1、礦山巖石力學(xué),主講：李俊平 2011年元月,4 原巖應(yīng)力及其測(cè)量（23學(xué)時(shí)）,1 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的概念與意義（掌握概念，了解意義） 2 巖體自重應(yīng)力（掌握概念、特點(diǎn)與計(jì)算） 3 巖體構(gòu)造應(yīng)力（掌握概念、特點(diǎn)與方向判定） 4 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的主要分布規(guī)律（重點(diǎn)和難點(diǎn)，理解主要分布規(guī)律） 5 影響原巖應(yīng)力分布的因素（了解） 6 巖體初始應(yīng)力的幾種測(cè)定方法（了解水壓致裂法和孔底應(yīng)力解除法，一般知道其它方法）,原巖：未經(jīng)工程開挖擾動(dòng)仍處于自然平衡狀態(tài)的巖體 原巖應(yīng)力：存在于原巖中的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對(duì)應(yīng)力或地應(yīng)力 圍巖：受工程開挖影響應(yīng)力發(fā)生重新分布的巖體 圍巖應(yīng)力：洞室開挖后，周圍巖

2、體失去原來的平衡，引起洞周一定范圍內(nèi)巖體應(yīng)力改變，重新調(diào)整形成新的應(yīng)力 二次應(yīng)力：巖體開挖擾動(dòng)了原巖自然平衡狀態(tài)，使一定范圍內(nèi)的原巖應(yīng)力發(fā)生變化，變化后的應(yīng)力稱為次生應(yīng)力或二次應(yīng)力，如圍巖應(yīng)力,4.1 概 述,原巖應(yīng)力場(chǎng)：原巖應(yīng)力在巖體空間中的分布狀態(tài) 原巖應(yīng)力自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力 ？ 研究原巖應(yīng)力的意義： 1）次生應(yīng)力直接影響巖體工程的穩(wěn)定性，然而，次生應(yīng)力是在原巖應(yīng)力的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的； 2）小規(guī)模的巖石工程的開挖設(shè)計(jì)和施工可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大規(guī)模則非經(jīng)驗(yàn)?zāi)芙鉀Q，必須理論研究與計(jì)算，按最大主應(yīng)力的方向決定工程走向，應(yīng)力大小決定工程形態(tài)，并現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)反饋； 3）巖石的開挖效應(yīng)不僅取決于當(dāng)時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，也取決

3、于歷史上的全部應(yīng)力狀態(tài),4.1 概 述,地應(yīng)力的成因： 1）大陸板塊邊界受壓引起 的應(yīng)力場(chǎng) 2）地幔熱對(duì)流引起應(yīng)力場(chǎng) 3）地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng) 4）巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng) 5）地溫梯度引起的應(yīng)力場(chǎng) 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(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng) 應(yīng)力松弛趕不上剝蝕引起的巖體顆粒結(jié)構(gòu)變化,4.1 概 述,自重應(yīng)力：地殼上部各種巖體由于受到地心引力作用而產(chǎn)生的應(yīng)力，也叫重力應(yīng)力。它是由巖體自重引起的。 重力應(yīng)力場(chǎng)：由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng) 分布特點(diǎn)為： 1)水平應(yīng)力x、y小于垂直應(yīng)力z； 2)x、y、z均為壓應(yīng)力； 3)z只與巖體密度和深度有關(guān)，而x、y還同時(shí)與巖體彈性常數(shù)E、有

4、關(guān)； 4)結(jié)構(gòu)面影響巖體自重應(yīng)力分布,4.2 重力應(yīng)力場(chǎng),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(yīng)力狀態(tài) 其中為側(cè)壓力系數(shù)。 對(duì)于成層巖體,4.2 重力應(yīng)力場(chǎng),z,z,y,x,ls,s,m,m,s,s,=,-,=,=,1,0,=,=,=,zx,yz,xy,t,t,t,z,在地殼淺部，可認(rèn)為巖體處于彈性狀態(tài)，=0.20 0.30； 在深部巖體轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)，=0.50 ，1，則有x= y= z， 各向等壓的應(yīng)力狀態(tài)，又稱為靜水壓力狀態(tài)，海姆。,4.2 重力應(yīng)力場(chǎng),二、各向異性巖體中的基本公式 對(duì)于各向異性巖體，例如薄層狀沉積巖： 當(dāng)巖層水平時(shí),則有 ：,4.2 重力應(yīng)力場(chǎng),對(duì)于各向

5、異性體，例如薄層狀沉積巖： 當(dāng)巖層垂直時(shí) 聯(lián)立求解上式得：,4.2 重力應(yīng)力場(chǎng),一、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的概念 構(gòu)造應(yīng)力：由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力?；虻貧?nèi)長期存在著的一種促使構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力。巖體構(gòu)造應(yīng)力是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中積累或剩余的一種分布力。 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)：指構(gòu)造應(yīng)力在空間的分布狀態(tài)。是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中積累或剩余的一種應(yīng)力場(chǎng)，它是剩余應(yīng)力場(chǎng)。分三類：1）與構(gòu)造行跡相聯(lián)系的原始構(gòu)造應(yīng)力；2）殘余構(gòu)造應(yīng)力 ；3）現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力。,4.3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),二、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的起因（最具代表性） 1、地質(zhì)力學(xué)學(xué)說 認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)速度的變化產(chǎn)生兩種推動(dòng)地殼運(yùn)動(dòng)的力：一種是經(jīng)向水平離心力；一種是緯向水平慣性力。這兩種力是引起地

6、殼巖體中出現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力的根本原因。大量的實(shí)測(cè)資料說明巖體中水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，說明構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主。 2、板塊構(gòu)造學(xué)說 認(rèn)為板塊運(yùn)動(dòng)核心是海底擴(kuò)張。 海底擴(kuò)張是由于地幔對(duì)流引起的。 源于1915年德國魏根納提出大陸漂移學(xué)說，認(rèn)為1.5億年前，地球表面有一個(gè)統(tǒng)一的大陸聯(lián)合古大陸，其周圍全是海洋。從侏羅紀(jì)開始，聯(lián)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(xiàn)今大陸和海洋的分布。,4.3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),非洲,4.3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),三、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析 1）根據(jù)巖體變形破壞機(jī)理，利用構(gòu)造運(yùn)動(dòng)留下的遺跡（構(gòu)造形跡）分析、判斷構(gòu)造應(yīng)力的主應(yīng)力方向。,4.3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),1,(d) 巖脈,(e

7、) 褶皺,2)構(gòu)造體系及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng) 對(duì)一個(gè)區(qū)域而言，在一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，既有褶皺又有斷層和節(jié)理等。這些構(gòu)造形跡盡管形態(tài)各異、性質(zhì)不同、大小懸殊，但大都不是孤立出現(xiàn)，而是相伴而生，共同形成一個(gè)構(gòu)造體系。,4.3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),四、原巖構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn) 1）應(yīng)力有壓應(yīng)力，亦可能有拉應(yīng)力； 2）以水平應(yīng)力為主時(shí)，一般水平應(yīng)力比垂直應(yīng)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(gòu)造行跡是相伴而生，共同形成一個(gè)構(gòu)造體系,4.3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),4.4 淺部地殼地應(yīng)力分布的一般規(guī)律,地應(yīng)力是一個(gè)具有相對(duì)穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，它是時(shí)間和空間的函數(shù) （就小范圍是變化的，包括大小與方向

8、；就大區(qū)域是相對(duì)穩(wěn)定的） 實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力(v)基本等于上覆巖層的重量(H),4.4 淺部地殼地應(yīng)力分布的一般規(guī)律,水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力（分地區(qū)的） 最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度呈線性增長關(guān)系 h max=6.7+0.0444H ，h min=0.8+0.0329H,(h,av/v)max,4.4 淺部地殼地應(yīng)力分布的一般規(guī)律,h =T+kH,4.4 淺部地殼地應(yīng)力分布的一般規(guī)律,平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加而減小 最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性,h,av/v,100/H+0.3 h,av/v 1500/H+0.5,4.4 淺部地殼地應(yīng)力分

9、布的一般規(guī)律,最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性,4.5 影響原巖應(yīng)力分布的因素,地形對(duì)原始地應(yīng)力的影響是十分復(fù)雜的負(fù)地形的峽谷或山區(qū)，地形的影響在侵蝕基準(zhǔn)面以上及其以下一定范圍內(nèi)表現(xiàn)特別明顯 巖體結(jié)構(gòu)可能引起應(yīng)力集中、削弱或改變應(yīng)力方向斷層端部、拐角處及交匯處將出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)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(yīng)力和最小主應(yīng)力與周圍巖體相比均顯著減小。 巖體力學(xué)性質(zhì)影響地應(yīng)力累積堅(jiān)固整體性好的彈性巖體，有利于應(yīng)力積累為高應(yīng)力 古巖體應(yīng)力比現(xiàn)有地層厚度所引起的重力應(yīng)力要大剝蝕可造成較大的水平應(yīng)力,一、地應(yīng)力測(cè)量方法直接測(cè)量法和間接測(cè)量法 直接測(cè)

10、量法是由測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量和記錄各種應(yīng)力量，如補(bǔ)償應(yīng)力、恢復(fù)應(yīng)力、平衡應(yīng)力，并由這些應(yīng)力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值。如扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法 ；特點(diǎn)：不涉及不同物理量的換算。 間接測(cè)量法是借助某些傳感元件或某些介質(zhì)，測(cè)量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量變化，如巖體變形或應(yīng)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(cè)得的間接物理量的變化，通過已知的公式計(jì)算巖體中的應(yīng)力值。如套孔應(yīng)力解除法、孔底應(yīng)力解除法。,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,地應(yīng)力測(cè)量方法分類,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,二、水壓致裂法 1、基本原理 對(duì)測(cè)試段鉆孔用特制封隔器密封起

11、來，然后對(duì)密封段加高壓水直至孔壁巖石產(chǎn)生張裂隙。根據(jù)裂隙的方向及泵壓的大小，分析確定原巖的應(yīng)力狀態(tài)。 2、基本假設(shè)：1）一個(gè)主應(yīng)力方向是垂直的，其大小等于上覆巖層的自重應(yīng)力。而另外兩個(gè)主應(yīng)力是水平的，且破裂方向垂直于最小主應(yīng)力方向。2）巖體是均質(zhì)、各向同性的線彈性體。,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,二、水壓致裂法 3、水壓致裂法測(cè)定系統(tǒng),4.5 地應(yīng)力測(cè)量,二、水壓致裂法 4、水壓致裂測(cè)試原理,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,二、水壓致裂法 4、水壓致裂試驗(yàn)原理,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,二、水壓致裂法 4、水壓致裂試驗(yàn)成果 （1）試驗(yàn)曲線只有一個(gè)關(guān)閉壓力ps 破裂始終是沿孔軸方向。 A、 巖石抗拉強(qiáng)度： B、 最大水平

12、應(yīng)力： C、 最小水平應(yīng)力： D、 垂直應(yīng)力按巖體自重計(jì)算：,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,二、水壓致裂法 4、水壓致裂試驗(yàn)成果 （2）試驗(yàn)曲線有兩個(gè)關(guān)閉壓力ps1和ps2 裂隙開始沿孔軸產(chǎn)生，隨后轉(zhuǎn)為水平方向。 A、 最小水平應(yīng)力： B、 垂直應(yīng)力： C、 最大水平應(yīng)力：,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,5 測(cè)試步驟 1）見圖4.12，打鉆孔到準(zhǔn)備測(cè)量應(yīng)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(gè)封隔器的隔離段注射高壓水，不斷加大水壓，直至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力Pi； 繼續(xù)施加水壓以擴(kuò)張裂隙,當(dāng)裂隙擴(kuò)張至3倍直徑深度時(shí)，關(guān)閉高水壓系統(tǒng)，保持水壓恒定，此時(shí)的應(yīng)力稱為關(guān)閉壓力，記為Ps；最后卸壓

13、，使裂隙閉合。,4.5 地應(yīng)力測(cè)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(shí)的壓力Pr 和隨后的恒定關(guān)閉壓力Ps。這種卸壓一重新加壓的過程重復(fù)23次，以提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。Pr和Pj 同樣由壓力一時(shí)間曲線和流量一時(shí)間曲線確定。 4）將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設(shè)備從鉆孔中取出 5）測(cè)量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗(yàn)段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小，測(cè)量可以采用井下攝影機(jī)、井下電視、井下光學(xué)望遠(yuǎn)鏡或印模器。,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,三、應(yīng)力解除法 一）基本原理 地下某點(diǎn)巖體處于三向壓縮狀態(tài)，如用人為方法解除其應(yīng)力，必然發(fā)生彈性恢復(fù)，測(cè)定其恢復(fù)應(yīng)變，利用彈性力學(xué)公式則可算出巖體初始

14、應(yīng)力。,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,三、應(yīng)力解除法 二）孔底應(yīng)力解除法 （1）打大孔至測(cè)點(diǎn)，磨平孔底。 （2）在孔底粘貼電阻應(yīng)變花探頭。 （3）解除應(yīng)力，測(cè)量其應(yīng)變。 （4）取出巖心，測(cè)其彈性參數(shù)。 （5）計(jì)算巖體應(yīng)力。,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,步驟 ：,三、應(yīng)力解除法 二）孔底應(yīng)力解除方法 計(jì)算： 對(duì)于等角應(yīng)變花，孔底平面內(nèi)的應(yīng)力按為,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,三、應(yīng)力解除法 二）孔底應(yīng)力解除方法 計(jì)算： 對(duì)于直角應(yīng)變花，孔底平面內(nèi)的應(yīng)力按為,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,三、應(yīng)力解除法 二）孔底應(yīng)力解除方法 孔底平面位置處的原巖應(yīng)力按下式經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。對(duì)于深孔，按平面應(yīng)變問題處理： 式中：x，y，z為孔底的原巖應(yīng)力，

15、CT，C l為孔底橫向和軸向應(yīng)力集中系數(shù), 大多采用Van.Heerden的結(jié)果： CT1.25，C l0.75（0.645 ）,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,三、應(yīng)力解除法 二） 孔底應(yīng)力解除方法 孔底平面位置處的原巖應(yīng)力按下式經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。對(duì)于淺孔，按平面應(yīng)力問題處理： 采用孔底應(yīng)力解除時(shí)，單孔不能確定巖體應(yīng)力的六個(gè)分量，必須進(jìn)行三孔測(cè)定，才能確定巖體的原巖應(yīng)力。,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,三、應(yīng)力解除法 三）套孔應(yīng)力解除方法（孔徑變形法、孔壁應(yīng)變法） 孔徑變形法通過測(cè)定小鉆孔孔徑變形求解巖體應(yīng)力；孔壁應(yīng)變法通過測(cè)量小鉆孔孔壁應(yīng)變求解巖體應(yīng)力。 （1）打大孔至測(cè)點(diǎn)，磨平孔底。 （2）打同心小孔，安裝孔徑變形計(jì)探頭、或孔壁應(yīng)變計(jì) （3）延伸大鉆孔解除應(yīng)力，同時(shí)測(cè)量孔徑變形。 （4）取出巖心，測(cè)其彈性參數(shù)E、。 （5）計(jì)算巖體應(yīng)力。,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,空心包體應(yīng)變計(jì),CSIR三軸孔壁應(yīng)變計(jì),孔徑變形示意圖,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,4.5 地應(yīng)力測(cè)量,三、應(yīng)力解除法 四）誤差修正,溫度誤差及修正 US