1、資源與環(huán)境工程學院原巖應力及其測量資源與環(huán)境工程學院原巖應力構成原巖應力構成及影響因素基本概念1、原巖：未經(jīng)采掘而又不受采動影響仍處于自然平衡狀態(tài)的巖體稱為原巖。資源與環(huán)境工程學院原巖應力構成2、原巖應力：在原巖中天然存在的應力稱為原巖應力，亦稱天然應力、初始應力或地應力。3、次生應力：在巖體中進行開挖以后，擾動了原巖的自然平衡狀態(tài)，引起巖體中應力的重新分布，變化后的應力稱為次生應力或二次應力。資源與環(huán)境工程學院原巖應力構成原巖應力的構成 由巖體自重、地質(zhì)構造運動、地形、地震力、水壓力、熱應力、剝蝕作用等作用力構成。資源與環(huán)境工程學院巖體初始應力場巖體初始應力場1、巖體自重應力場將巖體視為均勻

2、、連續(xù)且各向同性的彈性體。海姆理論Hz鉛垂應力Hzyx水平應力0zxyzxy剪應力資源與環(huán)境工程學院巖體初始應力場金尼克理論Hz鉛垂應力HHzyx1水平應力0zxyzxy剪應力資源與環(huán)境工程學院巖體初始應力場當深度H內(nèi)有多層巖石，且各層巖石容重不同時：niiiiiyxH11Hz鉛垂應力水平應力0zxyzxy剪應力資源與環(huán)境工程學院巖體初始應力場巖體構造應力場構造應力：這種在地殼中促使地殼發(fā)生變動的力稱為構造應力。構造應力場：構造應力在空間的分布狀態(tài)稱為構造應力場。資源與環(huán)境工程學院巖體初始應力場構造應力種類原始構造應力殘余構造應力現(xiàn)代構造應力資源與環(huán)境工程學院原巖應力分布的規(guī)律原巖應力分布的規(guī)

3、律自重應力場分布特點：1、以垂直應力為主，垂直應力大于水平應力。2、應力均為壓應力。3、應力隨深度增加而增加。 通常對于一些構造不發(fā)育、第四紀沖積層或巖體裂隙較發(fā)育，巖性較軟的地區(qū)，其原巖應力基本符合重力應力場的特點。資源與環(huán)境工程學院原巖應力分布的規(guī)律構造應力場分布特點：1、應力可能是壓應力，也可能是拉應力。2、以水平應力為主，一般水平應力大于垂直應力。3、分布很不均與，以地殼淺部為主。資源與環(huán)境工程學院地殼淺部原巖應力分布的規(guī)律地殼淺部原巖應力分布的規(guī)律：1、原巖應力場是一個相對穩(wěn)定的非穩(wěn)定的應力場。資源與環(huán)境工程學院地殼淺部原巖應力分布的規(guī)律2、實測鉛垂應力基本上等于上覆巖層重量。資源與

4、環(huán)境工程學院地殼淺部原巖應力分布的規(guī)律3、水平應力普遍大于鉛垂應力。資源與環(huán)境工程學院地殼淺部原巖應力分布的規(guī)律4、平均水平應力與鉛垂應力的比值隨深度的增加而減小。資源與環(huán)境工程學院地殼淺部原巖應力分布的規(guī)律5、水平主應力隨深度增加呈線性增長關系。6、兩個水平主應力一般相差較大，表現(xiàn)出較強的各向異性。7、應力軸與水平面一般有一定的角度。資源與環(huán)境工程學院影響原巖應力分布的因素影響原巖應力分布的因素1、地形2、巖體的結構、裂隙面3、巖體的力學性質(zhì)4、剝蝕作用5、溫度6、水資源與環(huán)境工程學院原巖應力測量原巖應力測量直接測量法扁千斤頂法聲發(fā)射法水壓致裂法剛性包體應力計法間接測量法全應力解除法局部應力

5、解除法孔底應力解除法孔徑變形法孔壁應變法切槽解除法平行鉆孔法中心鉆孔法資源與環(huán)境工程學院扁千斤頂法扁千斤頂法資源與環(huán)境工程學院扁千斤頂法1、扁千斤頂法測試步驟、在準備測量巖石表面安裝兩個測量柱，并用微米表測量兩柱之間的距離。、在于兩測量柱對稱的中間位置開挖一個垂直于測量柱連線的扁槽，槽的大小、形狀、厚度應與扁千斤頂一致。資源與環(huán)境工程學院扁千斤頂法、將扁千斤頂完全塞進槽內(nèi)，必要時需注漿將扁千斤頂與巖石膠結在一起。然后加壓，待兩測量柱之間距離恢復到開挖前大小時，停止加壓，記錄下此時扁千斤頂中壓力。資源與環(huán)境工程學院扁千斤頂法2、扁千斤頂法特點、扁千斤頂法只能測量一維次生應力。、扁千斤頂法假定巖石

6、完全線彈性。資源與環(huán)境工程學院聲發(fā)射法聲發(fā)射法聲發(fā)射法測試步驟、試件制備。、聲發(fā)射測試。、原巖應力計算。資源與環(huán)境工程學院聲發(fā)射法資源與環(huán)境工程學院剛性包體應力計法剛性包體應力計法 剛性包體壓力計由硬質(zhì)金屬材料制成的空心圓柱，其中心部位有一個壓力傳感器。測量時首先在測點打一鉆孔，然后將該圓柱擠壓進鉆孔中。這就相當于位于無限體中的剛性包體，當周圍巖體應力發(fā)生變化，在剛性包體中產(chǎn)生一個均勻分布的應力場，該應力場的大小與巖體中應力的變化存在一定的比例關系。資源與環(huán)境工程學院剛性包體應力計法資源與環(huán)境工程學院剛性包體應力計法資源與環(huán)境工程學院剛性包體應力計法資源與環(huán)境工程學院水壓致裂法水壓致裂法 水壓

7、致裂法是通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定測量深度加液壓將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點壓力及開裂方位，以此計算測點附近巖體中初始應力大小和方向。資源與環(huán)境工程學院水壓致裂法資源與環(huán)境工程學院水壓致裂法水壓致裂法應力計算方法2cos231310r133tiP1333sP當031133資源與環(huán)境工程學院水壓致裂法當考慮水壓力時0133PPPri0133PPTi 避免尋求鉆孔抗拉強度的困難，采取先使鉆孔裂隙打開，然后泄壓，再重新加壓，使裂隙重新打開，記錄裂隙重開時的壓力pr，即有：資源與環(huán)境工程學院水壓致裂法水壓致裂法測試步驟、打孔到測量部位，并將鉆孔中待加壓段用封隔器密封起來。、向密封隔離段注射高壓水，

8、不斷加大水壓，至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力Pi,然后繼續(xù)加壓直到裂隙擴張到3倍鉆孔直徑。資源與環(huán)境工程學院水壓致裂法、停止增壓，保持壓力恒定，此時的壓力稱為關閉壓力，記為Ps。最后卸壓，裂隙完全閉合。、重新向密封段注水，使裂隙重新打開并記下裂隙重開時的壓力Pr和隨后的恒定關閉壓力Ps。重復此過程23次，以提高數(shù)據(jù)的準確性。資源與環(huán)境工程學院水壓致裂法、將封隔器完全卸壓，將全部設備從鉆孔中取出。、測量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗段天然節(jié)理、裂隙位置、方向和大小。資源與環(huán)境工程學院應力解除法應力解除法 將具有初始應力的巖體用人為的方法解除其應力，使巖體變形恢復，再通過某種手段測出巖體恢復的變形（應變

9、或位移），然后按彈性理論求出巖體應力（主應力的大小和方向）。資源與環(huán)境工程學院應力解除法資源與環(huán)境工程學院孔底應力解除法孔底應力解除法 先打平底鉆孔到需測應力的預定深度，再把電阻應變片（或光彈性應變計）等測量應變的裝置貼在孔底平面中部作為應變傳感器，然后用環(huán)形鉆頭延伸鉆孔，使貼有應變花的巖芯與基巖分離，實現(xiàn)應力解除。根據(jù)應力解除過程中的孔底恢復應變，轉(zhuǎn)求巖體應力，這種方法稱為孔底應力解除法。資源與環(huán)境工程學院孔底應力解除法資源與環(huán)境工程學院孔底應力解除法孔底應力解除測試步驟 、在測點處用76鉆頭打一平底鉆孔至擬測深度。、用磨平鉆頭將孔底磨平、打光，沖洗鉆孔，并使之干燥。資源與環(huán)境工程學院孔底應

10、力解除法、將環(huán)氧樹脂粘結劑涂到孔底和應變傳感器探頭上，用安裝器將傳感器粘貼在孔底，經(jīng)20小時等粘接劑固化后，讀取初始應變讀數(shù)，拆除安裝工具。、用環(huán)形鉆頭鉆出環(huán)形間隙，深度為巖芯直徑2倍，以便使貼有電阻應變花的孔底巖芯與基巖分離，實現(xiàn)應力解除。資源與環(huán)境工程學院孔底應力解除法、測量解除后的應變值，它與初始讀數(shù)之差即為恢復的應變值。、取出巖芯，在實驗室測定巖芯彈性模量和泊松比。資源與環(huán)境工程學院孔底應力解除法資源與環(huán)境工程學院孔底應力解除法計算方法由孔底應變計算孔底應力基本條件2sin2sincos22xyyx資源與環(huán)境工程學院孔底應力解除法112900900Ex112900900Ey900452

11、12Exy01yxE901xyEExyxy12資源與環(huán)境工程學院孔底應力解除法由孔底應力計算巖體應力分量對于深孔，由經(jīng)驗公式可得zyxxcbazxyycbaxyxyd一般?。?5. 1a0b645. 075. 0cad資源與環(huán)境工程學院孔底應力解除法對于淺孔，按平面應力問題處理：xxayyaxyxya資源與環(huán)境工程學院孔底應力解除法次主應力的計算2212221xyyxyx2232221xyyxyxyxxytg2（逆時針為負）yxxE1xyyE1Exyxy12資源與環(huán)境工程學院孔徑變形法孔徑變形法 在欲測巖體應力處先鉆一大孔到指定深度，然后在孔底平面鉆一同心小孔，在小孔內(nèi)安裝不同類型的孔徑變形傳

12、感器，再用環(huán)形套鉆延伸小孔，形成與基巖分離的筒狀巖芯。由于卸載使小孔孔徑發(fā)生變化，根據(jù)孔徑變形傳感器測出孔徑三個方向的變化量，按彈性力學公式即可確定垂直于鉆孔平面的巖體應力狀態(tài)，這種方法稱為孔徑變形法。資源與環(huán)境工程學院孔徑變形法資源與環(huán)境工程學院孔徑變形法孔徑變形應力解除測試步驟、在測點處用90鉆頭打大孔鉆孔至擬測深度，再將孔底磨平。、在大孔孔底用36鉆頭鉆一同心小孔，清洗小孔并吹干，在小孔中部涂上適量粘接劑。資源與環(huán)境工程學院孔徑變形法、將應變花通過安裝器粘到孔壁上，待粘接劑固化后，讀取讀數(shù)。取出安裝器，用封孔栓堵塞小孔。、用90套鉆進行應力解除，并讀取應力解除后的小孔孔徑變形值。、取出巖

13、芯，在實驗室測定巖芯彈性模量和泊松比。資源與環(huán)境工程學院孔徑變形法計算方法若是淺孔，則是平面應力問題：2cos23131Edu資源與環(huán)境工程學院孔徑變形法若是深孔，則是平面變形問題：2cos2131312Edu2132322213212312216uuuuuuuuudE資源與環(huán)境工程學院孔壁應變法孔壁應變法 在鉆孔壁粘貼應變花，通過測量應力解除前后的應變，來推算巖體應力，這種方法稱為孔壁應變法。資源與環(huán)境工程學院孔壁應變法孔壁應變法測試步驟、在測點處用90鉆頭打大孔鉆孔至擬測深度，再將孔底磨平。、在大孔孔底用36鉆頭鉆一同心小孔，清洗小孔并吹干，在小孔內(nèi)壁不同方向涂上適量粘接劑，并粘上3組直角應變花，讀取初始