地應(yīng)力及其原理課件

8/5/20231巖體力學(xué) 主講人：趙啟峰TEL-mail:mineqfz@華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院7/31/20231巖體力學(xué) 主講人：趙啟峰1第六章地應(yīng)力及其測(cè)量

學(xué)習(xí)指導(dǎo)：主要介紹巖石的初始應(yīng)力概念，包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，初始應(yīng)力的量測(cè)方法及原理，扁千斤頂法和應(yīng)力解除法等。 重點(diǎn)巖體的初始應(yīng)力概念巖體初始應(yīng)力的測(cè)量方法第六章地應(yīng)力及其測(cè)量 學(xué)習(xí)指導(dǎo)：26地應(yīng)力及其測(cè)量6.1概述6.1.1基本概念地應(yīng)力：系指天然環(huán)境下地殼巖土體內(nèi)某一點(diǎn)所固有的應(yīng)力狀態(tài)，即未受人工開(kāi)挖擾動(dòng)的應(yīng)力，稱為地應(yīng)力或原巖應(yīng)力。6地應(yīng)力及其測(cè)量36地應(yīng)力及其測(cè)量6.1概述6.1.1基本概念次生應(yīng)力：受開(kāi)挖、手動(dòng)影響，在影響范圍以內(nèi)的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞后的應(yīng)力稱為次生應(yīng)力或誘發(fā)應(yīng)力。應(yīng)力重分布：原巖應(yīng)力到次生應(yīng)力的轉(zhuǎn)換過(guò)程。6地應(yīng)力及其測(cè)量46.1概論一、地應(yīng)力測(cè)量的必要性地應(yīng)力分為自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

自重應(yīng)力:由上覆巖體的自重所引起的應(yīng)力；

構(gòu)造應(yīng)力:地層中由于過(guò)去地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生和現(xiàn)在正在活動(dòng)與變化的應(yīng)力，地質(zhì)作用殘存的應(yīng)力。6.1概論一、地應(yīng)力測(cè)量的必要性5b重要性：決定洞室布置的決定性因素之一。穩(wěn)定性分析的重要參數(shù)。1)引起各種地下或露天巖石開(kāi)挖工程變形和破壞的根本作用力。2)傳統(tǒng)開(kāi)挖設(shè)計(jì)和施工的經(jīng)驗(yàn)類比法有局限性。

小規(guī)模和地表的巖石工程，經(jīng)驗(yàn)類比的方法往往是有效的

大規(guī)模和深部的巖石工程，經(jīng)驗(yàn)類比法有不足。b重要性：決定洞室布置的決定性因素之一。穩(wěn)定性分析的重要6b重要性：決定洞室布置的決定性因素之一。3)巖石工程數(shù)值分析方法計(jì)算分析的必要前提條件4)地應(yīng)力應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。對(duì)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、煤和瓦斯突出的研究以及地球動(dòng)力學(xué)的研究等也具有重要意義。b重要性：決定洞室布置的決定性因素之一。76.1.2地應(yīng)力的特點(diǎn)及其重要性地應(yīng)力是引起采礦、水利水電、土木建筑和其他各種地下工程或露天巖石開(kāi)挖工程變形和破壞的原始動(dòng)力，是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)巖石工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)和決策的必要前提條件。6.1.2地應(yīng)力的特點(diǎn)及其重要性86.1.2地應(yīng)力的特點(diǎn)及其重要性為了對(duì)各種巖石工程進(jìn)行科學(xué)合理的開(kāi)挖設(shè)計(jì)和施工，就必須對(duì)影響工程穩(wěn)定性的各種因素進(jìn)行充分調(diào)查，只有詳細(xì)了解了這些工程影響因素，通過(guò)定量計(jì)算和分析，才能做出既經(jīng)濟(jì)又安全實(shí)用的工程設(shè)計(jì)。6.1.2地應(yīng)力的特點(diǎn)及其重要性9對(duì)于礦山來(lái)說(shuō)，只有掌握了具體工程區(qū)域的地應(yīng)力條件，才能合理確定礦山總體布置，確定巷道和采場(chǎng)的最佳斷面形狀、斷面尺寸等。在確定巷道和采場(chǎng)走向時(shí)，也應(yīng)考慮地應(yīng)力的狀態(tài)，最理想的走向是與最大主應(yīng)力方向平行，當(dāng)然，在實(shí)際工程中還要綜合考慮工程需要和其它影響因素。對(duì)于礦山來(lái)說(shuō)，只有掌握了具體工程區(qū)域的地應(yīng)力條件，才能合理確10應(yīng)用領(lǐng)域：地應(yīng)力在地震預(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、核廢料存儲(chǔ)、巖爆、瓦斯突出及地球動(dòng)力學(xué)研究等最基礎(chǔ)的原始資料。地應(yīng)力及其原理ppt課件11綜上所述，地應(yīng)力的特點(diǎn)及其重要性如下：1、地應(yīng)力是地下工程圍巖變形破壞原始動(dòng)力；2、地位相當(dāng)于工程中習(xí)慣性理解的外荷載，但又與材力、彈力中泛指的外荷載有所不同；3、地下工程是先受力，后開(kāi)挖，并且地應(yīng)力從開(kāi)挖前到最終一直對(duì)圍巖起著作用；4、地應(yīng)力是涉及地殼問(wèn)題、地下工程問(wèn)題理論分析、計(jì)算中最基礎(chǔ)的原始資料。綜上所述，地應(yīng)力的特點(diǎn)及其重要性如下：126.1.3關(guān)于地應(yīng)力的古典假設(shè)1、海姆假設(shè)：在前言中我們已經(jīng)介紹過(guò)，人們認(rèn)識(shí)地應(yīng)力還只是近百年的事，1912年瑞士的地質(zhì)科學(xué)家海姆（A.Heim）在大型越嶺隧道的施工過(guò)程中，通過(guò)觀察與分析，首次提出了地應(yīng)力的概念，6.1.3關(guān)于地應(yīng)力的古典假設(shè)136.1.3關(guān)于地應(yīng)力的古典假設(shè)1、海姆假設(shè)：假設(shè)地應(yīng)力是靜水應(yīng)力狀態(tài)，即地殼中任意一點(diǎn)的應(yīng)力在各個(gè)方向上均相等，并且等于單位面積上覆蓋巖層的重量，即：式中：—水平應(yīng)力；—垂直應(yīng)力；—覆蓋巖層的容重；—覆蓋巖層的深度。6.1.3關(guān)于地應(yīng)力的古典假設(shè)14海姆認(rèn)為：（1）原巖應(yīng)力各向等壓，即靜水壓力狀態(tài)。（2）上覆巖體的重量，歷經(jīng)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代后，由于材料的蠕變性及地下水平方向的約束條件，導(dǎo)致水平應(yīng)力最終與鉛重應(yīng)力相均衡。這一法則，仍為許多巖石力學(xué)家在認(rèn)識(shí)深部地應(yīng)力狀態(tài)時(shí)所接受。海姆認(rèn)為：152、金尼克假設(shè)1926年，原蘇聯(lián)學(xué)者金尼克修正了海姆的靜水壓力假設(shè)，他認(rèn)為地殼中各點(diǎn)的垂直應(yīng)力等于上覆蓋巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力（水平應(yīng)力）是泊松效應(yīng)的結(jié)果，其值應(yīng)為乘以一個(gè)修正系數(shù)。2、金尼克假設(shè)162、金尼克假設(shè)金尼克根據(jù)彈性理論（假定巖體是均勻的、連續(xù)的彈性介質(zhì)體，得出水平應(yīng)力總歸小于鉛垂應(yīng)力的結(jié)論），認(rèn)為這個(gè)測(cè)壓系數(shù)等于，即：式中：—上覆蓋巖層的泊松比，巖石的泊松比的常值范圍為0.15~0.30。2、金尼克假設(shè)17此時(shí)，當(dāng)時(shí)，，即海姆假說(shuō)只是金尼克假說(shuō)的一個(gè)特例。同期的其他一些人主要關(guān)心的也是如何用一些數(shù)學(xué)公式來(lái)定量地計(jì)算地應(yīng)力的大小，并且也都認(rèn)為地應(yīng)力只與重力有關(guān)，即以垂直應(yīng)力為主，他們不同點(diǎn)只在于測(cè)壓系數(shù)的不同。此時(shí)，當(dāng)時(shí)，，即18小結(jié)c地應(yīng)力分布理論：1）海姆假設(shè)：（首次提出了地應(yīng)力的概念，靜水壓力假設(shè)）

海姆假說(shuō)：在巖體深處的初始垂直應(yīng)力與其上覆巖體的重量成正比，而水平應(yīng)力大致與垂直應(yīng)力相等。2）金尼克假設(shè)：（彈性力學(xué)假設(shè)）

，

v為上覆巖層的柏松比。修正了海姆的靜水壓力假設(shè)，認(rèn)為地殼中垂直應(yīng)力等于上覆巖層重量，而水平應(yīng)力是泊松效應(yīng)的結(jié)果。小結(jié)c地應(yīng)力分布理論：19我國(guó)的地質(zhì)學(xué)家李四光：20年代指出“在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)垂直應(yīng)力分量”。我國(guó)的地質(zhì)學(xué)家李四光：2050年代，哈斯特在測(cè)試地應(yīng)力時(shí)也發(fā)現(xiàn)地殼上部的最大主應(yīng)力幾乎處處是水平或接近水平的，而且最大水平應(yīng)力主應(yīng)力一般為垂直應(yīng)力的1～2倍。這樣就從根本上動(dòng)搖了地應(yīng)力是靜水壓應(yīng)力的理論和垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。50年代，哈斯特在測(cè)試地應(yīng)力時(shí)也發(fā)現(xiàn)地殼上部的最大主應(yīng)力幾乎213）李四光：在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)垂直應(yīng)力分量。4）哈斯特：地應(yīng)力測(cè)量發(fā)現(xiàn)存在于地殼上部的最大主應(yīng)力幾乎處處是水平或接近水平的，從根本上動(dòng)搖了地應(yīng)力是靜水壓力的理論和以垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。5）近期研究：重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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。當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)主要由最近一次的構(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)。c地應(yīng)力分布理論：3）李四光：在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，22因此，重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要原因，地應(yīng)力的大小和方向不可能通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算或模型分析的方法來(lái)獲得，要了解一個(gè)地區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)，唯一的方法就是進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。因此，重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要原因，236.2地應(yīng)力的成因產(chǎn)生地應(yīng)力的原因是十分復(fù)雜的，至今也不是十分清楚。近30多年來(lái)的實(shí)測(cè)和理論分析表明，地應(yīng)力的形成主要與地球的各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程密切相關(guān)，6.2地應(yīng)力的成因246.2地應(yīng)力的成因包括：板塊邊界受壓、地幔熱對(duì)流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入和地球非均勻擴(kuò)容等。另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其他物理化學(xué)變化等也可以引起相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)。下面就幾種主要成因進(jìn)行分述：6.2地應(yīng)力的成因25（1）大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場(chǎng)中國(guó)大陸板塊受到外部印度洋板塊和太平洋板塊兩板塊的擠壓，推擠速度為每年數(shù)厘米，同時(shí)還受到西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束我國(guó)大陸板塊發(fā)生變形，產(chǎn)生水平壓應(yīng)力場(chǎng)，其主應(yīng)力跡線如圖4-1所示。（1）大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場(chǎng)我國(guó)大陸板塊發(fā)生變形，產(chǎn)生26（2）地幔熱對(duì)流引起的應(yīng)力場(chǎng)由硅鎂組成的地幔因溫度很高，具有可塑性，并可以上下對(duì)流和蠕動(dòng)。當(dāng)?shù)蒯Ｉ钐幍纳仙鞯竭_(dá)地幔頂部時(shí)，就分為兩股方向相反的平流，經(jīng)一定流程直到與令一對(duì)流圈的反向平流相遇，一起轉(zhuǎn)為下降流回到地球深處，形成封閉的循環(huán)體系。地幔熱對(duì)流引起地殼下面的水平切向力。（2）地幔熱對(duì)流引起的應(yīng)力場(chǎng)27（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)稱為重力應(yīng)力場(chǎng)，重力應(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)。重力應(yīng)力為垂直方向應(yīng)力，它是地殼中所有各點(diǎn)垂直應(yīng)力的主要組成部分，但垂直應(yīng)力一般并不完全等于自重應(yīng)力，因?yàn)榘鍓K移動(dòng)、巖漿對(duì)流和侵入、巖體非均勻擴(kuò)容、溫度不均和水壓梯度等，均會(huì)引起垂直方向應(yīng)力的變化。（3）由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng)283）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)稱為重力應(yīng)力場(chǎng)。重力應(yīng)力場(chǎng)是各種應(yīng)力場(chǎng)中唯一可以測(cè)量的應(yīng)力場(chǎng)。垂直應(yīng)力：—平均容重，KN/m3H—總深度（m）

圖巖體自重垂直應(yīng)力3）由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng)垂直應(yīng)力：—平均容重，KN/m3H29（4）巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)巖漿侵入擠壓、冷凝收縮和成巖過(guò)程，由于不同的熱膨脹系數(shù)及熱力學(xué)過(guò)程等，均會(huì)在周圍地層中產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)，但它是一種局部應(yīng)力場(chǎng)。（4）巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)304）巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)

巖漿傾入擠壓、冷凝收縮和成巖，均在周圍底層產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)。與上述三種應(yīng)力場(chǎng)不同，由巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)是一種局部應(yīng)力場(chǎng)。4）巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)31（5）地溫梯度引起的應(yīng)力場(chǎng)地層的溫度隨著深度的增加而升高，一般的溫度梯度為每百米3℃。由于溫度梯度而引起地層中不同深度不同的膨脹，從而引起地層中的局部壓應(yīng)力產(chǎn)生。地應(yīng)力及其原理ppt課件325）地溫梯度引起的應(yīng)力

隨埋深增加，地溫增高，巖體性質(zhì)改變產(chǎn)生附加應(yīng)力。

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。隨埋深增加，地溫增高，巖體性質(zhì)改變而產(chǎn)生附加應(yīng)力。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）地溫梯度引起的應(yīng)力z--深度/m。33（6）地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)地殼上升部分巖體因?yàn)轱L(fēng)化、侵蝕和剝蝕作用，由于巖體內(nèi)的顆粒結(jié)構(gòu)的變化和應(yīng)力松弛趕不上這種變化，導(dǎo)致巖體內(nèi)仍然存在著比由地層厚度所引起的自重應(yīng)力還要大得多的水平應(yīng)力。

地殼巖體因?yàn)轱L(fēng)化、侵蝕、雨水沖刷搬運(yùn)而產(chǎn)生剝蝕作用，使得巖體內(nèi)產(chǎn)生顆粒的結(jié)構(gòu)變化和應(yīng)力松弛產(chǎn)生水平應(yīng)力場(chǎng)。（6）地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)34區(qū)域初始應(yīng)力場(chǎng)有一致性，而區(qū)域內(nèi)局部地點(diǎn)的初始應(yīng)力又有很大差別，主要是由地質(zhì)因素造成的。孤立山體：巖體自重起主導(dǎo)作用，σV>σH陡峭河谷：底部出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力與河谷軸近似垂直。如二灘水電站處于河谷地段的應(yīng)力集中范圍達(dá)500m，深度250m區(qū)域初始應(yīng)力場(chǎng)有一致性，而區(qū)域內(nèi)局部地點(diǎn)的初始應(yīng)力又有很大差35斷裂帶：殘留較大構(gòu)造應(yīng)力。如云南魯布革電站工程中巖體最大主應(yīng)力與斷層走向近似垂直，積聚于上盤(pán)巖體中。地殼表面剝蝕：垂直應(yīng)力減少，近地表處，σH>σV此外，地震活躍地區(qū)，初始應(yīng)力大小和方向還隨時(shí)間而變化。斷裂帶：殘留較大構(gòu)造應(yīng)力。如云南魯布革電站工程中巖體最大主應(yīng)366.3地應(yīng)力的變化規(guī)律通過(guò)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：（1）地應(yīng)力是個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的非穩(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)非穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)，6.3地應(yīng)力的變化規(guī)律376.3地應(yīng)力的變化規(guī)律（1）地應(yīng)力是個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，它是時(shí)間和空間的函數(shù)。從小范圍來(lái)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(guò)一段時(shí)間后才能恢復(fù)到震前狀態(tài)。6.3地應(yīng)力的變化規(guī)律38（2）實(shí)測(cè)鉛垂應(yīng)力基本等于上覆巖層重量對(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)，垂直應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)，大致符合海姆的假設(shè)規(guī)律，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。圖4-2是霍克（E.Hoek）和布朗（E.T.Brown）總結(jié)出來(lái)的世界各國(guó)值隨深度H的變化規(guī)律。（2）實(shí)測(cè)鉛垂應(yīng)力基本等于上覆巖層重量392）實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量

世界各國(guó)垂直應(yīng)力隨深度變化的規(guī)律垂直應(yīng)力隨深度線性增加。平均容重約為27KN/m32）實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量世界各國(guó)垂直應(yīng)力隨深度40（3）水平應(yīng)力普遍大于鉛垂應(yīng)力實(shí)測(cè)資料表明，在絕大多數(shù)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)，其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，它們的比值一般在0.5～5.5之間，在很多情況下比值大于2。垂直應(yīng)力在大多數(shù)情況下為最小主應(yīng)力，在少數(shù)情況下為中間主應(yīng)力，只在個(gè)別情況下為最大主應(yīng)力。這再次說(shuō)明，水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地殼淺層地應(yīng)力的形成起控制作用。（3）水平應(yīng)力普遍大于鉛垂應(yīng)力413）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。國(guó)家名稱平均水平應(yīng)力/垂直主應(yīng)力(%)最大水平應(yīng)力垂直主應(yīng)力<0.80.8~1.2>1.2中國(guó)3240282.09澳大利亞022782.95加拿大001002.56美國(guó)1841413.29挪威1717663.56瑞典001004.99南非4124352.50前蘇聯(lián)5129204.30其他地區(qū)37.537.5251.963）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。平均水平應(yīng)力/垂直主應(yīng)力(%)42（4）平均水平應(yīng)力與鉛垂應(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4-3為世界不同地區(qū)取得的實(shí)測(cè)結(jié)果。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(shuō)明在地殼深部有可能出現(xiàn)靜水壓應(yīng)力狀態(tài)。（4）平均水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力的比值隨深度增加而減小，但在不同434）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨深度增加而減小，且趨近于1地應(yīng)力及其原理ppt課件445）最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。5）最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。45（6）最大水平主應(yīng)力和最小水平應(yīng)力之值一般相差較大，其方向也受地質(zhì)構(gòu)造影響，顯示出很強(qiáng)的方向性特點(diǎn)。地應(yīng)力及其原理ppt課件466)最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性。

sh,min/sh,max，一般為0.2~0.8.多數(shù)為0.4~0.8實(shí)測(cè)地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)目sh,min/sh,max(%)1.0~0.750.75~0.500.50~0.250.25~0合計(jì)斯勘的納維亞511467136100北美2222246239100中國(guó)251256248100中國(guó)華北地區(qū)1866122111006)最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很47（7）地應(yīng)力除上述分布規(guī)律外，還受地形、巖體結(jié)構(gòu)、斷層等方面的擾動(dòng)影響。地形對(duì)原始地應(yīng)力的影響是十分復(fù)雜的，一般來(lái)說(shuō)，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。（7）地應(yīng)力除上述分布規(guī)律外，還受地形、巖體結(jié)構(gòu)、斷層等方面48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，所以此處成為應(yīng)力降低帶。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)。49隨著斷層性質(zhì)的不同，其影響也不一樣，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。隨著斷層性質(zhì)的不同，其影響也不一樣，506.4地應(yīng)力的實(shí)測(cè)方法6.4.1地應(yīng)力實(shí)測(cè)的基本原理原巖地應(yīng)力測(cè)量就是確定存在于擬開(kāi)挖巖體及其周圍區(qū)域的未擾動(dòng)的三維應(yīng)力，原位地應(yīng)力測(cè)量是目前取得工程需要的不同深度原巖應(yīng)力可靠資料的唯一方法。6.4地應(yīng)力的實(shí)測(cè)方法51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(lái)表示，如圖4-4所示。但圖中的坐標(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。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(lái)表示52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。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(lái)描述該地區(qū)全部地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)。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53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(kāi)挖一些巷道和峒室。因此，只要巷道和峒室一開(kāi)，其周圍巖體中的應(yīng)力狀態(tài)就受到擾動(dòng)進(jìn)行重新分布而產(chǎn)生了次生應(yīng)力，地應(yīng)力及其原理ppt課件54若要在峒室表面進(jìn)行測(cè)量（如早期的扁千斤頂法），再在計(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。地應(yīng)力及其原理ppt課件55地應(yīng)力及其原理ppt課件56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(guò)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。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57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。但是，任何一種實(shí)測(cè)方法都需要通過(guò)擾動(dòng)（通常是打鉆孔），打破原有狀態(tài)，在從一種平衡狀態(tài)到新的平衡狀態(tài)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)力或應(yīng)力的效應(yīng)的間接測(cè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)，不可能完全實(shí)現(xiàn)原巖應(yīng)力的測(cè)試。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。58原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)方法因其所用傳感器原理和結(jié)構(gòu)的不同而有許多種：孔徑變形法、水壓致裂法、孔壁應(yīng)變法、空心包體應(yīng)變法。其中，前二種是二維應(yīng)力測(cè)量，可以測(cè)量與鉆孔軸線垂直截面上的原巖應(yīng)力分量；后二種是三維應(yīng)力測(cè)量，可以一次測(cè)得全部六個(gè)應(yīng)力分量；原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)方法因其所用傳感器原理和結(jié)構(gòu)的不同而有許多種：孔59測(cè)量方法：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：由測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量和記錄各種應(yīng)力量，并由這些應(yīng)力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過(guò)計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值。

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)的間接物理量的變化，然后由測(cè)得的間接物理量的變化，通過(guò)已知的公式計(jì)算巖體中的應(yīng)力值。測(cè)量方法：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，并60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、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(guò)計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值的方法。在計(jì)算過(guò)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。直接測(cè)量法：61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(guò)已知的公式計(jì)算巖體中的應(yīng)力值的方法。間接測(cè)量法：62間接測(cè)量法：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。間接測(cè)量法：636.4.1直接測(cè)量法1扁千斤頂法2剛性包體應(yīng)力計(jì)法3水壓致裂法4聲發(fā)射法6.4.1直接測(cè)量法646.4.1直接測(cè)量法(一、扁千斤頂法)示意圖

步驟：1)在準(zhǔn)備測(cè)量地應(yīng)力的巖石表面，安裝兩個(gè)測(cè)量柱并測(cè)量?jī)芍g的距離.2)在與兩柱對(duì)稱的中間位置向巖體內(nèi)開(kāi)挖一個(gè)垂直于測(cè)量柱連線的扁槽，并測(cè)量記錄開(kāi)挖過(guò)程過(guò)程中兩測(cè)量柱之間距離的變化.6.4.1直接測(cè)量法(一、扁千斤頂法)示意圖步驟：2)656.4.1直接測(cè)量法(一、扁千斤頂法)示意圖

3)將扁千斤頂放入槽內(nèi)并加壓，測(cè)量?jī)芍g的距離，直到恢復(fù)到扁槽開(kāi)挖前的距離，記錄千斤頂壓力；這一壓力稱為“平衡壓力”或“補(bǔ)償應(yīng)力”6.4.1直接測(cè)量法(一、扁千斤頂法)示意圖3)將扁千666.4.1直接測(cè)量法1）扁千斤頂法扁千斤頂法又稱“壓力枕”，由兩塊薄鋼板沿周圍焊接而成。在周邊處有一個(gè)油壓入口和一個(gè)出氣閥。測(cè)量步驟如下：1、在準(zhǔn)備測(cè)量應(yīng)力的巖石表面，如巷道、峒室的表面，安裝兩個(gè)測(cè)量柱，并用微米表測(cè)量?jī)芍g的距離。6.4.1直接測(cè)量法672、在與倆測(cè)量柱對(duì)稱的中間位置向巖體內(nèi)開(kāi)挖一個(gè)垂直于測(cè)量柱連線的扁槽，槽的大小、形狀和厚度需和扁千斤頂相一致。由于扁槽的開(kāi)挖，造成局部應(yīng)力釋放并引起測(cè)量柱之間距離的變化，測(cè)量并記錄這一變化值。2、在與倆測(cè)量柱對(duì)稱的中間位置向巖體內(nèi)開(kāi)挖一個(gè)垂直于測(cè)量柱連683、將扁千斤頂完全塞入槽內(nèi)，必要時(shí)需注漿將扁千斤頂和巖石膠結(jié)在一起，然后用電動(dòng)或手動(dòng)液壓泵向其加壓。隨著壓力的增加，兩側(cè)柱之間的距離亦增加，當(dāng)兩測(cè)量柱之間的距離恢復(fù)到扁槽開(kāi)挖前的大小時(shí)，停止加壓，并記錄此時(shí)扁千斤頂中的壓力。該壓力稱為“平衡應(yīng)力”或“補(bǔ)償應(yīng)力”，等于扁槽開(kāi)挖前表面巖體中垂直于扁千斤頂方向且平行于兩測(cè)柱連線方向的應(yīng)力。3、將扁千斤頂完全塞入槽內(nèi)，必要時(shí)需注漿將扁千斤頂和巖石膠結(jié)69評(píng)價(jià)：1、扁千斤頂法只是一種一維應(yīng)力測(cè)量法，不能在同一點(diǎn)上測(cè)量六個(gè)應(yīng)力分量；2、扁千斤頂法只能在巷道、峒室或其他開(kāi)挖體表面附近進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果受開(kāi)挖擾動(dòng)影響較大；3、扁千斤頂法的測(cè)量原理是基于巖石為完全線彈性的假設(shè)，對(duì)于非線性巖體，其加載和卸載路徑的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是不同的。優(yōu)缺點(diǎn)

評(píng)價(jià)：優(yōu)缺點(diǎn)702）剛性包體應(yīng)力計(jì)法剛性包體應(yīng)力計(jì)法是20世紀(jì)50年代繼扁千斤頂法之后應(yīng)用較為廣泛的一種巖體應(yīng)力測(cè)量方法。剛性包體應(yīng)力計(jì)的主要組成部分是一個(gè)由鋼、銅合金或其他硬質(zhì)金屬材料制成的空心圓柱，在其中心部位有一個(gè)壓力傳感器元件。測(cè)量時(shí)首先在測(cè)點(diǎn)打一鉆孔，然后將該圓柱擠壓進(jìn)鉆孔中，以使圓柱和鉆孔壁緊密接觸。2）剛性包體應(yīng)力計(jì)法71地應(yīng)力及其原理ppt課件72鉆孔應(yīng)力計(jì)鉆孔應(yīng)力計(jì)73地應(yīng)力及其原理ppt課件74理論分析表明，當(dāng)周圍巖體應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，在剛性體中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均勻分布的應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)的大小和巖體中的應(yīng)力變化之間存在一定的比例關(guān)系。當(dāng)剛性包體的彈性模量大于巖體彈性模量的5倍時(shí)，在巖體中任何方位的應(yīng)力變化會(huì)在包體重相同方向引起1.5倍的應(yīng)力。因此，只要測(cè)量出剛性包體中的應(yīng)力變化就可以知道巖體中的應(yīng)力變化。理論分析表明，當(dāng)周圍巖體應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，在剛性體中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)75評(píng)價(jià)：優(yōu)點(diǎn)：剛性包體應(yīng)力計(jì)具有很高的穩(wěn)定性，可用于現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。缺點(diǎn)：剛性包體應(yīng)力計(jì)法只能測(cè)量垂直于鉆孔平面的單向或雙向應(yīng)力變化情況，不能用于測(cè)量原巖應(yīng)力；另外它的靈敏度較低。除鋼鉉應(yīng)力計(jì)目前還在應(yīng)用外，其他形式的剛性包體應(yīng)力計(jì)于20世紀(jì)80年代之前已被淘汰。優(yōu)缺點(diǎn)

評(píng)價(jià)：優(yōu)缺點(diǎn)763）水壓致裂法水壓致裂法是石油行業(yè)為了提高石油產(chǎn)量，在鉆井中用水壓方法使鉆井產(chǎn)生人工裂隙而出現(xiàn)的一種方法，20世紀(jì)50年代被廣泛應(yīng)用于油田生產(chǎn)。哈伯特（M.K.Hubbert）和威利斯（D.G.Willis）發(fā)現(xiàn)了水壓致裂裂隙和原巖應(yīng)力之間的關(guān)系，后來(lái)又被費(fèi)爾赫斯特（C.Fairhurst）和海姆森（B.C.Haimson）應(yīng)用于地應(yīng)力測(cè)量。3）水壓致裂法77原理

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(kāi)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)力為式中，和分別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。

當(dāng)＝0o時(shí)，取得極小值，此時(shí)

3）水壓致裂法原理從彈性力學(xué)理論可知，當(dāng)一個(gè)位于無(wú)限體中的鉆孔78原理如果采用圖所示的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來(lái)，并向該段鉆孔注入高壓水，當(dāng)水壓超過(guò)和巖石抗拉強(qiáng)度T之和后，在＝0o處，也即所在方位將發(fā)生孔壁開(kāi)裂。設(shè)鉆孔壁發(fā)生初始開(kāi)裂時(shí)的水壓為，則有3）水壓致裂法原理如果采用圖所示的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來(lái)，并向該段79原理如果繼續(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Ps,Ps應(yīng)和原巖應(yīng)力相平衡，即

3）水壓致裂法原理如果繼續(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80原理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P0

,則在初始裂隙產(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(kāi)，記裂隙重開(kāi)時(shí)的壓力為Pr，則有

3）水壓致裂法原理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P081原理由以上兩式求和就無(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(lái)決定。

3）水壓致裂法原理由以上兩式求和就無(wú)須知道巖石的抗拉強(qiáng)度。因此，由82測(cè)量步驟1）打鉆孔到準(zhǔn)備測(cè)量應(yīng)力的部位，井將鉆孔中待加壓段用封隔器密封起來(lái)，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）水壓致裂法測(cè)量步驟1）打鉆孔到準(zhǔn)備測(cè)量應(yīng)力的部位，井將鉆孔中待加壓段83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(kāi)裂，獲得初始開(kāi)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(guò)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）水壓致裂法測(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(kāi)裂84測(cè)量步驟3）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開(kāi)并記下裂隙重開(kāi)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(guò)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。3）水壓致裂法測(cè)量步驟3）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開(kāi)并記下裂85測(cè)量步驟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。3）水壓致裂法測(cè)量步驟4）將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設(shè)備從鉆孔中86優(yōu)缺點(diǎn)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(kāi)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。

3）水壓致裂法優(yōu)缺點(diǎn)水壓致裂測(cè)量結(jié)果只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)87優(yōu)缺點(diǎn)水壓致裂法的突出優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)量深部應(yīng)力，已見(jiàn)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(lái)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(méi)有現(xiàn)成的地下井巷、隧道、峒室等可用來(lái)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）水壓致裂法優(yōu)缺點(diǎn)水壓致裂法的突出優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)量深部應(yīng)力，已見(jiàn)報(bào)道的最大88（1）測(cè)量原理水壓致裂法的基本點(diǎn)是通過(guò)液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定測(cè)量深度處加液壓將孔壁壓裂，測(cè)定壓裂過(guò)程中的各特征點(diǎn)壓力及開(kāi)裂方位，然后根據(jù)測(cè)得的壓裂過(guò)程中泵壓表頭讀數(shù)，計(jì)算測(cè)點(diǎn)附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點(diǎn)上、下用止水封隔器密封，其測(cè)量原理示意圖如圖4-5所示。（1）測(cè)量原理89（2）基本理論和計(jì)算公式從彈性力學(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(kāi)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，鉆孔周圍的應(yīng)力（利用彈性力學(xué)公式4-17和4-18）可得：（這里壓為負(fù)拉為正，而書(shū)上是壓為正拉為負(fù)）（2）基本理論和計(jì)算公式（這里壓為負(fù)拉為正，而書(shū)上是壓為正拉90這是鉆孔周邊的應(yīng)力（此時(shí)，且為了與書(shū)上一致改為壓為正拉為負(fù)），則得：式中：分別為鉆孔周邊的切線應(yīng)力和徑向應(yīng)力；為周邊一點(diǎn)與軸的夾角。由（4-1）式可知，當(dāng)時(shí)，取得極小值時(shí)：（4-1）（4-2）（4-3）這是鉆孔周邊的應(yīng)力（此時(shí)，且為了與書(shū)上一致改91如果采用圖4-5所示的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來(lái)，并向該段鉆孔注入高壓水，當(dāng)水壓超過(guò)和巖石抗拉強(qiáng)度T之后，在處將發(fā)生孔壁開(kāi)裂。設(shè)鉆孔壁發(fā)生初始開(kāi)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，則應(yīng)該和原巖應(yīng)力平衡，即：（4-4）（4-5）如果采用圖4-5所示的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來(lái)，并向該92由（4-4）和（4-5）式，只要測(cè)出巖石抗拉強(qiáng)度T，即可由和求出。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（4-4）式變?yōu)椋焊鶕?jù)（4-5）和（4-6）式求時(shí)，還需要測(cè)定鉆孔封隔段巖石的抗拉強(qiáng)度，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，往往比較困難。

（4-6）由（4-4）和（4-5）式，只要測(cè)出巖石抗拉強(qiáng)度T，即可由93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(kāi)，記裂隙重開(kāi)時(shí)的應(yīng)力為，則有：（4-7）這樣，根據(jù)（4-5）和（4-7）式求就無(wú)需知道巖石的抗拉強(qiáng)度了。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(lái)決定。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94（3）測(cè)量步驟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分隔器密封起來(lái)（分隔器一般采用沖壓膨脹式的）；2、向被兩個(gè)封隔器封隔的隔離段注入高壓水，不斷加大水壓，直至孔壁出現(xiàn)開(kāi)裂，獲得初始開(kāi)裂壓力；然后繼續(xù)增加水壓以擴(kuò)張裂隙，當(dāng)裂隙擴(kuò)張至3倍直徑深度時(shí)，關(guān)閉高壓注水系統(tǒng)，保持水壓恒定，此時(shí)的應(yīng)力稱為關(guān)閉壓力，記為；最后卸壓，使裂隙閉合；（3）測(cè)量步驟953、重新向封隔段注入高壓水，使裂隙重新打開(kāi)并記錄裂隙重開(kāi)時(shí)的壓力和隨后的恒定關(guān)閉壓力這種卸壓-重新加壓的過(guò)程重復(fù)2-3次，以提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；在整個(gè)加壓過(guò)程中，同時(shí)記錄壓力-時(shí)間曲線圖，如圖4-6所示。從壓力-時(shí)間曲線圖確定值；從流量-時(shí)間曲線圖可以判斷裂隙擴(kuò)展深度。3、重新向封隔段注入高壓水，使裂隙重新打開(kāi)并記錄裂隙重開(kāi)時(shí)的964、將分隔器完全卸壓，連同加壓管等設(shè)備全部取出；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、大小和方向，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)鏡或印模器等方法，一般采用印模器法。4、將分隔器完全卸壓，連同加壓管等設(shè)備全部取出；97（4）水壓致裂法的特點(diǎn)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。操作方便。只通過(guò)液壓泵向鉆孔內(nèi)注液壓裂巖體，觀測(cè)壓裂過(guò)程中泵壓、液量即可。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。（4）水壓致裂法的特點(diǎn)98測(cè)值代表性大：所測(cè)