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1、第三章第三章 地应力及其测量地应力及其测量一一 概述概述二二 地应力的成因及分类地应力的成因及分类三三 分布规律分布规律四四 测量方法测量方法五五 高地应力地区的岩石力学问题高地应力地区的岩石力学问题1 1 概述概述地应力地应力 岩体中各种应力的总称（一般不包括渗流荷载）应力场应力场 应力在空间有规律的分布状态称为应力场。如自重应力场，构造应力场。天然应力（或初始应力）天然应力（或初始应力）指工程施工前就存在于岩体中的应力，如自重应力、指工程施工前就存在于岩体中的应力，如自重应力、构造应力、温度应力、渗流荷载。构造应力、温度应力、渗流荷载。围岩的初始应力场：围岩的初始应力场：由于岩体自重和地质
2、构造作用由于岩体自重和地质构造作用,在开挖隧道前岩体中就在开挖隧道前岩体中就已经存在着一定的地应力场已经存在着一定的地应力场,称为围岩的初始应力场称为围岩的初始应力场.地应力测量必要性：天然岩体是预应力体工程建设需要数值计算的必备参数分布复杂，要了解必须进行测量2 2 地应力的成因和分类地应力的成因和分类1 1）自重应力自重应力：由岩体的自重所引起的应力称为：由岩体的自重所引起的应力称为岩体的自重应力。岩体的自重应力。2 2）构造应力构造应力：由地壳构造运动在岩体中所引起：由地壳构造运动在岩体中所引起的应力称为构造应力的应力称为构造应力3 3）温度应力温度应力：由岩体内地温梯度的影响而产生：由
3、岩体内地温梯度的影响而产生的应力称温度应力。的应力称温度应力。3C/100m3C/100m4 4）成岩应力成岩应力：岩石生成过程中在成岩作用下所：岩石生成过程中在成岩作用下所产生的应力。如结晶作用，变质作用，沉积作用，产生的应力。如结晶作用，变质作用，沉积作用，固结作用，脱水作用等。固结作用，脱水作用等。5 5）渗流荷载渗流荷载：地下水在岩体中运动所产生的荷：地下水在岩体中运动所产生的荷载。渗流荷载一般作为外荷载载。渗流荷载一般作为外荷载6 6）施工应力施工应力：人为因素产生。：人为因素产生。在天然应力中，成岩应力仅在岩石生成过程中起在天然应力中，成岩应力仅在岩石生成过程中起作用，温度应力在地
4、表浅部作用较小，所以，岩作用，温度应力在地表浅部作用较小，所以，岩体中天然应力主要是构造应力和自重应力，两者体中天然应力主要是构造应力和自重应力，两者构成了天然应力场的主要部分。构成了天然应力场的主要部分。岩体在长期的地质作用过程中，已处于一种天然岩体在长期的地质作用过程中，已处于一种天然的平衡状态，但在工程建设中，不仅会施加附加的平衡状态，但在工程建设中，不仅会施加附加应力，还会引起应力重分布，正是由于工程建筑，应力，还会引起应力重分布，正是由于工程建筑，岩体的天然稳定状态将随之改变。岩体的天然稳定状态将随之改变。3 3 地应力的分布规律地应力的分布规律岩体中的天然应力状态：非常复杂。岩体中
5、的天然应力状态：非常复杂。影响因素：地质构造、岩性、地形、地貌影响因素：地质构造、岩性、地形、地貌等。等。岩体中的天然应力大小及分布规律的认识岩体中的天然应力大小及分布规律的认识仍是初步的。仍是初步的。到目前为止，对天然应力还缺乏完整的系到目前为止，对天然应力还缺乏完整的系统理论，还无法进行较完善的理论计算，统理论，还无法进行较完善的理论计算，只能由实测来确定。只能由实测来确定。这就给天然应力场的确定造成很大困难。这就给天然应力场的确定造成很大困难。1、地应力是一个相对稳定的非稳定应力场，地应力是一个相对稳定的非稳定应力场，是时间和空间的函数。是时间和空间的函数。大部分地区为以水平应力为主的三
6、向不等大部分地区为以水平应力为主的三向不等压应力场。压应力场。3 3 地应力的分布规律地应力的分布规律2 2 实测垂直应力基本等上覆岩层的重量实测垂直应力基本等上覆岩层的重量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4 4 平均水平应平均水平应力和垂直应力力和垂直应力的比值随深度的比值随深度增加而减小，增加而减小，在不同地区变在不同地区变化速度不同。化速度不同。5 5 最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长斯蒂芬森(OStephansson)等人根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平主应力和最小水平主应力随深度变化的线性方
7、程：最大水平主应力hmax=6.7+0.0444H(MPa)最小水平主应力hmin=0.8+0.0329H(MPa)式中H为深度，单位为m6 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。一般为一般为0.20.20.80.8，多数情况下为，多数情况下为0.40.40.80.8。7地应力分布受多种因素影响特别是地层和断层的影响最大。4 4 地应力的确定方法地应力的确定方法1 1 地应力场实测地应力场实测地应力场实测地应力场实测量测围岩的绝对应力值，包括大小和方向；量测围岩的绝对应力值，包括大小和方向；量
8、测围岩应力在开挖过程中的相对变化。量测围岩应力在开挖过程中的相对变化。2 量测方法：量测方法：直接法：直接法：扁千斤顶法，水压致裂法等扁千斤顶法，水压致裂法等间接法间接法：应力解除法应力解除法孔底法、孔壁和孔径法；孔底法、孔壁和孔径法；应力恢复法应力恢复法。2 2 地质力学分析地质力学分析地质力学分析地质力学分析确定围岩初始应力场的方向；确定围岩初始应力场的方向；初始应力场量值的计算；初始应力场量值的计算；水平和垂直应力比值的评价。水平和垂直应力比值的评价。扁千斤顶法压力枕法应力恢复法测地应力其基本原理是事先在隧道的岩壁表面安装应变计，并记录下应变计的初读数，然后在岩壁上掏一个狭长的槽口，这就
9、解除了垂直于槽口的法向约束和平行于槽口的切向约束，应变计读数将下降；最后将扁千斤顶放入槽口，固定后加压，使应变计读数恢复到掏槽前的数值。此时，扁千斤顶显示的压力即为岩体中相应方向的应力评价：直接得到应力值，不受岩体应力应变关系制约；所测结果为二次应力，还原原岩应力需根据有关理论进行修正。水压致裂法原理Pi=32-1+TPS=2Pr=32-1若有裂隙水压若有裂隙水压P0则在式中减去则在式中减去该项该项P Pi i初始开裂压力初始开裂压力PsPs关闭压力关闭压力PrPr裂隙重开时的压力裂隙重开时的压力水压致裂法优缺点优点：能测量深部应力，已见报道的测点深5000m；不需预先开巷道；适合完整脆性岩石
10、中使用缺点：只能确定垂直于钻孔面的2维应力；精度不够孔底应力解除法实施步骤1 钻孔至测量深度 2 在孔底贴应变片 3 解除围岩应力。评价：1 只能测得孔底平面的两个主应力，三维应力需三个孔测量；2 由于孔底应力集中影响，所测应力较真实原岩应力要高些 孔壁应力解除法实施步骤1 钻孔至测量深度 2 在孔底钻小孔并在孔壁贴应变片 3 解除围岩应力。评价：用一个钻孔就可测得围岩三维应力状态应力解除法总结：环境温度效应计补偿假设是：岩石线弹性、连续均质和各项同性基础上计算而得新的更精确的方法有待建立原岩应力场确定方法总结原岩应力场确定方法总结应力解除和恢复法适用于埋深较浅的隧道或硐应力解除和恢复法适用于
11、埋深较浅的隧道或硐室室水力压裂法适合于深部地应力测量（水力压裂法适合于深部地应力测量（500m以以上）或石油钻孔等上）或石油钻孔等地质力学法可以给出较大范围内原岩应力的定地质力学法可以给出较大范围内原岩应力的定性评价，若与实测资料结合，会对工程范围内性评价，若与实测资料结合，会对工程范围内岩体的原岩应力作出较可靠的评价。岩体的原岩应力作出较可靠的评价。最近提出的试算法、多元回归分析法和位移反最近提出的试算法、多元回归分析法和位移反分析法等尚有待完善。分析法等尚有待完善。5 5 高地应力问题高地应力问题 岩体中的应力积累达到单轴强度时，就是高岩体中的应力积累达到单轴强度时，就是高地应力。高地应力
12、表现特征，首先是地震，地应力。高地应力表现特征，首先是地震，在工程上有以下特征：在工程上有以下特征：岩爆、剥离岩爆、剥离由于高地应力的存在，在地下洞室开挖中，会出由于高地应力的存在，在地下洞室开挖中，会出现岩石的脆性破裂，积聚在岩石中的应变能由于现岩石的脆性破裂，积聚在岩石中的应变能由于突然释放而产生岩爆或剥离。突然释放而产生岩爆或剥离。在开挖前，岩石处于三向应力状态，岩石强度相在开挖前，岩石处于三向应力状态，岩石强度相对较高，当开挖后，侧向应力减小至零，而岩石对较高，当开挖后，侧向应力减小至零，而岩石中的应力积累已超过岩石单轴强度，则当应力超中的应力积累已超过岩石单轴强度，则当应力超过值较小时，出现岩石剥离，应力大时出现岩爆。过值较小时，出现岩石剥离，应力大时出现岩爆。五 高地应力问题高地应力问题岩坡错动：边坡开挖中，由于高地应力岩坡错动：边坡开挖中，由于高地应力卸荷后，发生岩坡错动。有两种形式：卸荷后，发生岩坡错动。有两种形式：五 高地应力问题高地应力问题洞室缩径洞室缩径当洞壁应力超过岩石强度时，岩石向洞内当洞壁应力超过岩石强度时，岩石向洞内变形。这是软岩强流变成柔性剪切破坏的变形。这是软岩强流变成柔性剪切破坏的结果。结果。缩径多发生在矿山工程中（地下深部巷道）缩径多发生在矿山工程中（地下深部巷道）。谢谢大家！