岩石力学ppt课件第4章地应力及其测量.ppt

第四章第四章 地应力及其测量地应力及其测量基本要求基本要求1 1 1 1掌掌掌掌握握握握初初初初始始始始应应应应力力力力的的的的概概概概念念念念，了了了了解解解解构构构构造造造造应应应应力力力力的的的的概概概概念念念念，掌握自重应力的计算方法；掌握自重应力的计算方法；掌握自重应力的计算方法；掌握自重应力的计算方法；2 2 2 2了了了了解解解解原原原原岩岩岩岩应应应应力力力力的的的的一一一一般般般般规规规规律律律律及及及及影影影影响响响响原原原原岩岩岩岩应应应应力力力力分分分分布的因素；布的因素；布的因素；布的因素；3 3 3 3了解地应力的实测方法。了解地应力的实测方法。了解地应力的实测方法。了解地应力的实测方法。第四章第四章 地应力及其测量地应力及其测量4.1 4.1 4.1 4.1 概述概述概述概述地应力地应力地应力地应力:指岩体在天然状态下所存在的内应力指岩体在天然状态下所存在的内应力指岩体在天然状态下所存在的内应力指岩体在天然状态下所存在的内应力,通通通通常又称为原岩应力、初始应力。常又称为原岩应力、初始应力。常又称为原岩应力、初始应力。常又称为原岩应力、初始应力。与此相对应，受井巷开挖、矿产资源开采等工与此相对应，受井巷开挖、矿产资源开采等工与此相对应，受井巷开挖、矿产资源开采等工与此相对应，受井巷开挖、矿产资源开采等工程影响，在程影响，在程影响，在程影响，在影响范围影响范围(3-5R0)以内的原岩应力平衡以内的原岩应力平衡以内的原岩应力平衡以内的原岩应力平衡状态被破坏后的应力称为状态被破坏后的应力称为状态被破坏后的应力称为状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力次生应力或诱发应力次生应力或诱发应力次生应力或诱发应力。这一转换过程称为这一转换过程称为这一转换过程称为这一转换过程称为应力重分布应力重分布应力重分布应力重分布。1.地应力定义地应力定义2.研究地应力的重要性研究地应力的重要性地应力是各种岩石工程变形和破坏的根本作用力；地应力是各种岩石工程变形和破坏的根本作用力；是影响是影响岩石开挖工程稳定性的最重要最根本的因素之一；是进行岩石开挖工程稳定性的最重要最根本的因素之一；是进行大规模科学计算分析，实现开挖设计和决策科学化的必要大规模科学计算分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。前提条件。同时，地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油同时，地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。3.地应力认识简史地应力认识简史 19121912年瑞士地质学家海姆（年瑞士地质学家海姆（A.HeimA.Heim），根据大量实际施工观），根据大量实际施工观测和分析，测和分析，首次提出地应力概念首次提出地应力概念，并假定地应力是一种静水应，并假定地应力是一种静水应力状态。力状态。h h水平应力；水平应力；v v垂直应力；垂直应力；上覆岩层重量；上覆岩层重量；H H深度深度 1 19 92 26 6年年，苏苏联联学学者者金金尼尼克克修修正正了了地地应应力力静静水水压压力力架架设设，认认为为地地壳壳中中各各点点的的垂垂直直应应力力等等于于上上覆覆岩岩层层的的重重量量，而而侧侧向向应应力力(水水平平应应力力）是是泊泊 松松 效效 应应 的的 结结 果果，应应 乘乘 以以 一一 个个 修修 正正 系系 数数。即即其中，为侧压系数上覆岩层泊松比 早在早在2020世纪世纪2020年代，我国地质学家李四光就指出：年代，我国地质学家李四光就指出：“在构造应力在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。远远超过垂直应力分量。”19581958年，瑞典工程师哈斯特年，瑞典工程师哈斯特(N(NHast)Hast)在斯堪的纳维亚半岛进行地在斯堪的纳维亚半岛进行地应力测量工作时发现：在地壳上部的最大主应力几乎处处是应力测量工作时发现：在地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或水平或接近水平接近水平的，最大水平主应力一般为垂直应力的的，最大水平主应力一般为垂直应力的1212倍以上倍以上；在某；在某些地表处，测得的最大水平应力高达些地表处，测得的最大水平应力高达7MPa7MPa，从根本上动摇了静水，从根本上动摇了静水压力理论和以垂直应力为主的观点。压力理论和以垂直应力为主的观点。后期研究进一步表明：重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其后期研究进一步表明：重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。造运动有关。地应力场还受到其他多种因素的影响，造成地应力状态的复杂性和多变性，地应力场还受到其他多种因素的影响，造成地应力状态的复杂性和多变性，因而，只有通过对某点进行地应力实测才能了解该地的地应力状态。因而，只有通过对某点进行地应力实测才能了解该地的地应力状态。4.2 地应力的成因地应力的成因(1)(1)大陆板块边界受压引起的应力场大陆板块边界受压引起的应力场 (2)(2)由地心引力引起的应力场由地心引力引起的应力场(3)(3)地幔热对流引起的应力场地幔热对流引起的应力场(4)(4)岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入引起的应力场(5)(5)地温梯度引起的应力场地温梯度引起的应力场(6)(6)地表剥蚀产生的应力场地表剥蚀产生的应力场地应力主要成分：地应力主要成分：自重应力和构造应力自重应力和构造应力(1)自重应力场自重应力场 竖直方向、普遍存在，可以计量竖直方向、普遍存在，可以计量(与深度成线性关系与深度成线性关系)在在252700m范围内：范围内：v=H (H/m，平均容重，平均容重 27kN/m3)(2)构造应力场构造应力场 1)成因（有增有减）：成因（有增有减）：地球公转和自转引起大陆板块东西和南北向挤压；地球公转和自转引起大陆板块东西和南北向挤压；2)特点：水平为主，局部存在，分布无规律特点：水平为主，局部存在，分布无规律 最大水平应力系数浅部普遍最大水平应力系数浅部普遍1，平均水平应力系数多为平均水平应力系数多为0.81.5，深部趋近深部趋近1。地应力主要成分地应力主要成分4.3 地应力的分布规律地应力的分布规律1地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。函数。2实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。3水平应力普遍大于垂直应力。水平应力普遍大于垂直应力。4平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。变化的速度很不相同。5最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长关系最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长关系（实测）。（实测）。6 最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。的方向性。7.地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。扰动影响最大。4.4 地应力的测量方法地应力的测量方法直接测量法间接测量法直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量应力量，如补偿，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量应力量和和原岩应力原岩应力的相的相互关系，通过计算获得原岩应力值。互关系，通过计算获得原岩应力值。扁千斤顶法、扁千斤顶法、水压致裂法水压致裂法、刚性包体应力计法、刚性包体应力计法和声发射法和声发射法均属直接测均属直接测量法。量法。间接测量法：借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中间接测量法：借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的某些与应力有关的间接物理量间接物理量的变化，然后通过已知的换算公式的变化，然后通过已知的换算公式计算岩体中的应力值。因此，在计算应力时，必须首先确定岩体计算岩体中的应力值。因此，在计算应力时，必须首先确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。套孔应力解除法和其他的应力或应变解除方法以及地球物理方法等都是套孔应力解除法和其他的应力或应变解除方法以及地球物理方法等都是常用的间接测量法，其中常用的间接测量法，其中套孔应力解除法套孔应力解除法应用最为普遍且发展较为成熟。应用最为普遍且发展较为成熟。1 1 水压致裂法水压致裂法（1）测量原理由弹性力学可知：无限体中的一个圆形钻孔受到无穷远处二维应力场(1，2)，其钻孔周边的切向应力和径向应力r为：周边一点与1轴的夹角当0时，取得极小值，3 2 1当水压达到孔壁发生初始开裂当继续注水使裂隙深度扩展至3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态停止加压，保持压力恒定，记此时压力为Ps无限体圆形钻孔平面应变受力状态32-1+T-p0232-1-p0假设钻孔中存在压力假设钻孔中存在压力P P0 0的裂隙水时，则初始开裂压力的裂隙水时，则初始开裂压力P Pi i在初始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合裂隙闭合，然后重新注水加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开的压力为 Pr(2)测量步骤1）打钻孔到准备测量应力的部位，用封闭器封闭待加压段。2）向封闭段注水加压，记录初始开裂压力Pi；继续加压注水，使裂隙扩张至3倍钻孔直径，关闭高压系统，保持水压恒定，记录此时关闭压力Ps；最后卸压，使裂隙闭合。3）重新向封闭段注水加压，记录裂隙重新打开的压力Pr和随后的恒定关闭压力PS；重复此加压卸压的过程23次。4）完全卸压，取出全部设备。5）采用印模器等设备测量水压致裂裂隙的位置、方向和大小。点评（直接法）优点：优点：(1)(1)设备简单。设备简单。只需用普通钻探方法打钻孔，用双止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩体，不需要复杂的电磁测量设备。(2)(2)操作方便操作方便 只通过液压泵向钻孔内注液以压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可。(3)(3)测值直观。测值直观。它可根据压裂时泵压(初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力)计算出地应力值，不需要复杂的换算及辅助测试，同时还可求得岩体抗拉强度。(4)(4)测值代表性大。测值代表性大。所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好的代表性。(5)(5)适应性强。适应性强。这一方法不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下作试验，不怕电磁干扰，不怕震动。因此，这一方法越来越受到重视和推广。因此，这一方法越来越受到重视和推广。缺点：缺点：(1)准确的说，是一个二维地应力测量方法，它是假定钻孔方向是一个主应力方向，因为一般垂直地应力是一个主应力，所以可以测另两个（原岩）主应力；(2)主应力方向定得不准，适用于完整脆性岩体二维地应力测量（P145蔡）（3 3）水压致裂法的优缺点）水压致裂法的优缺点2 2 声发射法声发射法（1 1）测试原理）测试原理 材料在受到外荷载作用发生破坏时，其内部贮存的应变能快速释放产生材料在受到外荷载作用发生破坏时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，从而发出声响，称为弹性波，从而发出声响，称为 。19501950年，德国人凯泽年，德国人凯泽(J(JKaiser)Kaiser)发现发现多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象叫做则大量产生声发射，这一现象叫做 。从很少产生声发射到大量产生。从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为声发射的转折点称为 ，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。后来国外许多学者证实了在岩石压缩试验中也存在凯泽效应，许多岩石后来国外许多学者证实了在岩石压缩试验中也存在凯泽效应，许多岩石如花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰如花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰岩、砾岩等也具有显著的凯泽效应，从而为应用这一技术测定岩体初始应力岩、砾岩等也具有显著的凯泽效应，从而为应用这一技术测定岩体初始应力奠定了基础。奠定了基础。凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取回定凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取回定向的岩石试件，通过向的岩石试件，通过 进行加载声发射试验，进行加载声发射试验，即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始，即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始(历史历史)三维应力状态。三维应力状态。声发射声发射 凯泽效应凯泽效应凯泽点凯泽点加工不同方向的岩石试件加工不同方向的岩石试件测定凯泽点测定凯泽点(2)(2)测试步骤测试步骤1）试样制备 现场钻孔提取岩样，岩样在原环境中的方向必须确定。将岩样加工成圆柱体试件，高径比为2：1-3：1。沿测点的六个不同方向制备试件。为了获得测试数据的统计规律，每个方向的试件为15-25块。为了消除由于试件端部与压力试验机上、下压头之间摩擦所产生的噪声和试件端部应力集中，试件两端可浇铸由环氧树脂或其他复合材料制成的端帽。2)声发射测试加压试件并同时监测产生的声发射现象。附图421(3)计算地应力 由每次试验得到的凯泽点可以确定该试件轴线方向先前受到的最大应力值。1525个试件获得一个方向的统计结果，六个方向的应力值即可确定取样点的历史最大三维应力大小和方向。注意：注意：高强度的脆性岩石具有较明显的声发射凯泽效应，而高强度的脆性岩石具有较明显的声发射凯泽效应，而多孔隙低强度及塑性岩体的凯泽效应不明显，不能用声发射多孔隙低强度及塑性岩体的凯泽效应不明显，不能用声发射法测定比较软弱疏松岩体中的应力。法测定比较软弱疏松岩体中的应力。基本原理基本原理：人为地将需要测定岩体地应力状态处的岩体单元与周围岩体分离，此时岩体单元上所受的应力被解除，将产生弹性恢复。应用一定的仪器测定弹性恢复的应变值或变形值，根据连续、均质和各向同性的线弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。3 3 应力解除法应力解除法岩体应力测量中应用较广的方法岩体应力测量中应用较广的方法适用条件适用条件：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。其测量和计算都较复杂。（略）其测量和计算都较复杂。（略）其测量和计算都较复杂。（略）其测量和计算都较复杂。（略）(一）孔底应力解除法一）孔底应力解除法（自学，P109图图图图4-134-13）(1)测量原理测量原理:进行岩体中某点应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前进行岩体中某点应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。（二）套孔应力解除法（二）套孔应力解除法（二）套孔应力解除法（二）套孔应力解除法发展时间最长，技术比较成熟；在发展时间最长，技术比较成熟；在适用性和可靠性方面，目前还没哪适用性和可靠性方面，目前还没哪种方法可以和应力解除法相比。种方法可以和应力解除法相比。(2)测量步骤测量步骤：附图3-12 P149蔡1）打大孔：从岩体表面打大孔至岩体应力测量部位，磨平孔底，清洗钻孔；大孔直径一般为130150mm，大孔深度为巷道跨度的2.5倍以上，一定的同心度；2）打小孔并放水冲洗钻孔：小孔直径由选用探头直径决定，一般为3638mm，小孔深度一般 为孔径的10倍左右。3）安装测量探头至小孔中央部位：4）岩石打孔，实现应力解除：通过量测系统（测量探头等）测得的小孔变形或应变，根据有关计 算公式求出小孔周围原岩应力。(3)适用范围适用范围：因为该方法要求取出足够长的完整岩芯，一方面因为该方法要求取出足够长的完整岩芯，一方面是保障直径变化测量的可靠性，确保处于弹性状态，是保障直径变化测量的可靠性，确保处于弹性状态，弹性理论才是适用的；另一方面要用它测定岩石的弹弹性理论才是适用的；另一方面要用它测定岩石的弹性模量。性模量。该方法要求在取得完整岩芯的岩体中进行，一般该方法要求在取得完整岩芯的岩体中进行，一般至少要能取出达到大孔直径至少要能取出达到大孔直径2 2倍长度的岩芯，因此在倍长度的岩芯，因此在破碎和弱面多的岩体中，或在极高的原岩应力区岩破碎和弱面多的岩体中，或在极高的原岩应力区岩芯发生芯发生“饼状饼状”断裂的情况下不宜使用。断裂的情况下不宜使用。1 1）刚刚刚刚性性性性测测测测量量量量探探探探头头头头不不不不适适适适于于于于应应应应力力力力接接接接触触触触测测测测量量量量，因因因因为为为为它它它它对对对对应应应应力力力力解解解解除除除除过过过过程程程程种种种种的的的的小小小小孔孔孔孔变变变变形形形形或或或或应应应应变变变变有有有有限限限限制制制制或或或或约约约约束束束束，影响套孔岩芯种的应力释放。影响套孔岩芯种的应力释放。影响套孔岩芯种的应力释放。影响套孔岩芯种的应力释放。2 2）要要要要得得得得到到到到岩岩岩岩体体体体全全全全应应应应力力力力的的的的六六六六个个个个独独独独立立立立的的的的应应应应力力力力分分分分量量量量，需需需需要有三个不用方向的钻孔进行测量。要有三个不用方向的钻孔进行测量。要有三个不用方向的钻孔进行测量。要有三个不用方向的钻孔进行测量。(4)注意注意：4 4 应力恢复法应力恢复法（直接法，与应力解除法区别）（直接法，与应力解除法区别）(1)适用范围适用范围：仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用本方法较为方便。向时，采用本方法较为方便。向时，采用本方法较为方便。向时，采用本方法较为方便。(2)基本原理基本原理：在与所测应力在与所测应力在与所测应力在与所测应力1垂垂垂垂直方向上开应力解除槽，槽上下附直方向上开应力解除槽，槽上下附直方向上开应力解除槽，槽上下附直方向上开应力解除槽，槽上下附近周围应力得到部分解除，近周围应力得到部分解除，近周围应力得到部分解除，近周围应力得到部分解除，重新分重新分重新分重新分布布布布。若把槽看作一条缝，根据。若把槽看作一条缝，根据。若把槽看作一条缝，根据。若把槽看作一条缝，根据H.NH.N穆斯海里什维理论，则槽中垂线穆斯海里什维理论，则槽中垂线穆斯海里什维理论，则槽中垂线穆斯海里什维理论，则槽中垂线OAOA上的应力状态为：上的应力状态为：上的应力状态为：上的应力状态为：1x1x,1y：OAOA线上某点线上某点线上某点线上某点B B的应力分量的应力分量的应力分量的应力分量 ：B B点离槽中心点离槽中心点离槽中心点离槽中心OO距离的倒数。距离的倒数。距离的倒数。距离的倒数。在在在在槽槽槽槽中中中中埋埋埋埋设设设设压压压压力力力力枕枕枕枕，通通通通过过过过压压压压力力力力枕枕枕枕对对对对槽槽槽槽加加加加压压压压，如如如如施施施施加加加加压压压压力力力力为为为为p p，则在，则在，则在，则在OAOA直线上某点直线上某点直线上某点直线上某点B B的应力分量为：的应力分量为：的应力分量为：的应力分量为：x x=1x1x+2x2x=2 2 y y=1y1y+2y2y=1 1当压力枕所施加的力当压力枕所施加的力当压力枕所施加的力当压力枕所施加的力p p=1 1时，这时时，这时时，这时时，这时B B点的总应力分量为：点的总应力分量为：点的总应力分量为：点的总应力分量为：(3)测试步骤测试步骤：2)记录量测元件应变计的初始读数。3)开凿解除槽，记录应变计读数。4)埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙。5)达到一定强度以后，连接油泵，施压。随着加压p的增加，岩体变形 逐步恢复。逐点记录压力p与恢复变形(应变)的关系。6)假设岩体为理想弹性体，当应变计恢复到初始读数时，此时施加的压 力p即为所求岩体的主应力。1)选定试验点，在预开解除槽（宽B,深B2)的中垂线上安装测量元件（B3）。测量元件可以是千分表、钢弦应变计或电阻应变片等。