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1、第四章 地应力及其测量4.1概论 4.2 地应力直接测量法4.3 地应力间接测量法 4.1概论n4.1.1 概述n4.1.2 地应力测量的必要性n4.1.3 地应力的成因n4.1.4 地应力分布的一般规律n4.1.5 地应力测量的基本原理和方法一、定义1.地应力(天然应力、初始应力等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。2.重分布应力（二次分布应力、附加应力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。重分布应力重分布应力+天然应力天然应力 相对于第相对于第2洞室洞室的天然应力的天然应力4.1.1 概述二、地应力的组成及起源二、地应力的组成及起源1.组成：岩体自重自重应力 构造运动构造应力流体作用渗流
2、应力 其它（地温、地球化学作用等）2.起源（主要指构造运动的起源）：板块运动 地幔热对流 地球自转速度变化拉张区挤压区4.1.1 概述a)它是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力。区别于结构力学、材料力学其他力学。b)传统的岩石工程的开挖设计和施工的经验类比法有局限性。小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法往往是有效的。大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不足。c)是岩石工程数值分析方法计算分析的必要前提条件。d)地应力应用领域广泛。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。4.1.2 地应力
3、测量的必要性e)对地应力的传统认识有误。1912年，瑞士地质学家海姆首次提出了地应力的概念，静水压力假设 式中，h为水平应力；v为垂直应力；为上覆岩层容重；H为深度。1926年，苏联学者金尼克修正海姆假设，根据弹性力学理论推出：式中，v为上覆岩层的柏松比。4.1.2 地应力测量的必要性 n20世纪50年代N.Hast实测发现存在于地壳上部的最大主应力方向接近水平的，而且最大水平主应力一般为垂直应力的12倍，甚至更多。n地应力测量发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。4.1.2 地应力测量的必要性4.1.3 地应力的
4、成因垂直应力：平均密度，KN/m3侧压力：H总深度（m）侧压力系数岩体自重垂直应力岩体自重垂直应力1 1）岩体自重应力场）岩体自重应力场2）地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）4.1.3 地应力的成因3 3）板块边界受压）板块边界受压4.1.3 地应力的成因4 4）岩浆侵入）岩浆侵入4.1.3 地应力的成因5)5)地质构造应力地质构造应力4.1.3 地应力的成因图图 地形对初应力的影响地形对初应力的影响6）地形、地表剥蚀对地应力影响）地形、地表剥蚀对地应力影响4.1.3 地应力的成因 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
5、胀系数：，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力约为：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。7）水压力、热应力）水压力、热应力4.1.3 地应力的成因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，但在不同地区，变化的速度很不相同。4.1.4 地应力分布的一般规律4.1.4 地应力分布的一般规律以东经100105o为界分东西两区。q强度上：西强东弱（西高东低）q方向上：西：NNE-SSW为主，东：近E-W。一、一、分区
6、性分区性（以中国为例）（以中国为例）西南：印度板块向NNE挤压（5mm/a）东：太平洋板块向W俯冲（1cm/a）南：菲律宾板块向N俯冲北：西伯利亚板块阻挡 1迹线：N-NE-SSEv中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。4.1.4 地应力分布的一般规律l上覆岩体自重lV多为压应力lV多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力二、二、铅直应力铅直应力（V）4.1.4 地应力分布的一般规律三、三、水平应力（水平应力（h）n岩体中天然应力常以水平应力为主，即h v，特别是 hmax v,据统计资料：h/vn 0.8-3.0，说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构
7、造应力场的控制;n水平应力具有强烈的各向异性，即h1 h2，我国华北hmin/hmax0.2-0.8，华南hmin/hmax0.3-0.75。原 因a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性;n水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力为拉应力的现象。4.1.4 地应力分布的一般规律六、高天然应力六、高天然应力l标志开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；收敛变形大，使开挖断面变小；软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合；饼状岩心；水下开挖无水渗出。4.1.4 地应力分布的一般规律四、天然应力比值系数四、天然应力比值系数()随深
8、度增加而减小。随深度增加而减小。4.1.4 地应力分布的一般规律五、主应力平面与水平面的关系五、主应力平面与水平面的关系据主应力平面与水平面的关系，天然应力状态划分为：n水平应力场 两个应力轴近水平，或与水平面夹角很小，另一应力轴近铅直，三个应力轴与空间坐标一致，我国大陆范围内属这种应力场;n非水平应力场水平应力与水平面夹45左右，另一轴与水平面夹045 左右，分布于板块边缘。4.1.4 地应力分布的一般规律七、影响天然应力的因素七、影响天然应力的因素1.1.地形起伏地形起伏la.水平应力向负地形集中，向正地形释放lb.在斜坡附近，应力方向发生偏转+4.1.4 地应力分布的一般规律2.2.结构
9、面结构面3.3.岩体性质岩体性质 硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反4.4.地下水地下水 产生渗流应力5.5.地温地温 产生温度应力4.1.4 地应力分布的一般规律岩体中一点原岩应力状态示意图 测量原始地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过一点一点的量测来完成的。岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标系中的 六个分量来表示。4.1.5 地应力测量的基本原理和方法基本原理基本原理测量方法：测量方法：n测量手段的不同划分：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。n测量原理的不同划分：应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法、重力法。又可分为直接测量法和间接测量法 直接测量法：直接测量法：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。间接测量法：间接测量法：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，然后由测得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。4.1.5 地应力测量的基本原理和方法