第6章巖體初始應(yīng)力狀態(tài)

1、 6-1 6-1 基本概念基本概念 6-2 6-2 巖體的自重應(yīng)力巖體的自重應(yīng)力 6-3 6-3 巖體構(gòu)造應(yīng)力巖體構(gòu)造應(yīng)力 6-4 6-4 巖體初始應(yīng)力分布狀態(tài)巖體初始應(yīng)力分布狀態(tài) 6-5 6-5 巖體初始應(yīng)力場測定巖體初始應(yīng)力場測定 6-6 6-6 巖爆巖爆1 1、巖體初始應(yīng)力場的構(gòu)成；、巖體初始應(yīng)力場的構(gòu)成；2 2、重力應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場的特點(diǎn)；、重力應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場的特點(diǎn)；3 3、原巖應(yīng)力場的分布狀態(tài)；、原巖應(yīng)力場的分布狀態(tài)；4 4、應(yīng)力解除法的基本原理。、應(yīng)力解除法的基本原理。關(guān)鍵術(shù)語：關(guān)鍵術(shù)語：原巖、原巖應(yīng)力、自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、原巖、原巖應(yīng)力、自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、應(yīng)力解除應(yīng)力解除

2、要求：要求：1 1、了解原巖應(yīng)力分布狀態(tài)；、了解原巖應(yīng)力分布狀態(tài)； 2 2、了解影響原巖應(yīng)力分布的因素；、了解影響原巖應(yīng)力分布的因素； 3 3、熟悉幾種應(yīng)力解除法測試原巖應(yīng)力的方法和、熟悉幾種應(yīng)力解除法測試原巖應(yīng)力的方法和測試步驟。測試步驟。 原巖：未經(jīng)工程開挖而又不受開挖影響仍處于自然平原巖：未經(jīng)工程開挖而又不受開挖影響仍處于自然平衡狀態(tài)的巖體，稱為原巖。衡狀態(tài)的巖體，稱為原巖。 圍巖：受工程開挖影響應(yīng)力發(fā)生重新分布的巖體，稱圍巖：受工程開挖影響應(yīng)力發(fā)生重新分布的巖體，稱為圍巖。為圍巖。 原巖應(yīng)力：原巖中天然賦存的應(yīng)力稱為原巖應(yīng)力，又原巖應(yīng)力：原巖中天然賦存的應(yīng)力稱為原巖應(yīng)力，又稱為初始地應(yīng)

3、力或地應(yīng)力。稱為初始地應(yīng)力或地應(yīng)力。 原巖應(yīng)力場：原巖應(yīng)力在巖體空間有規(guī)律的分布狀態(tài)原巖應(yīng)力場：原巖應(yīng)力在巖體空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為原巖應(yīng)力場，又稱為初始地應(yīng)力場。即未經(jīng)采動的稱為原巖應(yīng)力場，又稱為初始地應(yīng)力場。即未經(jīng)采動的巖體在天然狀態(tài)下所具有的應(yīng)力狀態(tài)。巖體在天然狀態(tài)下所具有的應(yīng)力狀態(tài)。自重應(yīng)力：地殼上部各種巖體由于受到地心引力的自重應(yīng)力：地殼上部各種巖體由于受到地心引力的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力。它是由巖體自重引起的。作用而產(chǎn)生的應(yīng)力。它是由巖體自重引起的。自重應(yīng)力場：自重應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱自重應(yīng)力場：自重應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為自重應(yīng)力場。為自重應(yīng)力場。構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力：由地

4、質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力?；虻貧ぶ虚L期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動發(fā)生和力?；虻貧ぶ虚L期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力場構(gòu)造應(yīng)力場：構(gòu)造應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱構(gòu)造應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場。為構(gòu)造應(yīng)力場。次生應(yīng)力（二次應(yīng)力）巖體開挖擾動次生應(yīng)力（二次應(yīng)力）巖體開挖擾動了原巖的自然了原巖的自然平衡狀態(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。后的應(yīng)力稱為次生應(yīng)力或二次應(yīng)力。 原巖應(yīng)力原巖應(yīng)力自重應(yīng)力

5、構(gòu)造應(yīng)力自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力 迄今為止，對原巖應(yīng)力還無法進(jìn)行較完善的理論計(jì)迄今為止，對原巖應(yīng)力還無法進(jìn)行較完善的理論計(jì)算，而只能依靠實(shí)際測量來建立巖體中初始應(yīng)力狀態(tài)算，而只能依靠實(shí)際測量來建立巖體中初始應(yīng)力狀態(tài)。 一、基本公式一、基本公式在均勻巖體中，深度為在均勻巖體中，深度為z z處的巖體的豎向自重應(yīng)力為：處的巖體的豎向自重應(yīng)力為：zz0, yxyx 在半無限體中任一微元體上的正應(yīng)力均在半無限體中任一微元體上的正應(yīng)力均為主應(yīng)力，且有為主應(yīng)力，且有0 zxyzxy zzyx 1得：得： 0)(1 zyxyxE 其中其中為巖體靜止側(cè)壓力系數(shù)。為巖體靜止側(cè)壓力系數(shù)。根據(jù)虎克定律：根據(jù)虎克定律：在均勻巖

6、體中，巖體的自重初始應(yīng)力狀態(tài)為：在均勻巖體中，巖體的自重初始應(yīng)力狀態(tài)為：zz zzyx 10 zxyzxy iniizh 1 zzyx 1 巖體自重應(yīng)力的特點(diǎn)：巖體自重應(yīng)力的特點(diǎn)：（1）水平應(yīng)力）水平應(yīng)力x、y小于垂直應(yīng)力小于垂直應(yīng)力z ；（2） x、y、z均為壓應(yīng)力；均為壓應(yīng)力；（3） z只與巖體密度和深度有關(guān)，而只與巖體密度和深度有關(guān)，而 x、y還同還同時(shí)與巖體彈性常數(shù)時(shí)與巖體彈性常數(shù)E、有關(guān)；有關(guān)；（4）結(jié)構(gòu)面影響巖體自重應(yīng)力分布。）結(jié)構(gòu)面影響巖體自重應(yīng)力分布。 在地殼淺部，可認(rèn)為巖體處于彈性狀態(tài)，在地殼淺部，可認(rèn)為巖體處于彈性狀態(tài)，=0.200.30,在深部，巖體轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)，在深部，

7、巖體轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)， =0.50 ，1，則有：，則有： x= y= zz 各向等壓的應(yīng)力狀態(tài)，又稱為靜水壓力狀態(tài)。各向等壓的應(yīng)力狀態(tài)，又稱為靜水壓力狀態(tài)。著名的海姆假說（瑞士地質(zhì)學(xué)家著名的海姆假說（瑞士地質(zhì)學(xué)家1871），也成為潛），也成為潛塑狀態(tài)。塑狀態(tài)。 一、構(gòu)造應(yīng)力場的概念一、構(gòu)造應(yīng)力場的概念 構(gòu)造應(yīng)力：構(gòu)造應(yīng)力：由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。或地殼中長期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力或地殼中長期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。 巖體構(gòu)造應(yīng)力是構(gòu)造運(yùn)動中積累或剩余的一種分布力。巖體構(gòu)造應(yīng)

8、力是構(gòu)造運(yùn)動中積累或剩余的一種分布力。 構(gòu)造應(yīng)力場是構(gòu)造運(yùn)動中積累或剩余的一種應(yīng)力場，相對構(gòu)造應(yīng)力場是構(gòu)造運(yùn)動中積累或剩余的一種應(yīng)力場，相對于人類活動時(shí)期而言，除構(gòu)造活動區(qū)外，它是剩余應(yīng)力場。于人類活動時(shí)期而言，除構(gòu)造活動區(qū)外，它是剩余應(yīng)力場。 地質(zhì)學(xué)家分析地球表層（包括地殼和地幔）結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)地質(zhì)學(xué)家分析地球表層（包括地殼和地幔）結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)律和發(fā)展，提出了各種大地構(gòu)造學(xué)說，最具代表的是地質(zhì)力學(xué)學(xué)律和發(fā)展，提出了各種大地構(gòu)造學(xué)說，最具代表的是地質(zhì)力學(xué)學(xué)說和板塊構(gòu)造學(xué)說。說和板塊構(gòu)造學(xué)說。 1、地質(zhì)力學(xué)學(xué)說、地質(zhì)力學(xué)學(xué)說 該學(xué)說認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)速度的變化產(chǎn)生兩種推動地殼運(yùn)動的力：該學(xué)說認(rèn)為地球

9、自轉(zhuǎn)速度的變化產(chǎn)生兩種推動地殼運(yùn)動的力：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。這兩種力是引起地殼巖體中出現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力的根本原因。大量的實(shí)測資料說明巖起地殼巖體中出現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力的根本原因。大量的實(shí)測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。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 2、板塊構(gòu)造學(xué)說、板塊構(gòu)造學(xué)說 該學(xué)說認(rèn)為板塊運(yùn)動的核心是海底擴(kuò)張。海底擴(kuò)張是由于地幔該學(xué)說認(rèn)為板塊運(yùn)動的核心是海底擴(kuò)張。海底擴(kuò)張是由于地幔對流引起的。對流引起的。 根據(jù)巖體變形破壞機(jī)理，對構(gòu)造運(yùn)動留下的遺跡（構(gòu)造形跡）根據(jù)

10、巖體變形破壞機(jī)理，對構(gòu)造運(yùn)動留下的遺跡（構(gòu)造形跡）進(jìn)行分析，以判斷構(gòu)造應(yīng)力的主應(yīng)力方向。進(jìn)行分析，以判斷構(gòu)造應(yīng)力的主應(yīng)力方向。（一）構(gòu)造形跡的形成機(jī)理（一）構(gòu)造形跡的形成機(jī)理1、褶皺形成機(jī)理、褶皺形成機(jī)理斷層、節(jié)理形成機(jī)理有三種：張性的、扭性的、壓性的。斷層、節(jié)理形成機(jī)理有三種：張性的、扭性的、壓性的。（1 1）張性斷層是由于巖體中的張應(yīng)變超過極限而產(chǎn)生的。這）張性斷層是由于巖體中的張應(yīng)變超過極限而產(chǎn)生的。這種斷層層面不規(guī)則，斷層走向與最大主應(yīng)力方向平行。小的張種斷層層面不規(guī)則，斷層走向與最大主應(yīng)力方向平行。小的張性斷裂兩盤巖石不一定發(fā)生錯(cuò)動，稱之為張性節(jié)理。性斷裂兩盤巖石不一定發(fā)生錯(cuò)動，稱之

11、為張性節(jié)理。（2 2）壓性斷層和扭性斷層都可用莫爾庫倫理論來解釋。）壓性斷層和扭性斷層都可用莫爾庫倫理論來解釋。00000011hzZZZZZZZ 1 地形地形2 地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)3 巖體力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)性質(zhì) 堅(jiān)硬完整巖體相對軟弱松散巖體具有更強(qiáng)的堅(jiān)硬完整巖體相對軟弱松散巖體具有更強(qiáng)的初始應(yīng)力。初始應(yīng)力。 4 水壓力水壓力 水的浮力、水位升降及動水壓力均會對初水的浮力、水位升降及動水壓力均會對初始應(yīng)力產(chǎn)生影響。始應(yīng)力產(chǎn)生影響。1.5 溫度溫度TEZ 目前，原巖應(yīng)力的實(shí)測深度達(dá)目前，原巖應(yīng)力的實(shí)測深度達(dá)30003000m m。在這一深度內(nèi)，原巖應(yīng)力在這一深度內(nèi)，原巖應(yīng)力變化規(guī)律大致可歸納

12、為以下幾點(diǎn)：變化規(guī)律大致可歸納為以下幾點(diǎn)：一、原巖應(yīng)力場是相對穩(wěn)定的非穩(wěn)定場（時(shí)間和空間的函數(shù)）；一、原巖應(yīng)力場是相對穩(wěn)定的非穩(wěn)定場（時(shí)間和空間的函數(shù)）；二、水平應(yīng)力二、水平應(yīng)力H H普遍大于垂直應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力v v , ,即即 側(cè)壓力系數(shù)側(cè)壓力系數(shù)H H/v v 1; 1;三、平均水平應(yīng)力三、平均水平應(yīng)力H H與垂直應(yīng)力與垂直應(yīng)力v v 的比值隨深度增加而減小。的比值隨深度增加而減小。5 . 015003 . 0100 HH 四、兩個(gè)水平應(yīng)力的關(guān)系一般有四、兩個(gè)水平應(yīng)力的關(guān)系一般有五、最大、最小水平主應(yīng)力隨深度線性增加：五、最大、最小水平主應(yīng)力隨深度線性增加：8 . 02 . 0max

13、min HH h,maxh,min6.7 0.0444 (MPa) 0.8 0.0329 (MPa)HH327/vkN mH六、實(shí)測垂直應(yīng)力六、實(shí)測垂直應(yīng)力v基本上等于上覆巖層的重力在基本上等于上覆巖層的重力在252700m深度內(nèi)，深度內(nèi)，v 隨深度線性增加，大致相當(dāng)隨深度線性增加，大致相當(dāng)于按平均重度于按平均重度=27kN/m3計(jì)算出來的重力計(jì)算出來的重力H,即即 一、應(yīng)力解除法一、應(yīng)力解除法（一）基本原理（一）基本原理 地下某點(diǎn)的巖體處于三向地下某點(diǎn)的巖體處于三向壓縮狀態(tài)，如用人為的方法壓縮狀態(tài)，如用人為的方法解除其應(yīng)力，必然發(fā)生彈性解除其應(yīng)力，必然發(fā)生彈性恢復(fù)，測定其恢復(fù)的應(yīng)變，恢復(fù)，測

14、定其恢復(fù)的應(yīng)變，利用彈性力學(xué)公式則可算出利用彈性力學(xué)公式則可算出巖體初始應(yīng)力。巖體初始應(yīng)力。zzyyxxzyx , 破壞聯(lián)系，解除應(yīng)力；彈性恢復(fù)，測出變形；根據(jù)變形，轉(zhuǎn)求應(yīng)力。破壞聯(lián)系，解除應(yīng)力；彈性恢復(fù)，測出變形；根據(jù)變形，轉(zhuǎn)求應(yīng)力。1 1、已知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除、已知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除 如圖示平板：如圖示平板：13, yx1 3 3 1 xy在受力狀態(tài)下，貼上應(yīng)變片此時(shí)：在受力狀態(tài)下，貼上應(yīng)變片此時(shí)：0, 013 yx卸去外力，變形恢復(fù)，此時(shí)：卸去外力，變形恢復(fù)，此時(shí)：13, yx根據(jù)廣義虎克定律：根據(jù)廣義虎克定律：)(1311 E)(1133 E解得：解得：)(13121 E)(11

15、323 E(1)(1)由彈性原理：由彈性原理： 2sin2sincos22xyyx 式中：式中：為為x x軸成軸成角度方向的線應(yīng)變角度方向的線應(yīng)變 。由上式可解得由上式可解得x x,y y,xyxy2 2、未知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除、未知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除1 2 3 xy1 2 31121212sin2sincos xyyx 2222222sin2sincos xyyx 3323232sin2sincos xyyx ( (2)2)解得解得x x,y y,xyxy, ,可按下式求出主應(yīng)變可按下式求出主應(yīng)變1 1 2 2 和和0 0221)2()2()(21xyyxyx yxxy 02tg223)

16、2()2()(21xyyxyx 已知已知1 1,3 3,0 0 , ,即可按即可按(1)(1)式求出主應(yīng)變式求出主應(yīng)變1 ,1 ,3 3 。(3)(3) 為計(jì)算方便，常把三個(gè)應(yīng)變片布置成如圖所示的形為計(jì)算方便，常把三個(gè)應(yīng)變片布置成如圖所示的形式。式。 即：等角應(yīng)變花、直角應(yīng)變花即：等角應(yīng)變花、直角應(yīng)變花A A、直角應(yīng)變花、直角應(yīng)變花1 1 0 00 0，2 2 45 450 0，3 3 90 900 029045245090031)()(22)(21 90045900022tg 將將x x,y y,xy xy 代入代入(3)(3)式得：式得：(4)(4),0 x 2)(2145xyyx ,90

17、y 將將1 1,3 3,0 0 代入代入(1)(1)式求出主應(yīng)變式求出主應(yīng)變1 ,1 ,3 3 ： 29045245090031)()(1212 E(5)(5)B B、等角應(yīng)變花、等角應(yīng)變花1 10 00 0，2 260600 0，3 31201200 020120212060260012060031)()()(32)(31 由上式可解得由上式可解得x x,y y,xy xy ，并將其代入并將其代入(3)(3)式得：式得：(7)(7),0 x )33(4160 xyyx (6)(6)33(41120 xyyx 將將（7 7）式式 代入代入(1)(1)式得：式得： 201202120602600

18、12060031)()()()1(32)1(3 E 注意：注意：按上式方法計(jì)算得出的按上式方法計(jì)算得出的1 1 ，3 3 是平面狀態(tài)是平面狀態(tài)下（鉆孔斷面內(nèi)）的次主應(yīng)力，而不是該點(diǎn)的主應(yīng)力。下（鉆孔斷面內(nèi)）的次主應(yīng)力，而不是該點(diǎn)的主應(yīng)力。 次主應(yīng)力次主應(yīng)力：是某坐標(biāo)面內(nèi)兩個(gè)正應(yīng)力的極值，一般不：是某坐標(biāo)面內(nèi)兩個(gè)正應(yīng)力的極值，一般不等于主應(yīng)力；次主應(yīng)力面上仍有剪應(yīng)力；只有在三個(gè)正交等于主應(yīng)力；次主應(yīng)力面上仍有剪應(yīng)力；只有在三個(gè)正交的平面上的剪應(yīng)力都為零時(shí)，次主應(yīng)力才等于主應(yīng)力。的平面上的剪應(yīng)力都為零時(shí)，次主應(yīng)力才等于主應(yīng)力。(8)(8)1 1、孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法測定巖體應(yīng)

19、力的步驟：孔底應(yīng)力解除法測定巖體應(yīng)力的步驟：1 1、打大孔至測點(diǎn)，磨平孔底。、打大孔至測點(diǎn)，磨平孔底。2 2、在孔底粘貼電阻應(yīng)變花探頭。、在孔底粘貼電阻應(yīng)變花探頭。3 3、解除應(yīng)力，測量其應(yīng)變。、解除應(yīng)力，測量其應(yīng)變。4 4、取出巖心，測其彈性參數(shù)。、取出巖心，測其彈性參數(shù)。5 5、計(jì)算巖體應(yīng)力。、計(jì)算巖體應(yīng)力。 孔底應(yīng)力解除法的評價(jià)孔底應(yīng)力解除法的評價(jià) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：解除巖心短，不需要打很長的套孔巖心，適用于：解除巖心短，不需要打很長的套孔巖心，適用于完整性差的巖體。完整性差的巖體。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：采用孔底應(yīng)力解除時(shí)，單孔不能確定巖體應(yīng)力的：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)

20、行三孔測定，才能確定巖體六個(gè)分量，必須進(jìn)行三孔測定，才能確定巖體的原巖應(yīng)力；的原巖應(yīng)力；無理論計(jì)算公式，只能用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算巖體的三維應(yīng)力。無理論計(jì)算公式，只能用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算巖體的三維應(yīng)力。 孔徑變形法通過測定鉆孔孔徑變形求孔徑變形法通過測定鉆孔孔徑變形求解巖體應(yīng)力，其應(yīng)力解除工序?yàn)椋航鈳r體應(yīng)力，其應(yīng)力解除工序?yàn)椋? 1、打大孔至測點(diǎn)，磨平孔底。、打大孔至測點(diǎn)，磨平孔底。2 2、打同心小孔，安裝孔徑變形計(jì)探頭。、打同心小孔，安裝孔徑變形計(jì)探頭。3 3、延伸大鉆孔解除應(yīng)力，同時(shí)測量孔徑、延伸大鉆孔解除應(yīng)力，同時(shí)測量孔徑變形。變形。4 4、取出巖心，測其彈性參數(shù)、取出巖心，測其彈性參數(shù)E E、。5

21、5、計(jì)算巖體應(yīng)力。、計(jì)算巖體應(yīng)力。 （1 1）測試工序）測試工序 孔壁應(yīng)變法是通過測定鉆孔孔壁的孔壁應(yīng)變法是通過測定鉆孔孔壁的應(yīng)變求解巖體應(yīng)力的應(yīng)變求解巖體應(yīng)力的6 6個(gè)分量，其應(yīng)力解個(gè)分量，其應(yīng)力解除工序與孔徑變形法相似：除工序與孔徑變形法相似：1 1、打大孔至測點(diǎn)，磨平孔底。、打大孔至測點(diǎn)，磨平孔底。2 2、打同心小孔，安裝應(yīng)變花探頭。、打同心小孔，安裝應(yīng)變花探頭。3 3、套孔解除應(yīng)力，超過小孔底部、套孔解除應(yīng)力，超過小孔底部5 5cm,cm,同時(shí)測量孔壁應(yīng)變同時(shí)測量孔壁應(yīng)變。4 4、取出巖心，測其彈性參數(shù)、取出巖心，測其彈性參數(shù)E E、 。5 5、計(jì)算巖體應(yīng)力。、計(jì)算巖體應(yīng)力。 1 1、

22、基本原理、基本原理 對測試段鉆孔用特制對測試段鉆孔用特制封隔器密封起來，然后對封隔器密封起來，然后對密封段加高壓水直至孔壁密封段加高壓水直至孔壁巖石產(chǎn)生張裂隙。根據(jù)裂巖石產(chǎn)生張裂隙。根據(jù)裂隙的方向及泵壓的大小分隙的方向及泵壓的大小分析確定原巖的應(yīng)力狀態(tài)。析確定原巖的應(yīng)力狀態(tài)。p水壓致裂水壓致裂裝置裝置封隔器封隔器鉆孔鉆孔高壓水高壓水 （1 1）一個(gè)主應(yīng)力方向是垂直的，其大小等于上覆巖層）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。即直于最小主應(yīng)力方向。即鉆孔方向?yàn)槟骋恢鲬?yīng)力方向

23、。鉆孔方向?yàn)槟骋恢鲬?yīng)力方向。 （2 2）巖體是均質(zhì)、各向同性的線彈性體。）巖體是均質(zhì)、各向同性的線彈性體。兩向受不相等的均布力兩向受不相等的均布力1 1、2 2作用時(shí)的應(yīng)力分量：作用時(shí)的應(yīng)力分量： 2cos)31)(1(2)1(22222212221rrr 2cos)31(2)1(244212221rr 2sin)31)(1(2222221rr 孔壁（孔壁（r=)r=)應(yīng)力分量：應(yīng)力分量： 2cos)(20, 02121 式中：式中：為周邊一點(diǎn)與為周邊一點(diǎn)與1 1的夾角。的夾角。當(dāng)當(dāng)0o時(shí)，時(shí)，取極小值，此時(shí)取極小值，此時(shí)123 1 2 （1 1）由彈性力學(xué)厚壁筒公式，在由彈性力學(xué)厚壁筒公式，

24、在只受內(nèi)壓只受內(nèi)壓q1作用作用：,1112222qrRR 1222211qrRR 若若R R , ,得到具有圓孔的無限大薄板，或具得到具有圓孔的無限大薄板，或具有圓形孔道的無限大彈性體，其解答為：有圓形孔道的無限大彈性體，其解答為：,122qr 122qr 若若r r, ,得到：得到：,1q 1q 根據(jù)巖體力學(xué)應(yīng)力符號規(guī)定，得孔壁切向應(yīng)力：根據(jù)巖體力學(xué)應(yīng)力符號規(guī)定，得孔壁切向應(yīng)力：1q （2 2） 當(dāng)鉆孔當(dāng)鉆孔受水壓力受水壓力P作用作用, ,且受水平原巖應(yīng)力且受水平原巖應(yīng)力1 1 、 2 2作用，作用，鉆孔壁的最小切向應(yīng)力為式（鉆孔壁的最小切向應(yīng)力為式（1 1）與（）與（2 2）的疊加：）的疊

25、加：巖體破裂條件：巖體破裂條件：t p 123 于是于是：ticpp 1213 式中式中pic1為孔壁發(fā)生初始裂縫時(shí)的水壓力，為孔壁發(fā)生初始裂縫時(shí)的水壓力，t為為封隔段封隔段巖巖石抗拉強(qiáng)度。石抗拉強(qiáng)度。 可見，當(dāng)水壓力達(dá)到可見，當(dāng)水壓力達(dá)到pic1時(shí)，孔壁將沿時(shí)，孔壁將沿1 1的方位開裂。的方位開裂。如果鉆孔中有裂隙水，如果鉆孔中有裂隙水，其水壓力為其水壓力為P P0 0，則：，則：01213Pptic p（3 3）p 繼續(xù)注入高壓水，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂隙深度達(dá)到繼續(xù)注入高壓水，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂隙深度達(dá)到3 3倍鉆孔倍鉆孔直徑時(shí)，此處接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定（直徑時(shí)，此處

26、接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定（P PS S),),則有：則有：2 sP01223Ppic 如果測出封隔段巖石抗拉強(qiáng)如果測出封隔段巖石抗拉強(qiáng)度度t，即可由式（，即可由式（3 3）、（）、（4 4）求）求出出1 1和和2 2（4 4） 因此，在初始裂隙產(chǎn)生后，將因此，在初始裂隙產(chǎn)生后，將水壓力卸除，使裂隙閉合，然后重水壓力卸除，使裂隙閉合，然后重新加壓，使裂隙重新打開，這時(shí)水新加壓，使裂隙重新打開，這時(shí)水壓力為壓力為pic2，則有，則有（5 5）由式（由式（5 5）、（）、（4 4）可求出）可求出1 1和和2 2 聯(lián)立解得：聯(lián)立解得：2 sP01223Ppic （4 4）（5 5）01

27、213Pptic （3 3） A A、 巖石抗拉強(qiáng)度：巖石抗拉強(qiáng)度：21icictpp B B、 最大水平應(yīng)力：最大水平應(yīng)力：ticsHppp 01max13 C C、 最小水平應(yīng)力：最小水平應(yīng)力：sHp min2 可見，水壓致裂法只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大和最小可見，水壓致裂法只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大和最小主應(yīng)力，實(shí)際上是一種二維應(yīng)力測量方法。若要確定測點(diǎn)的三維主應(yīng)力，實(shí)際上是一種二維應(yīng)力測量方法。若要確定測點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)，必須打互不平行的交匯于一點(diǎn)的的三個(gè)鉆孔。這是非應(yīng)力狀態(tài)，必須打互不平行的交匯于一點(diǎn)的的三個(gè)鉆孔。這是非常困難的。常困難的?？紫端畨毫紫端畨毫s關(guān)閉關(guān)閉壓力

28、壓力Pic2使裂縫重使裂縫重新張開的壓力新張開的壓力pic1孔壁巖石孔壁巖石破裂壓力破裂壓力（a）裂縫沿軸）裂縫沿軸向產(chǎn)生和延伸向產(chǎn)生和延伸（b）裂縫沿軸向產(chǎn)）裂縫沿軸向產(chǎn)生向水平方向延伸生向水平方向延伸 A A、 巖石抗拉強(qiáng)度：巖石抗拉強(qiáng)度：（1 1）試驗(yàn)）試驗(yàn)曲線只有曲線只有一個(gè)關(guān)閉一個(gè)關(guān)閉壓力壓力p ps s21icictpp B B、 最大水平應(yīng)力：最大水平應(yīng)力：ticsHppp 01max13 C C、 最小水平應(yīng)力：最小水平應(yīng)力：sHp min3 D D、 垂直應(yīng)力按巖體自重計(jì)算：垂直應(yīng)力按巖體自重計(jì)算：Hv 2（2 2）試驗(yàn)）試驗(yàn)曲線有兩個(gè)曲線有兩個(gè)關(guān)閉壓力關(guān)閉壓力p ps1s1

29、和和p ps2s2 A A、 最小水平應(yīng)力：最小水平應(yīng)力：1min2sHp B B、垂直應(yīng)力：垂直應(yīng)力：23svp C C、 最大水平應(yīng)力：最大水平應(yīng)力：ticsHppp 011max13 5、水壓致裂法評價(jià)、水壓致裂法評價(jià) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 1、能測量深部巖體應(yīng)（、能測量深部巖體應(yīng)（5000m）；）； 2、可以使用各種尺寸的勘探鉆孔，在勘探階段便可測定；、可以使用各種尺寸的勘探鉆孔，在勘探階段便可測定； 3、不須對鉆孔進(jìn)行應(yīng)力解除，不須精密的儀器；、不須對鉆孔進(jìn)行應(yīng)力解除，不須精密的儀器； 4、不需要巖體彈性參數(shù)。、不需要巖體彈性參數(shù)。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 1、假定鉆孔方向?yàn)橹鲬?yīng)力方法，因此，實(shí)測的三維主應(yīng)力、假定鉆孔方向?yàn)橹鲬?yīng)