巖石力學(xué)基本教程教學(xué)PPT第6章地應(yīng)力

第6章地應(yīng)力6.1地應(yīng)力的概念與意義6.1.1地應(yīng)力的基本概念地應(yīng)力可以概要定義為存在于巖體中未受人工開挖擾動(dòng)影響的自然應(yīng)力，或稱原巖應(yīng)力。地應(yīng)力場(chǎng)呈三維狀態(tài)有規(guī)律地分布于巖體中。當(dāng)工程開挖后，圍巖的應(yīng)力受到開挖擾動(dòng)的影響而重新分布，重分布后形成的應(yīng)力則稱為二次應(yīng)力或誘導(dǎo)應(yīng)力。6.1.2地應(yīng)力的成因、組成成分和影響因素1．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)流引起的應(yīng)力場(chǎng)（3）由地心引力引起的應(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)（6）地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)中國(guó)大陸板塊印度洋板塊和大平洋板塊的推擠，同時(shí)受到了西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束。在這樣的邊界條件下，板塊發(fā)生變形，產(chǎn)生水平受壓應(yīng)力場(chǎng)。其主應(yīng)力跡線如圖6.1所示地幔熱對(duì)流引起地殼下面的水平切向應(yīng)力。由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng)稱為自重應(yīng)力場(chǎng)，自重應(yīng)力場(chǎng)是各種應(yīng)力場(chǎng)中唯一能夠計(jì)算的應(yīng)力場(chǎng)。由巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)是一種局部應(yīng)力場(chǎng)。2023/2/52教材配套課件圖6.1中國(guó)板塊主應(yīng)力跡線圖2023/2/53教材配套課件2．自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力

對(duì)上述地應(yīng)力的組成成分進(jìn)行分析，依據(jù)促成巖體中初始地應(yīng)力的主要因素，可以將巖體中初始地應(yīng)力場(chǎng)劃分為兩大組成部分，即自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。二者疊加起來便構(gòu)成巖體中初始地應(yīng)力場(chǎng)的主體。（1）巖體的自重應(yīng)力

研究巖體的自重應(yīng)力時(shí)，一般把巖體視為均勻、連續(xù)且各向同性的彈性體，因而可以引用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理來探討巖體的自重應(yīng)力問題。將巖體視為半無(wú)限體，即上部以地表為界，下部及水平方向均無(wú)界限。那么，巖體中某點(diǎn)的自重應(yīng)力可按以下方法求得。

設(shè)距地表深度為處取一單元體，如圖6.2所示，巖體自重在地下深為處產(chǎn)生的垂直應(yīng)力為單元體上覆巖體的重量，即：式中，為上覆巖體的平均重力密度（）；為巖體單元的深度（m）。（6.2）2023/2/54教材配套課件

把巖體視為各向同性的彈性體，由于巖體單元在各個(gè)方向都受到與其相鄰巖體的約束，不可能產(chǎn)生橫向變形，即。而相鄰巖體的阻擋就相當(dāng)于對(duì)單元體施加了側(cè)向應(yīng)力及，考慮廣義虎克定律則有：由此可得式中，E為巖體的彈性模量，為巖體的泊松比。令，則有：

稱為側(cè)壓力系數(shù)，其定義為某點(diǎn)的水平應(yīng)力與該點(diǎn)垂直應(yīng)力的比值。（6.3a）（6.3b）（6.4）（6.5）2023/2/55教材配套課件圖6.2巖體自重垂直應(yīng)力圖6.3巖體自重垂直應(yīng)力

若巖體由多層不同重力密度的巖層所組成（圖6.3）。各巖層的厚度為（=1，2，…，），重度為（=1，2，…，），泊松比為（=1，2，…，），則第層底面巖體的自重初始應(yīng)力為（6.6）2023/2/56教材配套課件一般巖體的泊松比為0.2~0.35，故側(cè)壓系數(shù)通常都小于1，因此在巖體自重應(yīng)力場(chǎng)中，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力，都是主應(yīng)力，約為的25%~54%。只有巖石處于塑性狀態(tài)時(shí)，值才增大。當(dāng)=0.5時(shí)，=1，它表示側(cè)向水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力相等（），即所謂的靜水應(yīng)力狀態(tài)（海姆假說）。（2）構(gòu)造應(yīng)力

地殼形成之后，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代，在歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下，有的地方隆起，有的地方下沉。這說明在地殼中長(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。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)。

目前，世界上測(cè)定原巖應(yīng)力最深的測(cè)點(diǎn)已達(dá)5000m，但多數(shù)測(cè)點(diǎn)的深度在1000m左右。

我國(guó)地質(zhì)學(xué)家李四光認(rèn)為，因地球自轉(zhuǎn)角度的變化而產(chǎn)生地殼水平方向的運(yùn)動(dòng)是造成構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主的重要原因。2023/2/57教材配套課件6.2地應(yīng)力的主要分布規(guī)律通過理論、地質(zhì)調(diào)查和大量的地應(yīng)力測(cè)量資料的分析與研究，已初步認(rèn)識(shí)到淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律：2023/2/58教材配套課件（1）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)。地應(yīng)力在絕大部分地區(qū)是以水平應(yīng)力為主的三向不等壓應(yīng)力場(chǎng)。三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向是隨著時(shí)間和空間而變化的，因而它是一個(gè)非均勻的應(yīng)力場(chǎng)。地應(yīng)力在空間上的變化，從小范圍來看，它在空間上的變化是比較明顯的，但就某個(gè)地區(qū)整體而言，其變化并不大。在某些地震活躍地區(qū)，地應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間的變化是很明顯的，地震前，應(yīng)力處于累積階段，應(yīng)力值不斷升高，而地震時(shí)使集中應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力值大幅度下降，要過一段時(shí)間后才能恢復(fù)到震前狀態(tài)。6.2地應(yīng)力的主要分布規(guī)律（2）實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量。對(duì)全世界實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料的分析表明，在深度為25～2700m的范圍內(nèi)，σv呈線性增長(zhǎng)，大致符合海姆假說，相當(dāng)于按平均容重?=27kN/m3計(jì)算出來的重力。但在某些地區(qū)的測(cè)量結(jié)果有一定的偏差，這些偏差除測(cè)量誤差外，板塊移動(dòng)、巖漿運(yùn)動(dòng)和不均勻膨脹、擴(kuò)容等都會(huì)產(chǎn)生垂直應(yīng)力異常。9圖6.4世界各國(guó)垂直應(yīng)力隨深度H的變化規(guī)律圖垂直應(yīng)力σv隨深度H線性增加。平均容重約為?=27kN/m3（3）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。實(shí)測(cè)資料表明，在絕大多數(shù)（幾乎所有）地區(qū)均有兩個(gè)主應(yīng)力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，與水平面的夾角一般不大于30°，最大水平主應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力；與之比值一般為0.5~5.5，在很多情況下比值大于2，參見表6.l。如果將最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的平均值:10與相比，總結(jié)目前全世界地應(yīng)力實(shí)測(cè)的結(jié)果，得出之值一般為0.5~5.0，大多數(shù)為0.8~1.5。這說明在淺層地殼中平均水平應(yīng)力也普遍大于垂直應(yīng)力。表6.1世界各國(guó)水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值統(tǒng)計(jì)表（4）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加而減小，但在不同地區(qū)，變化的速度很不相同。圖6.5為世界不同地區(qū)取得的實(shí)測(cè)結(jié)果。圖6.5世界各國(guó)平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度的變化規(guī)律圖霍克和布朗根據(jù)圖6.5所示結(jié)果回歸出下列公式來表示/隨深度變化的取值范圍：式中，H為深度，單位為m。（6.8）11該圖表明，在深度不大的情況下，兩者的比值相當(dāng)分散。隨著深度的增加，該值的變化范圍逐步縮小，并向1附近集中，這說明在地殼深部有可能出現(xiàn)靜水壓應(yīng)力狀態(tài)。（5）最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。斯蒂芬森（O.Stephansson）等人根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果給出了芬諾斯堪的亞古陸最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度變化的線性方程：最大水平主應(yīng)力最小水平主應(yīng)力式中，H為深度，單位為m。（6）最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性。一般為0.2~0.8，多數(shù)情況下為0.4~0.8，參見表6.2。表6.2世界部分國(guó)家和地區(qū)兩個(gè)水平主應(yīng)力的比值統(tǒng)計(jì)表（7）地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會(huì)受到地形、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，特別是地形和斷層的擾動(dòng)影響最大。12a.地形對(duì)原始地應(yīng)力的影響是十分復(fù)雜的。一般來說，谷底是應(yīng)力集中部位，越靠近谷底其應(yīng)力集中程度也會(huì)越明顯。隨著深度的增加或遠(yuǎn)離谷底邊坡，則地應(yīng)力分布狀態(tài)逐漸趨于規(guī)律化，并顯示出和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的一致性。13b.在斷層和結(jié)構(gòu)面附近，地應(yīng)力分布狀態(tài)也會(huì)出現(xiàn)明顯的擾動(dòng)。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，不能承受高的應(yīng)力和不利于能量積累，此處成為應(yīng)力降低帶，其最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均顯著減小。c.隨著斷層性質(zhì)的不同，對(duì)周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)的影響也不同。如果是壓性斷層，其中的應(yīng)力狀態(tài)與周圍巖體比較接近，只是主應(yīng)力的大小比周圍巖體有所下降；若是張性斷層，其中的地應(yīng)力大小和方向與周圍巖體相比均要發(fā)生顯著的變化。6.3高地應(yīng)力區(qū)域的主要巖石力學(xué)問題6.3.1高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象l．高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則高地應(yīng)力是一個(gè)相對(duì)的概念。由于不同巖石具有不同的彈性模量，巖石的儲(chǔ)能性能也不同。一般來說，地區(qū)初始地應(yīng)力大小與該地區(qū)巖體的變形特性有關(guān)，巖質(zhì)越硬，則儲(chǔ)存彈性能多，地應(yīng)力也大。因此，高地應(yīng)力是相對(duì)于圍巖強(qiáng)度而言的。單向拉伸或壓縮時(shí)應(yīng)變能密度：于是三向應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變能密度是：2023/2/5146.3高地應(yīng)力區(qū)域的主要巖石力學(xué)問題6.3.1高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象l．高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則當(dāng)圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度（）的比值達(dá)到某一水平時(shí)，才能稱為高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力。圍巖強(qiáng)度比表6.3是一些以圍巖強(qiáng)度比為指標(biāo)的地應(yīng)力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以參考。表6.3以圍巖強(qiáng)度比為指標(biāo)的地應(yīng)力分級(jí)基準(zhǔn)2023/2/515圍巖強(qiáng)度比與圍巖開挖后的破壞現(xiàn)象有關(guān)，特別是與巖爆、大變形有關(guān)。前者是在堅(jiān)硬完整的巖體中可能發(fā)生的現(xiàn)象，后者是在軟弱或土質(zhì)地層中可能發(fā)生的現(xiàn)象。表6.4所示是在工程巖體分級(jí)基準(zhǔn)中的有關(guān)描述，而日本仲野則是以是否產(chǎn)生塑性地壓來判定的（見表6.5）。表6.4高初始地應(yīng)力巖體在開挖中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象表6.5不同圍巖強(qiáng)度比開挖中出現(xiàn)的現(xiàn)象·2023/2/516教材配套課件2．高地應(yīng)力現(xiàn)象（1）巖芯餅化現(xiàn)象。在中等強(qiáng)度以下的巖體中進(jìn)行勘探時(shí)，?？梢姷綆r芯餅化現(xiàn)象。美國(guó)L.Obert和D.E.Stophenson（1965年）用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法獲得了餅狀巖芯，由此認(rèn)定餅狀巖芯是高地應(yīng)力的產(chǎn)物。從巖石力學(xué)破裂成因來分析，餅狀巖芯是剪脹破裂產(chǎn)物。a.共性h=（1/4-1/5）φ；鉆進(jìn)過程差異卸荷回彈，破裂主要發(fā)生在一定高度的巖芯根部；拉張和剪切復(fù)合機(jī)制；b.產(chǎn)生條件：彈性高，儲(chǔ)能條件好的巖性條件，如火成巖；整體塊狀;高地應(yīng)力條件，≥30MPa。2023/2/5172．高地應(yīng)力現(xiàn)象（2）巖爆。在巖性堅(jiān)硬完整或較完整的高地應(yīng)力地區(qū)開挖隧洞或探洞的過程中時(shí)有巖爆發(fā)生。巖爆是巖石被擠壓到彈性限度，巖體內(nèi)積聚的能量突然釋放所造成的一種巖石破壞現(xiàn)象?！皫r爆”、“煤爆”、“沖擊礦壓”、“礦山?jīng)_擊”、“沖擊地壓”等；18煤礦開采過程中，在高應(yīng)力狀態(tài)下集聚有大量彈性能的煤或巖體，在一定的條件下突然發(fā)生破壞、冒落或拋出，使能量突然釋放，呈現(xiàn)聲響、震動(dòng)以及氣浪等明顯的動(dòng)力效用。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為煤礦動(dòng)壓現(xiàn)象。根據(jù)動(dòng)壓現(xiàn)象的一般成因和機(jī)理，可把它歸納為三種形式，即沖擊礦壓、頂板大面積來壓和煤及瓦斯突出。沖擊礦壓是聚集在礦井巷道和采場(chǎng)周圍煤巖體中的能量突然釋放，在井巷發(fā)生爆炸性事故，產(chǎn)生的動(dòng)力將煤巖拋向巷道，同時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈聲響，造成煤巖體振動(dòng)和破壞、支架和設(shè)備損壞、人員傷亡、部分巷道垮落破壞等。頂板大面積來壓主要是由于堅(jiān)硬頂板被采空的面積超過一定的極限值，引起大面積冒落而造成的劇烈動(dòng)壓現(xiàn)象。沖擊力+暴風(fēng)2．高地應(yīng)力現(xiàn)象（3）探洞和地下隧洞的洞壁產(chǎn)生剝離，巖體錘擊為嘶啞聲并有較大變形，在中等強(qiáng)度以下的巖體中開挖探洞或隧洞，高地應(yīng)力狀況不會(huì)像巖爆那樣劇烈，洞壁巖體產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，有時(shí)裂縫一直延伸到巖體淺層內(nèi)部，錘擊時(shí)有嘶啞聲。在軟質(zhì)巖體中洞體則產(chǎn)生較大的變形，位移顯著，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、洞徑明顯縮小。（4）巖質(zhì)基坑底部隆起、剝離以及回彈錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。（如圖6.6）（5）野外原位測(cè)試測(cè)得的巖體物理力學(xué)指標(biāo)比實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊試驗(yàn)結(jié)果高。（圖6.7）圖6.6基坑邊坡回彈錯(cuò)動(dòng)

圖6.7高地應(yīng)力條件下巖體變形線196.3.2巖爆及其防治措施1．概述

圍巖處于高應(yīng)力場(chǎng)條件下所產(chǎn)生的巖片（塊）飛射拋撒，以及洞壁片狀剝落等現(xiàn)象叫巖爆。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)的大部分重要煤礦中，煤爆和巖爆的發(fā)生地點(diǎn)一般在200m-1500m深處的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層突然變化、水平煤層突然彎曲變成陡傾等部位。

由于巖爆是極為復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，至今對(duì)地下工程中巖爆的形成條件及機(jī)理還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。有的學(xué)者認(rèn)為巖爆是受剪破裂；也有的學(xué)者根據(jù)自己的觀察和試驗(yàn)結(jié)果得出張破裂的結(jié)論；還有一種觀點(diǎn)把產(chǎn)生巖爆的巖體破壞過程分為：劈裂成板條、剪（折）斷成塊、塊片彈射三個(gè)階段式破壞。2023/2/520教材配套課件2．巖爆的類型、性質(zhì)和特點(diǎn)目前主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所得到的巖爆特征，考慮巖爆危害方式、危害程度以及對(duì)其防治對(duì)策等因素，分為破裂松脫型、爆裂彈射型、爆炸拋射型。此外，也有把巖爆分為應(yīng)變型、屈服型及巖塊突出型的，如圖6.8所示。巖爆的規(guī)?；旧峡梢苑譃槿?，即小規(guī)模的、中等規(guī)模的和大規(guī)模的，如圖6.9所示。圖6.8巖爆發(fā)生機(jī)理

圖6.9巖爆規(guī)模劃分21教材配套課件3．巖爆產(chǎn)生的條件（l）地下工程開挖、洞室空間的形成是誘發(fā)巖爆的幾何條件；（2）圍巖應(yīng)力重分布和集中將導(dǎo)致圍巖積累大量彈性變形能，這是誘發(fā)巖爆的動(dòng)力條件；（3）巖體承受極限應(yīng)力產(chǎn)生初始破裂后剩余彈性變形能的集中釋放量即決定巖爆的彈射程度；（4）巖爆通過何種方式出現(xiàn)，這取決于圍巖的巖性、巖體結(jié)構(gòu)特征、彈性變形能的積累和釋放時(shí)間的長(zhǎng)短。4．巖爆發(fā)生的判據(jù)我國(guó)工程巖體分類標(biāo)準(zhǔn)采用的判據(jù)如下：（1）當(dāng)時(shí)，無(wú)巖爆；（2）當(dāng)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生輕微巖爆或中等巖爆；（3）當(dāng)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重巖爆。式中，為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；為最大地應(yīng)力。5．巖爆的防治通過大量的工程實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)的積累，目前已有許多行之有效的治理巖爆的措施，歸納起來有：加固圍巖、加防護(hù)措施、完善施工方法、改善圍巖應(yīng)力條件以及改變圍巖性質(zhì)等。221）改善圍巖應(yīng)力條件（l）選擇隧道及其他地下結(jié)構(gòu)物的位置，應(yīng)使長(zhǎng)軸//最大主應(yīng)力方向；（2）選擇合理的開挖斷面形狀；（3）爆破開挖短進(jìn)尺、多循環(huán)；（4）應(yīng)力解除法，即在圍巖內(nèi)部造成一個(gè)破碎帶，形成一個(gè)低彈性區(qū)，從而使掌子面及洞室周邊應(yīng)力降低，使高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部。為達(dá)到這一目的，可以打超前鉆孔或在超前鉆孔中進(jìn)行松動(dòng)爆破，這種防止巖爆的方法也稱為超應(yīng)力解除法。卸壓：跨巷回采卸壓、開槽卸壓、松動(dòng)卸壓、卸壓巷硐卸壓、掘前預(yù)采等；2023/2/523教材配套課件2）改變圍巖性質(zhì)在我國(guó)煤炭行業(yè)廣泛使用煤層預(yù)注水法以改變煤的變形及強(qiáng)度特性，即注水軟化的方法。煤試件在浸泡水以后，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間增加，能量釋放率顯著下降。煤層壓力注水一般有兩種方式：一是在煤層開采前進(jìn)行壓力注水，使煤體濕潤(rùn)，減緩和消除煤的沖擊能力，這是一種積極主動(dòng)的區(qū)域性防治措施；二是對(duì)工作面前方局部應(yīng)力集中帶進(jìn)行高壓注水，以減緩應(yīng)力集中，解除煤爆危險(xiǎn)，這是一種局部解危措施。6.4地應(yīng)力測(cè)量方法6.4.1地應(yīng)力測(cè)量的基本原理

巖體應(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)以及為支護(hù)及巖體加固提供依據(jù)。巖體應(yīng)力測(cè)量可以分為巖體初始應(yīng)力測(cè)量和地下工程應(yīng)力分布測(cè)量。前者是為了測(cè)定巖體初始應(yīng)力場(chǎng)，后者則是為了測(cè)定巖體開挖后引起的應(yīng)力重分布情況。原巖地應(yīng)力測(cè)量就是確定存在于擬開挖巖體及其周圍區(qū)域的未擾動(dòng)的三維應(yīng)力，巖體中一點(diǎn)的三維壓力狀態(tài)可由選定坐標(biāo)系中的六個(gè)應(yīng)力分量來表示，如圖6-10所示。2023/2/524教材配套課件坐標(biāo)系一般取地球坐標(biāo)系作測(cè)量坐標(biāo)系，這樣由六個(gè)應(yīng)力分量可求得該點(diǎn)的三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向就是唯一的，這種測(cè)量通常叫“點(diǎn)”測(cè)量方法。盡管也有一些（如超聲波地球物理方法）測(cè)定大范圍巖體內(nèi)平均應(yīng)力方法，但這些方法不如“點(diǎn)”測(cè)量方法準(zhǔn)確，因此，“點(diǎn)”測(cè)量方法更為普及。25由于地應(yīng)力的復(fù)雜和多變性，要比較準(zhǔn)確測(cè)定某一地區(qū)地應(yīng)力，必須進(jìn)行充足數(shù)量“點(diǎn)”測(cè)量；再借助數(shù)值、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、灰色建模和人工智能等處理方法，來描述該地區(qū)全部地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)。在進(jìn)行原位地應(yīng)力測(cè)量時(shí)，為了讓人和設(shè)備進(jìn)入觀測(cè)地點(diǎn)不可避免的要預(yù)先開挖一些巷道和峒室。因此，只要巷道和峒室一開，其周圍巖體中的應(yīng)力狀態(tài)就受到了擾動(dòng)。若要在峒室表面進(jìn)行測(cè)量（如早期的扁千斤頂法），在計(jì)算原始應(yīng)力時(shí)再考慮擾動(dòng)作用，但這種擾動(dòng)非常復(fù)雜，不可能精確計(jì)算和分析，導(dǎo)致所測(cè)得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，有的甚至是錯(cuò)誤的結(jié)論。為了避免這種不足，盡量少擾動(dòng)原巖中的壓力狀態(tài)，保證測(cè)量結(jié)果的真實(shí)有效，因此，從峒室表面再向巖體中打小直徑的深孔，直到原巖應(yīng)力區(qū)，讓測(cè)量過程只在小孔中進(jìn)行，由于小孔對(duì)原巖應(yīng)力狀態(tài)的擾動(dòng)是可以忽略不計(jì)的。目前，普遍采用的應(yīng)力解除法和水壓致裂法均屬于此類方法。2627測(cè)量方法分類1）測(cè)量手段的不同劃分：構(gòu)造法、變形法、電磁法、地震法、放射性法;2）測(cè)量原理的不同劃分：應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)變解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、X射線法、重力法;3）測(cè)量基本原理不同劃分：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)力值的方法。在計(jì)算過程中并不涉及不同物理量的換算，不需要知道巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法等均屬此種測(cè)量法，其中，水壓致裂法是目前應(yīng)用最廣的方法，聲發(fā)射次之。間接測(cè)量法不直接測(cè)量應(yīng)力量，而是借助某些傳感器元件或某些介質(zhì)，測(cè)量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應(yīng)變、彈性波傳播速度變化等，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)力值的方法。因此，在間接測(cè)量法中，為了計(jì)算應(yīng)力值，首先必須確定巖體的某些物理力學(xué)性質(zhì)以及所測(cè)物理量和應(yīng)力的相互關(guān)系。其中，套孔應(yīng)力解除法是目前國(guó)內(nèi)外最普遍采用的，且發(fā)展較為成熟的一種間接測(cè)量地應(yīng)力的方法。6.4地應(yīng)力測(cè)量方法6.4.2水壓致裂法1．測(cè)量原理

水壓致裂法在20世紀(jì)50年代被廣泛應(yīng)用于油田生產(chǎn)，通過在鉆井中制造人工的裂隙來提高石油的產(chǎn)量。哈伯特（M.K.Hubbert）和威利斯（D.G.Wiliis）在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了水壓致裂裂隙和原巖應(yīng)力之間的關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)又被費(fèi)爾赫斯特（C.Fairhurst）和海姆森（B.C.Haimson）用于地應(yīng)力測(cè)量。

從彈性力學(xué)理論可知，當(dāng)一個(gè)位于無(wú)限體中的鉆孔受到無(wú)窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場(chǎng)（，）的作用時(shí)，離開鉆孔端部一定距離的部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)。在這些部位，鉆孔周邊的應(yīng)力為2023/2/530教材配套課件6.4地應(yīng)力測(cè)量方法31拉梅解答

6.4地應(yīng)力測(cè)量方法326.4地應(yīng)力測(cè)量方法33基爾斯解答

式中，，為鉆孔周邊的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；為周邊一點(diǎn)與軸的夾角。由式（4-10）可知，當(dāng)時(shí)，取得極小值，即如果采用圖6.12所示的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來，并向該段鉆孔注入高壓水，當(dāng)水壓超過和巖石抗拉強(qiáng)度T之和后，在處，也即所在方位將發(fā)生孔壁開裂。設(shè)鉆孔壁發(fā)生初始開裂時(shí)的水壓為，則有如果繼續(xù)向封隔段注入高壓水，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂隙深度達(dá)到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，將該恒定壓力記為，則由圖6.12可見，應(yīng)和原巖應(yīng)力相平衡，即（6.10）（6.11）（6.12）（6.13）（6.14）34由（4-13）和（4-14）式，只要測(cè)出巖石抗拉強(qiáng)度T，即可由和，求出和，這樣和的大小和方向就全部確定了。在鉆孔中存在裂隙水的情況下，如封隔段處的裂隙水壓力為，則（4-13）式變?yōu)楦鶕?jù)式（6.14）和式（6.15）求和，需要知道封隔段巖石的抗拉強(qiáng)度，這往往是很困難的。為了克服這一困難，在水壓致裂試驗(yàn)中增加一個(gè)環(huán)節(jié)，即在初始裂隙產(chǎn)生后將水壓卸除，使裂隙閉合，然后再重新向封隔段加壓，使裂隙重新打開，記裂隙重開時(shí)的壓力為，則有這樣，由式（6.14）和（6.16）求和就無(wú)須知道巖石的抗拉強(qiáng)度。因此，由水壓致裂法測(cè)量原巖應(yīng)力將不涉及巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，而完全由測(cè)量和記錄的壓力值來決定。（6.15）（6.16）2023/2/535教材配套課件圖6.12水壓致裂應(yīng)力測(cè)量原理2．水壓致裂法的特點(diǎn)（1）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，用液壓泵通過壓裂裝置壓裂巖體，不需要復(fù)雜的電磁測(cè)量設(shè)備。（2）操作方便。只通過液壓泵向鉆孔內(nèi)注液壓裂巖體，觀測(cè)壓裂過程中泵壓、液量即可。（3）測(cè)值直觀。它可根據(jù)壓裂時(shí)泵壓〔初始開裂泵壓、穩(wěn)定開裂泵壓、關(guān)閉壓力、開啟壓力）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。（4）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）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，這一方法越來越受到重視和推廣。但它存在一個(gè)較大的缺陷，就是主應(yīng)力方向測(cè)定得不準(zhǔn)。2023/2/536教材配套課件1）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，鉆孔直徑與所選用的封隔器的直徑相一致。封隔器一般是充壓膨脹式的，充壓可用液體，也可用氣體。3．測(cè)量步驟2）向隔離段注射高壓水，加大水壓，直至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力Pi

；然后繼續(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)應(yīng)力為關(guān)閉壓力，記為Ps

；最后卸壓，使裂隙閉合。在整個(gè)加壓過程中，記錄壓力-時(shí)間曲線圖和流量-時(shí)間曲線圖，確定Pi

，Ps值。3）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開并記下裂隙重開時(shí)的壓力Pr和隨后的恒定關(guān)閉壓力Ps。這種卸壓-重新加壓的過程重復(fù)2—3次，以提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。Pr和Ps同樣由壓力-時(shí)間曲線和流量-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。水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量壓裂過程曲線水壓致裂測(cè)量結(jié)果只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的大小和方向，所以從原理上講，它是一種二維應(yīng)力測(cè)量方法。水壓致裂法認(rèn)為初始開裂發(fā)生在鉆孔壁切向應(yīng)力最小的部位，亦即平行于最大主應(yīng)力的方向，這是基于巖石為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的假設(shè)。水壓致裂法較為適用于完整的脆性巖石中。水壓致裂法的突出優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)量深部應(yīng)力，已見報(bào)道的最大測(cè)深為5000m，這是其它方法所不能做到的。因此這種方法可用來測(cè)量深部地殼的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。同時(shí)，對(duì)于某些工程，如露天邊坡工程，由于沒有現(xiàn)成的地下井巷、隧道、峒室等可用來接近應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)，或者在地下工程的前期階段，需要估計(jì)該工程區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)，也只有使用水壓致裂法才是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。3．優(yōu)缺點(diǎn)6.4.3應(yīng)力解除法1.巖體孔底應(yīng)力解除法巖體孔底應(yīng)力解除法是向巖體中的測(cè)點(diǎn)先鉆進(jìn)一個(gè)平底鉆孔，在孔底中心處粘貼應(yīng)變傳感器（例如電阻應(yīng)變花探頭或是雙向光彈應(yīng)變計(jì)）、通過鉆出巖芯，使受力的孔底平面完全卸載，從應(yīng)變傳感器獲得的孔底平面中心處的恢復(fù)應(yīng)變。再根據(jù)巖石的彈性常數(shù)，可求得孔底中心處的平面應(yīng)力狀態(tài)。孔底應(yīng)力解除法主要工作步驟如圖6.13，應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)如圖6.14。圖6.13孔底應(yīng)力解除法主要工作步驟1.安裝器；2.探頭；3.溫度補(bǔ)償器圖6.14孔底應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1—控制箱；2—電阻應(yīng)變儀；3—預(yù)調(diào)平衡箱2023/2/543（1）按試驗(yàn)要求打出大孔，然后將孔底磨平打光；（2）將應(yīng)變計(jì)端部涂上膠結(jié)劑，并用專門工具送到孔底，施加壓力將應(yīng)變計(jì)端部和孔底擠壓在一起，直到膠結(jié)劑固化為止，這樣應(yīng)變片也就粘貼在孔底巖石上了，記錄應(yīng)變片在孔底的方位；3．測(cè)量步驟（3）將應(yīng)變計(jì)導(dǎo)線連接到應(yīng)變測(cè)量?jī)x器上，記錄原始應(yīng)變數(shù)據(jù)（一般調(diào)零）；（4）進(jìn)行套孔應(yīng)力解除，解除后再一次記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)應(yīng)力解除前后應(yīng)變片的讀數(shù)變化，即可求出孔底平面的應(yīng)力狀態(tài)。3．測(cè)量步驟孔底平面的應(yīng)力狀態(tài)和周圍原巖應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系還沒有理論解，只能通過試驗(yàn)或數(shù)值分析方法求得。由于孔底應(yīng)力集中的狀況是非常復(fù)雜的，要精確確定二者之間的關(guān)系是很困難的，正因?yàn)檫@一點(diǎn)孔底應(yīng)變計(jì)測(cè)量的精度和實(shí)際應(yīng)用受到了很大影響。3．測(cè)量步驟另一方面，一孔測(cè)量也只能解決二維應(yīng)力，如若需要求解原巖應(yīng)力的六個(gè)應(yīng)力分量，就必須打互不平行的三個(gè)鉆孔進(jìn)行測(cè)量。但該法也有自己的優(yōu)點(diǎn)，即它不需很長(zhǎng)的套孔巖芯，因而有可能在較為破碎的巖石條件下使用。3．測(cè)量步驟2.巖體鉆孔套孔應(yīng)力解除法（全應(yīng)力解除法）2023/2/548基本假定：圍巖是線性、均勻、各向同性的彈性體；巖體加載、卸載過程中具有同樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系；解除孔徑不小于3倍測(cè)孔直徑，可近似處理為厚壁圓筒問題；應(yīng)力解除法所采用的鉆孔傳感器可分為位移（孔徑）傳感器和應(yīng)變傳感器兩類。中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所沒計(jì)制造的鉆孔徑變形計(jì)是上述第一類傳感器，測(cè)量元件分鋼環(huán)式和懸臂鋼片式兩種（如圖6.16）。圖6.16鉆孔變形計(jì)（a）鋼環(huán)式；（b）懸臂鋼片式該鉆孔變形計(jì)用來測(cè)定鉆孔中巖體應(yīng)力解除前后孔徑的變化值（徑向位移值）。鉆孔變形計(jì)置于中心小孔需要測(cè)量的部位，變形計(jì)的觸腳方位由前端的定向系統(tǒng)來確定。通過觸腳測(cè)出孔徑位移值，其靈敏度可達(dá)mm。2023/2/549教材配套課件（1）從地下巷道、隧道、峒室或其它開挖體的表面向巖體內(nèi)部打大孔，直至需要測(cè)量巖體應(yīng)力的部位。大孔要求：①直徑為小孔直徑的3倍以上，一般為130～150mm；②孔深為巷道、隧道或已開挖峒室跨度的3～5倍，以保證伸到未受開挖影響的原巖應(yīng)力區(qū)；3．測(cè)量步驟③打孔要保持一定的同心度；④孔底要磨平，并打出錐形孔，以利于打小孔與大孔同心；⑤孔的傾斜角一般為1～3°，打完后需放水、沖洗。3．測(cè)量步驟（2）從大孔孔底打同心小孔，用于安裝測(cè)試探頭。小孔要求：①直徑一般為36～38mm；②孔深一般為小孔直徑的10倍以上，以保證小孔中央部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)；③小孔要用水沖洗干凈。3．測(cè)量步驟（3）用一套專用裝置將測(cè)量探頭膠固到小孔中央部位。（4）用打大孔用的薄壁鉆頭繼續(xù)延伸大孔，從而使小孔周圍巖芯實(shí)現(xiàn)應(yīng)力解除。（5）由于應(yīng)力解除引起的小孔變形或應(yīng)變，可由空內(nèi)的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定，并通過記錄儀器記錄下來。3．測(cè)量步驟（6）根據(jù)測(cè)得的小孔變形或應(yīng)變通過有關(guān)計(jì)算公式，求出小孔周圍的原巖應(yīng)力狀態(tài)。3．測(cè)量步驟6.4.4聲發(fā)射法1．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（J.Kaiser）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)稱力凱澤點(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)，許多巖石如花崗巖、大理巖、石英巖、砂巖、安山巖、輝長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、片麻巖、輝綠巖、灰?guī)r、礫巖等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)。2023/2/555教材配套課件2．測(cè)試步驟（l）試件制備

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，試件兩端澆鑄由環(huán)氧樹脂或其他復(fù)臺(tái)材料制成的端帽（如圖6.18）。

從現(xiàn)場(chǎng)鉆孔提取巖石試樣，試樣在原環(huán)境狀態(tài)下的方向必須確定將試樣加工成圓柱體試件，徑高比為1:2~1:3。為了確定測(cè)點(diǎn)三維壓力狀態(tài)，試樣在原環(huán)境狀態(tài)下的方向必須確定，因此，在該點(diǎn)的巖樣中沿六個(gè)不同方向制備試件，假如該點(diǎn)的局部坐標(biāo)系為oxyz，則三個(gè)方向選定為坐標(biāo)軸方向，另三個(gè)方向選為oxy,oyz,ozx平面內(nèi)的軸角平分線方向。為了獲得測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，每個(gè)方向的試件數(shù)