第五章地應力及其測量一、地應力的概念及研究意義二、地應力成因及分布的一般規(guī)律三、地應力測量的基本原理及方法一、地應力的概念1、地應力(又稱為天然應力、初始應力、一次應力等）：人類工程活動之前存在于巖體中的應力。2、重分布應力（又稱二次分布應力、附加應力等）由于工程活動改變了的巖體中的應力?！胤植紤Α?+++++++++++++++++天然應力→←↓↑∧相對于第2洞室的天然應力二、地應力的研究意義1、天然應力是引起巖土工程變形和破壞的根本作用力，其地位相當于工程習慣中所理解的外部荷載，但又與材料力學、彈性力學中泛指的外荷載又有不同。地下工程是在原巖應力作用下開挖的，即地下工程是先受力、后開挖，并且地應力從開挖前到最終一直對圍巖起作用。2、原巖應力是涉及地殼問題各個學科領域最基礎性的原始資料。1）在地球物理領域，科學家們匯集了全球陸地與海底大量的地應力測量資料，編制了地殼應力分布圖，并用于建立地殼構(gòu)造模型和研究地殼運動規(guī)律，這項工程促進了地球動力學，包括地震機制研究的發(fā)展。2）在采礦工程領域，原巖應力的大小和方向是井巷斷面形狀優(yōu)化設計、方位的合理選擇以及井巷支護、采場礦山壓力控制的最主要依據(jù)之一。3）在其它領域，如水利水電壩基選擇和大壩穩(wěn)定性，石油鉆孔孔壁穩(wěn)定性和增加采油率的裂井工程，核廢料處理中防止泄露和污染、地熱利用工程以及地質(zhì)災害防治工程等等，都要用到地應力這個基本參數(shù)。3、在巖土工程的數(shù)值分析方法如有限元法等中地應力的大小和方向也是最原始的輸入?yún)?shù)。沒有可靠正確的地應力資料，任何數(shù)值分析便沒有意義。因此，地應力是確定工程巖體力學屬性、進行工程巖體的穩(wěn)定性分析、實現(xiàn)巖體工程設計和決策科學化的前提。三、地應力的研究歷史1、國際1878年海姆提出天然應力；1932年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成功地測定了巖體中的天然應力；到目前天然應力測點遍布全球，有幾十萬個測點。大部分是淺部，最深5108米（美國密西根水壓致裂法）。2、國內(nèi)50年代末開始天然應力量測，有幾萬個測點，最深的有3958米（天津大港）。一、地應力的概念及研究意義二、地應力成因及分布的一般規(guī)律三、地應力測量的基本原理及方法一、地應力的成因1、組成：巖體自重→自重應力構(gòu)造運動→構(gòu)造應力流體作用→滲流應力地溫梯度→溫度應力其它（地球化學作用等）2、構(gòu)造應力起源：地幔熱對流——板塊運動地球自轉(zhuǎn)速度變化——地質(zhì)力學西南：印度板塊向NNE擠壓（5mm/a）東：太平洋板塊向W俯沖（1cm/a）南：菲律賓板塊向N俯沖北：西伯利亞板塊阻擋1跡線：N-NE-SSE中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠壓，形成了中國大陸巖體中的天然應力。1．地應力一般是三軸壓應力狀態(tài)，且為以水平應力為主的三軸不等壓應力場幾乎所有地區(qū)均有兩個主應力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，其與水平面之間的夾角一般不大于30。水平天然應力以壓應力為主，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應力，且是以一向壓，一向拉多見。另外在地表卸荷帶影響區(qū)，也可能出現(xiàn)水平應力為拉應力的現(xiàn)象。二、巖體天然應力的分布特征2．地應力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應力場地應力的三個主應力的大小和方向隨著空間和時間的變化而變化，因而是非穩(wěn)定場。在空間上，從小范圍來看，其變化是很明顯的，相距數(shù)十米，應力的大小和方向可能不同。但就整個區(qū)域而言地應力的變化是不大的。因此，地應力具有區(qū)域性的特點。地殼活動強烈的地區(qū)，地應力大小和方向隨時間變化明顯。地震前應力積累，應力值不斷升高；地震時應力釋放，應力值突然大幅下降。主應力方向在地震時會發(fā)生明顯的改變，在震后一段時間又會恢復到震前狀態(tài)。以東經(jīng)100～105o為界分東西兩區(qū)。強度上：西強東弱（西高東低）方向上：西：NNE-SSW為主，東：近E-W。3．實測垂直應力V基本上等于上覆巖層的重量對全世界實測垂直應力資料的統(tǒng)計分析，在深度25~2700m的范圍內(nèi)，垂直應力呈線性增長，大致相當于按平均重度27kN/m3計算的應力值H。4．水平應力h普遍大于垂直應力V最大水平主應力普遍大于垂直主應力，兩者之比一般為0.5~5.5，多數(shù)情況下大于2；平均水平主應力（最大水平主應力與最小水平主應力的平均值）與垂直主應力的比值一般為0.5~5，大多數(shù)為0.8~1.5。地殼中水平主應力普遍大于垂直主應力。垂直主應力多數(shù)情況下為最小主應力，少數(shù)情況為中間主應力，個別情況為最大主應力。說明水平構(gòu)造運動如板塊移動碰撞控制著地殼淺部應力的形成與分布。5、平均水平應力與垂直應力的比值（平均側(cè)壓力系數(shù)）隨深度的增加而減小實測資料表明，在深度不大時，相當分散，但隨著深度的增加，該值的變化范圍逐步縮小，并趨于1，表明在地殼深度有可能出現(xiàn)靜水壓力狀態(tài)。與深度z的關系為：6．水平應力隨深度呈線性增長斯蒂芬森等根據(jù)實測結(jié)果給出了芬諾斯堪的亞古陸最大水平主應力、最小水平主應力隨深度z(單位m)變化的線性關系為：7．最大水平主應力和最小主應力值一般相差較大，顯示出很強的各向異性最小水平主應力與最大水平主應力之比一般為0.2~0.8，多數(shù)是0.4~0.8各向異性的原因：構(gòu)造運動的方向性；巖體的各向異性8．地應力受地形、地表剝蝕、風化、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的影響很大在具有負地形的峽谷地區(qū)或山區(qū)，地形對侵蝕基準面以上及以下一定范圍內(nèi)表現(xiàn)特別明顯。谷地是應力集中的部位，越靠近谷地應力集中越明顯。最大主應力在谷地或河床中心近于水平，而在岸坡則向谷底或河床傾斜，并大致與坡面平行。在斷層和結(jié)構(gòu)面附近，地應力分布受到明顯擾動，斷層端部、拐角處及交匯處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。第六章地應力及其測量一、地應力的概念及研究意義二、地應力成因及分布的一般規(guī)律三、地應力測量的基本原理及方法自重應力理論地震震源機制解地變形量測天然應力測量大地水準測量三角網(wǎng)測量GPS測量地應力確定方法z·A一、根據(jù)自重應力理論確定巖體中的天然應力適用于：地質(zhì)構(gòu)造簡單、地層平緩、當?shù)厍治g基準面穩(wěn)定1、均質(zhì)各向同性巖體A·…2、水平層狀巖體3、垂直層狀巖體A…·二、天然應力的量測天然應力的量測方法水壓致裂法應力恢復法（扁千斤頂法）套芯應力解除法光彈法聲發(fā)射法X射線法A1、水壓致裂法tpc1pSpc2p0水壓力隨時間的變化曲線tpc1pSpc2p0假設：天然應力為水平應力場，其鉛直應力v=gz假設在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體中的一個小圓孔。作用應力為h,max、h,min，根據(jù)彈性理論中的柯西解，未加水壓力時，A點的應力為：

A=3h,min-h,max在水壓力作用下，孔壁產(chǎn)生拉裂破壞的條件為:

A維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為聯(lián)立上兩式有而：因此，可得測點的天然應力為據(jù)巖體破裂方向確定：破裂平行于，垂直于，破裂方向由壓痕、井下電視等確定。優(yōu)點：測深大，z可達數(shù)百米，目前最深達5108米；施工技術(shù)簡單，不需要應力計等儀器。應力方向：千斤頂油泵時間千斤頂壓力pc測點分離值d0d步驟：①在巖壁上選擇測點，固定A、B兩點。d≈15cm；②刻槽應力釋放、變形，d0

d;③安裝扁千斤頂;④加壓應力恢復dd0，到d=d0時的千斤頂壓力即為；2、應力恢復法（扁千斤頂法）⑤重復①~④測量另一個方向的W

；⑥計算天然應力：假定天然應力為水平應力場，當測得側(cè)壁應力R和底板應力W

時，則有:·3、鉆孔套芯應力解除法①基本原理++++++++++++++++++儀器套芯解除鉆孔同心套鉆放應變計應力解除應力計算位移恢復設天然應力為水平應力場45°45°∴∵②計算公式：應變計互成45°，據(jù)上式有用消元法解三元一次方程，得：應變計互為60°時，可按下列公式計算60°60°選點、鉆孔：130mm

，深度一般小于30m;在孔底打一測量孔：36m