地應(yīng)力概念和其測量方法

1、 地應(yīng)力概念和其測量方法本章內(nèi)容： 5-1 概述 5-2 地應(yīng)力成因 5-4 巖體初始應(yīng)力分布狀態(tài) 5-5 巖體初始應(yīng)力場測定5-1 概述 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。 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。 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)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)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)。1 基本概念自重應(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。自重應(yīng)力場：自重應(yīng)力在空間有規(guī)律的分

2、布狀態(tài)稱為自重應(yīng)力場。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。 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)稱為構(gòu)造應(yīng)力場。 次生應(yīng)力（二次應(yīng)力）巖體開挖擾動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，變化后的應(yīng)力稱為次生應(yīng)力或二次應(yīng)力。 原巖應(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)行較完善的理論計算，而只能依靠實際測量來建立巖體中初始應(yīng)力狀態(tài)。 5.2 地應(yīng)力的成因1）地幔熱對流地幔熱對流（碰撞、俯沖、海岸）2）板塊邊界受壓中國地震帶分布3）巖漿侵入垂直應(yīng)力：平均密度，KN/m3側(cè)壓力：H總深度

3、（m）側(cè)壓力系數(shù) 圖 巖體自重垂直應(yīng)力4）巖體自重應(yīng)力場5)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力5)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力5)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力Hebeihandan，某旋轉(zhuǎn)地應(yīng)力場受旋鈕構(gòu)造影響。6）地形、地表剝蝕對地應(yīng)力影響7）水壓力、熱應(yīng)力 a.孔隙水壓力、流動水壓力(影響小)、靜水壓力（懸浮作用） b.一般地溫梯度： 巖體的體膨脹系 數(shù)： ，巖體彈模E=104MPa；地溫梯度引起的溫度應(yīng)力 約為： z-深度/m。溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的1/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。5-3 地應(yīng)力（原巖應(yīng)力）分布的一些基本規(guī)律 目前，原巖應(yīng)力的實測深度達(dá)3000m。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幾點：一、原巖應(yīng)力場是相對穩(wěn)定的

4、非穩(wěn)定場；二、水平應(yīng)力H普遍大于垂直應(yīng)力v ,即 側(cè)壓力系數(shù)H/v 1;三、原巖應(yīng)力三個主應(yīng)力Hmax，Hmin，v均隨深度增加而增大；1、平均水平應(yīng)力H與垂直應(yīng)力v 的比值隨深度增加而減小。 2、兩個水平應(yīng)力的關(guān)系一般有3、最大、最小水平主應(yīng)力隨深度線性增加： Hmax6.70.0444H(Mpa) Hmin0.80.0329H(Mpa)4、實測垂直應(yīng)力v基本上等于上覆巖層的重力 在252700m深度內(nèi)，v 隨深度線性增加，大致相當(dāng)于按平均重度=27kN/m3計算出來的重力H,即 v27H。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、地下水等因素的影響，

5、特別是地形和斷層的擾動影響最大。 地形：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，大致與坡面平行； 斷層和結(jié)構(gòu)面附近是應(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。5.4 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)場量測方法一、巖體應(yīng)力現(xiàn)場量測方法概述1.目的： （1）了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向 （2）為分析巖體的工程受力狀態(tài)以及為支護(hù)及巖體加固提供依據(jù) （3）預(yù)報巖體失穩(wěn)破壞以及預(yù)報巖爆的有力工具2. 方法分類(表6-1)二、水壓致裂法（一）方法原理及技術(shù)要點：通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定量測深度加液壓將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點壓力及開

6、裂方位，然后根據(jù)測得的壓裂過程中泵壓表的讀數(shù)，計算測點附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點上下用止水封隔器密封，其結(jié)構(gòu)如圖6-10所示。水壓致裂過程中泵壓變化及其特征壓力示于圖6-11。P0PbPsPs0P0Pb0Ps圖 6-11 壓裂過程泵壓變化及特征壓力圖 6-10 止水、壓裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0各特征壓力的物理意義P0-巖體內(nèi)孔隙水壓力或地下水壓力Pb-注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始壓裂壓力Ps-液體進(jìn)入巖體內(nèi)連續(xù)的將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開裂壓力Ps0-關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱為關(guān)閉壓力。如圍巖滲透性大，該壓力將逐漸衰減Pb0-停泵后重新開泵將裂縫壓開的壓力，稱為開

7、啟壓力（二）基本理論和計算公式當(dāng)孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時，設(shè)孔周邊兩個水平地應(yīng)力分別為 和 ，孔壁還受有水壓Pb.如圖6-12。圖 6-12 孔壁開裂力學(xué)模型a鉆孔周圍巖體內(nèi)應(yīng)力 基爾斯解)在孔壁上r=a，有：當(dāng) 時有最大拉應(yīng)力：按最大拉應(yīng)力理論，有(6-15)(6-16)將(6-15)代入(6-16)得孔壁開裂應(yīng)力條件(6-18)即孔壁開裂在與 垂直, 的面上式中：T0-巖體的抗強(qiáng)度若巖體中有孔隙水壓力Pw，（6-18）式變成：(6-19)由圖6-11知水泵重新加壓使裂縫重新開裂的壓力Pb0，則上式變成：(6-20)19和20兩式對比得： Pb Pb0=T0(6-21)在關(guān)閉壓力Pb0點上，孔壁已

8、經(jīng)開裂，則T0=0,穩(wěn)定開裂壓力由P0下降到Ps0。此時，ps0等于與裂縫垂直的應(yīng)力，即：求得主應(yīng)力及巖體抗拉強(qiáng)度（三）根據(jù)水壓致裂法試驗結(jié)果計算地應(yīng)力（1）一般來講 作為地主應(yīng)力之一。我們可以將 與 作比較，若 ，則可以肯定此時 為最小主應(yīng)力；進(jìn)一步將 與 作比較，也就可以以此確定地應(yīng)力的三個主應(yīng)力。 因為開裂點方位或開裂裂縫方向可以確定 的方位或 的方向，所以三個地主應(yīng)力的方位也就可以相應(yīng)確定。（2）如果 ，并且孔壁開裂后孔內(nèi)巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時 為最小地應(yīng)力， 與 各為中間主應(yīng)力及最大地主應(yīng)力，垂直開裂方向即為最大地應(yīng)力方向。（四）水壓致裂法的特點 設(shè)備簡單 操作方便 測值直觀 適應(yīng)

9、性強(qiáng) 受到重視和推廣 缺陷：主應(yīng)力方向不準(zhǔn)三、應(yīng)力解除法 1. 基本原理： 當(dāng)需要測定巖體中某點的應(yīng)力狀態(tài)時，人為的將該處巖體單元和周圍的巖體分離，此時，巖體單元上所受的拉力將被解除。同時，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測定彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，并且認(rèn)為巖體時連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答計算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。切斷聯(lián)系解除應(yīng)力應(yīng)變恢復(fù)測試應(yīng)變計算應(yīng)力流程要點2. 應(yīng)力解除法分類 按測試深度表面應(yīng)力解除淺孔應(yīng)力解除深孔應(yīng)力解除按測試應(yīng)變或變形孔徑變形測試孔壁應(yīng)變測試孔底應(yīng)力解除法孔壁 應(yīng)力解除法測1個平面3個方向上的應(yīng)變1平面3方向上的

10、徑位移3平面9個方向應(yīng)變原理要點 向巖體中的測點先鉆進(jìn)一個平底鉆孔，在孔底中心處粘貼應(yīng)變傳感器；套孔鉆出巖芯，使孔底平面完全卸載，應(yīng)變傳感器測得孔底平面中心恢復(fù)應(yīng)變；在室內(nèi)測得巖石的彈性常數(shù)；計算孔底中心處的平面應(yīng)力狀態(tài)。由于孔底應(yīng)力解除法只需要鉆進(jìn)一段不長的巖芯，所以對較破碎的巖體也能應(yīng)用。（1）巖體孔底應(yīng)力解除法在孔底平面粘貼3應(yīng)變片應(yīng)變花一個平面有3個獨立的應(yīng)力分量工作步驟應(yīng)變觀測系統(tǒng)（2）套孔應(yīng)力解除法原理要點 對巖體中某點進(jìn)行應(yīng)力量測時，先向該點鉆進(jìn)一定深度的超前小孔，在此小孔中埋設(shè)鉆孔傳感器，再通過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)，即可求得該點的應(yīng)力

11、狀態(tài)。孔徑變形測試，孔壁應(yīng)力解除法，均屬于套孔應(yīng)力解除法。前者測試套孔應(yīng)力解除后的孔徑變化；后者測試套孔應(yīng)力解除后的孔壁應(yīng)變。其操作步驟和原理基本相同表面應(yīng)力解除法直角應(yīng)變花等邊三角形應(yīng)變花應(yīng)力解除槽鉆孔的深度必須超過開挖 影響區(qū)，才能測到巖體內(nèi)的原始應(yīng)力，否則測出的是二次應(yīng)力。工作步驟套孔應(yīng)力解除工作步驟套孔應(yīng)力解除使用的傳感器 孔徑變形測試采用位移傳感器；孔壁應(yīng)力解除采用應(yīng)變傳感器。，孔徑變形測試傳感器布置孔壁應(yīng)力解除法傳感器布置計算公式 應(yīng)力解除法，由測試數(shù)據(jù)換算成應(yīng)力，根據(jù)測試參數(shù)的不同可以分為兩類：(1)由應(yīng)變換算成應(yīng)力；(2)徑向位移換算成應(yīng)力。換算的基本理論和方法都在彈性力學(xué)中學(xué)

12、過，這僅以(2)為例。由孔徑變形測試換算初始應(yīng)力，在大多數(shù)試驗場合下，往往進(jìn)行簡化計算例如假定鉆孔方向和 一致，并認(rèn)為 ，則（6-24）式中： -鉆孔直徑變化值 -鉆孔直徑 -量測方向和水平軸的夾角 -巖石彈性模量與泊松比在實際計算中，由于考慮到應(yīng)力解除是逐步向深處進(jìn)行的，實際上不是平面變形而是平面應(yīng)力，則有 式中： 分別為在0度，45度和90度三個方向上同時測定的孔徑變化。空間原始應(yīng)力測試測試空間原始應(yīng)力 ，孔壁應(yīng)變法只須1鉆孔，孔底應(yīng)變法和孔徑變形法需要3個鉆孔四、應(yīng)力恢復(fù)法 應(yīng)力恢復(fù)法是用來直接測定巖體應(yīng)力大小的一種測試方法，目前此法僅用于巖體表層，應(yīng)力。當(dāng)己知某巖體中的主應(yīng)力方向時，采

13、用本法比較方便。 如圖6-18，當(dāng)洞室某側(cè)墻上的表層圍巖應(yīng)力的主應(yīng)力 方向各為垂直于水平方向時，就可用到應(yīng)力恢復(fù)法測得 的大小。圖6-18 應(yīng)力恢復(fù)法原理圖基本原理：在側(cè)墻上沿測點o，先沿水平方向開一個解除槽，則在槽的上下附近，圍巖應(yīng)力得到部分解除，應(yīng)力狀態(tài)重新分布。在槽的中心線OA上的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)H.N.穆斯海里什維里理論，把槽看作一條縫，得到： （627）式中 OA線上某點B上的應(yīng)力分量 B點離槽中心O的距離的倒數(shù)。當(dāng)在槽中埋設(shè)壓力枕，并由壓力枕對槽加壓，若施加壓力為p，則在OA線上B點產(chǎn)生的應(yīng)力分量為 （628）當(dāng)壓力枕所施加的力 時，這時B點的總應(yīng)力分量為 可見當(dāng)壓力枕所施加的力 時，則巖體中的應(yīng)力狀態(tài)已完全恢復(fù)，所求的應(yīng)力 即由P值而得知，這就是應(yīng)力恢復(fù)法的基本原理。實驗過程1. 在選定的試驗點上，沿解除槽的中垂線上安裝好量測元件（見圖6-19）2.記錄量測元件應(yīng)變計的讀數(shù)。3.開鑿解除鑿，巖體產(chǎn)生變形并記錄應(yīng)變計上的讀數(shù)。4.在開挖好的解除鑿中埋設(shè)壓力枕，并用水泥砂漿充填空隙。5