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1、第第5 5章章 地应力及其测量地应力及其测量5.1 概概 述述5.2 地应力分布的一些规律地应力分布的一些规律5.3 高地应力区的特征高地应力区的特征5.4 5.4 地应力的测量地应力的测量 n 原岩原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处：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。于自然平衡状态的岩体，称为原岩。n 围岩围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，称为围岩。岩体，称为围岩。n 原岩应力原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，又称为应力，又称为初始地应力初始地应力或或地应力地应力、天然应力天
2、然应力。n 原岩应力场原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的：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。分布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即未经采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。态。5.1 概概 述述1 1 基本概念基本概念 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称为自重应力场。称为自重应力场。构造
3、应力构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造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内在力量，这就是构造应力。发展的内在力量，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称为构造应力场。称为构造应力场。次生应力（二次应力）次生应力（二次应力）：岩体开挖扰动岩体开挖扰动了了原岩原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的应力称为化，变化后的应力称为次生应力次生应力或或二次应力二次应力。次生应力
4、次生应力+天然应力天然应力(1)组成组成：岩体自重岩体自重自重应力自重应力 构造运动构造运动构造应力构造应力流体作用流体作用渗流应力渗流应力 其它其它（地温（地温、地球化学作用等）地球化学作用等）2 2、天然应力的组成及成因、天然应力的组成及成因 天然应力天然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论计算，而只迄今为止，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态。能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。（2 2）成因：）成因：1）地幔热对流地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）2）板板块块边边界界受受压压3）岩浆侵入）岩浆侵入
5、垂直应力：平均密度，KN/m3侧压力：H总深度（m）侧压力系数 图 岩体自重垂直应力4）岩体自重应力场）岩体自重应力场5)5)地质构造应力地质构造应力6）地形、地表剥蚀对地应力影响7 7）水压力、热应力）水压力、热应力 a.孔隙水压力、流动水压力(影响小)、静水压力（悬浮作用）b.一般地温梯度：岩体的体膨胀系 数：，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力 约为：z-z-深度/m。温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。3 3、天然应力的研究历史与研究意义、天然应力的研究历史与研究意义(1)(1)研究历史研究历史 世界上世界上 :l18781878年海姆提出天然应力年海姆
6、提出天然应力l19321932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力地测定了岩体中的天然应力l到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深大部分是浅部，最深51085108米（美国密执安水压致米（美国密执安水压致裂法）。裂法）。中国：中国：l5050年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有深的有39583958米（天津大港）。米（天津大港）。(2)研究意义 n 区域稳定 n 地下洞室稳定 n 边坡稳定 n 地基岩体稳定55-2
7、 2 地应力分布的一些基本规律地应力分布的一些基本规律 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。在这一深度内在这一深度内，原岩，原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：应力变化规律大致可归纳为以下几点：1 1、原岩应力场是相对稳定的非稳定场、原岩应力场是相对稳定的非稳定场 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的，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，地应力的变化是不大的。如我国的华北地区，地应力场的主导方向为北西到近于东西的主压应力
8、2 2、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252527002700m m深度内，深度内，v v 随深度线性增加，大致相随深度线性增加，大致相当于按平均重度当于按平均重度=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。3 3、水平应力、水平应力H普遍大于垂直应力普遍大于垂直应力v ,即即 侧压力系数侧压力系数H H/v v 1;1;4 4、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 5、最大、最小水平主应力随深度线性增加、最大、
9、最小水平主应力随深度线性增加：Hmax6.70.0444H(Mpa)Hmin0.80.0329H(Mpa)6 6、两个水平应力的关系一般有、两个水平应力的关系一般有7 7、原岩应力的分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、原岩应力的分布规律还受地形、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影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。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，大致河床中心近于水平，在岸坡则向谷底或
10、河床倾斜，大致与坡面平行；与坡面平行；断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角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。处应力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。研究高地应力问题的必要性：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。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。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，尤其是水随着采矿深度的增加，我国中西部的开发，尤
11、其是水电工程建设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，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。给岩体工程稳定问题提出了新课题。1.1.高地应力判别准则高地应力判别准则 （1 1）目前国际国内无统一的标准。）目前国际国内无统一的标准。（2 2）国内一般岩体工程以初始地应力在）国内一般岩体工程以初始地应力在20-30MPa为高地应力为高地应力(大于大于800米深米深)。（3 3）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）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。是相对于围岩强度而言的。极高地应
12、力极高地应力高地应力高地应力一般地应力一般地应力我国工程岩体分级基准我国工程岩体分级基准（GB50218-94GB50218-94）4 7 7法国隧道协会法国隧道协会 2 4 4日本新奥法指南（日本新奥法指南（19961996年）年）2 24 46 6 6 6日本仲野分级日本仲野分级 2 4 4岩爆岩爆：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。释放所造成的一种岩石破坏
13、现象。岩爆产生的条件岩爆产生的条件：（1 1）地下工程）地下工程开挖开挖，洞室空间的形成是诱发岩爆的几何条件；，洞室空间的形成是诱发岩爆的几何条件；（2 2）围围岩岩应应力力重重分分布布和和集集中中导导致致围围岩岩积积累累大大量量弹弹性性变变形形能能，这这是是诱诱发发岩岩爆爆的的动动力条件；力条件；（3 3）岩岩体体承承受受极极限限应应力力产产生生初初始始破破裂裂后后的的剩剩余余弹弹性性变变形形能能的的集集中中释释放放量量决决定定岩岩爆的弹射程度；爆的弹射程度；（4 4）岩岩爆爆通通过过何何种种方方式式出出现现，这这取取决决于于围围岩岩的的岩岩性性、岩岩体体结结构构特特征征、弹弹性性变变形形能
14、的积累和释放时间长短。能的积累和释放时间长短。A、劈裂；、劈裂；B、剪断；、剪断；C、弹射、弹射 围岩加固措施围岩加固措施 改善围岩应力条件改善围岩应力条件 改变围岩性质改变围岩性质 施工安全措施施工安全措施 5.4 岩体天然应力的测量岩体天然应力的测量自重应力理论自重应力理论地震震源机制解地震震源机制解地变形量测地变形量测天然应力测量天然应力测量大地水准测量大地水准测量三角网测量三角网测量GPSGPS测量测量天然天然应力应力确定确定方法方法zA1 1、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面地质构造简单、地层平缓、当地侵
15、蚀基准面(1)(1)均质各向同性岩体均质各向同性岩体A(2)(2)水平层状岩体水平层状岩体A(3)垂直层状岩体2 2、天然应力的量测、天然应力的量测天天然然应应力力的的量量测测方方法法水压致裂法水压致裂法应力恢复法（扁千斤顶法）应力恢复法（扁千斤顶法）套芯应力解除法套芯应力解除法光弹法光弹法声发射法声发射法X射线法射线法岩体应力测量的目的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）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预报岩体失稳破坏以及预报岩爆
16、的有力工具 直接测量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。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、水压致裂扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法法、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。前应用最为广泛，声发射法次之。间接测量法间接测量法中，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，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
17、算岩体中的应力值。通过已知的公式计算岩体中的应力值。套孔应力解除法套孔应力解除法和其他的和其他的应力或应应力或应变解除方法变解除方法以及以及地球物理方法地球物理方法等是间接法中较常用的，其中套孔应力解除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。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。应力解除法应力解除法 当需要测定岩体中某点的应力状态时，当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为的将该处岩体单元和周围的岩体分人为的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时，岩体单元上所受的拉力将被离，此时，岩体单元上所受的拉力将被解除。同时，该
18、单元体的几何尺寸也将解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器，测定产生弹性恢复。应用一定的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并且认为弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答计算岩于是就可以借助弹性理论的解答计算岩体单元所受的应力状态。体单元所受的应力状态。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应力恢复法应力恢复法 应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前此法仅应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前此法仅用于岩体表层，当已知某岩
19、体中的主应力方向时，采用本方法较为方便。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。声发射法声发射法 岩石达到稳定状态时的微裂结构与所受应力同时被岩石达到稳定状态时的微裂结构与所受应力同时被“记记忆忆”在岩石中。如果把这部分岩石用钻孔法取出岩芯，即该岩在岩石中。如果把这部分岩石用钻孔法取出岩芯，即该岩芯被应力解除，此时岩芯中张开的裂隙将会闭合，但不会芯被应力解除，此时岩芯中张开的裂隙将会闭合，但不会“愈愈合合”。由于声发射与岩石中裂隙生成有关，当该岩芯被再次加。由于声发射与岩石中裂隙生成有关，当该岩芯被再次加载并且岩芯内应力超过它原先在地壳内所受的应力时，岩芯内载并且岩芯内应力超过它原先在地壳内所受的应力时，岩芯内开始产生新的裂隙，并伴有大量声发射出现，于是可以根据岩开始产生新的裂隙，并伴有大量声发射出现，于是可以根据岩芯所受载荷，确定出岩芯在地壳内所受的应力大小。芯所受载荷，确定出岩芯在地壳内所受的应力大小。水压致裂法水压致裂法 通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压将孔壁通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。岩体中地应力大小和方向。