巖石力學(xué)---第4章地應(yīng)力及其測(cè)量

1、 1 1、巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的構(gòu)成；、巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的構(gòu)成；2 2、重力應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)；、重力應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)；3 3、原巖應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)；、原巖應(yīng)力場(chǎng)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(yǔ)：關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)：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)力解除要求：要求：1 1、掌握本課程重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容；、掌握本課程重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容； 2 2、了解原巖應(yīng)力分布狀態(tài)；、了解原巖應(yīng)力分布狀態(tài)； 3 3、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； 4 4、熟悉幾種應(yīng)力解除法測(cè)試原巖應(yīng)力的、熟悉幾種應(yīng)力解除法

2、測(cè)試原巖應(yīng)力的 方法和測(cè)試步驟。方法和測(cè)試步驟。本章的重點(diǎn)難點(diǎn)：本章的重點(diǎn)難點(diǎn)：基本概念基本概念 原巖：原巖：未經(jīng)工程開(kāi)挖而又不受開(kāi)挖影響仍處于未經(jīng)工程開(kāi)挖而又不受開(kāi)挖影響仍處于自然平衡狀態(tài)的巖體，稱為原巖。自然平衡狀態(tài)的巖體，稱為原巖。 圍巖：圍巖：受工程開(kāi)挖影響應(yīng)力發(fā)生重新分布的巖受工程開(kāi)挖影響應(yīng)力發(fā)生重新分布的巖體，稱為圍巖。體，稱為圍巖。 原巖應(yīng)力：原巖應(yīng)力：原巖中天然賦存的應(yīng)力稱為原巖應(yīng)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)力或地應(yīng)力。力，又稱為初始地應(yīng)力或地應(yīng)力。 原巖應(yīng)力場(chǎng)：原巖應(yīng)力場(chǎng)：原巖應(yīng)力在巖體空間有規(guī)律的分原巖應(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(chǎng)，又稱為

3、初始地應(yīng)力場(chǎng)。即布狀態(tài)稱為原巖應(yīng)力場(chǎng)，又稱為初始地應(yīng)力場(chǎng)。即未經(jīng)采動(dòng)的巖體在未經(jīng)采動(dòng)的巖體在天然狀態(tài)天然狀態(tài)下所具有的下所具有的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)。第四章第四章 地應(yīng)力及其測(cè)量地應(yīng)力及其測(cè)量自重應(yīng)力：自重應(yīng)力：地殼上部各種巖體由于受到地心引力的作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。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(chǎng)：自重應(yīng)力場(chǎng)：自重應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為自重應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為自重應(yīng)力場(chǎng)。自重應(yīng)力場(chǎng)。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?；虻貧ぶ虚L(zhǎng)期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

4、發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)或地殼中長(zhǎng)期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)：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)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)?；靖拍罨靖拍?次生應(yīng)力（二次應(yīng)力）次生應(yīng)力（二次應(yīng)力）巖體開(kāi)挖擾動(dòng)巖體開(kāi)挖擾動(dòng)了了原巖的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，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。變化后的應(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)力構(gòu)造應(yīng)力自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力 迄今為止，對(duì)原巖應(yīng)力還無(wú)法進(jìn)行較完善的理論計(jì)迄今為止，對(duì)原巖應(yīng)

5、力還無(wú)法進(jìn)行較完善的理論計(jì)算，而只能依靠實(shí)際測(cè)量來(lái)建立巖體中初始應(yīng)力狀算，而只能依靠實(shí)際測(cè)量來(lái)建立巖體中初始應(yīng)力狀態(tài)。態(tài)。 基本概念基本概念地應(yīng)力地應(yīng)力: :1. 地應(yīng)力定義地應(yīng)力定義2. 研究地應(yīng)力的重要性研究地應(yīng)力的重要性地應(yīng)力是各種地應(yīng)力是各種巖石工程變形和破壞巖石工程變形和破壞的根本作用力；的根本作用力； 是影響是影響巖石開(kāi)挖工程穩(wěn)定性巖石開(kāi)挖工程穩(wěn)定性的最重要最根本的因素之一；是進(jìn)行的最重要最根本的因素之一；是進(jìn)行大規(guī)模科學(xué)計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要大規(guī)模科學(xué)計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提條件。前提條件。同時(shí)，地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)同時(shí)，地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)地震預(yù)報(bào)、區(qū)域地

6、殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、油地震預(yù)報(bào)、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、油田油井的穩(wěn)定性、核廢料儲(chǔ)存、巖爆、煤和瓦斯突出田油井的穩(wěn)定性、核廢料儲(chǔ)存、巖爆、煤和瓦斯突出的研的研究以及地球動(dòng)力學(xué)的研究等也具有重要意義。究以及地球動(dòng)力學(xué)的研究等也具有重要意義。3. 地應(yīng)力認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)史地應(yīng)力認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)史 19121912年瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆（年瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆（A.HeimA.Heim），根據(jù)大量實(shí)際施工觀），根據(jù)大量實(shí)際施工觀測(cè)和分析，首次提出地應(yīng)力概念，并假定地應(yīng)力是一種靜水應(yīng)測(cè)和分析，首次提出地應(yīng)力概念，并假定地應(yīng)力是一種靜水應(yīng)力狀態(tài)。力狀態(tài)。h h水平應(yīng)力；水平應(yīng)力； v v垂直應(yīng)力；垂直應(yīng)力；上覆巖層重量；上覆巖層重量；H H

7、深度深度 Hvh 19261926年，年， 蘇聯(lián)學(xué)者金尼克修正了地應(yīng)力靜水壓力架設(shè)，認(rèn)為地殼蘇聯(lián)學(xué)者金尼克修正了地應(yīng)力靜水壓力架設(shè)，認(rèn)為地殼中各點(diǎn)的垂直應(yīng)力等于上覆巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力中各點(diǎn)的垂直應(yīng)力等于上覆巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力( (水平應(yīng)力）是水平應(yīng)力）是泊 松 效 應(yīng) 的 結(jié) 果 ， 應(yīng) 乘 以 一 個(gè) 修 正 系 數(shù)泊 松 效 應(yīng) 的 結(jié) 果 ， 應(yīng) 乘 以 一 個(gè) 修 正 系 數(shù) 。 即。 即HvHvh1其中，為側(cè)壓系數(shù)1上覆巖層泊松比 早在早在2020世紀(jì)世紀(jì)2020年代，我國(guó)地質(zhì)學(xué)家李四光就指出：年代，我國(guó)地質(zhì)學(xué)家李四光就指出：“在構(gòu)造應(yīng)力在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定厚度

8、的情況下，的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應(yīng)力分量水平應(yīng)力分量的重要的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)垂直應(yīng)力分量。性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)垂直應(yīng)力分量?！?” 19581958年，瑞典工程師哈斯特年，瑞典工程師哈斯特(N(NHast) Hast) 在納維亞半島進(jìn)行地應(yīng)力在納維亞半島進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量工作時(shí)發(fā)現(xiàn)：在測(cè)量工作時(shí)發(fā)現(xiàn)：在地殼上部地殼上部的最大主應(yīng)力幾乎處處是的最大主應(yīng)力幾乎處處是水平或接水平或接近水平近水平的，最大水平主應(yīng)力一般為垂直應(yīng)力的的，最大水平主應(yīng)力一般為垂直應(yīng)力的1 12 2倍以上倍以上；在某；在某些地表處，測(cè)得的最大水平應(yīng)力高達(dá)些地表處，測(cè)得的最大水平應(yīng)力高達(dá)7MPa7MPa，從根本上動(dòng)搖了靜水

9、，從根本上動(dòng)搖了靜水壓力理論和以垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。壓力理論和以垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。 后期研究進(jìn)一步表明：后期研究進(jìn)一步表明：重力作用重力作用和和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要是引起地應(yīng)力的主要原因，其中尤以水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的形成影響最大。原因，其中尤以水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的形成影響最大。當(dāng)前的地應(yīng)力狀態(tài)主要由最近的一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所控制，但也與歷當(dāng)前的地應(yīng)力狀態(tài)主要由最近的一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所控制，但也與歷史上的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。而且，地應(yīng)力場(chǎng)還受到其他多種因素的影響，史上的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。而且，地應(yīng)力場(chǎng)還受到其他多種因素的影響，造成地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性。造成地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多

10、變性。4.2 地應(yīng)力的成因（自學(xué)）地應(yīng)力的成因（自學(xué)）(1)(1)大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場(chǎng)大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場(chǎng) (2)(2)地幔熱對(duì)流引起的應(yīng)力場(chǎng)地幔熱對(duì)流引起的應(yīng)力場(chǎng)(3)(3)由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng)由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng) (4)(4)巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)(5)(5)地溫梯度引起的應(yīng)力場(chǎng)地溫梯度引起的應(yīng)力場(chǎng)(6)(6)地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)地應(yīng)力主要成分：地應(yīng)力主要成分：自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力(1)自重應(yīng)力場(chǎng)自重應(yīng)力場(chǎng) 豎直方向、普遍存在，可以計(jì)量豎直方向、普遍存在，可以計(jì)量(與深度成線性關(guān)系與深度成線性關(guān)系) 在在252700

11、m范圍內(nèi)：范圍內(nèi)： v= H (H/m，平均容重，平均容重 27kN/m3)地應(yīng)力主要成分地應(yīng)力主要成分(1)自重應(yīng)力場(chǎng)自重應(yīng)力場(chǎng) 豎直方向、普遍存在，可以計(jì)量豎直方向、普遍存在，可以計(jì)量(與深度成線性關(guān)系與深度成線性關(guān)系) 在在252700m范圍內(nèi)：范圍內(nèi)： v= H (H/m，平均容重，平均容重 27kN/m3)(2) 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng) 1) 成因（有增有減）：成因（有增有減）： 地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)引起大陸板塊東西和南北向擠壓；地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)引起大陸板塊東西和南北向擠壓； 其它：巖漿侵入、地幔熱對(duì)流、地表剝蝕其它：巖漿侵入、地幔熱對(duì)流、地表剝蝕 (1)自重應(yīng)力場(chǎng)自重應(yīng)力場(chǎng) 豎直方向、普遍存

12、在，可以計(jì)量豎直方向、普遍存在，可以計(jì)量(與深度成線性關(guān)系與深度成線性關(guān)系) 在在252700m范圍內(nèi)：范圍內(nèi)： v= H (H/m，平均容重，平均容重 27kN/m3)(2) 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng) 1) 成因（有增有減）：成因（有增有減）： 地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)引起大陸板塊東西和南北向擠壓；地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)引起大陸板塊東西和南北向擠壓； 其它：巖漿侵入、地幔熱對(duì)流、地表剝蝕其它：巖漿侵入、地幔熱對(duì)流、地表剝蝕 2) 特點(diǎn)：水平為主，局部存在，分布無(wú)規(guī)律特點(diǎn)：水平為主，局部存在，分布無(wú)規(guī)律 最大水平應(yīng)力系數(shù)淺部普遍最大水平應(yīng)力系數(shù)淺部普遍1， 平均水平應(yīng)力系數(shù)多為平均水平應(yīng)力系數(shù)多為0.81.5， 深

13、部趨近深部趨近1。巖體的自重應(yīng)力巖體的自重應(yīng)力 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：zz 0, yxyx 在半無(wú)限體中任一微元體上的正應(yīng)在半無(wú)限體中任一微元體上的正應(yīng)力均為主應(yīng)力，且有力均為主應(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對(duì)于均質(zhì)成層巖體：對(duì)于

14、均質(zhì)成層巖體：對(duì)于各向異性體，例如薄層狀沉積巖：對(duì)于各向異性體，例如薄層狀沉積巖： 當(dāng)巖層水平時(shí)當(dāng)巖層水平時(shí)0/ EEEzyxyx yx 則有則有 ：zyxEE /1iniizh 1 解得解得 ：0/ EEEzyxx 0/ EEExzyy iniizh 1 zxEE /)1()1(zy /1)1( 當(dāng)巖層垂直時(shí)當(dāng)巖層垂直時(shí) 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還同時(shí)與還同時(shí)與巖體彈性常數(shù)巖體彈性常數(shù)E、有關(guān)；有關(guān)；（4）

15、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，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)。著名的著名的海姆假說(shuō)（瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆假說(shuō)（瑞士地質(zhì)學(xué)家1871）巖體構(gòu)造應(yīng)力巖體構(gòu)造應(yīng)力 一、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的概念一、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)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)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(zhǎng)期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)

16、生和發(fā)展力?；虻貧ぶ虚L(zhǎng)期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。 巖體構(gòu)造應(yīng)力是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中積累或剩余的一種分布巖體構(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。力。 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中積累或剩余的一種應(yīng)力場(chǎng)，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中積累或剩余的一種應(yīng)力場(chǎng)，相對(duì)于人類活動(dòng)時(shí)期而言，除構(gòu)造活動(dòng)區(qū)外，它是剩余相對(duì)于人類活動(dòng)時(shí)期而言，除構(gòu)造活動(dòng)區(qū)外，它是剩余應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)力場(chǎng)。二、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的起因二、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的起因 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)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(dòng)規(guī)律和發(fā)展，提出了各種大地構(gòu)造學(xué)說(shuō)，最具代表的是

17、地動(dòng)規(guī)律和發(fā)展，提出了各種大地構(gòu)造學(xué)說(shuō)，最具代表的是地質(zhì)力學(xué)學(xué)說(shuō)和板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)。質(zhì)力學(xué)學(xué)說(shuō)和板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)。 1、地質(zhì)力學(xué)學(xué)說(shuō)、地質(zhì)力學(xué)學(xué)說(shuō) 該學(xué)說(shuō)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)該學(xué)說(shuō)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：的力：一種是經(jīng)向水平離心力；一種是緯向水平慣性力。一種是經(jīng)向水平離心力；一種是緯向水平慣性力。這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(cè)資料說(shuō)明巖體中水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，說(shuō)明構(gòu)造應(yīng)力實(shí)測(cè)資料說(shuō)明巖體中水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，說(shuō)明構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主。以水平應(yīng)力為主。2 2、板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)

18、、板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō) 該學(xué)說(shuō)認(rèn)為板塊運(yùn)動(dòng)的核心是海底擴(kuò)張。海底擴(kuò)張是由該學(xué)說(shuō)認(rèn)為板塊運(yùn)動(dòng)的核心是海底擴(kuò)張。海底擴(kuò)張是由于地幔對(duì)流引起的。于地幔對(duì)流引起的。三、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析三、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析 根據(jù)巖體變形破壞機(jī)理，對(duì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)留下的遺根據(jù)巖體變形破壞機(jī)理，對(duì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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)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。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2 2、斷層和節(jié)理的形成機(jī)理、斷層和節(jié)理的形成機(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。（

19、1 1）張性斷層是由于巖體中的張應(yīng)變超過(guò)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(guò)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(pán)巖石不一定發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，稱之為張性節(jié)理。張性斷裂兩盤(pán)巖石不一定發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，稱之為張性節(jié)理。（2 2）壓性斷層和扭性斷層都可用莫爾庫(kù)倫理論來(lái)解釋。）壓性斷層和扭性斷層都可用莫爾庫(kù)倫理論來(lái)解釋。由地質(zhì)特征推斷構(gòu)造應(yīng)力方向由地質(zhì)特征推斷構(gòu)造應(yīng)力方向由地質(zhì)特征推斷構(gòu)造應(yīng)力方向由地質(zhì)特征推斷構(gòu)造應(yīng)力方向（二）構(gòu)造體系及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)（二）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，對(duì)一個(gè)區(qū)域而

20、言，在一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，在一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，既有褶皺又有斷層和既有褶皺又有斷層和節(jié)理等。這些構(gòu)造形節(jié)理等。這些構(gòu)造形跡盡管形態(tài)各異、性跡盡管形態(tài)各異、性質(zhì)不同、大小懸殊，質(zhì)不同、大小懸殊，但大都不是孤立出現(xiàn)，但大都不是孤立出現(xiàn)，而是相伴而生，共同而是相伴而生，共同形成一個(gè)形成一個(gè)構(gòu)造體系。構(gòu)造體系。 例如米字型構(gòu)造體例如米字型構(gòu)造體系。系。S S1 1,S,S2 2扭性斷層扭性斷層張性斷層張性斷層巖體初始應(yīng)力（原巖應(yīng)力）分布狀態(tài)巖體初始應(yīng)力（原巖應(yīng)力）分布狀態(tài) 目前，原巖應(yīng)力的實(shí)測(cè)深度達(dá)目前，原巖應(yīng)力的實(shí)測(cè)深度達(dá)30003000m m。在這一深度內(nèi)，原在這一深度內(nèi)，原巖應(yīng)力變化規(guī)律大致可歸納為以下

21、幾點(diǎn)：巖應(yīng)力變化規(guī)律大致可歸納為以下幾點(diǎn)：一、原巖應(yīng)力場(chǎng)是相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定場(chǎng)；一、原巖應(yīng)力場(chǎng)是相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定場(chǎng)；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、原巖應(yīng)力三個(gè)主應(yīng)力三、原巖應(yīng)力三個(gè)主應(yīng)力HmaxHmax，HminHmin，v v均隨深度增加而增均隨深度增加而增大；大；1 1、平均水平應(yīng)力、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 2 2、兩個(gè)水平應(yīng)力的關(guān)系一般有、兩個(gè)水平應(yīng)力的關(guān)系一般有3 3、最大、最小

22、水平主應(yīng)力隨深度線性增加：、最大、最小水平主應(yīng)力隨深度線性增加： HmaxHmax6.76.70.0444H(Mpa)0.0444H(Mpa) HminHmin0.80.80.0329H(Mpa)0.0329H(Mpa)4 4、實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力、實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力v v基本上等于上覆巖層的重力基本上等于上覆巖層的重力 在在252527002700m m深度內(nèi)，深度內(nèi)，v v 隨深度線性增加，大致隨深度線性增加，大致相當(dāng)于按平均重度相當(dāng)于按平均重度=27kN/m=27kN/m3 3計(jì)算出來(lái)的重力計(jì)算出來(lái)的重力H,H,即即 v v2727H H。8 . 02 . 0maxmin HH 四、原巖應(yīng)力的分布規(guī)律

23、還受地形、地表剝蝕、風(fēng)化、四、原巖應(yīng)力的分布規(guī)律還受地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的擾動(dòng)影響最大。影響，特別是地形和斷層的擾動(dòng)影響最大。 地形：地形：谷底是應(yīng)力集中部位，最大主應(yīng)力在谷底或谷底是應(yīng)力集中部位，最大主應(yīng)力在谷底或河床中心近于水平，在岸坡則向谷底或河床傾斜，大致河床中心近于水平，在岸坡則向谷底或河床傾斜，大致與坡面平行；與坡面平行； 斷層和結(jié)構(gòu)面斷層和結(jié)構(gòu)面附近是應(yīng)力降低區(qū)，斷層端部、拐角附近是應(yīng)力降低區(qū)，斷層端部、拐角處應(yīng)力集中區(qū)，主應(yīng)力方向大多平行或垂直于斷層走向。處應(yīng)

24、力集中區(qū)，主應(yīng)力方向大多平行或垂直于斷層走向。地應(yīng)力的測(cè)量方法地應(yīng)力的測(cè)量方法直接測(cè)量法間接測(cè)量法直接測(cè)量法：由測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量和記錄各種直接測(cè)量法：由測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量和記錄各種應(yīng)力量應(yīng)力量，如補(bǔ)償，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、恢復(fù)應(yīng)力、平衡應(yīng)力，并由這些應(yīng)力應(yīng)力量和原巖量和原巖應(yīng)力應(yīng)力的相的相互關(guān)系，通過(guò)計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值?；リP(guān)系，通過(guò)計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值。 扁千斤頂法、扁千斤頂法、水壓致裂法水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法和聲發(fā)射法均屬直接測(cè)均屬直接測(cè)量法。量法。4.4 地應(yīng)力的測(cè)量方法地應(yīng)力的測(cè)量方法地應(yīng)力是巖石地下工程結(jié)構(gòu)變形與破壞的源動(dòng)力。巖體

25、應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的目的是了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向，從而為分析巖體工程的受力狀態(tài)以及為巖體加固提供依據(jù)。（1）地應(yīng)力分布規(guī)律是巖石地下工程總體規(guī)劃設(shè)計(jì)的依據(jù)；（2）地應(yīng)力是巖石地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析的依據(jù)。地應(yīng)力的測(cè)量方法地應(yīng)力的測(cè)量方法直接測(cè)量法間接測(cè)量法間接測(cè)量法：借助某些傳感元件或某些介質(zhì)，測(cè)間接測(cè)量法：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)的量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量間接物理量的的變化，然后通過(guò)已知的換算公式計(jì)算巖體中的應(yīng)變化，然后通過(guò)已知的換算公式計(jì)算巖體中的應(yīng)力值。因此，在計(jì)算應(yīng)力時(shí)，必須首先確定巖體力值。因此，在計(jì)算應(yīng)力時(shí)，必須首先確定巖體

26、的某些物理力學(xué)性質(zhì)以及所測(cè)物理量和應(yīng)力的相的某些物理力學(xué)性質(zhì)以及所測(cè)物理量和應(yīng)力的相互關(guān)系?；リP(guān)系。 套孔應(yīng)力解除法和其他的應(yīng)力或應(yīng)變解除方法以及套孔應(yīng)力解除法和其他的應(yīng)力或應(yīng)變解除方法以及地球物理方法等都是常用的間接測(cè)量法，其中地球物理方法等都是常用的間接測(cè)量法，其中套孔應(yīng)力套孔應(yīng)力解除法解除法應(yīng)用最為普遍且發(fā)展較為成熟。應(yīng)用最為普遍且發(fā)展較為成熟。 1 1 水壓致裂法水壓致裂法（1）測(cè)量原理2cos221210r由彈性力學(xué)可知：無(wú)限體中的一個(gè)圓形鉆孔受到無(wú)窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場(chǎng)(1， 2) ，其鉆孔周邊的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力r為：周邊一點(diǎn)與1軸的夾角當(dāng)0時(shí)， 取得極小值， 3 2 1當(dāng)水壓達(dá)到TP

27、i123孔壁發(fā)生初始開(kāi)裂當(dāng)繼續(xù)注水使裂隙深度擴(kuò)展至3倍鉆孔直徑時(shí)，此處已接近原巖應(yīng)力狀態(tài)停止加壓，保持壓力恒定，記此時(shí)壓力為Ps2sP假設(shè)鉆孔中存在壓力假設(shè)鉆孔中存在壓力P P0 0的裂隙水時(shí)，則初始開(kāi)裂壓力的裂隙水時(shí)，則初始開(kāi)裂壓力P Pi i0123PTPi在初始裂隙產(chǎn)生后，將水壓卸除，使裂隙閉合，然后重新注水加壓，使裂隙重新打開(kāi)，記裂隙重開(kāi)的壓力為 Pr0123PPr(2) 測(cè)量步驟1）打鉆孔到準(zhǔn)備測(cè)量應(yīng)力的部位，用封閉器封閉待加壓段。2）向封閉段注水加壓，記錄初始開(kāi)裂壓力Pi；繼續(xù)注水加壓，使裂隙擴(kuò)張至3倍鉆孔直徑，關(guān)閉高壓系統(tǒng)，保持水壓恒定，記錄此時(shí)關(guān)閉壓力Ps；最后卸壓，使裂隙閉合

28、。3）重新向封閉段注水加壓，記錄裂隙重新打開(kāi)的壓力Pr和隨后的恒定關(guān)閉壓力PS；重復(fù)此加壓卸壓的過(guò)程23次。4）完全卸壓，取出全部設(shè)備。5）采用印模器等設(shè)備測(cè)量水壓致裂裂隙的位置、方向和大小。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)(1)設(shè)備簡(jiǎn)單。設(shè)備簡(jiǎn)單。只需用普通鉆探方法打鉆孔，用雙止水裝置密封，用液壓泵通過(guò)壓裂裝置壓裂巖體，不需要復(fù)雜的電磁測(cè)量設(shè)備。(2)(2)操作方便操作方便 只通過(guò)液壓泵向鉆孔內(nèi)注液以壓裂巖體，觀測(cè)壓裂過(guò)程中泵壓、液量即可。(3)(3)測(cè)值直觀。測(cè)值直觀。它可根據(jù)壓裂時(shí)泵壓(初始開(kāi)裂泵壓、穩(wěn)定開(kāi)裂泵壓、關(guān)閉壓力、開(kāi)啟壓力)計(jì)算出地應(yīng)力值，不需要復(fù)雜的換算及輔助測(cè)試，同時(shí)還可求得巖體抗拉強(qiáng)度

29、。(4)(4)測(cè)值代表性大。測(cè)值代表性大。所測(cè)得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強(qiáng)度是代表較大范圍內(nèi)的平均值，有較好的代表性。(5)(5)適應(yīng)性強(qiáng)。適應(yīng)性強(qiáng)。這一方法不需要電磁測(cè)量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有水條件下作試驗(yàn)，不怕電磁干擾，不怕震動(dòng)。 因此，這一方法越來(lái)越受到重視和推廣。因此，這一方法越來(lái)越受到重視和推廣。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：主應(yīng)力方向定得不準(zhǔn)，適用于完整脆性巖體二維地應(yīng)力測(cè)量（3 3）水壓致裂法的優(yōu)缺點(diǎn)）水壓致裂法的優(yōu)缺點(diǎn)2 2 聲發(fā)射法聲發(fā)射法（1 1）測(cè)試原理）測(cè)試原理 材料在受到外荷載作用時(shí)，其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，從而發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射 。 1950年，德國(guó)人凱澤(JK

30、aiser)發(fā)現(xiàn)多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到先前最大應(yīng)力值時(shí)，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到和超過(guò)歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象叫做凱澤效應(yīng)。從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為凱澤點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。 后來(lái)國(guó)外許多學(xué)者證實(shí)了在巖石壓縮試驗(yàn)中也存在凱澤效應(yīng)，許多巖石也具有顯著的凱澤效應(yīng)，從而為應(yīng)用這一技術(shù)測(cè)定巖體初始應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。 凱澤效應(yīng)為測(cè)量巖石應(yīng)力提供了一個(gè)途徑，即如果從原巖中取回定凱澤效應(yīng)為測(cè)量巖石應(yīng)力提供了一個(gè)途徑，即如果從原巖中取回定向的巖石試件，通過(guò)對(duì)向的巖石試件，通過(guò)對(duì)加工的不同方向的巖石試件加工

31、的不同方向的巖石試件進(jìn)行加載聲發(fā)射試進(jìn)行加載聲發(fā)射試驗(yàn)，驗(yàn)，測(cè)定凱澤點(diǎn)測(cè)定凱澤點(diǎn)，即可找出每個(gè)試件以前所受的最大應(yīng)力，并進(jìn)而求，即可找出每個(gè)試件以前所受的最大應(yīng)力，并進(jìn)而求出取樣點(diǎn)的原始出取樣點(diǎn)的原始( (歷史歷史) )三維應(yīng)力狀態(tài)。三維應(yīng)力狀態(tài)。 (2)(2)測(cè)試步驟測(cè)試步驟1）試樣制備 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔提取巖樣，巖樣在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔提取巖樣，巖樣在原環(huán)境中的方向原環(huán)境中的方向必須確定。將巖樣加工必須確定。將巖樣加工成圓柱體試件，徑高比為成圓柱體試件，徑高比為1 1：2-12-1：3 3。沿測(cè)點(diǎn)的。沿測(cè)點(diǎn)的六個(gè)不同方向六個(gè)不同方向制備試件。制備試件。為了獲得測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，每個(gè)方向的試件為為了獲得測(cè)試

32、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，每個(gè)方向的試件為15-2515-25塊塊。 為了消除由于試件端部與壓力試驗(yàn)機(jī)上、下壓頭之間摩擦所產(chǎn)生的為了消除由于試件端部與壓力試驗(yàn)機(jī)上、下壓頭之間摩擦所產(chǎn)生的噪聲和試件端部應(yīng)力集中，試件兩端可澆鑄由環(huán)氧樹(shù)脂或其他復(fù)合材料噪聲和試件端部應(yīng)力集中，試件兩端可澆鑄由環(huán)氧樹(shù)脂或其他復(fù)合材料制成的端帽。制成的端帽。 2) 聲發(fā)射測(cè)試加壓試件并同時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象。 附圖421(3)計(jì)算地應(yīng)力 由每次試驗(yàn)得到的凱澤點(diǎn)可以確定該試件軸線方向先前受到的最大由每次試驗(yàn)得到的凱澤點(diǎn)可以確定該試件軸線方向先前受到的最大應(yīng)力值。應(yīng)力值。 15152525個(gè)試件獲得一個(gè)方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，六個(gè)方向的應(yīng)

33、力值即可確個(gè)試件獲得一個(gè)方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，六個(gè)方向的應(yīng)力值即可確定取樣點(diǎn)的歷史最大三維應(yīng)力大小和方向。定取樣點(diǎn)的歷史最大三維應(yīng)力大小和方向。注意：注意： 高強(qiáng)度的脆性巖石具有較明顯的聲發(fā)射凱澤效應(yīng)，而高強(qiáng)度的脆性巖石具有較明顯的聲發(fā)射凱澤效應(yīng)，而多孔隙低強(qiáng)度及塑性巖體的凱澤效應(yīng)不明顯，不能用聲發(fā)射多孔隙低強(qiáng)度及塑性巖體的凱澤效應(yīng)不明顯，不能用聲發(fā)射法測(cè)定比較軟弱疏松巖體中的應(yīng)力。法測(cè)定比較軟弱疏松巖體中的應(yīng)力。基本原理基本原理：人為地將需要測(cè)定巖體地應(yīng)力狀態(tài)處的巖體單元與周圍巖體分離，此時(shí)巖體單元上所受的應(yīng)力被解除，將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器測(cè)定彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，根據(jù)連續(xù)、均質(zhì)和各向

34、同性的線彈性理論的解答來(lái)計(jì)算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。3 3 應(yīng)力解除法應(yīng)力解除法巖體應(yīng)力測(cè)量中應(yīng)用較廣的方法巖體應(yīng)力測(cè)量中應(yīng)用較廣的方法適用條件適用條件一）孔底應(yīng)力解除法一）孔底應(yīng)力解除法(1)測(cè)量原理測(cè)量原理進(jìn)行巖體中某點(diǎn)應(yīng)力量測(cè)時(shí)，先向該點(diǎn)鉆進(jìn)一定深度的超進(jìn)行巖體中某點(diǎn)應(yīng)力量測(cè)時(shí)，先向該點(diǎn)鉆進(jìn)一定深度的超前小孔，在此小鉆孔中埋設(shè)鉆孔傳感器，再通過(guò)鉆取一段同心的管狀巖芯而前小孔，在此小鉆孔中埋設(shè)鉆孔傳感器，再通過(guò)鉆取一段同心的管狀巖芯而使應(yīng)力解除，根據(jù)恢復(fù)應(yīng)變及巖石的彈性常數(shù)，即可求得該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。使應(yīng)力解除，根據(jù)恢復(fù)應(yīng)變及巖石的彈性常數(shù)，即可求得該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)比較成熟；在發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)比較成熟；在適用性和可靠性方面，目前還沒(méi)哪適用性和可靠性方面，目前還沒(méi)哪種方法可以和應(yīng)力解除法相比。種方法可以和應(yīng)力解除法相比。(2)測(cè)量步驟測(cè)量步驟：1 1）打大孔打大孔：從巖體表面打打