1、第6章原巖應(yīng)力基礎(chǔ)知識(shí)原巖應(yīng)力原巖應(yīng)力(初始/地應(yīng)力/virgin stress):地殼巖體內(nèi)某一點(diǎn)當(dāng)前的天然應(yīng)力，是工程開(kāi)挖前或遠(yuǎn)離地下工程的未被擾動(dòng)的原始應(yīng)力。第一節(jié)第一節(jié) 原巖應(yīng)力及其成因原巖應(yīng)力及其成因1 概述概述次生應(yīng)力次生應(yīng)力(誘發(fā)/二次應(yīng)力/induced stress)：受地形工程開(kāi)挖(工程擾動(dòng))影響，巖體內(nèi)原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞后，將發(fā)生應(yīng)力重分布，進(jìn)而形成的應(yīng)力平衡狀態(tài)。應(yīng)力重分布應(yīng)力重分布與土力學(xué)中自重應(yīng)力場(chǎng)與土力學(xué)中自重應(yīng)力場(chǎng)/附加應(yīng)力場(chǎng)的異同？附加應(yīng)力場(chǎng)的異同？原巖應(yīng)力原巖應(yīng)力是地下工程圍巖變形、破壞的根本源動(dòng)力（相當(dāng)于結(jié)構(gòu)工程外荷載）；是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍

2、巖穩(wěn)定性分析，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。地應(yīng)力狀態(tài)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)等的研究等也具有重要意義。（1 1）工程穩(wěn)定性分析的原始參數(shù)。）工程穩(wěn)定性分析的原始參數(shù)。（2 2）確定開(kāi)挖方案與支護(hù)設(shè)計(jì)的必要參數(shù)。）確定開(kāi)挖方案與支護(hù)設(shè)計(jì)的必要參數(shù)。先受力先受力后開(kāi)挖后開(kāi)挖開(kāi)挖開(kāi)挖荷載荷載自重應(yīng)力場(chǎng)自重應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)(1)(1)地心引力地心引力(2)(2)地球旋轉(zhuǎn)地球旋轉(zhuǎn)(3)(3)地殼板塊運(yùn)動(dòng)地殼板塊運(yùn)動(dòng)(4)(4)地幔熱對(duì)流地幔熱對(duì)流(5)(5)巖漿侵入巖漿侵入(6)(6)地溫梯度地溫梯度(7)

3、(7)水壓梯度水壓梯度(8)(8)地表形態(tài)地表形態(tài)(9)(9)物理化學(xué)作用物理化學(xué)作用2 原巖應(yīng)力的成因原巖應(yīng)力的成因主要部分主要部分整體應(yīng)力場(chǎng)整體應(yīng)力場(chǎng)局部應(yīng)力場(chǎng)局部應(yīng)力場(chǎng)自重應(yīng)力自重應(yīng)力垂直應(yīng)力：平均容重，KN/m3側(cè)壓力：H總深度（m）側(cè)壓力系數(shù)ZZ AZAZyX效應(yīng)效應(yīng)泊松泊松？地殼巖體受地心引力作用而引起的應(yīng)力 1912年瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆（）首次提出了地應(yīng)力概念，并假定地應(yīng)力是靜水應(yīng)力狀態(tài)。hvZ 1926年， 蘇聯(lián)學(xué)者金尼克認(rèn)為垂直應(yīng)力等于上覆巖層的重量，而水平應(yīng)力受到彈性約束，是泊松效應(yīng)的結(jié)果。0101zyyyzyxxEE11hvZ巖石泊松比 。1,垂直應(yīng)力為主，存在剪應(yīng)力sin

4、1cos2sin1sin1cHx對(duì)于無(wú)粘性的松散體（斷層、風(fēng)化帶、土層），c=0，有Oc1322290M-C介質(zhì)311sin2 cos1sin1sinc1sin1sinxH1sin1sin 深部高地應(yīng)力條件下，剪應(yīng)力增大到強(qiáng)度極限，加之高約束和高地溫，導(dǎo)致巖體由脆性向延性轉(zhuǎn)變，就會(huì)形成“潛塑性潛塑性”狀態(tài)（即初始地應(yīng)力狀態(tài)下巖體處于彈性狀態(tài)，開(kāi)挖卸荷后立即進(jìn)入塑性狀態(tài)）。此時(shí)=0.5, =1,因此金尼克公式和海姆公式在深部有相同的結(jié)論。構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力地殼板塊運(yùn)動(dòng)大至地球轉(zhuǎn)動(dòng)/地殼板塊運(yùn)動(dòng)/地幔熱對(duì)流，小至區(qū)域性構(gòu)造（斷層/褶皺）/地形變化所引起的整體與局部應(yīng)力場(chǎng)，多以水平向?yàn)橹?，是原巖應(yīng)力呈

5、現(xiàn)出顯著的區(qū)域性、方向性差異的主要原因。地幔熱對(duì)流拉伸區(qū)：孟加拉灣貝加爾湖最低重力槽；俯沖區(qū)：華北山西地塹下降流，具有較大水平擠壓應(yīng)力拉伸區(qū)切應(yīng)力區(qū)俯沖區(qū)構(gòu)造應(yīng)力總趨勢(shì)是巨大的壓應(yīng)力，局部地段由于褶皺產(chǎn)生拉應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力總趨勢(shì)是巨大的壓應(yīng)力，局部地段由于褶皺產(chǎn)生拉應(yīng)力。應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛/ /多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng) 實(shí)測(cè)確定實(shí)測(cè)確定巖漿侵入巖漿侵入巖漿侵入靜水?dāng)D壓應(yīng)力作用巖漿冷凝應(yīng)力溫度收縮應(yīng)力，并由接觸面向內(nèi)部擴(kuò)展擠壓作用冷凝收縮地溫梯度地溫梯度540.0310100.003TzEzMPaz MPa溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的1/91/9，對(duì)于各向同性巖體溫度應(yīng)，

6、對(duì)于各向同性巖體溫度應(yīng)力呈靜水壓力狀態(tài)。力呈靜水壓力狀態(tài)。一般地溫梯度=3/100m，巖體的體膨脹系=10-5/ ，巖體彈模E=104MPa，則埋深為z處地溫梯度引起的應(yīng)力為0.027zzz MPaNoteNote：巖體局部寒熱不均也會(huì)導(dǎo)致巖體內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力場(chǎng)第二節(jié)第二節(jié) 原巖應(yīng)力場(chǎng)的一般規(guī)律原巖應(yīng)力場(chǎng)的一般規(guī)律（1）原巖應(yīng)力場(chǎng)一般是三向不等的不等壓應(yīng)力場(chǎng)，主應(yīng)力大?。┰瓗r應(yīng)力場(chǎng)一般是三向不等的不等壓應(yīng)力場(chǎng)，主應(yīng)力大小和方向隨空間而變化，非均勻，也隨時(shí)間而變化，非穩(wěn)定，是和方向隨空間而變化，非均勻，也隨時(shí)間而變化，非穩(wěn)定，是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)。一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)。（2）構(gòu)造應(yīng)

7、力是造成原巖應(yīng)力不均勻的主要因素，尤其在水）構(gòu)造應(yīng)力是造成原巖應(yīng)力不均勻的主要因素，尤其在水平方向。平方向。 實(shí)地測(cè)量是獲得原巖應(yīng)力數(shù)據(jù)最可靠的方法實(shí)地測(cè)量是獲得原巖應(yīng)力數(shù)據(jù)最可靠的方法1932胡佛水電站最早測(cè)量了隧道內(nèi)壁表面應(yīng)力；1953年瑞典人，發(fā)明了應(yīng)力解除法。1 原巖應(yīng)力的一般特點(diǎn)原巖應(yīng)力的一般特點(diǎn)實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量在深度為25-2700m范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力呈線(xiàn)性增長(zhǎng) 。2 原巖應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果（原巖應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果（BrowmHoek1978） 0.027zzz MPa水平面是一個(gè)主平面水平面是一個(gè)主平面通常有兩個(gè)主應(yīng)力位于水平面內(nèi)或接

8、近水平面（30）水平主應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力水平主應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力,10015000.30.5h avvZZ,max/hv一般介于之間且多數(shù)大于2 平均側(cè)應(yīng)力系數(shù)構(gòu)造應(yīng)力主要作用在相對(duì)淺部。最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系,max6.7 0.0444hH,min0.8 0.0329hH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)的方向性出很強(qiáng)的方向性0.40.8多數(shù)情況下為實(shí)測(cè)地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)目水平主應(yīng)力比值/1.00.750.750.500.500.250.2

9、50合計(jì)斯堪的那維亞等511467136100北美2222246239100中國(guó)251256248100中國(guó)華北地區(qū)186612211100據(jù)測(cè)量對(duì)象不同，可以分為：初始應(yīng)力初始應(yīng)力測(cè)定巖體初始地應(yīng)力場(chǎng)誘發(fā)應(yīng)力誘發(fā)應(yīng)力測(cè)定巖體開(kāi)挖后引起的重分布應(yīng)力原巖應(yīng)力測(cè)量就是確定存在于擬開(kāi)挖巖體及其周?chē)鷧^(qū)域未受原巖應(yīng)力測(cè)量就是確定存在于擬開(kāi)挖巖體及其周?chē)鷧^(qū)域未受擾動(dòng)的三維應(yīng)力狀態(tài)。擾動(dòng)的三維應(yīng)力狀態(tài)。,xyzxyyzzx 第三節(jié)第三節(jié) 原巖應(yīng)力測(cè)量方法原巖應(yīng)力測(cè)量方法1 概述概述根據(jù)測(cè)量基本原理的不同，可分為：直接測(cè)量直接測(cè)量測(cè)定應(yīng)力(例如扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法均屬直接測(cè)量法)

10、間接測(cè)量間接測(cè)量測(cè)定間接物理量 (套孔應(yīng)力解除法，包括孔壁應(yīng)變法、孔徑變形法、孔底應(yīng)變法、空心包體應(yīng)變計(jì)法，還有孔壁崩落測(cè)量法、聲波觀(guān)測(cè)法和超聲波譜法)2 測(cè)量方法測(cè)量方法 原巖應(yīng)力在儀器布置前就存在，與通常室內(nèi)巖樣測(cè)量方法相反應(yīng)力解除法應(yīng)力解除法：在卸載過(guò)程（鉆孔，割縫）進(jìn)行地下應(yīng)力測(cè)量；應(yīng)力應(yīng)力恢復(fù)恢復(fù)法法：卸載完再布設(shè)傳感器，而后重新加載至原有狀態(tài) 進(jìn)行測(cè)量。ISRM1987年制定巖石應(yīng)力測(cè)量的建議方法推薦了最具代表性的五種方法，即：扁千斤頂法、水壓致裂法、孔徑變形法、扁千斤頂法、水壓致裂法、孔徑變形法、孔壁應(yīng)變法、空心包體應(yīng)變計(jì)法孔壁應(yīng)變法、空心包體應(yīng)變計(jì)法。此外，還有通過(guò)巖石物理現(xiàn)象

11、反演應(yīng)力條件的聲發(fā)射法、聲發(fā)射法、孔壁崩落測(cè)量法等?；驹砘驹恚和ㄟ^(guò)對(duì)處于原巖應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的巖芯進(jìn)行套孔，切斷與周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)的聯(lián)系（即應(yīng)力解除），在巖芯發(fā)生彈性變形恢復(fù)的過(guò)程中，量測(cè)、記錄巖芯的某些物理力學(xué)量的變化，進(jìn)而根據(jù)所測(cè)物理力學(xué)量與原巖應(yīng)力之間的關(guān)系，推求原巖應(yīng)力。切斷聯(lián)系解除應(yīng)力應(yīng)變恢復(fù)測(cè)量應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力流程流程要點(diǎn)要點(diǎn)第四節(jié)第四節(jié) 應(yīng)力解除法應(yīng)力解除法1 基本概念基本概念發(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最好。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最好。鉆直徑D基礎(chǔ)孔至原巖應(yīng)力區(qū);在基礎(chǔ)孔孔底同心鉆進(jìn)直徑為d測(cè)量孔，D=(3-5)d,測(cè)量截面與基礎(chǔ)孔孔底的距離

12、(23)D;測(cè)量孔內(nèi)安裝應(yīng)變/位移傳感器;沿基礎(chǔ)孔鉆進(jìn)至超過(guò)測(cè)量孔孔底實(shí)現(xiàn)應(yīng)力解除，并讀取傳感器變化量;取芯試驗(yàn)以獲取必要的計(jì)算物理量。按測(cè)試部位分：孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法(孔底應(yīng)變測(cè)試)套孔應(yīng)力解除法套孔應(yīng)力解除法(孔徑變形測(cè)試和孔壁應(yīng)變測(cè)試等) 彈性理論圓孔問(wèn)題解析解三三孔孔匯匯交交法法美國(guó)礦務(wù)局(USBM)首創(chuàng)，能取得完整巖芯, L2D。測(cè)試套孔應(yīng)力解除后的孔徑變化位移傳感器2 孔徑變形法孔徑變形法21()2()cos24sin2xyxyxyddpppppExyxyppp、 、鉆孔垂直截面上待確定的原巖應(yīng)力分量測(cè)試套孔應(yīng)力解除后的孔壁應(yīng)變應(yīng)變傳感器1966年CSIR首創(chuàng)，第一種單孔

13、三維地應(yīng)力測(cè)量方法。3 孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法222lrzrzzrlmnlmmnnl090220902(cossin)/sin2zzinc4 空心包體法空心包體法1976年CSIRO針對(duì)孔壁應(yīng)變法的缺點(diǎn)改進(jìn)而成與孔壁應(yīng)變法相比，空心包體法現(xiàn)場(chǎng)安裝更為簡(jiǎn)便可靠，同時(shí)還具有防水、防潮、成功率高的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，且因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂材料彈模低，能提高測(cè)量靈敏度和精確度。步驟步驟向巖體中的測(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；套孔鉆出巖芯，使孔底平面完全卸載，應(yīng)變傳感器測(cè)得孔底平面中心恢復(fù)應(yīng)變；在室內(nèi)測(cè)得巖石的彈性常數(shù)，計(jì)算孔底中心處的平面應(yīng)力狀態(tài)。5 孔底應(yīng)變法孔底應(yīng)變法無(wú)理論解無(wú)理論解次生應(yīng)力場(chǎng)的

14、一維應(yīng)力測(cè)量方法次生應(yīng)力場(chǎng)的一維應(yīng)力測(cè)量方法6 應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力恢復(fù)法即扁千斤頂法即扁千斤頂法 需要指出的是，傳統(tǒng)的地應(yīng)力測(cè)量和計(jì)算理論是建立在巖石為線(xiàn)彈性、連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的理論假設(shè)基礎(chǔ)之上的，而一般巖體都達(dá)不到這些要求。 下面是幾種修正方法：獲取可靠的巖石E/，并考慮非線(xiàn)性的影響；保證所測(cè)參數(shù)滿(mǎn)足方程的獨(dú)立性，獲取最優(yōu)近似解；多次測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力，按照張量統(tǒng)計(jì)原理,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;受巖性缺陷的影響，偏差很難估計(jì)，要結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造情況，正確評(píng)價(jià)測(cè)量計(jì)算結(jié)果的合理性。 7 地應(yīng)力測(cè)值的修正地應(yīng)力測(cè)值的修正該法于20世紀(jì)50年代用來(lái)提高石油開(kāi)采產(chǎn)量，后在由美國(guó)學(xué)者M(jìn)K Hubbert等發(fā)現(xiàn)了水壓致

15、裂裂隙和原巖應(yīng)力之間的關(guān)系，BC Haimson將其用于地應(yīng)力測(cè)量（1976）第五節(jié)第五節(jié) 水壓致裂法水壓致裂法1 基本原理基本原理12122cos2prp由彈性力學(xué)可知：在遠(yuǎn)場(chǎng)原巖應(yīng)力的無(wú)限巖體中有內(nèi)水壓力p的圓孔周邊的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力r為：0,取極小值此時(shí)水壓為繼續(xù)注水使裂隙深度擴(kuò)展至3d，已接近原巖應(yīng)力，此時(shí)2sP21tS 213p213btpS 增大p,孔壁發(fā)生初始開(kāi)裂減小p 0，后增大，裂縫重新張開(kāi)時(shí)213rp2sp213rp測(cè)量方法測(cè)量方法：橡膠封隔器封隔一段鉆孔；注入高壓水致使鉆孔孔壁開(kāi)裂，初始破裂壓力pb；降壓穩(wěn)定后關(guān)閉液壓系統(tǒng)，關(guān)閉壓力pS ；破裂面閉合后，重復(fù)上述過(guò)程并記

16、錄數(shù)據(jù)；下放配有定向儀表的橡膠印模，印下破裂情況。2 測(cè)量實(shí)施測(cè)量實(shí)施注意事項(xiàng)：測(cè)量鉆孔是鉛直的，成為一個(gè)主應(yīng)力方向；計(jì)算公式還要求鉛垂的自重應(yīng)力不是最小主應(yīng)力；測(cè)量中要求對(duì)測(cè)量段進(jìn)行密封，且段內(nèi)的巖石原生裂隙不發(fā)育，滲透性弱。水壓致裂法最適應(yīng)由地表向下作深孔應(yīng)力測(cè)量最適應(yīng)由地表向下作深孔應(yīng)力測(cè)量的工程需要，是現(xiàn)有各種地應(yīng)力測(cè)試方法中所達(dá)測(cè)量深度最大的一種，最深已超過(guò)地表以下5000m。研究證實(shí)，巖石壓縮試驗(yàn)中存在凱薩爾效應(yīng)即應(yīng)力記憶效應(yīng)凱薩爾效應(yīng)即應(yīng)力記憶效應(yīng)(P16)。 應(yīng)力具有矢量矢量性，因此在確定凱薩爾效應(yīng)時(shí)同時(shí)應(yīng)確定與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)力加載方向；而且為了確定某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)有6個(gè)個(gè)各不相同方向的凱薩爾效應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果。第六節(jié)第六節(jié) 聲發(fā)射法聲發(fā)射法1 測(cè)量原理和一般要求測(cè)量原理和一般要求試樣制備與注意事項(xiàng)圓柱體試件，徑高比為1:2-1:3采樣和試件加工應(yīng)明確方向性，每個(gè)方向的試件為15-25塊。消除端部接觸噪聲、應(yīng)力集中和環(huán)境噪聲。加載平穩(wěn)，速率恒定。注意： 高強(qiáng)度脆性巖石具有明顯的聲發(fā)射凱澤效應(yīng)，而多孔隙低強(qiáng)度及塑性巖體不明顯，不宜用聲發(fā)射法測(cè)定其地應(yīng)力。2 試件測(cè)量方法試件測(cè)量方法第七節(jié)第七節(jié) 反分析法反分析法 一般力學(xué)問(wèn)題?；谝阎某跏寂c邊