1、3.1 概概 述述 a 地層未受到擾動時，地層未受到擾動時，存在于地層內(nèi)各點的應力存在于地層內(nèi)各點的應力稱為稱為原巖應力原巖應力，或稱為，或稱為原原始應力始應力，或稱為，或稱為初始地應初始地應力力（in situ stress）。它是）。它是地下工程圍巖變形、破壞、地下工程圍巖變形、破壞、支護結構受力的根本淵源。支護結構受力的根本淵源。 3.1.1 地應力概念地應力概念 b 當?shù)貙颖婚_挖當?shù)貙颖婚_挖后，存在于開挖空間后，存在于開挖空間周圍巖體中重新分布周圍巖體中重新分布的應力稱為的應力稱為次生應力次生應力，也叫也叫誘發(fā)應力誘發(fā)應力（induced stress）。）。 3.1.2 地應力研究國

2、內(nèi)外情況地應力研究國內(nèi)外情況v 1905-1912，瑞士地質(zhì)學者海姆（，瑞士地質(zhì)學者海姆（Heim）假定）假定zyx v 1925-1926，金尼克假定，金尼克假定zyx 1v1932年，美國人勞倫斯年，美國人勞倫斯(Lieurace)在胡佛壩下面的在胡佛壩下面的一個隧道中采用巖體表面應力解除法首次成功地進行一個隧道中采用巖體表面應力解除法首次成功地進行了原巖應力的測量。了原巖應力的測量。 1 國外發(fā)展情況v在在20世紀世紀50年代，瑞典人哈斯特年代，瑞典人哈斯特(Hast)采用應力解采用應力解除法和壓磁變形計在現(xiàn)場進行了大規(guī)模的地應力測量。除法和壓磁變形計在現(xiàn)場進行了大規(guī)模的地應力測量。19

3、58年首次公布了他于年首次公布了他于1952-1953年在瑞典拉伊斯瓦年在瑞典拉伊斯瓦爾爾(Laiswall)鉛礦和斯堪的納維亞半島四個礦區(qū)的地鉛礦和斯堪的納維亞半島四個礦區(qū)的地應力測量結果，首次測得近地表地層中的水平應力高應力測量結果，首次測得近地表地層中的水平應力高于垂直應力，引起了人們的關注。于垂直應力，引起了人們的關注。 v20世紀世紀60年代中期之后，開創(chuàng)了三維地應力測量技年代中期之后，開創(chuàng)了三維地應力測量技術，其中以澳大利亞聯(lián)邦科學和工業(yè)研究組織研制的術，其中以澳大利亞聯(lián)邦科學和工業(yè)研究組織研制的CSIRO型空心包體應變計應用最為廣泛。型空心包體應變計應用最為廣泛。 v20世紀世紀

4、60年代末，美國人費爾赫斯特和海姆森提出年代末，美國人費爾赫斯特和海姆森提出了水壓致裂法，其突出優(yōu)點是能夠測量地殼深部的地了水壓致裂法，其突出優(yōu)點是能夠測量地殼深部的地應力。應力。 v20世紀世紀80年代初，瑞典國家電力局年代初，瑞典國家電力局(SSPB)研制成功研制成功了水下鉆孔三向應變計了水下鉆孔三向應變計 v20世界世界80年代后，年代后，Zoback、 StePhansson 、Klein和和Ban 、Herget、 Hudson 、Kugawara、格佐夫斯、格佐夫斯基等人繪制了美國大陸、斯堪的納維亞半島、西歐、基等人繪制了美國大陸、斯堪的納維亞半島、西歐、加拿大、英國、日本、前蘇聯(lián)

5、的地殼應力圖。加拿大、英國、日本、前蘇聯(lián)的地殼應力圖。2 國內(nèi)發(fā)展情況v20世紀世紀40年代，地質(zhì)學家李四光把地應力作為地年代，地質(zhì)學家李四光把地應力作為地質(zhì)力學的一部分進行了研究。質(zhì)力學的一部分進行了研究。 v地應力實測工作從上個世紀地應力實測工作從上個世紀60年代初開始，年代初開始，19621964年在三峽平善壩壩址獲得了巖體表面應力年在三峽平善壩壩址獲得了巖體表面應力測量成果。測量成果。 v1964年，在陳宗基院士的帶領下，中國科學院武漢年，在陳宗基院士的帶領下，中國科學院武漢巖土力學研究所在湖北大冶鐵礦進行了國內(nèi)首次應力巖土力學研究所在湖北大冶鐵礦進行了國內(nèi)首次應力解除測量，測量深度為

6、解除測量，測量深度為80m。 v1966年開展了地應力對地震預報的研究，并在河北年開展了地應力對地震預報的研究，并在河北省隆堯縣建立了我國第一個地應力觀測臺站，省隆堯縣建立了我國第一個地應力觀測臺站，v1980年國家地震局首次進行了水力壓裂地應力測量，年國家地震局首次進行了水力壓裂地應力測量，從而邁出了我國深部應力測量的第一步。從而邁出了我國深部應力測量的第一步。 v20世紀世紀80年代以后，空心包體應變計進入我國，隨年代以后，空心包體應變計進入我國，隨后地質(zhì)力學所、長冶院和長科院等研制了后地質(zhì)力學所、長冶院和長科院等研制了KX-81，KX-2003，CKX-97，CKX-01型空心包體。北京

7、科技型空心包體。北京科技大學的蔡美峰對大學的蔡美峰對CSIRO空心包體應變計做了重大改進。空心包體應變計做了重大改進。 v1991年劉允芳、年劉允芳、 1994年高建理，提出利用水壓致裂年高建理，提出利用水壓致裂法進行三維地應力測量，取得了很好的測量結果。法進行三維地應力測量，取得了很好的測量結果。 v2004年葛修潤，侯名勛提出了一種鉆孔局部壁面應年葛修潤，侯名勛提出了一種鉆孔局部壁面應力全解除法；胡斌，章光等在套孔應力解除的基礎上力全解除法；胡斌，章光等在套孔應力解除的基礎上提出了一次套鉆確定三維地應力的新型鉆孔變形計。提出了一次套鉆確定三維地應力的新型鉆孔變形計。 溫度應力溫度應力封閉應

8、力封閉應力新構造應力新構造應力古構造殘余應力古構造殘余應力構造應力構造應力重力應力重力應力原巖應力原巖應力3.2 地應力的構成及影響因素地應力的構成及影響因素 3.2.1 自重應力自重應力 yxxyz11H22HnnHxzzxz 垂直應力計算方法垂直應力計算方法(a)單一地層單一地層(b)多層地層多層地層 由地殼巖層的重量引起。由地殼巖層的重量引起。Hz niiizH1 上覆各層巖體容重；上覆各層巖體容重； i上覆巖層平均容重。上覆巖層平均容重。 垂直方向垂直方向水平方向水平方向zyx 側壓系數(shù)。側壓系數(shù)。 假定水平方向應變?yōu)榱悖鶕?jù)胡克定假定水平方向應變?yōu)榱悖鶕?jù)胡克定律可導出下式律可導出下

9、式 0101zxyyzyxxEE Hzyx 11連立求解，得連立求解，得 1即即 當泊桑比值為當泊桑比值為0.5時，得到側壓系數(shù)為時，得到側壓系數(shù)為1.0 ，所以海姆觀點是金尼克公式的一個特例。所以海姆觀點是金尼克公式的一個特例。 巖石的泊桑比值通常在巖石的泊桑比值通常在0.100.35之間。因之間。因此在自重應力場中側壓系數(shù)在此在自重應力場中側壓系數(shù)在0.100.54之間，之間，而主要在而主要在0.250.43之間。之間。3.2.2 構造應力構造應力 1 古構造應力：是地質(zhì)史上由于構造運動殘古構造應力：是地質(zhì)史上由于構造運動殘留于巖體內(nèi)部的應力，也稱為構造殘余應力。留于巖體內(nèi)部的應力，也稱為

10、構造殘余應力。 2 新構造運動應力是現(xiàn)今正在形成某種構造新構造運動應力是現(xiàn)今正在形成某種構造體系和構造型式的應力，也是導致當今地震和體系和構造型式的應力，也是導致當今地震和最新地殼變形的應力。最新地殼變形的應力。 3 封閉應力是在各種地質(zhì)因素長期作用下封閉應力是在各種地質(zhì)因素長期作用下殘存于結構內(nèi)部的應力。殘存于結構內(nèi)部的應力。 3.2.3 地應力的影響因素地應力的影響因素 1 地質(zhì)構造對地應力的影響地質(zhì)構造對地應力的影響 地質(zhì)構造主要影響地應力的分布和傳遞：地質(zhì)構造主要影響地應力的分布和傳遞： （1）在靜應力場中，斷裂構造對地應力大小和方向的影響）在靜應力場中，斷裂構造對地應力大小和方向的影

11、響是局部的。是局部的。 （2）在同一構造單元體內(nèi)地應力大小和方向均較一致，而）在同一構造單元體內(nèi)地應力大小和方向均較一致，而靠近斷裂或其他分離面附近大小和方向才有較大變化。靠近斷裂或其他分離面附近大小和方向才有較大變化。 （3）在活動斷層附近和地震地區(qū)，地應力大小和方向都有）在活動斷層附近和地震地區(qū)，地應力大小和方向都有較大變化。較大變化。 （4）地質(zhì)構造面與地應力方向關系，一般在水平面內(nèi)，最）地質(zhì)構造面與地應力方向關系，一般在水平面內(nèi)，最大主應力的方向常垂直于構造線。大主應力的方向常垂直于構造線。2 地形地貌和剝蝕作用對地應力的影響地形地貌和剝蝕作用對地應力的影響 地形地貌對地應力的影響是復

12、雜的。地形地貌對地應力的影響是復雜的。 剝蝕可以造成巨大的水平應力。由構造作用與由剝蝕作用剝蝕可以造成巨大的水平應力。由構造作用與由剝蝕作用產(chǎn)生的水平應力的主要區(qū)別在于，由構造作用產(chǎn)生的水平應力產(chǎn)生的水平應力的主要區(qū)別在于，由構造作用產(chǎn)生的水平應力具有明顯的方向性；而由剝蝕產(chǎn)生的水平應力，不具方向性。具有明顯的方向性；而由剝蝕產(chǎn)生的水平應力，不具方向性。 巖體地應力是能量積累與釋放的結果。從能量巖體地應力是能量積累與釋放的結果。從能量的積累觀點來看，巖體應力的上限必然要受到巖體強的積累觀點來看，巖體應力的上限必然要受到巖體強度的限制。度的限制。例如，當例如，當50GPa以上的巖體，最大應以上的

13、巖體，最大應力一般為力一般為1030MPa，而，而10GPa以下的巖體應力以下的巖體應力很少超過很少超過10MPa。 這樣，彈性模量較大的巖體有利于地應力積累，這樣，彈性模量較大的巖體有利于地應力積累，所以地震和巖爆容易發(fā)生在這些部位，而塑性巖體容所以地震和巖爆容易發(fā)生在這些部位，而塑性巖體容易產(chǎn)生變形，不利于應力積累易產(chǎn)生變形，不利于應力積累 。3 巖石力學性質(zhì)對地應力的影響巖石力學性質(zhì)對地應力的影響 4 溫度對地應力的影響溫度對地應力的影響 巖體溫度對地應力的影響表現(xiàn)在兩個方巖體溫度對地應力的影響表現(xiàn)在兩個方面：地溫梯度和巖體局部溫度的影響。面：地溫梯度和巖體局部溫度的影響。 地溫梯度一般

14、為地溫梯度一般為 3100 510巖體的體膨脹系數(shù)約為巖體的體膨脹系數(shù)約為 而巖體的彈性摸量一般為而巖體的彈性摸量一般為10GPa )(.MPa0030010HEHT 溫度應力溫度應力 TTzTyTx溫度應力一般是靜水壓力溫度應力一般是靜水壓力 3.3 地殼淺部地應力的變化規(guī)律地殼淺部地應力的變化規(guī)律 3.3.1 地應力是個非穩(wěn)定應力場地應力是個非穩(wěn)定應力場 3.3.2 實測垂直應力實測垂直應力 基本等于上覆巖基本等于上覆巖 層重量層重量 zH3.3.3 水平應力普遍大于垂直應力水平應力普遍大于垂直應力 在深度為在深度為252700m范圍內(nèi)，垂直應力呈線性增長，范圍內(nèi)，垂直應力呈線性增長，大致

15、相當于按平均容重大致相當于按平均容重0.027MN/m3計算出來。計算出來。 5 . 01500z 3 . 0100z 上限：下限：3.4 原巖應力的現(xiàn)場實測方法原巖應力的現(xiàn)場實測方法 初始地應力對工程設計是不可缺少的基礎資料初始地應力對工程設計是不可缺少的基礎資料之一。由于原巖應力不易計算，最好的辦法就是通之一。由于原巖應力不易計算，最好的辦法就是通過現(xiàn)場量測獲得。過現(xiàn)場量測獲得。 巖體應力的現(xiàn)場量測包括巖體原巖應力測試和巖體應力的現(xiàn)場量測包括巖體原巖應力測試和洞室圍巖二次應力測試。洞室圍巖二次應力測試。 地應力測試方法分為直接法和間接法：直接法常地應力測試方法分為直接法和間接法：直接法常用

16、的有用的有扁千斤頂法、水壓致裂法、聲發(fā)射法；扁千斤頂法、水壓致裂法、聲發(fā)射法；間接間接法有法有應力解除法（按測量手段不同主要有孔徑變形應力解除法（按測量手段不同主要有孔徑變形法和孔壁應變法）。法和孔壁應變法）。3.4.1 直接法直接法 1 扁千斤頂法扁千斤頂法測量方法：巖壁切槽兩側固定立柱間距離變化；測量方法：巖壁切槽兩側固定立柱間距離變化； 巖壁切槽附近應變的變化。巖壁切槽附近應變的變化。2 水壓致裂法水壓致裂法 初始劈裂壓力初始劈裂壓力穩(wěn)定開裂壓力穩(wěn)定開裂壓力關閉壓力關閉壓力開啟壓力開啟壓力p 3 2312112144003012202200301cos rRrRprRb 22030103

17、01cos bp時時 0Rr 在水壓力為在水壓力為pb，原始應力，原始應力為為1、3共同作用下，孔周共同作用下，孔周邊巖體中切向應力：邊巖體中切向應力：bp 01033 最最小小切切向向應應力力為為：時時 , 0 孔壁切向應力孔壁切向應力00003131bPt tbp 03013時，孔壁發(fā)生拉裂，得：時，孔壁發(fā)生拉裂，得：考慮孔隙水壓力考慮孔隙水壓力P0tbpp 003013當?shù)诙渭訅褐亮严稄堥_，此時水壓力為當?shù)诙渭訅褐亮严稄堥_，此時水壓力為Pb0, t=00003013ppb 0bbtpp 1 測量深度不受限制、代表性好；測量深度不受限制、代表性好； 2 操作操作方便；方便； 3 測值直

18、觀；測值直觀； 4 適應性強。適應性強。 于是，得：于是，得： 而關閉水泵后，裂隙中保持的穩(wěn)定壓力正好而關閉水泵后，裂隙中保持的穩(wěn)定壓力正好與最小主應力相平衡，得：與最小主應力相平衡，得：000301000333bstbbbtsPPPPPP 3 聲發(fā)射法聲發(fā)射法 材料在受到外力作用時，其內(nèi)部儲存的應變能材料在受到外力作用時，其內(nèi)部儲存的應變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射。快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射。 材料從其歷史最高應力水平釋放后，再重新加材料從其歷史最高應力水平釋放后，再重新加載，當應力沒有達到歷史最高應力值時，聲發(fā)射很載，當應力沒有達到歷史最高應力值時，聲發(fā)射很少

19、，當應力超過歷史最高應力值時，會有大量聲發(fā)少，當應力超過歷史最高應力值時，會有大量聲發(fā)射產(chǎn)生，這一現(xiàn)象稱為射產(chǎn)生，這一現(xiàn)象稱為Kaiser效應。效應。 試件制備，在同一位置按試件制備，在同一位置按6個不同方向取樣，要個不同方向取樣，要記錄下每個試件所代表的方向，每個方向作記錄下每個試件所代表的方向，每個方向作1525塊。加載采用小噸位單軸壓力機，加載速率恒定。塊。加載采用小噸位單軸壓力機，加載速率恒定。AE總計數(shù)時間/sKaiser點試件AE接收傳感器3.4.2 間接法間接法 它的基本原理是：當需要測定巖體中某點的應它的基本原理是：當需要測定巖體中某點的應力狀態(tài)時，人為地將該處的巖體單元與周圍

20、巖體分力狀態(tài)時，人為地將該處的巖體單元與周圍巖體分離。此時巖體單元上所受的應力將被解除。該單元離。此時巖體單元上所受的應力將被解除。該單元體將產(chǎn)生彈性恢復的應變值或變形值，用傳感器測體將產(chǎn)生彈性恢復的應變值或變形值，用傳感器測量這一應變和位移，再根據(jù)應力和應變或位移之間量這一應變和位移，再根據(jù)應力和應變或位移之間的關系計算原巖應力。的關系計算原巖應力。 1 應力解除法原理應力解除法原理2 應力解除法的實施步驟應力解除法的實施步驟 1） 套鉆大孔（套鉆大孔（D=118mm）；）；2 ）取巖芯并將孔底磨平；取巖芯并將孔底磨平；3 ）套鉆小孔（套鉆小孔（d=36mm）；）；4 ）取小孔巖芯；取小孔巖

21、芯；5 ）粘貼元件測初讀數(shù)；粘貼元件測初讀數(shù)；6 ）應力解除；應力解除；7 ）取巖芯；取巖芯；8 ）測終讀數(shù)測終讀數(shù)3 應力解除法的測量方法應力解除法的測量方法1）孔徑變形法）孔徑變形法 測量應力解除前后鉆孔直徑的變化測量應力解除前后鉆孔直徑的變化d，采用美國礦山，采用美國礦山局局USBM孔徑變形計或中科院武漢巖土所孔徑變形計或中科院武漢巖土所36-2型孔徑變形型孔徑變形計進行測量。計進行測量。USBM孔徑變形計結構原理圖孔徑變形計結構原理圖 這種方法要求在能取得完整巖芯的巖體中進行，這種方法要求在能取得完整巖芯的巖體中進行，一般至少要能取出大孔直徑一般至少要能取出大孔直徑2倍長度的巖芯。倍長

22、度的巖芯。 dyxyxxy應力解除前應力解除后00000d+d12d+d3d+d 孔徑變化與所在斷面上原始地應力關系為：孔徑變化與所在斷面上原始地應力關系為： 24221000002sincosxyyxyxdEd 取三個不同取三個不同i，可得到三個不同方向的直徑，可得到三個不同方向的直徑變化變化d i，形成以下的三元一次方程組，形成以下的三元一次方程組 3030000232020000221010000212sin42cos212sin42cos212sin42cos21 xyyxyxxyyxyxxyyxyxdEddEddEd 要測定一點的其他三個應力分量，需要采用三要測定一點的其他三個應力分

23、量，需要采用三孔交匯法。工作量比較大。孔交匯法。工作量比較大。2） 孔壁應變法孔壁應變法 只需在一個鉆孔內(nèi)進行量測，即可確定六個空間只需在一個鉆孔內(nèi)進行量測，即可確定六個空間應力分量。應力分量。 00002422zxyyxz sincos 242200000sincosxyyxyx sincos0022zxyzz 122 473 取取 分別為：分別為： 得到一下九個方程：得到一下九個方程： 010010001232yzzyxzyxz 020020002232zxzyxzyxz 0030003003244zxyzzxyyxzxyz 122 473 112AiBiBiAiiE 122BiAiCii

24、zE 112BiAiBiAiziE 設第設第i個測點三個方向應變片讀數(shù)分別個測點三個方向應變片讀數(shù)分別為：為：Ai、Bi、Ci 12102101202381381 zzyx 201032102121281 zzxzyzxy 三軸應變計，三軸應變計，國際巖石力學與工程學會制國際巖石力學與工程學會制定的地應力測量建議方法中定名為定的地應力測量建議方法中定名為CSIR型應型應變計。變計。 空心包體式三軸應變計。空心包體式三軸應變計。 l一應變計電纜；一應變計電纜；2一安裝桿；一安裝桿；3一連接銷：一連接銷：4，13一密封一密封圈；圈；5一環(huán)氧樹脂筒；一環(huán)氧樹脂筒；6一空腔、內(nèi)裝粘結劑；一空腔、內(nèi)裝粘結劑；7一電阻應變一電阻應變花；花；8一固定銷；一固定銷；9一應變計與空壁之間的空隙；一應變計與空壁之間的空隙；l0一活塞；一活塞；11一巖石鉆孔壁；一巖石鉆孔壁；12一出膠徑向孔；一出膠徑向孔；14一導向頭一導向頭 實測地應力以壓應力為正；實測地應力以壓應力為正； 、 、 分別為最大、中間和最小主應力；分別為最大、中間和最小主應力； 、 、 分別為三個主應力的方位角（沿順分別為三個主應力的方位角（沿順時針與正北方向的夾