地应力及其测量原理文档课件.ppt

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1、1,3.1,概,述,a,地层未受到扰动时，存,在于地层内各点的应力称为,原岩应力,，或称为,原始应力,，,或称为,初始地应力,（,in situ,stress,）。它是地下工程围,岩变形、破坏、支护结构受,力的根本渊源。,3,地应力及其测量原理,3.1.1,地应力概念,2,b,当地层被开挖,后，存在于开挖空间,周围岩体中重新分布,的应力称为,次生应力,，,也叫,诱发应力,（,induced stress,）。,3,3.1.2,地应力研究国内外情况,?,1905-1912,，瑞士地质学者海姆（,Heim,）假定,z,y,x,?,?,?,?,?,?,1925-1926,，金尼克假定,z,y,x,?

2、,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,?,1932,年，美国人劳伦斯,(Lieurace),在胡佛坝下面的,一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行,了原岩应力的测量。,1,国外发展情况,4,?,在,20,世纪,50,年代，瑞典人哈斯特,(Hast),采用应力解,除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量。,1958,年首次公布了他于,1952-1953,年在瑞典拉伊斯瓦,尔,(Laiswall),铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区的地,应力测量结果，首次测得近地表地层中的水平应力高,于垂直应力，引起了人们的关注。,?,20,世纪,60,年代中期之后，开创了三维地应力测量技,术，

3、其中以澳大利亚联邦科学和工业研究组织研制的,CSIRO,型空心包体应变计应用最为广泛。,?,20,世纪,60,年代末，美国人费尔赫斯特和海姆森提出,了水压致裂法，其突出优点是能够测量地壳深部的地,应力。,?,20,世纪,80,年代初，瑞典国家电力局,(SSPB),研制成功,了水下钻孔三向应变计,5,?,20,世界,80,年代后，,Zoback,、,StePhansson,、,Klein,和,Ban,、,Herget,、,Hudson,、,Kugawara,、格佐夫斯,基等人绘制了美国大陆、斯堪的纳维亚半岛、西欧、,加拿大、英国、日本、前苏联的地壳应力图。,2,国内发展情况,?,20,世纪,40

4、,年代，地质学家李四光把地应力作为地,质力学的一部分进行了研究。,?,地应力实测工作从上个世纪,60,年代初开始，,19621964,年在三峡平善坝坝址获得了岩体表面应力,测量成果。,?,1964,年，在陈宗基院士的带领下，中国科学院武汉,岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应力,解除测量，测量深度为,80m,。,6,?,1966,年开展了地应力对地震预报的研究，并在河北,省隆尧县建立了我国第一个地应力观测台站，,?,1980,年国家地震局首次进行了水力压裂地应力测量，,从而迈出了我国深部应力测量的第一步。,?,20,世纪,80,年代以后，空心包体应变计进入我国，随,后地质力学所、长冶院

5、和长科院等研制了,KX-81,，,KX-2003,，,CKX-97,，,CKX-01,型空心包体。北京科技,大学的蔡美峰对,CSIRO,空心包体应变计做了重大改进。,?,1991,年刘允芳、,1994,年高建理，提出利用水压致裂,法进行三维地应力测量，取得了很好的测量结果。,?,2004,年葛修润，侯名勋提出了一种钻孔局部壁面应,力全解除法；胡斌，章光等在套孔应力解除的基础上,提出了一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计。,7,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,温度应力,封闭应力,新构造应力,古构造残余应力,构造应力,重力应力,原岩应力,3.2,地应力的构成及影响因素,8

6、,3.2.1,自重应力,y,x,x,?,y,?,z,?,1,1,H,?,2,2,H,?,n,n,H,?,x,?,z,?,z,x,z,垂直应力计算方法,(a),单一地层,(b),多层地层,由地壳岩层的重量引起。,9,H,z,?,?,?,?,?,?,n,i,i,i,z,H,1,?,?,上覆各层岩体容重；,i,?,?,上覆岩层平均容重。,垂直方向,10,水平方向,z,y,x,?,?,?,?,?,?,?,侧压系数。,假定水平方向应变为零，根据胡克定,律可导出下式,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,0,1,0,1,z,x,y,y,z,y,x,x,

7、E,E,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,11,H,z,y,x,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,1,连立求解，得,?,?,?,?,?,1,即,当泊桑比值为,0.5,时，得到侧压系数为,1.0,，,所以海姆观点是金尼克公式的一个特例。,岩石的泊桑比值通常在,0.100.35,之间。因,此在自重应力场中侧压系数在,0.100.54,之间，,而主要在,0.250.43,之间。,12,3.2.2,构造应力,1,古构造应力：是地质史上由于构造运动残,留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力。,2,新构造运动应力是现今正在形成某种构造,体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和,

8、最新地壳变形的应力。,3,封闭应力是在各种地质因素长期作用下,残存于结构内部的应力。,13,3.2.3,地应力的影响因素,1,地质构造对地应力的影响,地质构造主要影响地应力的分布和传递：,（,1,）在静应力场中，断裂构造对地应力大小和方向的影响,是局部的。,（,2,）在同一构造单元体内地应力大小和方向均较一致，而,靠近断裂或其他分离面附近大小和方向才有较大变化。,（,3,）在活动断层附近和地震地区，地应力大小和方向都有,较大变化。,（,4,）地质构造面与地应力方向关系，一般在水平面内，最,大主应力的方向常垂直于构造线。,14,2,地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响,地形地貌对地应力的影响是复杂的

9、。,剥蚀可以造成巨大的水平应力。由构造作用与由剥蚀作用,产生的水平应力的主要区别在于，由构造作用产生的水平应力,具有明显的方向性；而由剥蚀产生的水平应力，不具方向性。,15,岩体地应力是能量积累与释放的结果。从能量,的积累观点来看，岩体应力的上限必然要受到岩体强,度的限制。,例如，当,50GPa,以上的岩体，最大应,力一般为,10,30MPa,，而,10GPa,以下的岩体应力,很少超过,10MPa,。,这样，弹性模量较大的岩体有利于地应力积累，,所以地震和岩爆容易发生在这些部位，而塑性岩体容,易产生变形，不利于应力积累,。,3,岩石力学性质对地应力的影响,16,4,温度对地应力的影响,岩体温度

10、对地应力的影响表现在两个方,面：地温梯度和岩体局部温度的影响。,地温梯度一般为,3,100,5,10,?,?,?,岩体的体膨胀系数约为,而岩体的弹性摸量一般为,10GPa,),(,.,.,MP,003,0,01,0,H,E,H,T,?,?,?,?,温度应力,T,T,z,T,y,T,x,?,?,?,?,?,?,?,温度应力一般是静水压力,17,3.3,地壳浅部地应力的变化规律,3.3.1,地应力是个非稳定应力场,3.3.2,实测垂直应力,基本等于上覆岩,层重量,z,?,H,?,3.3.3,水平应力普遍大于垂直应力,在深度为,252700m,范围内，垂直应力呈线性增长，,大致相当于按平均容重,0.

11、027MN/m,3,计算出来。,5,.,0,1500,?,?,z,?,3,.,0,100,?,?,z,?,上限：,下限：,18,19,20,3.4,原岩应力的现场实测方法,初始地应力对工程设计是不可缺少的基础资料,之一。由于原岩应力不易计算，最好的办法就是通,过现场量测获得。,岩体应力的现场量测包括岩体原岩应力测试和,洞室围岩二次应力测试。,地应力测试方法分为直接法和间接法：直接法常,用的有,扁千斤顶法、水压致裂法、声发射法；,间接,法有,应力解除法（按测量手段不同主要有孔径变形,法和孔壁应变法）。,21,3.4.1,直接法,1,扁千斤顶法,测量方法：岩壁切槽两侧固定立柱间距离变化；,岩壁切槽

12、附近应变的变化。,22,2,水压致裂法,初始劈裂压力,稳定开裂压力,关闭压力,开启压力,p,3,23,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,3,1,2,1,1,2,1,4,4,0,0,3,0,1,2,2,0,2,2,0,0,3,0,1,cos,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,r,R,r,R,p,r,R,b,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,2,0,3,0,1,0,3,0,1,cos,?,?,?,?,?,b,p,时,0,R,r,?,在水压力为,p,b,，原始应力,为,1,、,3,共同作用下，孔周,边岩体中切向应力

13、：,b,p,?,?,?,0,1,0,3,3,?,?,?,?,最小切向应力为,时,0,?,?,孔壁切向应力,0,0,0,0,3,1,3,1,b,P,24,t,?,?,?,?,?,t,b,p,?,?,?,?,?,?,0,3,0,1,3,时，孔壁发生拉裂，得：,考虑孔隙水压力,P,0,t,b,p,p,?,?,?,?,?,?,?,0,0,3,0,1,3,当第二次加压至裂隙张开，此时水压力为,P,b,0,t,=0,0,0,0,3,0,1,3,p,p,b,?,?,?,?,?,25,0,b,b,t,p,p,?,?,?,1,测量深度不受限制、代表性好；,2,操作,方便；,3,测值直观；,4,适应性强。,于是，

14、得：,而关闭水泵后，裂隙中保持的稳定压力正好,与最小主应力相平衡，得：,0,0,0,3,0,1,0,0,0,3,3,3,b,s,t,b,b,b,t,s,P,P,P,P,P,P,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,26,3,声发射法,材料在受到外力作用时，其内部储存的应变能,快速释放产生弹性波，发出声响，称为声发射。,材料从其历史最高应力水平释放后，再重新加,载，当应力没有达到历史最高应力值时，声发射很,少，当应力超过历史最高应力值时，会有大量声发,射产生，这一现象称为,Kaiser,效应。,试件制备，在同一位置按,6,个不同方向取样，要,记录下每个试件所代表的方向，每个方向作,

15、15,25,块。加载采用小吨位单轴压力机，加载速率恒定。,27,A,E,总,计,数,时,间,/s,K,aiser,点,试,件,A,E,接,收,传,感,器,28,3.4.2,间接法,它的基本原理是：当需要测定岩体中某点的应,力状态时，人为地将该处的岩体单元与周围岩体分,离。此时岩体单元上所受的应力将被解除。该单元,体将产生弹性恢复的应变值或变形值，用传感器测,量这一应变和位移，再根据应力和应变或位移之间,的关系计算原岩应力。,1,应力解除法原理,29,2,应力解除法的实施步骤,1,）,套钻大孔（,D=118mm,）；,2,）取岩芯并将孔底磨平；,3,）套钻小孔（,d=36mm,）；,4,）取小孔

16、岩芯；,5,）粘贴元件测初读数；,6,）应力解除；,7,）取岩芯；,8,）测终读数,30,3,应力解除法的测量方法,1,）孔径变形法,测量应力解除前后钻孔直径的变化,d,，采用美国矿山,局,USBM,孔径变形计或中科院武汉岩土所,36-2,型孔径变形,计进行测量。,USBM,孔径变形计结构原理图,31,这种方法要求在能取得完整岩芯的岩体中进行，,一般至少要能取出大孔直径,2,倍长度的岩芯。,d,y,x,y,x,x,y,应,力,解,除,前,应,力,解,除,后,0,0,0,0,0,d,+,d,1,2,d,+,d,3,d,+,d,32,孔径变化与所在断面上原始地应力关系为：,?,?,?,?,?,?,

17、?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,4,2,2,1,0,0,0,0,0,2,sin,cos,xy,y,x,y,x,d,E,d,?,?,?,?,?,?,取三个不同,i,，可得到三个不同方向的直径,变化,d,i,，形成以下的三元一次方程组,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,0,3,0,0,0,0,2,3,2,0,2,0,0,0,0,2,2,1,0,1,0,0,0,0,2,1,2,sin,4,2,cos,2,1,2,si

18、n,4,2,cos,2,1,2,sin,4,2,cos,2,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,xy,y,x,y,x,xy,y,x,y,x,xy,y,x,y,x,d,E,d,d,E,d,d,E,d,33,要测定一点的其他三个应力分量，需要采用三,孔交汇法。工作量比较大。,2,）,孔壁应变法,只需在一个钻孔内进行量测，即可确定六个空间,应力分量。,34,?,?,?,?,0,0,0,0,2,4,2,2,z,xy,y,x,z,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,sin,cos,?,?,?,?,?,?,?,?,

19、?,?,?,2,4,2,2,0,0,0,0,0,si,co,s,xy,y,x,y,x,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,sin,cos,0,0,2,2,zx,yz,z,?,?,?,?,?,1,2,2,?,?,?,4,7,3,?,?,?,取,分别为：,?,35,得到以下九个方程：,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,0,1,0,0,1,0,0,0,1,2,3,2,yz,z,y,x,z,y,x,z,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,0,2,0,0,2,0,0,0,2,2,3,

20、2,zx,z,y,x,z,y,x,z,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,0,0,3,0,0,0,3,0,0,3,2,4,4,zx,yz,z,xy,y,x,z,xy,z,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,2,2,?,?,?,4,7,3,?,?,?,36,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,1,2,Ai,Bi,Bi,Ai,i,E,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,2,2,Bi,Ai,Ci,i,z,E,?

21、,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,1,2,Bi,Ai,Bi,Ai,zi,E,设第,i,个测点三个方向应变片读数分别,为：,Ai,、,Bi,、,Ci,37,?,?,?,?,?,?,1,2,1,0,2,1,0,1,2,0,2,3,8,1,3,8,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,z,z,y,x,?,?,2,0,1,0,3,2,1,0,2,1,2,1,2,8,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,z,zx,z,yz,xy,?,?,?,?,?,?,?,?,38,三轴应变计，国

22、际岩石力学与工程学会制,定的地应力测量建议方法中定名为,CSIR,型应,变计。,空心包体式三轴应变计。,l,一应变计电缆；,2,一安装杆；,3,一连接销：,4,，,13,一密封,圈；,5,一环氧树脂筒；,6,一空腔、内装粘结剂；,7,一电阻应变,花；,8,一固定销；,9,一应变计与空壁之间的空隙；,l0,一活塞；,11,一岩石钻孔壁；,12,一出胶径向孔；,14,一导向头,39,实测地应力以压应力为正；,、,、,分别为最大、中间和最小主应力；,、,、,分别为三个主应力的方位角（沿顺,时针与正北方向的夹角）；,、,、,分别为三个主应力作用方向的倾角,（与水平面的夹角）。,1,?,2,?,3,?,

23、1,?,2,?,3,?,1,?,2,?,3,?,3.5,实测地应力在计算中的应用,3.5.1,实测地应力的表达,40,?,?,1,?,1,?,2,3,测点编号,1,2,3,4,5,测点位置,DK66+580,DK81+95,DK72+37,DK76+156,DK74+610,测点埋深,(m),320,270,710,1085,1640,(MPa),10.64,15.07,21.04,34.05,84.16,(MPa),9.15,10.57,12.26,27.55,28.22,(MPa),5.23,8.32,7.64,14.99,16.13,(,),283,331,332,30,258,(,),

24、15,241,226,143,104,(,),193,62,98,235,10,(,),1.0,0.3,27.0,74.0,65,(,),59.0,14.0,28.0,7.0,23,(,),31.0,76.0,49.0,15.0,10,1,?,2,?,3,?,1,?,2,?,3,?,1,?,2,?,3,?,秦岭隧道实测地应力,41,E,N,Z,x,y,z,N,隧,道,轴,线,方,向,大,地,坐,标,系,计,算,坐,标,系,i,i,i,l,?,?,sin,cos,?,i,i,i,m,?,?,cos,cos,?,i,i,n,?,sin,?,、,、,分别为,E,、,N,、,Z,轴与主应力空间,、,、

25、,轴之,间夹角的方向余弦,则有以下关系式,i,l,i,m,i,n,1,?,2,?,3,?,3.5.2,实测地应力的坐标变换,42,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,3,3,2,2,2,1,1,1,n,m,l,n,m,l,n,m,l,T,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,2,1,123,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,E,N,Z,T,T,T,?,1,2,3,则坐标转换矩阵,将实测地应力,转换到大地坐标,同理，若计算坐标,x,、,y,、,z,相对大地坐标,E,、,N,、,Z,的方向余弦分别为,i,l,?,i,m,?,i,n,?,43,则计算坐标下的应力,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,3,3,2,2,2,1,1,1,n,m,l,n,m,l,n,m,l,T,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,T,T,T,ENZ,xyz,T,T,T,T,T,T,?,?,?,?,?,?,123,?,?,?,其中,