礦山巖石力學主講：李俊平2011年元月礦山巖石力學主講：李俊平14原巖應力及其測量（2~3學時）1巖體初始應力狀態(tài)的概念與意義（掌握概念，了解意義）2巖體自重應力（掌握概念、特點與計算）3巖體構造應力（掌握概念、特點與方向判定）4巖體初始應力狀態(tài)的主要分布規(guī)律（重點和難點，理解主要分布規(guī)律）

5影響原巖應力分布的因素（了解）6巖體初始應力的幾種測定方法（了解水壓致裂法和孔底應力解除法，一般知道其它方法）

4原巖應力及其測量（2~3學時）1巖體初始應力狀態(tài)的概念2

原巖：未經工程開挖擾動仍處于自然平衡狀態(tài)的巖體

原巖應力：存在于原巖中的天然應力，也稱巖體初始應力、絕對應力或地應力

圍巖：受工程開挖影響應力發(fā)生重新分布的巖體

圍巖應力：洞室開挖后，周圍巖體失去原來的平衡，引起洞周一定范圍內巖體應力改變，重新調整形成新的應力

二次應力：巖體開挖擾動了原巖自然平衡狀態(tài)，使一定范圍內的原巖應力發(fā)生變化，變化后的應力稱為次生應力或二次應力，如圍巖應力

4.1概述原巖：未經工程開挖擾動仍處于自然平衡狀態(tài)的巖體3

原巖應力場：原巖應力在巖體空間中的分布狀態(tài)

原巖應力≈自重應力＋構造應力

？？

研究原巖應力的意義：1）次生應力直接影響巖體工程的穩(wěn)定性，然而，次生應力是在原巖應力的基礎上產生的；

2）小規(guī)模的巖石工程的開挖設計和施工可根據經驗，大規(guī)模則非經驗能解決，必須理論研究與計算，按最大主應力的方向決定工程走向，應力大小決定工程形態(tài)，并現場監(jiān)測反饋；

3）巖石的開挖效應不僅取決于當時的應力狀態(tài)，也取決于歷史上的全部應力狀態(tài)

4.1概述原巖應力場：原巖應力在巖體空間中的分布狀態(tài)4.14

地應力的成因：

1）大陸板塊邊界受壓引起的應力場

2）地幔熱對流引起應力場

3）地心引力引起的應力場

4）巖漿侵入引起的應力場

5）地溫梯度引起的應力場溫度梯度引起地層中不同深度具有不相同的膨脹

6）地表剝蝕產生的應力場

應力松弛趕不上剝蝕引起的巖體顆粒結構變化

4.1概述地應力的成因：4.1概述5

自重應力：地殼上部各種巖體由于受到地心引力作用而產生的應力，也叫重力應力。它是由巖體自重引起的。

重力應力場：由地心引力引起的應力場分布特點為：

1)水平應力σx、σy小于垂直應力σz；2)σx、σy、σz均為壓應力；3)σz只與巖體密度和深度有關，而σx、σy還同時與巖體彈性常數E、μ有關；4)結構面影響巖體自重應力分布

4.2重力應力場自重應力：地殼上部各種巖體由于受到地心引力作用而產6一、均勻巖體中的基本公式在均勻巖體中，巖體的自重初始應力狀態(tài)

其中λ為側壓力系數。對于成層巖體

4.2重力應力場zzyxlssmmss=-==10===zxyzxytttz一、均勻巖體中的基本公式4.2重力應力場zzyxlssmm7

在地殼淺部，可認為巖體處于彈性狀態(tài)，μ=0.20~0.30；在深部巖體轉入塑性狀態(tài)，μ=0.50，λ＝1，則有σx=σy=σz，

各向等壓的應力狀態(tài)，又稱為靜水壓力狀態(tài)，海姆。4.2重力應力場在地殼淺部，可認為巖體處于彈性狀態(tài)，μ=8二、各向異性巖體中的基本公式

對于各向異性巖體，例如薄層狀沉積巖：

當巖層水平時則有：4.2重力應力場二、各向異性巖體中的基本公式則有：4.2重力應力場9

對于各向異性體，例如薄層狀沉積巖：

當巖層垂直時

聯立求解上式得：4.2重力應力場對于各向異性體，例如薄層狀沉積巖：4.2重力應力10

一、構造應力場的概念

構造應力：由地質構造作用產生的應力?；虻貧乳L期存在著的一種促使構造運動發(fā)生和發(fā)展的內在力。巖體構造應力是構造運動中積累或剩余的一種分布力。

構造應力場：指構造應力在空間的分布狀態(tài)。是構造運動中積累或剩余的一種應力場，它是剩余應力場。分三類：1）與構造行跡相聯系的原始構造應力；2）殘余構造應力；3）現代構造應力。

4.3構造應力場一、構造應力場的概念4.3構造應力場11二、構造運動的起因（最具代表性）

1、地質力學學說

認為地球自轉速度的變化產生兩種推動地殼運動的力：一種是經向水平離心力；一種是緯向水平慣性力。這兩種力是引起地殼巖體中出現構造應力的根本原因。大量的實測資料說明巖體中水平應力大于垂直應力，說明構造應力以水平應力為主。

2、板塊構造學說

認為板塊運動核心是海底擴張。海底擴張是由于地幔對流引起的。源于1915年德國魏根納提出大陸漂移學說，認為1.5億年前，地球表面有一個統(tǒng)一的大陸－聯合古大陸，其周圍全是海洋。從侏羅紀開始，聯合古大陸分裂成6大板塊，它們覆在軟流圈上各自漂移，最終形成現今大陸和海洋的分布。4.3構造應力場二、構造運動的起因（最具代表性）4.3構造應力場12非洲4.3構造應力場非洲4.3構造應力場13三、構造應力場分析

1）根據巖體變形破壞機理，利用構造運動留下的遺跡（構造形跡）分析、判斷構造應力的主應力方向。

4.3構造應力場1(d)巖脈(e)褶皺三、構造應力場分析4.3構造應力場1(d)巖脈(e)14

2)構造體系及區(qū)域構造應力場

對一個區(qū)域而言，在一次構造運動中，既有褶皺又有斷層和節(jié)理等。這些構造形跡盡管形態(tài)各異、性質不同、大小懸殊，但大都不是孤立出現，而是相伴而生，共同形成一個構造體系。4.3構造應力場2)構造體系及區(qū)域構造應力場4.3構造應力場15

四、原巖構造應力場的特點

1）應力有壓應力，亦可能有拉應力；2）以水平應力為主時，一般水平應力比垂直應力大；3）分布很不均勻，通常以地殼淺部為主；4）褶皺、斷層和節(jié)理等各種構造行跡是相伴而生，共同形成一個構造體系4.3構造應力場四、原巖構造應力場的特點4.3構造應力場164.4淺部地殼地應力分布的一般規(guī)律地應力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應力場，它是時間和空間的函數（就小范圍是變化的，包括大小與方向；就大區(qū)域是相對穩(wěn)定的）實測垂直應力(v)基本等于上覆巖層的重量(γH)4.4淺部地殼地應力分布的一般規(guī)律地應力是一個具有相對穩(wěn)定174.4淺部地殼地應力分布的一般規(guī)律水平應力普遍大于垂直應力（分地區(qū)的）最大水平主應力和最小水平主應力隨深度呈線性增長關系

h

max=6.7+0.0444H

，h

min=0.8+0.0329H

(h,av/v)max4.4淺部地殼地應力分布的一般規(guī)律水平應力普遍大于垂直應力184.4淺部地殼地應力分布的一般規(guī)律h

=T+kH4.4淺部地殼地應力分布的一般規(guī)律h=T+kH194.4淺部地殼地應力分布的一般規(guī)律平均水平應力與垂直應力的比值隨深度增加而減小

最大水平主應力和最小水平主應力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性

h,av/v100/H+0.3≤h,av/v≤1500/H+0.54.4淺部地殼地應力分布的一般規(guī)律平均水平應力與垂直應力的204.4淺部地殼地應力分布的一般規(guī)律最大水平主應力和最小水平主應力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性

4.4淺部地殼地應力分布的一般規(guī)律最大水平主應力和最小水平214.5影響原巖應力分布的因素

地形對原始地應力的影響是十分復雜的負地形的峽谷或山區(qū)，地形的影響在侵蝕基準面以上及其以下一定范圍內表現特別明顯巖體結構可能引起應力集中、削弱或改變應力方向斷層端部、拐角處及交匯處將出現應力集中的現象。由于斷層帶中的巖體一般都比較軟弱和破碎，其最大主應力和最小主應力與周圍巖體相比均顯著減小。

巖體力學性質影響地應力累積堅固整體性好的彈性巖體，有利于應力積累為高應力古巖體應力比現有地層厚度所引起的重力應力要大剝蝕可造成較大的水平應力

4.5影響原巖應力分布的因素地形對原始地應力的影響是十分22一、地應力測量方法—直接測量法和間接測量法

直接測量法是由測量儀器直接測量和記錄各種應力量，如補償應力、恢復應力、平衡應力，并由這些應力量和原巖應力的相互關系，通過計算獲得原巖應力值。如扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應力計法和聲發(fā)射法；特點：不涉及不同物理量的換算。間接測量法是借助某些傳感元件或某些介質，測量和記錄巖體中某些與應力有關的間接物理量變化，如巖體變形或應變，密度、滲透性、吸水性、電阻、電容，彈性波傳播速度等，然后由測得的間接物理量的變化，通過已知的公式計算巖體中的應力值。如套孔應力解除法、孔底應力解除法。

4.5地應力測量

一、地應力測量方法—直接測量法和間接測量法4.5地應力測23地應力測量方法分類4.5地應力測量

地應力測量方法分類4.5地應力測量24二、水壓致裂法

1、基本原理

對測試段鉆孔用特制封隔器密封起來，然后對密封段加高壓水直至孔壁巖石產生張裂隙。根據裂隙的方向及泵壓的大小，分析確定原巖的應力狀態(tài)。

2、基本假設：1）一個主應力方向是垂直的，其大小等于上覆巖層的自重應力。而另外兩個主應力是水平的，且破裂方向垂直于最小主應力方向。2）巖體是均質、各向同性的線彈性體。4.5地應力測量

二、水壓致裂法4.5地應力測量25二、水壓致裂法

3、水壓致裂法測定系統(tǒng)

4.5地應力測量

二、水壓致裂法4.5地應力測量26二、水壓致裂法

4、水壓致裂測試原理

4.5地應力測量

二、水壓致裂法4.5地應力測量27二、水壓致裂法

4、水壓致裂試驗原理

4.5地應力測量

二、水壓致裂法4.5地應力測量28二、水壓致裂法

4、水壓致裂試驗成果

（1）試驗曲線只有一個關閉壓力ps

破裂始終是沿孔軸方向。A、巖石抗拉強度：

B、最大水平應力：

C、最小水平應力：

D、垂直應力按巖體自重計算：4.5地應力測量

21icictpp-=s二、水壓致裂法4.5地應力測量21icictpp-=s29二、水壓致裂法

4、水壓致裂試驗成果

（2）試驗曲線有兩個關閉壓力ps1和ps2

裂隙開始沿孔軸產生，隨后轉為水平方向。

A、最小水平應力：B、垂直應力：

C、最大水平應力：4.5地應力測量

二、水壓致裂法4.5地應力測量305測試步驟1）見圖4.12，打鉆孔到準備測量應力的部位，并將鉆孔中待加壓段用封隔器密封起來。

2）向二個封隔器的隔離段注射高壓水，不斷加大水壓，直至孔壁出現開裂，獲得初始開裂壓力Pi；繼續(xù)施加水壓以擴張裂隙,當裂隙擴張至3倍直徑深度時，關閉高水壓系統(tǒng)，保持水壓恒定，此時的應力稱為關閉壓力，記為Ps；最后卸壓，使裂隙閉合。4.5地應力測量

5測試步驟

2）向二個封隔器的隔離段注射高壓313）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開并記錄裂隙重開時的壓力Pr和隨后的恒定關閉壓力Ps。這種卸壓一重新加壓的過程重復2—3次，以提高測試數據的準確性。Pr和Pj同樣由壓力一時間曲線和流量一時間曲線確定。4）將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設備從鉆孔中取出5）測量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小，測量可以采用井下攝影機、井下電視、井下光學望遠鏡或印模器。4.5地應力測量

3）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開并記錄裂隙重開時的32三、應力解除法

一）基本原理

地下某點巖體處于三向壓縮狀態(tài)，如用人為方法解除其應力，必然發(fā)生彈性恢復，測定其恢復應變，利用彈性力學公式則可算出巖體初始應力。

4.5地應力測量

zzyyxxzyxD=D=D=eee,,三、應力解除法4.5地應力測量zzyyxxzyx33三、應力解除法二）孔底應力解除法

（1）打大孔至測點，磨平孔底。（2）在孔底粘貼電阻應變花探頭。（3）解除應力，測量其應變。（4）取出巖心，測其彈性參數。（5）計算巖體應力。

4.5地應力測量

步驟

：三、應力解除法4.5地應力測量步驟：34三、應力解除法

二）孔底應力解除方法

計算：

對于等角應變花，孔底平面內的應力按為4.5地應力測量

三、應力解除法4.5地應力測量35三、應力解除法

二）孔底應力解除方法

計算：

對于直角應變花，孔底平面內的應力按為4.5地應力測量

三、應力解除法4.5地應力測量36三、應力解除法

二）孔底應力解除方法

孔底平面位置處的原巖應力按下式經驗公式計算。對于深孔，按平面應變問題處理：

式中：σx，σy，σz為孔底的原巖應力，CT，Cl為孔底橫向和軸向應力集中系數,大多采用Van.Heerden的結果：CT＝1.25，Cl＝－0.75（0.645＋μ）4.5地應力測量

三、應力解除法4.5地應力測量37三、應力解除法

二）孔底應力解除方法

孔底平面位置處的原巖應力按下式經驗公式計算。對于淺孔，按平面應力問題處理：

采用孔底應力解除時，單孔不能確定巖體應力的六個分量，必須進行三孔測定，才能確定巖體的原巖應力。4.5