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1、关于地应力及其原理第1页，讲稿共111张，创作于星期日第六章第六章 地应力及其测量地应力及其测量学习指导：学习指导：主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，初始应力的量测方法及原理，力和构造应力，初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。扁千斤顶法和应力解除法等。重重 点点岩体的初始应力概念岩体的初始应力概念岩体初始应力的测量方法岩体初始应力的测量方法第2页，讲稿共111张，创作于星期日6 地应力及其测量地应力及其测量6.1概述概述6.1.1 基本概念基本概念地应力：地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力状态，即未受人工
2、开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力。第3页，讲稿共111张，创作于星期日6 地应力及其测量地应力及其测量6.1概述概述6.1.1 基本概念基本概念次生应力：次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。应力重分布：应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。第4页，讲稿共111张，创作于星期日6.1 6.1 概论概论一、一、地应力测量的必要性地应力测量的必要性 地应力分为地应力分为自重应力场自重应力场和和构造应力场。构造应力场。自重应力自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力；由上覆岩体的自重所引起的应力；构造应力构造应力:地层中由于过去地质构
3、造运动产生地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的应力，地质作用残和现在正在活动与变化的应力，地质作用残存的应力。存的应力。第5页，讲稿共111张，创作于星期日b 重要性：重要性：决定洞室布置的决定性因素之一。稳定性分决定洞室布置的决定性因素之一。稳定性分析的重要参数。析的重要参数。1)引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作根本作用力用力。2)传统开挖设计和施工的传统开挖设计和施工的经验类比法有局限性经验类比法有局限性。小规模和地表小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法往往是的岩石工程，经验类比的方法往往是有效的有效的 大规模和深
4、部大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不足。的岩石工程，经验类比法有不足。第6页，讲稿共111张，创作于星期日b 重要性：重要性：决定洞室布置的决定性因素之一。决定洞室布置的决定性因素之一。3)岩石工程数值分析方法计算分析的必要前提条件岩石工程数值分析方法计算分析的必要前提条件4)地应力应用领域广泛。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、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。的研究等也具有重要意义。第7页，讲稿共111张，创作于
5、星期日6.1.2 地应力的特点及其重要性地应力的特点及其重要性地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑和其他各种地下工程或露天岩石开挖工程和其他各种地下工程或露天岩石开挖工程变形和破坏的原始动力，变形和破坏的原始动力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩石工程开挖设计和决策的性分析，实现岩石工程开挖设计和决策的必要前提条件。必要前提条件。第8页，讲稿共111张，创作于星期日6.1.2 地应力的特点及其重要性地应力的特点及其重要性为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工，就
6、必须对影响工程稳定性的设计和施工，就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查，各种因素进行充分调查，只有详细了解了这些工程影响因素，通过只有详细了解了这些工程影响因素，通过定量计算和分析，才能做出既经济又安全定量计算和分析，才能做出既经济又安全实用的工程设计。实用的工程设计。第9页，讲稿共111张，创作于星期日对对于于矿矿山山来来说说，只只有有掌掌握握了了具具体体工工程程区区域域的的地地应应力力条条件件，才才能能合合理理确确定定矿矿山山总总体体布布置置，确确定定巷巷道道和采场的最佳断面形状、断面尺寸等。和采场的最佳断面形状、断面尺寸等。在在确确定定巷巷道道和和采采场场走走向向时时，也也应应考
7、考虑虑地地应应力力的的状状态态，最理想的走向是与最大主应力方向平行最理想的走向是与最大主应力方向平行，当当然然，在在实实际际工工程程中中还还要要综综合合考考虑虑工工程程需需要要和和其其它它影响因素。影响因素。第10页，讲稿共111张，创作于星期日应用领域：应用领域：地应力在地震预报、区域地壳稳定性评价、地应力在地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料存储、油田油井的稳定性、核废料存储、岩岩爆爆、瓦瓦斯斯突突出出及及地地球球动动力力学学研研究究等等最最基基础础的原始资料。的原始资料。第11页，讲稿共111张，创作于星期日综上所述，地应力的特点及其重要性如下：综上所述，地应力的特点及
8、其重要性如下：1、地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力；、地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力；2、地地位位相相当当于于工工程程中中习习惯惯性性理理解解的的外外荷荷载载，但但又又与与材材力、弹力中泛指的外荷载有所不同；力、弹力中泛指的外荷载有所不同；3、地地下下工工程程是是先先受受力力，后后开开挖挖，并并且且地地应应力力从从开开挖挖前前到到最终一直对围岩起着作用；最终一直对围岩起着作用；4、地地应应力力是是涉涉及及地地壳壳问问题题、地地下下工工程程问问题题理理论论分分析析、计计算算中最基础的原始资料。中最基础的原始资料。第12页，讲稿共111张，创作于星期日6.1.3关于地应力的古典假设关于地
9、应力的古典假设1、海姆假设：、海姆假设：在前言中我们已经介绍过，人们认识地应在前言中我们已经介绍过，人们认识地应力还只是近百年的事，力还只是近百年的事，1912年瑞士的地质年瑞士的地质科学家海姆（科学家海姆（A.Heim）在大型越岭隧道的）在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察与分析，首次提出施工过程中，通过观察与分析，首次提出了地应力的概念，了地应力的概念，第13页，讲稿共111张，创作于星期日6.1.3关于地应力的古典假设关于地应力的古典假设1、海姆假设：、海姆假设：假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，并且等于一点的应力在
10、各个方向上均相等，并且等于单位面积上覆盖岩层的重量，即：单位面积上覆盖岩层的重量，即：式中：式中：水平应力；水平应力；垂直应力；垂直应力；覆盖岩层的容重；覆盖岩层的容重；覆盖岩层的深度。覆盖岩层的深度。第14页，讲稿共111张，创作于星期日海姆认为：海姆认为：（1）原岩应力各向等压，即静水压力状态。）原岩应力各向等压，即静水压力状态。（2）上上覆覆岩岩体体的的重重量量，历历经经漫漫长长的的地地质质年年代代后后，由由于于材材料料的的蠕蠕变变性性及及地地下下水水平平方方向向的的约约束束条条件件，导导致致水水平平应应力最终与铅重应力相均衡。力最终与铅重应力相均衡。这这一一法法则则，仍仍为为许许多多岩
11、岩石石力力学学家家在在认认识识深深部部地地应应力力状状态态时时所接受。所接受。第15页，讲稿共111张，创作于星期日2、金尼克假设、金尼克假设1926年年，原原苏苏联联学学者者金金尼尼克克修修正正了了海海姆姆的的静静水压力假设，水压力假设，他他认认为为地地壳壳中中各各点点的的垂垂直直应应力力等等于于上上覆覆盖盖岩岩层的重量，层的重量，而而侧侧向向应应力力（水水平平应应力力）是是泊泊松松效效应应的的结结果果，其值应为其值应为 乘以一个修正系数。乘以一个修正系数。第16页，讲稿共111张，创作于星期日2、金尼克假设、金尼克假设金金尼尼克克根根据据弹弹性性理理论论（假假定定岩岩体体是是均均匀匀的的、
12、连连续续的的弹弹性性介介质质体体，得得出出水水平平应应力力总总归归小小于于铅垂应力的结论），铅垂应力的结论），认为这个认为这个测压系数测压系数等于等于 ，即：，即：式式中中：上上覆覆盖盖岩岩层层的的泊泊松松比比，岩岩石石的的泊泊松比的常值范围为松比的常值范围为0.150.30。第17页，讲稿共111张，创作于星期日此此时时，当当 时时，即即海海姆姆假假说说只只是金尼克假说的一个特例是金尼克假说的一个特例。同同期期的的其其他他一一些些人人主主要要关关心心的的也也是是如如何何用用一一些些数数学学公公式式来来定定量量地地计计算算地地应应力力的的大大小小，并并且且也也都都认认为为地地应应力力只只与与重
13、重力力有有关关，即即以以垂垂直直应应力力为为主主，他他们们不不同同点点只只在在于于测测压压系系数的不同。数的不同。第18页，讲稿共111张，创作于星期日小结小结c c 地应力分布理论：地应力分布理论：1 1）海姆假设：）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静水压首次提出了地应力的概念，静水压力假设）力假设）海姆假说：海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。而水平应力大致与垂直应力相等。2 2）金尼克假设：）金尼克假设：（弹性力学假设）弹性力学假设），v v 为上覆岩层的柏松比。为上覆岩层的柏松比
14、。修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上覆岩层重修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。量，而水平应力是泊松效应的结果。第19页，讲稿共111张，创作于星期日我国的地质学家李四光：李四光：20年代指出“在在构构造造应应力力的的作作用用仅仅影影响响地地壳壳上上层层一一定定厚厚度度的的情情况况下下，水水平平应应力力分分量量的重要性远远超过垂直应力分量的重要性远远超过垂直应力分量”。第20页，讲稿共111张，创作于星期日50年年代代，哈哈斯斯特特在在测测试试地地应应力力时时也也发发现现地地壳壳上上部部的的最最大大主主应应力力几几乎乎处处处
15、处是是水水平平或或接接近近水水平平的的，而而且且最最大大水水平平应应力力主主应应力力一一般般为垂直应力的为垂直应力的12倍倍。这这样样就就从从根根本本上上动动摇摇了了地地应应力力是是静静水水压压应应力的理论和垂直应力为主的观点。力的理论和垂直应力为主的观点。第21页，讲稿共111张，创作于星期日3 3）李四光：）李四光：在在构造应力的作用构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚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。分量。4 4）哈斯特：）哈斯特：地应力测量发现存在于地壳上部的地应力测量发现存在于地壳上部的最大主最大主
16、应力应力几乎处处是几乎处处是水平或接近水平水平或接近水平的，从根本上动摇了地应的，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。力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。5 5）近期研究：）近期研究：重力作用和构造运动是引起地应力的重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以主要原因，其中尤以水平方向的构造运动水平方向的构造运动对地应力的形成对地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要由影响最大。当前的应力状态主要由最近一次的构造运动最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。所控制，但也与历史上的构造运动有关。c c 地应力分布理论：地应力分布理论：第22页，讲稿
17、共111张，创作于星期日因因此此，重重力力作作用用和和构构造造运运动动是是引引起起地地应应力的主要原因，力的主要原因，地地应应力力的的大大小小和和方方向向不不可可能能通通过过数数学学计计算算或或模模型型分分析析的的方方法法来来获获得得，要要了了解解一一个个地地区区的的地地应应力力状状态态，唯唯一一的的方方法法就就是是进行地应力测量。进行地应力测量。第23页，讲稿共111张，创作于星期日6.2 地应力的成因地应力的成因产产生生地地应应力力的的原原因因是是十十分分复复杂杂的的，至至今今也也不是十分清楚。不是十分清楚。近近30多多年年来来的的实实测测和和理理论论分分析析表表明明，地地应应力力的的形形
18、成成主主要要与与地地球球的的各各种种运运动动过过程程密密切切相关，相关，第24页，讲稿共111张，创作于星期日6.2地应力的成因地应力的成因包包括括：板板块块边边界界受受压压、地地幔幔热热对对流流、地地球球内内应应力力、地地心心引引力力、地地球球旋旋转转、岩岩浆浆侵侵入入和和地地球非均匀扩容等。球非均匀扩容等。另另外外，温温度度不不均均、水水压压梯梯度度、地地表表剥剥蚀蚀或或其其他他物物理理化化学学变变化化等等也也可可以以引引起起相相应应的的应应力力场场。下面就几种主要成因进行分述：下面就几种主要成因进行分述：第25页，讲稿共111张，创作于星期日（1）大陆板块边界受压引起的应力场）大陆板块边
19、界受压引起的应力场中国大陆板块受到外部印度洋板块和太平洋板块两板块的挤中国大陆板块受到外部印度洋板块和太平洋板块两板块的挤压，推挤速度为每年数厘米，同时还受到西伯利亚板块和菲压，推挤速度为每年数厘米，同时还受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束律宾板块的约束我国大陆板块发生我国大陆板块发生变形，产生水平压变形，产生水平压应力场，其主应力应力场，其主应力迹线如图迹线如图4-1所示。所示。第26页，讲稿共111张，创作于星期日（2 2）地幔热对流引起的应力场）地幔热对流引起的应力场 由硅镁组成的地幔因温度很由硅镁组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下高，具有可塑性，并可以上下对对流和蠕动流和蠕动
20、。当地幔深处的上升流。当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就分为两股方到达地幔顶部时，就分为两股方向向相反的平流相反的平流，经一定流程直到，经一定流程直到与与令一对流圈令一对流圈的反向平流相遇，的反向平流相遇，一起一起转为下降流转为下降流回到地球深处，回到地球深处，形成形成封闭的循环体系封闭的循环体系。地幔热对。地幔热对流引起地壳下面的流引起地壳下面的水平切向力水平切向力。第27页，讲稿共111张，创作于星期日（3）由地心引力引起的应力场）由地心引力引起的应力场由由地地心心引引力力引引起起的的应应力力场场称称为为重重力力应应力力场场，重重力力应应力力场场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。是各种
21、应力场中唯一能够计算的应力场。重重力力应应力力为为垂垂直直方方向向应应力力，它它是是地地壳壳中中所所有有各各点点垂垂直直应力的主要组成部分，应力的主要组成部分，但但垂垂直直应应力力一一般般并并不不完完全全等等于于自自重重应应力力，因因为为板板块块移移动动、岩岩浆浆对对流流和和侵侵入入、岩岩体体非非均均匀匀扩扩容容、温温度度不不均均和和水水压压梯梯度度等等，均会引起垂直方向应力的变化。均会引起垂直方向应力的变化。第28页，讲稿共111张，创作于星期日3 3）由地心引力引起的应力场）由地心引力引起的应力场 由地心引力引起的应力场称由地心引力引起的应力场称为为重力应力场重力应力场。重力应力场是。重力
22、应力场是各种应力场中唯一各种应力场中唯一可以测量可以测量的应力场。的应力场。垂直应力垂直应力：平均容重，平均容重，KN/mKN/m3 3HH总深度（总深度（m m）图图 岩体自重垂直应力岩体自重垂直应力第29页，讲稿共111张，创作于星期日（4）岩浆侵入引起的应力场）岩浆侵入引起的应力场 岩岩浆浆侵侵入入挤挤压压、冷冷凝凝收收缩缩和和成成岩岩过过程程，由由于于不不同同的的热热膨膨胀胀系系数数及及热热力力学学过过程程等等，均均会会在在周周围围地地层层中中产产生生相相应应的的应应力力场场，但但它是一种局部应力场。它是一种局部应力场。第30页，讲稿共111张，创作于星期日4 4）岩浆侵入引起的）岩浆
23、侵入引起的应力场应力场 岩浆倾入岩浆倾入挤压、冷挤压、冷凝收缩和成岩凝收缩和成岩，均在周，均在周围底层产生相应的应力围底层产生相应的应力场。场。与上述三种应力场与上述三种应力场不同，由岩浆侵入引起不同，由岩浆侵入引起的应力场是一种的应力场是一种局部应力局部应力场。场。第31页，讲稿共111张，创作于星期日（5）地温梯度引起的应力场）地温梯度引起的应力场地地层层的的温温度度随随着着深深度度的的增增加加而而升升高高，一一般般的温度梯度为每百米的温度梯度为每百米3。由由于于温温度度梯梯度度而而引引起起地地层层中中不不同同深深度度不不同同的的膨膨胀胀，从从而而引引起起地地层层中中的的局局部部压压应应力
24、力产产生。生。第32页，讲稿共111张，创作于星期日5 5）地温梯度引起的应力）地温梯度引起的应力 随埋深增加，地温增高，岩体性质改变产生附加应力随埋深增加，地温增高，岩体性质改变产生附加应力。一般地温梯度：一般地温梯度：岩体的体膨胀系数：岩体的体膨胀系数：，岩体弹模，岩体弹模E=10E=104 4MPaMPa；地温梯度引起的温度应力约为：地温梯度引起的温度应力约为：z-z-深度深度/m/m。随埋深增加，地温增高，岩体性质改变而产生附加应力。随埋深增加，地温增高，岩体性质改变而产生附加应力。温度应力是同深度的垂直应力的温度应力是同深度的垂直应力的1/91/9，并呈静水压力状态。，并呈静水压力状
25、态。第33页，讲稿共111张，创作于星期日（6）地表剥蚀产生的应力场）地表剥蚀产生的应力场 地地壳壳上上升升部部分分岩岩体体因因为为风风化化、侵侵蚀蚀和和剥剥蚀蚀作作用用，由由于于岩岩体体内内的的颗颗粒粒结结构构的的变变化化和和应应力力松松弛弛赶赶不不上上这这种种变变化化，导导致致岩岩体体内内仍仍然然存存在在着着比比由由地地层层厚厚度度所所引引起起的的自自重重应应力力还还要大得多的水平应力。要大得多的水平应力。地壳岩体因为风化、侵蚀、雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用，地壳岩体因为风化、侵蚀、雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用，使得岩体内产生颗粒的结构变化和应力松弛产生水平应力场。使得岩体内产生颗粒的结构变化
26、和应力松弛产生水平应力场。第34页，讲稿共111张，创作于星期日区域初始应力场有一致性，而区域内局部地点区域初始应力场有一致性，而区域内局部地点的初始应力又有很大差别，主要是由地质因素的初始应力又有很大差别，主要是由地质因素造成的。造成的。孤立山体：孤立山体：岩体自重起主导作用，岩体自重起主导作用，V H陡峭河谷陡峭河谷：底部出现应力集中，最大主应力与河底部出现应力集中，最大主应力与河谷轴近似垂直。如二滩水电站处于河谷地段的应力谷轴近似垂直。如二滩水电站处于河谷地段的应力集中范围达集中范围达500m，深度，深度250m第35页，讲稿共111张，创作于星期日断裂带：断裂带：残留较大构造应力。如云
27、南鲁布革电站工残留较大构造应力。如云南鲁布革电站工程中岩体最大主应力与断层走向近似垂直，积聚于程中岩体最大主应力与断层走向近似垂直，积聚于上盘岩体中。上盘岩体中。地壳表面剥蚀：地壳表面剥蚀：垂直应力减少，近地表处，垂直应力减少，近地表处，H V此外，地震活跃地区，初始应力大小和方向还此外，地震活跃地区，初始应力大小和方向还随时间而变化。随时间而变化。第36页，讲稿共111张，创作于星期日6.3 地应力的变化规律地应力的变化规律通通过过理理论论、地地质质调调查查和和大大量量的的地地应应力力测测量量资资料料的的分分析析与与研研究究，已已初初步步认认识识到到浅浅部部地地壳壳应应力力分分布布的的一一些
28、些基基本本规律：规律：（1）地地应应力力是是个个相相对对稳稳定定的的非非稳稳定定应应力力场场，它它是是时时间间和空间的函数。和空间的函数。地地应应力力在在绝绝大大部部分分地地区区是是以以水水平平应应力力为为主主的的三三向向不不等等压压应应力力场场。三三个个主主应应力力的的大大小小和和方方向向是是随随着着时时间间和和空空间间而而变化的，因而它是一个非稳定的应力场，变化的，因而它是一个非稳定的应力场，第37页，讲稿共111张，创作于星期日6.3 地应力的变化规律地应力的变化规律（1）地地应应力力是是个个相相对对稳稳定定的的非非稳稳定定应应力力场场，它它是是时时间和空间的函数。间和空间的函数。从从小
29、小范范围围来来看看，它它在在空空间间上上的的变变化化是是比比较较明明显显的的，但但就就某某个地区整体而言，其变化并不大。个地区整体而言，其变化并不大。在在某某些些地地震震活活跃跃地地区区，地地应应力力的的大大小小和和方方向向随随时时间间的的变变化化是是很很明明显显的的，地地震震前前，应应力力处处于于累累积积阶阶段段，应应力力值值不不断断升升高高，而而地地震震时时使使集集中中应应力力得得到到释释放放，应应力力值值大大幅幅度度下下降降，要要过过一一段段时时间间后后才才能能恢恢复复到到震震前状态。前状态。第38页，讲稿共111张，创作于星期日（2）实测铅垂应力基本等于上覆岩层重量）实测铅垂应力基本等
30、于上覆岩层重量对对全全世世界界实实测测统统计计资资料料的的分分析析表表明明，在在深深度度为为252700m的的范范围围内内，垂垂直直应应力力呈呈线线性性增增长长，大大致致符符合合海海姆姆的假设规律，的假设规律，但但在在某某些些地地区区的的测测量量结结果果有有一一定定的的偏偏差差，这这些些偏偏差差除除测测量量误误差差外外，板板块块移移动动、岩岩浆浆运运动动和和不不均均匀匀膨膨胀胀、扩扩容容等等都都会会产生垂直应力异常。产生垂直应力异常。图图4-2是是霍霍克克（E.Hoek）和和布布朗朗（E.T.Brown）总总结结出出来来的世界各国值随深度的世界各国值随深度H的变化规律。的变化规律。第39页，讲
31、稿共111张，创作于星期日2 2）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量 世界各国垂直应力随深度变化的规律世界各国垂直应力随深度变化的规律垂直应力 随深度线性增加。平均容重约为27KN/m3第40页，讲稿共111张，创作于星期日（3）水平应力普遍大于铅垂应力）水平应力普遍大于铅垂应力实实测测资资料料表表明明，在在绝绝大大多多数数地地区区均均有有两两个个主主应应力力位位于于水水平平或或接接近近水水平平的的平平面面内内，其其与与水水平平面面的的夹夹角角一一般般不不大大于于30，最最大大水水平平主主应应力力普普遍遍大大于于垂垂直直应应力力，它它们们的的比值一般在比值一
32、般在0.55.5之间，在很多情况下比值大于之间，在很多情况下比值大于2。垂垂直直应应力力在在大大多多数数情情况况下下为为最最小小主主应应力力，在在少少数数情情况况下下为为中中间间主主应应力力，只只在在个个别别情情况况下下为为最最大大主主应应力力。这这再再次次说说明明，水水平方向的构造运动对地壳浅层地应力的形成起控制作用。平方向的构造运动对地壳浅层地应力的形成起控制作用。第41页，讲稿共111张，创作于星期日3 3）水平应力普遍大于垂直应力。）水平应力普遍大于垂直应力。第42页，讲稿共111张，创作于星期日（4）平均水平应力与铅垂应力的比值随深度增加而减）平均水平应力与铅垂应力的比值随深度增加而
33、减小，但在不同地区，变化的速度很不相同，图小，但在不同地区，变化的速度很不相同，图4-3为世为世界不同地区取得的实测结果。界不同地区取得的实测结果。该该图图表表明明，在在深深度度不不大大的的情情况况下下，两两者者的的比比值值相相当当分分散散。随随着着深深度度的的增增加加，该该值值的的变变化化范范围围逐逐步步缩缩小小，并并向向1附附近近集集中中，这这说说明明在在地地壳壳深深部部有有可可能能出出现现静静水水压应力状态。压应力状态。第43页，讲稿共111张，创作于星期日4 4）平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小，且趋近于）平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小，且趋近于1 1第44页，讲
34、稿共111张，创作于星期日5）最大水平主应力）最大水平主应力和最小水平主应和最小水平主应力也随深度呈线力也随深度呈线性增长关系。性增长关系。第45页，讲稿共111张，创作于星期日（6）最最大大水水平平主主应应力力和和最最小小水水平平应应力力之之值值一一般般相相差差较较大大，其其方方向向也也受受地地质质构构造造影影响，显示出很强的方向性特点。响，显示出很强的方向性特点。第46页，讲稿共111张，创作于星期日6)最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。大，显示出很强的方向性。sh,min/sh,max，一般，一般为为0.20.
35、8.多数多数为为0.40.8第47页，讲稿共111张，创作于星期日（7）地地应应力力除除上上述述分分布布规规律律外外，还还受受地地形形、岩体结构、断层等方面的扰动影响。岩体结构、断层等方面的扰动影响。地地形形对对原原始始地地应应力力的的影影响响是是十十分分复复杂杂的的，一一般般来来说说，谷谷底底是是应应力力集集中中部部位位，越越靠靠近近谷谷底底其应力集中程度也会越明显。其应力集中程度也会越明显。随随着着深深度度的的增增加加或或远远离离谷谷底底边边坡坡，则则地地应应力力分分布布状状态态逐逐渐渐趋趋于于规规律律化化，并并显显示示出出和和区区域域应力场的一致性。应力场的一致性。第48页，讲稿共111
36、张，创作于星期日在在断断层层和和结结构构面面附附近近，地地应应力力分分布布状状态态也也会会出现明显的扰动。出现明显的扰动。断断层层端端部部、拐拐角角处处及及交交汇汇处处将将出出现现应应力力集集中中的现象。的现象。由由于于断断层层带带中中的的岩岩体体一一般般都都比比较较软软弱弱和和破破碎碎，不不能能承承受受高高的的应应力力和和不不利利于于能能量量积积累累，所所以以此处成为应力降低带。此处成为应力降低带。第49页，讲稿共111张，创作于星期日随着断层性质的不同，其影响也不一样，随着断层性质的不同，其影响也不一样，如如果果是是压压性性断断层层，其其中中的的应应力力状状态态与与周周围围岩岩体体比比较较
37、接接近近，只只是是主主应应力力的的大大小小比比周周围围岩岩体体有所下降，有所下降，若若是是张张性性断断层层，其其中中的的地地应应力力大大小小和和方方向向与与周围岩体相比均要发生显著的变化。周围岩体相比均要发生显著的变化。第50页，讲稿共111张，创作于星期日6.4 地应力的实测方法地应力的实测方法6.4.1 地应力实测的基本原理地应力实测的基本原理原岩地应力测量就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未扰动的三维应力，原原位位地地应应力力测测量量是目前取得工程需要的不同深度原岩应力可靠资料的唯一方法。第51页，讲稿共111张，创作于星期日岩岩体体中中一一点点的的三三维维压压力力状状态态可可由由选
38、选定定坐坐标标系系中中的的六六个个应应力力分分量来表示，如图量来表示，如图4-4所示。所示。但图中的坐标系一般取地球但图中的坐标系一般取地球坐标系作测量坐标系，这样由坐标系作测量坐标系，这样由六个应力分量可求得该点的三六个应力分量可求得该点的三个主应力的大小和方向就是唯个主应力的大小和方向就是唯一的，这种测量通常叫一的，这种测量通常叫“点点”测量方法测量方法。第52页，讲稿共111张，创作于星期日尽尽管管也也有有一一些些（如如超超声声波波地地球球物物理理方方法法）测测定定大大范范围围岩岩体体内内平平均均应应力力方方法法，但但这这些些方方法法不不如如“点点”测测量量方方法法准准确确，因此，因此，
39、“点点”测量方法更为普及测量方法更为普及。由由于于地地应应力力的的复复杂杂和和多多变变性性，要要比比较较准准确确测测定定某某一一地地区区地应力，必须进行充足数量地应力，必须进行充足数量“点点”测量，测量，再再借借助助数数值值、数数理理统统计计、灰灰色色建建模模和和人人工工智智能能等等处处理理方法，来描述该地区全部地应力场状态。方法，来描述该地区全部地应力场状态。第53页，讲稿共111张，创作于星期日在在进进行行原原位位地地应应力力测测量量时时，为为了了让让人人和和设设备备进进入入观观测测地地点点不不可可避避免免的的要要预预先先开开挖挖一一些巷道和峒室。些巷道和峒室。因因此此，只只要要巷巷道道和
40、和峒峒室室一一开开，其其周周围围岩岩体体中中的的应应力力状状态态就就受受到到扰扰动动进进行行重重新新分分布布而而产生了次生应力，产生了次生应力，第54页，讲稿共111张，创作于星期日若若要要在在峒峒室室表表面面进进行行测测量量（如如早早期期的的扁扁千千斤斤顶顶法法），再再在在计计算算原原始始应应力力时时再再考考虑虑扰扰动作用，动作用，但但这这种种扰扰动动非非常常复复杂杂，不不可可能能精精确确计计算算和和分分析析，导导致致所所测测得得的的数数据据不不准准确确，有有的的甚甚至是错误的结论。至是错误的结论。第55页，讲稿共111张，创作于星期日第56页，讲稿共111张，创作于星期日为为了了避避免免这
41、这种种不不足足，尽尽量量少少扰扰动动原原岩岩中中的压力状态，保证测量结果的真实有效，的压力状态，保证测量结果的真实有效，因因此此，从从峒峒室室表表面面再再向向岩岩体体中中打打小小直直径径的的深深孔孔，直直到到原原岩岩应应力力区区，让让测测量量过过程程只只在在小小孔孔中中进进行行，由由于于小小孔孔对对原原岩岩应应力力状态的扰动是可以忽略不计的。状态的扰动是可以忽略不计的。第57页，讲稿共111张，创作于星期日目目前前，普普遍遍采采用用的的应应力力解解除除法法和和水水压压致致裂裂法法均属于此类方法。均属于此类方法。但但是是，任任何何一一种种实实测测方方法法都都需需要要通通过过扰扰动动（通通常常是是
42、打打钻钻孔孔），打打破破原原有有状状态态，在在从从一一种种平平衡衡状状态态到到新新的的平平衡衡状状态态过过程程中中，通通过过对对力力或或应应力力的的效效应应的的间间接接测测定定来来实实现现，不不可可能能完全实现原岩应力的测试。完全实现原岩应力的测试。第58页，讲稿共111张，创作于星期日原原岩岩应应力力实实测测方方法法因因其其所所用用传传感感器器原原理理和和结结构构的的不不同同而而有有许许多多种种：孔孔径径变变形形法法、水水压致裂法、孔壁应变法、空心包体应变法。压致裂法、孔壁应变法、空心包体应变法。其其中中，前前二二种种是是二二维维应应力力测测量量，可可以以测测量量与钻孔轴线垂直截面上的原岩应
43、力分量；与钻孔轴线垂直截面上的原岩应力分量；后后二二种种是是三三维维应应力力测测量量，可可以以一一次次测测得得全全部六个应力分量；部六个应力分量；第59页，讲稿共111张，创作于星期日测量方法：测量方法：1 1）测量）测量手段手段的不同划分：的不同划分：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。2 2）测量）测量原理原理的不同划分：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、裂法、声发射法、X X射线法、重力法射线法、重力法3 3）测量）测量基本原理基本原理不同
44、划分：不同划分：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。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。理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。第60页，讲稿共111张，创作于星期日直接测量法：直接
45、测量法：由由测测量量仪仪器器直直接接测测量量和和记记录录各各种种应应力力量量，如如补补偿偿应应力力、平平衡衡应应力力，并并由由这这些些应应力力量量和和原原岩岩应应力力的的相相互互关关系系，通通过过计计算算获获得得原原岩岩应应力力值值的的方方法法。在在计计算算过过程程中中并并不不涉涉及及不不同同物物理理量量的的换换算算，不不需需要要知知道道岩岩石石的的物物理理力力学学性性质质和和应应力力-应应变关系。变关系。扁扁千千斤斤顶顶法法、水水压压致致裂裂法法、刚刚性性包包体体应应力力计计法法和和声声发发射射法法等等均均属属此此种种测测量量法法，其其中中，水水压压致致裂裂法法是是目目前前应应用用最最广的方
46、法，声发射次之。广的方法，声发射次之。第61页，讲稿共111张，创作于星期日间接测量法：间接测量法：不不直直接接测测量量应应力力量量，而而是是借借助助某某些些传传感感器器元元件件或或某某些些介介质质，测测量量和和记记录录岩岩体体中中某某些些与与应应力力有有关关的的间间接接物物理理量量的的变变化化，如如岩岩体体中中的的变变形形或或应应变变、弹弹性性波波传传播速度变化等，播速度变化等，然然后后由由测测得得的的间间接接物物理理量量的的变变化化，通通过过已已知知的的公公式式计计算岩体中的应力值的方法。算岩体中的应力值的方法。第62页，讲稿共111张，创作于星期日间接测量法：间接测量法：因因此此，在在间
47、间接接测测量量法法中中，为为了了计计算算应应力力值值，首首先先必必须须确确定定岩岩体体的的某某些些物物理理力力学学性性质质以以及及所所测测物物理理量量和和应应力力的的相相互互关关系。系。其其中中，套套孔孔应应力力解解除除法法是是目目前前国国内内外外最最普普遍遍采采用用的的，且且发发展较为成熟的一种间接测量地应力的方法。展较为成熟的一种间接测量地应力的方法。第63页，讲稿共111张，创作于星期日6.4.1 6.4.1 直接测量法直接测量法1 1 扁千斤顶法扁千斤顶法2 2 刚性包体应力计法刚性包体应力计法3 3 水压致裂法水压致裂法4 4 声发射法声发射法第64页，讲稿共111张，创作于星期日6
48、.4.1 6.4.1 直接测量法直接测量法(一、扁千斤顶法一、扁千斤顶法)示意图 步骤：步骤：1)1)在准备测量地应力在准备测量地应力的岩石表面，安装两的岩石表面，安装两个测量柱并测量两柱个测量柱并测量两柱之间的距离之间的距离.2)在与两柱对称的中间位置向岩体内开挖一个垂直于测量柱在与两柱对称的中间位置向岩体内开挖一个垂直于测量柱连线的扁槽，并测量记录开挖过程过程中两测量柱之间距离连线的扁槽，并测量记录开挖过程过程中两测量柱之间距离的变化的变化.第65页，讲稿共111张，创作于星期日6.4.1 6.4.1 直接测量法直接测量法(一、扁千斤顶法一、扁千斤顶法)示意图 3)3)将扁千斤顶放入槽内将
49、扁千斤顶放入槽内并加压，测量两柱之间并加压，测量两柱之间的距离，直到恢复到扁的距离，直到恢复到扁槽开挖前的距离，记录槽开挖前的距离，记录千斤顶压力；这一压力千斤顶压力；这一压力称为称为“平衡压力平衡压力”或或“补偿应力补偿应力”第66页，讲稿共111张，创作于星期日6.4.1 直接测量法直接测量法1）扁千斤顶法）扁千斤顶法扁扁千千斤斤顶顶法法又又称称“压压力力枕枕”，由由两两块块薄薄钢钢板板沿沿周周围围焊焊接接而而成成。在周边处有一个油压入口和一个出气阀。在周边处有一个油压入口和一个出气阀。测量步骤如下：测量步骤如下：1、在在准准备备测测量量应应力力的的岩岩石石表表面面，如如巷巷道道、峒峒室室
50、的的表表面面，安安装装两两个个测测量量柱柱，并并用用微微米米表表测测量量两两柱柱之之间间的的距距离。离。第67页，讲稿共111张，创作于星期日u2、在在与与俩俩测测量量柱柱对对称称的的中中间间位位置置向向岩岩体体内内开开挖挖一一个个垂垂直直于于测测量量柱柱连连线线的的扁扁槽槽，槽槽的的大大小小、形形状状和和厚厚度度需需和和扁千斤顶相一致。扁千斤顶相一致。由由于于扁扁槽槽的的开开挖挖，造造成成局局部部应应力力释释放放并并引引起起测测量量柱柱之间距离的变化，测量并记录这一变化值。之间距离的变化，测量并记录这一变化值。第68页，讲稿共111张，创作于星期日3、将将扁扁千千斤斤顶顶完完全全塞塞入入槽槽