期存在
10、着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力内在力量，这就是构造应力 岩体构造应力是构造运动中岩体构造应力是构造运动中的一种的一种分布力分布力 构造应力场是构造运动中构造应力场是构造运动中的一种的一种应力场应力场 相对于人类活动时期而言，相对于人类活动时期而言，。二、构造运动的起因二、构造运动的起因 地质学家分析地球表层（包括地壳和地幔）结构及其运动规律地质学家分析地球表层（包括地壳和地幔）结构及其运动规律和发展，提出了各种大地构造学说，最具代表的是地质力学学说和和发展，提出了各种大地构造学说，最具代表的是地质力学学说和板块构造学说。板块构造学说。 1 1、地质力学学说、地质力学学说
11、 该学说认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力：该学说认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力：一种是一种是经向水平离心力经向水平离心力；一种是；一种是纬向水平惯性力纬向水平惯性力。 这两种力是引起地壳岩体中出现构造应力的根本原因。大量的这两种力是引起地壳岩体中出现构造应力的根本原因。大量的实测资料说明岩体中实测资料说明岩体中，说明构造应力以水平，说明构造应力以水平应力为主。应力为主。2 2、板块构造学说、板块构造学说 该学说认为该学说认为板块运动的核心是海底扩张板块运动的核心是海底扩张。海底扩张是由于地幔海底扩张是由于地幔对流引起的对流引起的。4 4- -3 3 岩体构造应力岩
12、体构造应力三、构造应力场分析三、构造应力场分析 根据岩体变形破坏机理，对构造运动留下的遗迹（构造形迹）根据岩体变形破坏机理，对构造运动留下的遗迹（构造形迹）进行分析，以判断构造应力的主应力方向。进行分析，以判断构造应力的主应力方向。（一）构造形迹的形成机理（一）构造形迹的形成机理1 1、褶皱形成机理、褶皱形成机理4 4- -3 3 岩体构造应力岩体构造应力2 2、断层和节理的形成机理、断层和节理的形成机理 断层、节理形成机理有三种：张性的、扭性的、压性的。断层、节理形成机理有三种：张性的、扭性的、压性的。 张性断层张性断层是由于岩体中的张应变超过极限而产生的。是由于岩体中的张应变超过极限而产生
13、的。 这种断层层面不规则，断层走向与最大主应力方向平行。小的这种断层层面不规则，断层走向与最大主应力方向平行。小的张性断裂两盘岩石不一定发生错动，称之为张性节理。张性断裂两盘岩石不一定发生错动，称之为张性节理。 压性断层压性断层和和扭性断层扭性断层都可用莫尔库伦理论来解释。都可用莫尔库伦理论来解释。4 4- -3 3 岩体构造应力岩体构造应力由地质特征由地质特征推断推断构造应力方向构造应力方向4 4- -3 3 岩体构造应力岩体构造应力由地质特征由地质特征推断推断构造应力方向构造应力方向4 4- -3 3 岩体构造应力岩体构造应力（二）构造体系及区域构造应力场（二）构造体系及区域构造应力场 对
14、一个区域而言，在对一个区域而言，在一次一次构造运动构造运动中，既有褶皱又有断中，既有褶皱又有断层和节理等。层和节理等。 这些构造形迹尽管形态各这些构造形迹尽管形态各异、性质不同、大小悬殊，但异、性质不同、大小悬殊，但大都不是孤立出现，而是相伴大都不是孤立出现，而是相伴而生，共同形成一个而生，共同形成一个构造体系构造体系。 例如米字型构造体系。例如米字型构造体系。S S1 1,S,S2 2扭性断层张性断层扭性断层张性断层4 4- -3 3 岩体构造应力岩体构造应力4 4- -4 4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定一、应力解除法一、应力解除法（一）基本原理（一）基本原理 地下某点的岩体处于三
15、向压地下某点的岩体处于三向压缩状态，如用人为的方法解除其缩状态，如用人为的方法解除其应力，必然发生弹性恢复，测定应力，必然发生弹性恢复，测定其恢复的应变，利用弹性力学公其恢复的应变，利用弹性力学公式则可算出岩体初始应力。式则可算出岩体初始应力。zzyyxxzyx , 破坏联系，解除应力；破坏联系，解除应力； 弹性恢复，测出变形；弹性恢复，测出变形； 根据变形，根据变形，反反求应力。求应力。1 1、已知主应力方向的应力解除、已知主应力方向的应力解除 如图示平板：如图示平板：13, yx1 3 3 1 xy 在受力状态下，贴上应变片在受力状态下，贴上应变片，此时：此时：0, 013 yx 卸去外力
16、，变形恢复，此时：卸去外力，变形恢复，此时：13, yx 根据广义虎克定律：根据广义虎克定律：)(1311 E)(1133 E 解得：解得：)(13121 E)(11323 E(1)(1)4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 由弹性原理：由弹性原理： 2sin2sincos22xyyx 式中：式中：为为x x轴成轴成角度方向的线应变角度方向的线应变 。 由上式可解得由上式可解得 x x,y y,xyxy2 2、未知主应力方向的应力解除、未知主应力方向的应力解除1121212sin2sincos xyyx 2222222sin2sincos xyyx 3323232sin2sincos
17、xyyx ( (2)2)4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定xy123123XY解得解得x x,y y,xyxy, ,可按下式求出主应变可按下式求出主应变1 1 2 2 和和0 0221)2()2()(21xyyxyx yxxy 02tg223)2()2()(21xyyxyx 已知已知1 1,3 3,0 0 , ,即可按即可按(1)(1)式求出主应力式求出主应力1 ,1 ,3 3 。(3)(3)4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定3 3、应变花种类应变花种类 为计算方便，常把三个应变片布置成如图所示的形式。为计算方便，常把三个应变片布置成如图所示的形式。 常用：等角应变花常用：
18、等角应变花 直角应变花直角应变花4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定A A、直角应变花直角应变花 1 1 0 00 0，2 2 45 450 0，3 3 90 900 029045245090031)()(22)(21 90045900022tg 将将x x,y y,xy xy 代入代入(3)(3)式得：式得：(4)(4),0 x 2)(2145xyyx ,90y 将将1 1,3 3,0 0 代入代入(1)(1)式求出主应变式求出主应变1 ,1 ,3 3 ： 29045245090031)()(1212 E(5)(5)4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定B B、等角应变花等角应
19、变花 1 10 00 0，2 260600 0，3 31201200 01222060120060601201200312()()()()33 由上式可解得由上式可解得x x,y y,xy xy ，并将其代入并将其代入(3)(3)式得：式得：(7)(7),0 x )33(4160 xyyx (6)(6)33(41120 xyyx 4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定将将（7 7）式式 代入代入(1)(1)式得：式得： 20120212060260012060031)()()()1 ( 32)1 ( 3 E 注意：注意：按上式方法计算得出的按上式方法计算得出的1 1 ，3 3 是平面状态
20、下（钻是平面状态下（钻孔断面内）的孔断面内）的次主应力次主应力，而，而不是该点的主应力不是该点的主应力。 次主应力：次主应力：是是某坐标面内两个正应力的极值某坐标面内两个正应力的极值，一般不等于，一般不等于主应力；主应力； 次主应力面上仍有剪应力次主应力面上仍有剪应力； 只有在三个正交的平面上的剪应力都为零时，次主应力才只有在三个正交的平面上的剪应力都为零时，次主应力才等于主应力。等于主应力。(8)(8)4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定（二）（二） 应力解除常用具体方法应力解除常用具体方法1 1、孔底应力解除法孔底应力解除法 孔底应力解除法测定岩体应力的步骤：孔底应力解除法测定岩体
21、应力的步骤：、打大孔至测点，磨平孔底。、打大孔至测点，磨平孔底。、在孔底粘贴电阻应变花探头。、在孔底粘贴电阻应变花探头。、解除应力，测量其应变。、解除应力，测量其应变。、取出岩心，测其弹性参数。、取出岩心，测其弹性参数。、计算岩体应力。、计算岩体应力。4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 对于对于，孔底平面内的应力按下式计算：，孔底平面内的应力按下式计算： 1)22(311)22(31201206000120600Ex 1)22(311)22(31201206000120600Ey)()1(312060 Exy4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 对于对于，孔底平面内的应力按下
22、式计算：，孔底平面内的应力按下式计算：)11(2900900 Ex )(2)1(290045 Exy)11(2900900 Eyx x , ,y y , ,z z , ,xyxy为为孔底平面上开挖扰动的次生应力。孔底平面上开挖扰动的次生应力。(9)(9)4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算：孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算：zyxxcba zyxycab xyxyd 式中：式中：x x，y y，z z-孔底的原岩应力。孔底的原岩应力。 a,b,c,da,b,c,d-系数，无理论解，只有通过实验或数值分析求系数，无理论解，只有通过实验或
23、数值分析求得。不得。不 同的研究者给出不同的值，同的研究者给出不同的值，解值：解值：(9)(9) 027. 0423. 191. 0473. 015. 0085. 030. 12 dcba4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 孔底应力解除法的评价孔底应力解除法的评价 优点：优点：解除岩芯短，不需要打很长的套孔岩心适用于完整性解除岩芯短，不需要打很长的套孔岩心适用于完整性 差的岩体差的岩体 缺点：缺点：单孔不能确定岩体应力的六个分量，必须进行三孔测单孔不能确定岩体应力的六个分量，必须进行三孔测 定，才能确定岩体定，才能确定岩体的原岩应力；的原岩应力； 无理论计算公式，只能用经验公式计算岩
24、体三维应力无理论计算公式，只能用经验公式计算岩体三维应力; 适用于完整性差的岩体适用于完整性差的岩体 4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定2 2、孔径变形法、孔径变形法 孔径变形法通过测定钻孔孔径变形求孔径变形法通过测定钻孔孔径变形求解岩体应力，其应力解除工序为：解岩体应力，其应力解除工序为：、打大孔至测点，磨平孔底、打大孔至测点，磨平孔底、打同心小孔，安装、打同心小孔，安装计探头计探头、延伸大钻孔解除应力，测量孔径变形、延伸大钻孔解除应力，测量孔径变形、取出岩心，测其弹性参数、取出岩心，测其弹性参数 E E、计算岩体应力、计算岩体应力4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 假定
25、孔径变形计探头的假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩体应力三个触头相对于岩体应力1 1 的夹角为的夹角为1 1、2 2、3 3 测得的测得的孔径变形孔径变形分别为分别为u u1 1、u u2 2、u u3 3, ,孔壁径向位移为孔壁径向位移为其其1/21/2。4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 由弹性力学公式，在二向应力由弹性力学公式，在二向应力1 1、3 3的作用下，无限大的作用下，无限大平板内圆孔周边径向位移平板内圆孔周边径向位移 u u 的计算公式为：的计算公式为： 2cos)(23131Edu平面应力：平面应力：平面应变：平面应变：13 2cos)(2)1 (31312Edu
26、式中：式中：d d圆孔直径；圆孔直径； u u圆孔周边的径向位移；圆孔周边的径向位移； u u的方向与的方向与1 1的夹角。的夹角。4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 当当1 1，2 2，3 3的间隔为的间隔为60600 0时，按下式计算岩体应力：时，按下式计算岩体应力： 若（若（d)d)式成立，则式成立，则1 1为为1 1 与与u u1 1的夹角的夹角，否则，否则1 1为为2 2 与与u u1 1的夹角的夹角 上式中的上式中的K K，对于浅孔，可作平面应力处理对于浅孔，可作平面应力处理，K=d/E ;K=d/E ; 对于深孔，可作平面应变处理对于深孔，可作平面应变处理，K=(1K=
27、(12 2)d/E )d/E 其中其中d d为钻孔直径，为钻孔直径，为岩石的泊松比。为岩石的泊松比。(10)(10)4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 当当1 1，2 2，3 3的间隔为的间隔为45450 0时，按下式计算岩体应力：时，按下式计算岩体应力： 若（若（d)d)式成立，则式成立，则1 1为为1 1 与与u u1 1的夹角的夹角，否则，否则1 1为为2 2 与与u u1 1的夹角的夹角 上式中的上式中的K K，对于对于浅孔浅孔，可作平面应力处理，可作平面应力处理，K=d/E K=d/E ; ; 对于对于深孔深孔，可作平面应变处理，可作平面应变处理，K=(1K=(12 2)d
28、/E )d/E 其中其中d d为钻孔直径，为钻孔直径，为岩石的泊松比。为岩石的泊松比。(11)(11)4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 按上式计算得出的按上式计算得出的1 1 ， 2 2 是钻孔断面内的是钻孔断面内的次主次主应力应力。 要确定一点的全应力，必须要确定一点的全应力，必须在测点打三个不同方向在测点打三个不同方向的钻孔，进行同样测定的钻孔，进行同样测定，然后再按，然后再按最小二乘法最小二乘法求解。求解。4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定3 3、 孔壁应变法孔壁应变法测试工序测试工序 孔壁应变法是通过测定钻孔孔壁孔壁应变法是通过测定钻孔孔壁的应变求解岩体应力的的应
29、变求解岩体应力的6 6个分量，其个分量，其应力解除工序与孔径变形法相似：应力解除工序与孔径变形法相似：、打大孔至测点，磨平孔底。、打大孔至测点，磨平孔底。、打同心小孔，安装应变花探头。、打同心小孔，安装应变花探头。、套孔解除应力，超过小孔底部、套孔解除应力，超过小孔底部5 5cm,cm,同时测量孔壁应变同时测量孔壁应变。、取出岩心，测其弹性参数、取出岩心，测其弹性参数E E、计算岩体应力。、计算岩体应力。4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 应变计探头孔壁布置应变计探头孔壁布置3 3个应变花，每个应变花由个应变花，每个应变花由3 3个应变片组个应变片组成，采用直角应变花形式。成，采用直
30、角应变花形式。 孔壁应变花布置孔壁应变花布置4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 一个无限体的钻孔，受到无限远处的三维应力场（原岩应力一个无限体的钻孔，受到无限远处的三维应力场（原岩应力场场x、y、z、xy 、 yz 、zx )作用时，孔边围岩应力（作用时，孔边围岩应力（ r、z、r 、z、rz采用柱坐标，柱坐标的采用柱坐标，柱坐标的z轴和直角坐标的轴和直角坐标的z轴轴相一致）分布公式为：相一致）分布公式为：钻孔围岩应力分布公式钻孔围岩应力分布公式4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 2sin)341(2cos)341(2)1(24422442222rararararaxyyx
31、yxr 2sin)31(2cos)31(2)1(2444422rararaxyyxyx zxyyxzrara 2sin42cos)(22222 2cos)321(2sin)321(244224422rarararaxyyxr )1)(cossin(22rayzzxz )1)(sincos(22rayzzxrz (12)(12)4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 当当r=ar=a时，即钻孔壁上的应力为：时，即钻孔壁上的应力为：0 rzrr 2sin42cos)( 2)(xyyxyx 2()cos24sin2 zxyxyz)cossin(2 yzzxz 可见，钻孔壁上各点处于二向应力状态
32、，在孔壁上的可见，钻孔壁上各点处于二向应力状态，在孔壁上的z-z-坐标坐标平面内布置应变花测量应变以求应力是可行的。平面内布置应变花测量应变以求应力是可行的。(13)(13)4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 孔壁应力和孔壁应变的关系孔壁应力和孔壁应变的关系EEZ 在在 -z-z 坐标系：坐标系： )(2,90045900 zz 由虎克定律：由虎克定律：EEZZ )(21145ZZEE (1(14 4) )x( )z zy4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 孔壁应力和原岩应力的关系孔壁应力和原岩应力的关系EEZ 由（由（1414）式可由孔壁应变求出孔壁应力，由（）式可由孔壁
33、应变求出孔壁应力，由（1313）式即可）式即可求出原岩应力，令式中求出原岩应力，令式中=/2, , 7/4, =/2, , 7/4, 。EEZZ )(21145ZZEE (14)(14)0 rzrr 2sin42cos)( 2)(xyyxyx zxyyxz 2sin42cos)(2)cossin(2 yzzxz (13)(13)4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 当当=/2=/2(15)(15)yx 3zyxz )(2zxz 2 当当=7/4=7/4(16)(16)yx 3 zyxz )(2yzz 2 (17)(17)xyyx 4)( zxyz 4)(2zxyzz 当当= 可见，求解
34、可见，求解6 6个原岩应力分量，只需选取上面其中个原岩应力分量，只需选取上面其中6 6方程即可。方程即可。 孔壁应变法只打一个钻孔就可以确定一点的应力状态。孔壁应变法只打一个钻孔就可以确定一点的应力状态。4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定二、水压致裂法二、水压致裂法1 1、基本原理、基本原理 对测试段钻孔用特制封隔器密对测试段钻孔用特制封隔器密封起来，然后对密封段加高压水直封起来，然后对密封段加高压水直至孔壁岩石产生张裂隙。至孔壁岩石产生张裂隙。 根据裂隙的方向及泵压的大小根据裂隙的方向及泵压的大小分析确定原岩的应力状态。分析确定原岩的应力状态。p水压致水压致裂装置裂装置封隔器封隔器
35、钻孔钻孔高压水高压水4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定2 2、基本假设、基本假设 一个主应力方向是垂直的，其大小等于上覆岩层的自一个主应力方向是垂直的，其大小等于上覆岩层的自重应力。而另外两个主应力是水平的，且破裂方向垂直重应力。而另外两个主应力是水平的，且破裂方向垂直于最小主应力方向。即于最小主应力方向。即钻孔方向为某一主应力方向钻孔方向为某一主应力方向。 岩体是均质、各向同性的线弹性体。岩体是均质、各向同性的线弹性体。 适用条件：适用条件： 完整性好的脆性岩体完整性好的脆性岩体3 3、測試方法、測試方法4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定水压致裂法测定系统水压致裂法测定系
36、统4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 两向受不相等的均布力两向受不相等的均布力1 1、2 2作用时的应力分量：作用时的应力分量： 2cos)31)(1 (2)1 (22222212221rrr 2cos)31(2)1(244212221rr 2sin)31)(1(2222221rr 孔壁（孔壁（r=)r=)应力分量：应力分量： 2cos)(20, 02121 式中：式中：为周边一点径向与为周边一点径向与1 1的夹角。的夹角。 当当0o时，时，取极小值，此时取极小值，此时123 12（1 1）4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 由弹性力学厚壁筒公式，在由弹性力学厚壁筒公式，在
37、只受内压只受内压q1作用作用：,1112222qrRR 1222211qrRR 若若 RR, ,得到具有圆孔的无限大薄板，或得到具有圆孔的无限大薄板，或具有圆形孔道的无限大弹性体，其解答为：具有圆形孔道的无限大弹性体，其解答为：,122qr 122qr 若若r r, ,得到：得到：,1q 1q 根据岩体力学应力符号规定，得孔壁切向应力：根据岩体力学应力符号规定，得孔壁切向应力：1q （2 2）4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 当钻孔当钻孔受水压力受水压力P作用作用, ,且受水平原岩应力且受水平原岩应力1 1 、 2 2作用，钻孔作用，钻孔壁的最小切向应力为式（壁的最小切向应力为式（
38、1 1）与（）与（2 2）的叠加：）的叠加： 岩体破裂条件：岩体破裂条件：t p 123 于是：于是：1213ictpp 式中式中pic1为孔壁发生初始裂缝时的水压力，为孔壁发生初始裂缝时的水压力，t为为封隔段封隔段岩石抗岩石抗拉强度。拉强度。 可见，当水压力达到可见，当水压力达到pic1时，孔壁将沿时，孔壁将沿1 1 的方位开裂。的方位开裂。 如果钻孔中有裂隙水，其水压力如果钻孔中有裂隙水，其水压力为为P P0 0，则：，则：01213Pptic p（3 3）4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定p 继续注入高压水，裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到继续注入高压水，裂隙进一步扩展，当裂隙深
39、度达到3 3倍钻孔倍钻孔直径时，此处接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定（直径时，此处接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定（P PS S),),则：则：2 sP01223Ppic 如果测出封隔段岩石抗拉强度如果测出封隔段岩石抗拉强度t，即可由式（即可由式（3 3）、（）、（4 4）求出）求出1 1和和2 2（4 4） 因此，在初始裂隙产生后，将水因此，在初始裂隙产生后，将水压力卸除，使裂隙闭合，然后重新加压力卸除，使裂隙闭合，然后重新加压，使裂隙重新打开，这时水压力为压，使裂隙重新打开，这时水压力为pic2，则有，则有（5 5） 由式（由式（5 5）、（）、（4 4）可求出）可求出1
40、1和和2 24-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 联立解得：联立解得：2 sP01223Ppic （4 4）（5 5）01213Pptic （3 3） A A、 岩石抗拉强度：岩石抗拉强度：21icictpp B B、 最大水平应力：最大水平应力：ticsHppp 01max13 C C、 最小水平应力：最小水平应力：sHp min2 可见，水压致裂法只能确定垂直于钻孔平面内的最大和最小主可见，水压致裂法只能确定垂直于钻孔平面内的最大和最小主应力，实际上是一种二维应力测量方法。应力，实际上是一种二维应力测量方法。 若要确定测点的三维应力状态，必须打互不平行的交汇于一点若要确定测点的三维
41、应力状态，必须打互不平行的交汇于一点的的三个钻孔。这是非常困难的。的的三个钻孔。这是非常困难的。4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定4 4、水压致裂试验成果、水压致裂试验成果孔隙水压力孔隙水压力Ps关闭关闭压力压力Pic2使裂缝重使裂缝重新张开的新张开的压压力力pic1孔壁岩孔壁岩石破裂压力石破裂压力（a）裂缝沿轴）裂缝沿轴向产生和延伸向产生和延伸（b）裂缝沿轴向产）裂缝沿轴向产生向水平方向延伸生向水平方向延伸4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 A A、 岩石抗拉强度：岩石抗拉强度： 试验曲线只有一个关闭压力试验曲线只有一个关闭压力p ps s21icictpp B B、 最
42、大水平应力：最大水平应力：ticsHppp 01max13 C C、 最小水平应力：最小水平应力：sHp min3 D D、 垂直应力按岩体自重计算：垂直应力按岩体自重计算：Hv 24-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 试验曲线有两个关闭压力试验曲线有两个关闭压力p ps1s1和和p ps2s2 A A、 最小水平应力：最小水平应力：1min2sHp B B、 垂直应力：垂直应力：23svp C C、 最大水平应力：最大水平应力：ticsHppp 011max134-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定5、水压致裂法评价、水压致裂法评价 优点：优点： 1、能测量深部岩体应（、能测量
43、深部岩体应（5000m）；）； 2、可以使用各种尺寸的勘探钻孔，在勘探阶段便可测定；、可以使用各种尺寸的勘探钻孔，在勘探阶段便可测定； 3、不须对钻孔进行应力解除，不须精密的仪器；、不须对钻孔进行应力解除，不须精密的仪器； 4、不需要岩体弹性参数。、不需要岩体弹性参数。 缺点缺点 1、假定钻孔方向为主应力方向之一，因此，实测的三维主应力、假定钻孔方向为主应力方向之一，因此，实测的三维主应力是近似的。是近似的。 2、设备笨重，钻孔封隔加压技术较复杂；、设备笨重，钻孔封隔加压技术较复杂；4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定三、声发射法三、声发射法 声发射声发射岩石受外荷载作用，其内部储存的
44、应变能因微裂岩石受外荷载作用，其内部储存的应变能因微裂隙产生和发展而快速释放，从而产生弹性波，发出声响，称为声隙产生和发展而快速释放，从而产生弹性波，发出声响，称为声发射。发射。 凯塞效应凯塞效应 19501950年，德国人年，德国人J.KasiserJ.Kasiser发现多晶金属的应发现多晶金属的应力从其历史最高点水平释放后，再重新加载。力从其历史最高点水平释放后，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；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，则大量产生声发射而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射 这一现象称为这一
45、现象称为凯塞效应凯塞效应。 凯塞凯塞点点从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为为凯塞点凯塞点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定 岩石也具有声发射现象。岩石也具有声发射现象。 凯塞效应为岩石应力测量提供了途经。即从原岩中取样凯塞效应为岩石应力测量提供了途经。即从原岩中取样沿沿6 6个不同方向制备试件（每个方向试件为个不同方向制备试件（每个方向试件为15152525块）块）加压测加压测试试凯塞点凯塞点计算地应力。计算地应力。压力压力/KN/KN声发射事件
46、数声发射事件数/10/103 3凯塞点凯塞点时间时间/s4-4 岩体初始应力场测定岩体初始应力场测定4-4 岩体初始应力（原岩应力）分布状态 目前，原岩应力的实测深度达目前，原岩应力的实测深度达30003000m m。在这一深度内，原岩应在这一深度内，原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：力变化规律大致可归纳为以下几点：一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场二、水平应力二、水平应力H H普遍大于垂直应力普遍大于垂直应力v v 即即 侧压力系数侧压力系数H H/v v 1; 1;三、原岩应力三个主应力三、原岩应力三个主应力HmaxHmax，HminHmin，v v均
47、随深度增加而增大均随深度增加而增大1 1、平均水平应力、平均水平应力H H与垂直应力与垂直应力v v 的比值随深度增加而减小。的比值随深度增加而减小。5 . 015003 . 0100 HH 2 2、两个水平应力的关系一般有、两个水平应力的关系一般有3 3、最大、最小水平主应力随深度线性增加：、最大、最小水平主应力随深度线性增加： HmaxHmax6.76.70.0444H(Mpa)0.0444H(Mpa) HminHmin0.80.80.0329H(Mpa)0.0329H(Mpa)4 4、实测垂直应力、实测垂直应力v v基本上等于上覆岩层的重力基本上等于上覆岩层的重力 在在252527002
48、700m m深度内，深度内，v v 随深度线性增加，大致相当于按平随深度线性增加，大致相当于按平均重度均重度=27kN/m=27kN/m3 3计算出来的重力计算出来的重力H,H,即即 v v2727H H。8 . 02 . 0maxmin HH 4-4 岩体初始应力（原岩应力）分布状态岩体初始应力（原岩应力）分布状态四、原岩應力分佈影響因素四、原岩應力分佈影響因素 原岩应力的分布规律还受原岩应力的分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、岩地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，等因素的影响，特别是特别是地形和断层地形和断层的扰动影响最大。的扰动影响最大。 地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡床中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平行；面平行； 断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。应力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。4-4 岩体初始应力（原岩应力）分布状态岩体初始应力（原岩应力）分布状态1、比较应力解除法与水压致裂法测试原岩应力的利弊。2、原岩应力分布有哪些特点？