地应力及其原理ppt课件.ppt

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1、2022-6-51第六章第六章 地应力及其测量地应力及其测量学习指导：学习指导：主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，初始应力的量测方法及原理，力和构造应力，初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶扁千斤顶法和应力解除法等。法和应力解除法等。重重 点点 岩体的初始应力概念岩体的初始应力概念 岩体初始应力的测量方法岩体初始应力的测量方法 6 地应力及其测量地应力及其测量 6.1概述概述 6.1.1 基本概念基本概念 地应力：地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力状态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力。 6 地应力及其测量地

2、应力及其测量 6.1概述概述 6.1.1 基本概念基本概念 次生应力：次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。 应力重分布：应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。 6 6.1 .1 概论概论 一、一、 地应力测量的必要性地应力测量的必要性 地应力分为地应力分为自重应力场自重应力场和和构造应力场。构造应力场。 自重应力自重应力: :由上覆岩体的自重所引起的应力；由上覆岩体的自重所引起的应力； 构造应力构造应力: :地层中由于过去地质构造运动产生地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的应力，地质作用残和现在正在活动与变化的应

3、力，地质作用残存的应力。存的应力。b 重要性：重要性： 决定洞室布置的决定性因素之一。稳决定洞室布置的决定性因素之一。稳定性分析的重要参数。定性分析的重要参数。1)引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力根本作用力。2)传统开挖设计和施工的传统开挖设计和施工的经验类比法有局限性经验类比法有局限性。 小规模和地表小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法往往的岩石工程，经验类比的方法往往是有效的是有效的 大规模和深部大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不足。的岩石工程，经验类比法有不足。 b 重要性：重要性： 决定洞室布置的决定性因素之一。决定洞

4、室布置的决定性因素之一。3) 岩石工程数值分析方法计算分析的必要前提条件岩石工程数值分析方法计算分析的必要前提条件4)地应力应用领域广泛。地应力应用领域广泛。 对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以定性、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。及地球动力学的研究等也具有重要意义。 6.1.2 地应力的特点及其重要性地应力的特点及其重要性 地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑和其他各种地下工程或露天岩石开挖工程和其他各种地下工程或露天

5、岩石开挖工程变形和破坏的原始动力，变形和破坏的原始动力， 是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩石工程开挖设计和决策的性分析，实现岩石工程开挖设计和决策的必要前提条件。必要前提条件。 6.1.2 地应力的特点及其重要性地应力的特点及其重要性 为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工，就必须对影响工程稳定性的设计和施工，就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查，各种因素进行充分调查， 只有详细了解了这些工程影响因素，通过只有详细了解了这些工程影响因素，通过定量计算和分析，才能做出既经济又安全定量计算和分

6、析，才能做出既经济又安全实用的工程设计。实用的工程设计。 对于矿山来说，只有掌握了具体工程区域的地对于矿山来说，只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才能合理确定矿山总体布置，确定应力条件，才能合理确定矿山总体布置，确定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸等。巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸等。 在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状态状态，最理想的走向是与最大主应力方向平行最理想的走向是与最大主应力方向平行， 当然，在实际工程中还要综合考虑工程需要和当然，在实际工程中还要综合考虑工程需要和其它影响因素。其它影响因素。 应用领域：应用领域： 地应力在地

7、震预报、区域地壳稳定性评价、地应力在地震预报、区域地壳稳定性评价、 油田油井的稳定性、核废料存储、油田油井的稳定性、核废料存储、 岩爆、瓦斯突出及地球动力学研究等最基础岩爆、瓦斯突出及地球动力学研究等最基础的原始资料。的原始资料。 综上所述，地应力的特点及其重要性如下：综上所述，地应力的特点及其重要性如下： 1、地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力；、地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力； 2、地位相当于工程中习惯性理解的外荷载，但又、地位相当于工程中习惯性理解的外荷载，但又与材力、弹力中泛指的外荷载有所不同；与材力、弹力中泛指的外荷载有所不同； 3、地下工程是先受力，后开挖，并且地应力从开、

8、地下工程是先受力，后开挖，并且地应力从开挖前到最终一直对围岩起着作用；挖前到最终一直对围岩起着作用； 4、地应力是涉及地壳问题、地下工程问题理论分、地应力是涉及地壳问题、地下工程问题理论分析、计算中最基础的原始资料。析、计算中最基础的原始资料。 6.1.3关于地应力的古典假设关于地应力的古典假设 1、海姆假设：、海姆假设： 在前言中我们已经介绍过，人们认识地应在前言中我们已经介绍过，人们认识地应力还只是近百年的事，力还只是近百年的事，1912年瑞士的地质年瑞士的地质科学家海姆（科学家海姆（A.Heim）在大型越岭隧道的）在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察与分析，首次提出施工过程中，通过观察与

9、分析，首次提出了地应力的概念，了地应力的概念， 6.1.3关于地应力的古典假设关于地应力的古典假设 1、海姆假设：、海姆假设： 假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，并且等于一点的应力在各个方向上均相等，并且等于单位面积上覆盖岩层的重量，即：单位面积上覆盖岩层的重量，即： 式中：式中： 水平应力；水平应力； 垂直应力；垂直应力； 覆盖岩层的容重；覆盖岩层的容重； 覆盖岩层的深度。覆盖岩层的深度。hvHhvH 海姆认为：海姆认为： （1）原岩应力各向等压，即静水压力状态。）原岩应力各向等压，即静水压力状态。 （2）上覆岩体的重量

10、，历经漫长的地质年代后，）上覆岩体的重量，历经漫长的地质年代后，由于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导由于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导致水平应力最终与铅重应力相均衡。致水平应力最终与铅重应力相均衡。 这一法则，仍为许多岩石力学家在认识深部地应力这一法则，仍为许多岩石力学家在认识深部地应力状态时所接受。状态时所接受。 2、金尼克假设、金尼克假设 1926年，原苏联学者金尼克修正了海姆的静年，原苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设，水压力假设， 他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆盖岩他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆盖岩层的重量，层的重量， 而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结

11、果，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为其值应为 乘以一个修正系数。乘以一个修正系数。H 2、金尼克假设、金尼克假设 金尼克根据弹性理论（假定岩体是均匀的、金尼克根据弹性理论（假定岩体是均匀的、连续的弹性介质体，得出水平应力总归小于连续的弹性介质体，得出水平应力总归小于铅垂应力的结论），铅垂应力的结论）， 认为这个认为这个测压系数测压系数等于等于 ，即：，即： 式中：式中： 上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊松比的常值范围为松比的常值范围为0.150.30。1,1vhHH 此时，当此时，当 时，时， ，即，即海姆假说只海姆假说只是金尼克假说的一个特例是金尼克假

12、说的一个特例。 同期的其他一些人主要关心的也是如何用同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公式来定量地计算地应力的大小，一些数学公式来定量地计算地应力的大小，并且也都认为地应力只与重力有关，即以并且也都认为地应力只与重力有关，即以垂直应力为主，他们不同点只在于测压系垂直应力为主，他们不同点只在于测压系数的不同。数的不同。0.5hvH小结小结c c 地应力分布理论：地应力分布理论：1 1）海姆假设：）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静首次提出了地应力的概念，静水压力假设）水压力假设） 海姆假说：海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量

13、成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。2 2）金尼克假设：）金尼克假设：（弹性力学假设）弹性力学假设） ， v v 为上覆岩层的柏松比。为上覆岩层的柏松比。修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。HvhHvHh1 我国的地质学家李四光：李四光： 20年代指出“在构造应力的作用仅影响地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的重要性远远

14、超过垂直应力分量”。 50年代，年代，哈斯特哈斯特在测试地应力时也发现地在测试地应力时也发现地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且近水平的，而且最大水平应力主应力一般最大水平应力主应力一般为垂直应力的为垂直应力的12倍倍。 这样就从根本上动摇了地应力是静水压应这样就从根本上动摇了地应力是静水压应力的理论和垂直应力为主的观点。力的理论和垂直应力为主的观点。3 3）李四光：）李四光：在在构造应力的作用构造应力的作用仅影响地壳上层一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。

15、直应力分量。4 4）哈斯特：）哈斯特：地应力测量发现存在于地壳上部的地应力测量发现存在于地壳上部的最最大主应力大主应力几乎处处是几乎处处是水平或接近水平水平或接近水平的，从根本上动的，从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。点。 5 5）近期研究：）近期研究：重力作用和构造运动是引起地应力的重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以主要原因，其中尤以水平方向的构造运动水平方向的构造运动对地应力的对地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要由形成影响最大。当前的应力状态主要由最近一次的构最近一次的构造运动造运动所控制，但也与

16、历史上的构造运动有关。所控制，但也与历史上的构造运动有关。c c 地应力分布理论：地应力分布理论： 因此，重力作用和构造运动是引起地应因此，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，力的主要原因， 地应力的大小和方向不可能通过数学计地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得，要了解一算或模型分析的方法来获得，要了解一个地区的地应力状态，唯一的方法就是个地区的地应力状态，唯一的方法就是进行地应力测量。进行地应力测量。 6.2 地应力的成因地应力的成因 产生地应力的原因是十分复杂的，至今也产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不是十分清楚。不是十分清楚。 近近30多年来的实测和理论分

17、析表明，地应多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种运动过程密切力的形成主要与地球的各种运动过程密切相关，相关， 6.2地应力的成因地应力的成因包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地球非均匀扩容等。球非均匀扩容等。 另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可以引起相应的应力场。他物理化学变化等也可以引起相应的应力场。下面就几种主要成因进行分述：下面就几种主要成因进行分述： （1）大陆板块边界受压引起的应力场）大陆

18、板块边界受压引起的应力场 中国大陆板块受到外部印度洋板块和太平洋板块两中国大陆板块受到外部印度洋板块和太平洋板块两板块的挤压，推挤速度为每年数厘米，同时还受到板块的挤压，推挤速度为每年数厘米，同时还受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束西伯利亚板块和菲律宾板块的约束我国大陆板块发我国大陆板块发生变形，产生水生变形，产生水平压应力场，其平压应力场，其主应力迹线如图主应力迹线如图4-1所示。所示。（2 2）地幔热对流引起的应力场）地幔热对流引起的应力场 由硅镁组成的地幔因温由硅镁组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可度很高，具有可塑性，并可以上下以上下对流和蠕动对流和蠕动。当地幔。当地幔深处的上升流到

19、达地幔顶部深处的上升流到达地幔顶部时，就分为两股方向时，就分为两股方向相反的相反的平流平流，经一定流程直到与，经一定流程直到与令令一对流圈一对流圈的反向平流相遇，的反向平流相遇，一起一起转为下降流转为下降流回到地球深回到地球深处，形成处，形成封闭的循环体系封闭的循环体系。地幔热对流引起地壳下面的地幔热对流引起地壳下面的水平切向力水平切向力。 （3）由地心引力引起的应力场）由地心引力引起的应力场 由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。 重力应力为垂直方向应力，它是地壳

20、中所有各点垂重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，直应力的主要组成部分， 但垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块但垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度等，均会引起垂直方向应力的变化。均和水压梯度等，均会引起垂直方向应力的变化。3 3）由地心引力引起的应力场）由地心引力引起的应力场 由地心引力引起的应力由地心引力引起的应力场称为场称为重力应力场重力应力场。重力应。重力应力场是各种应力场中唯一力场是各种应力场中唯一可可以测量以测量的应力场。的应力场。垂直应力垂

21、直应力：平均容重，平均容重，KN/mKN/m3 3H H总深度（总深度（m m） 图图 岩体自重垂直应力岩体自重垂直应力HG （4）岩浆侵入引起的应力场）岩浆侵入引起的应力场 岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩过程，岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩过程，由于不同的热膨胀系数及热力学过程等，由于不同的热膨胀系数及热力学过程等，均会在周围地层中产生相应的应力场，均会在周围地层中产生相应的应力场，但它是一种局部应力场。但它是一种局部应力场。4 4）岩浆侵入引起）岩浆侵入引起的应力场的应力场 岩浆倾入岩浆倾入挤压、挤压、冷凝收缩和成岩冷凝收缩和成岩，均，均在周围底层产生相应在周围底层产生相应的应力场。的应力场。

22、 与上述三种应力与上述三种应力场不同，由岩浆侵入场不同，由岩浆侵入引起的应力场是一种引起的应力场是一种局部应力场。局部应力场。 （5）地温梯度引起的应力场）地温梯度引起的应力场 地层的温度随着深度的增加而升高，一般地层的温度随着深度的增加而升高，一般的温度梯度为每百米的温度梯度为每百米3。 由于温度梯度而引起地层中不同深度不同由于温度梯度而引起地层中不同深度不同的膨胀，从而引起地层中的局部压应力产的膨胀，从而引起地层中的局部压应力产生。生。5 5）地温梯度引起的应力）地温梯度引起的应力 随埋深增加，地温增高，岩体性质改变产生附加应力随埋深增加，地温增高，岩体性质改变产生附加应力。 一般地温梯度

23、：一般地温梯度： 岩体的体膨胀系岩体的体膨胀系数：数： ，岩体弹模，岩体弹模E=10E=104 4MPaMPa； 地温梯度引起的温度应力约为：地温梯度引起的温度应力约为： zMPazMPaEzT003.0101003.045 z-z-深度深度/m/m。随埋深增加，地温增高，岩体性质改变而产生附加应力。随埋深增加，地温增高，岩体性质改变而产生附加应力。温度应力是同深度的垂直应力的温度应力是同深度的垂直应力的1/91/9，并呈静水压力状态。，并呈静水压力状态。-510 100/3mC （6）地表剥蚀产生的应力场）地表剥蚀产生的应力场 地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和剥蚀作用，由地壳上升部分岩体因为

24、风化、侵蚀和剥蚀作用，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度所引起变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度所引起的自重应力还要大得多的水平应力。的自重应力还要大得多的水平应力。 地壳岩体因为风化、侵蚀、雨水冲刷搬运而产生剥地壳岩体因为风化、侵蚀、雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用，使得岩体内产生颗粒的结构变化和应力松蚀作用，使得岩体内产生颗粒的结构变化和应力松弛产生水平应力场。弛产生水平应力场。区域初始应力场有一致性，而区域内局部地点区域初始应力场有一致性，而区域内局部地点的初始应力又有很大差别，主要是由地质因素的

25、初始应力又有很大差别，主要是由地质因素造成的。造成的。孤立山体：孤立山体：岩体自重起主导作用，岩体自重起主导作用，V H陡峭河谷陡峭河谷：底部出现应力集中，最大主应力与底部出现应力集中，最大主应力与河谷轴近似垂直。如二滩水电站处于河谷地段河谷轴近似垂直。如二滩水电站处于河谷地段的应力集中范围达的应力集中范围达500m，深度，深度250m断裂带：断裂带：残留较大构造应力。如云南鲁布革电残留较大构造应力。如云南鲁布革电站工程中岩体最大主应力与断层走向近似垂直，站工程中岩体最大主应力与断层走向近似垂直，积聚于上盘岩体中。积聚于上盘岩体中。地壳表面剥蚀：地壳表面剥蚀：垂直应力减少，近地表处，垂直应力减

26、少，近地表处，H V此外，地震活跃地区，初始应力大小和方向还此外，地震活跃地区，初始应力大小和方向还随时间而变化。随时间而变化。 6.3 地应力的变化规律地应力的变化规律 通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些基本规律：基本规律： （1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。时间和空间的函数。 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应

27、力的大小和方向是随着时间等压应力场。三个主应力的大小和方向是随着时间和空间而变化的，因而它是一个非稳定的应力场，和空间而变化的，因而它是一个非稳定的应力场， 6.3 地应力的变化规律地应力的变化规律 （1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。时间和空间的函数。 从小范围来看，它在空间上的变化是比较明显的，从小范围来看，它在空间上的变化是比较明显的，但就某个地区整体而言，其变化并不大。但就某个地区整体而言，其变化并不大。 在某些地震活跃地区，地应力的大小和方向随时在某些地震活跃地区，地应力的大小和方向随时间的变化是很明显的，地震前，应力

28、处于累积阶间的变化是很明显的，地震前，应力处于累积阶段，应力值不断升高，而地震时使集中应力得到段，应力值不断升高，而地震时使集中应力得到释放，应力值大幅度下降，要过一段时间后才能释放，应力值大幅度下降，要过一段时间后才能恢复到震前状态。恢复到震前状态。 （2）实测铅垂应力基本等于上覆岩层重量）实测铅垂应力基本等于上覆岩层重量 对全世界实测统计资料的分析表明，在深度为对全世界实测统计资料的分析表明，在深度为252700m的范围内，垂直应力呈线性增长，大致符合的范围内，垂直应力呈线性增长，大致符合海姆的假设规律，海姆的假设规律， 但在某些地区的测量结果有一定的偏差，这些偏差但在某些地区的测量结果有

29、一定的偏差，这些偏差除测量误差外，板块移动、岩浆运动和不均匀膨胀、除测量误差外，板块移动、岩浆运动和不均匀膨胀、扩容等都会产生垂直应力异常。扩容等都会产生垂直应力异常。 图图4-2是霍克（是霍克（E.Hoek）和布朗（）和布朗（E.T.Brown）总结）总结出来的世界各国值随深度出来的世界各国值随深度H的变化规律。的变化规律。2 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 Hv 世界各国垂直应力随深度变化的规律世界各国垂直应力随深度变化的规律垂直应力 随深度线性增加。平均容重约为27KN/m3kPaHv27 （3）水平应力普遍大于铅垂应力）水平应力普遍大于铅垂应

30、力 实测资料表明，在绝大多数地区均有两个主应力位实测资料表明，在绝大多数地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于般不大于30，最大水平主应力普遍大于垂直应力，最大水平主应力普遍大于垂直应力，它们的比值一般在它们的比值一般在0.55.5之间，在很多情况下比之间，在很多情况下比值大于值大于2。 垂直应力在大多数情况下为最小主应力，在少数情垂直应力在大多数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力，只在个别情况下为最大主应力。况下为中间主应力，只在个别情况下为最大主应力。这再次说明，水平方向的构造运动对地壳浅层地应这再次说

31、明，水平方向的构造运动对地壳浅层地应力的形成起控制作用。力的形成起控制作用。3 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。国家名称国家名称平均水平应力平均水平应力/ /垂直主应力垂直主应力(%)(%)最大水平应力最大水平应力垂直主应力垂直主应力0.81.21.2中国中国3232404028282.092.09澳大利亚澳大利亚0 0222278782.952.95加拿大加拿大0 00 01001002.562.56美国美国1818414141413.293.29挪威挪威1717171766663.563.56瑞典瑞典0 00 01001004.994.99南非南非41412424

32、35352.502.50前苏联前苏联5151292920204.304.30其他地区其他地区37.537.537.537.525251.961.96 （4）平均水平应力与铅垂应力的比值随深度增加）平均水平应力与铅垂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，图而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同，图4-3为世界不同地区取得的实测结果。为世界不同地区取得的实测结果。该图表明，在深度不该图表明，在深度不大的情况下，两者的大的情况下，两者的比值相当分散。随着比值相当分散。随着深度的增加，该值的深度的增加，该值的变化范围逐步缩小，变化范围逐步缩小，并向并向1附近集中，这说附近集中

33、，这说明在地壳深部有可能明在地壳深部有可能出现静水压应力状态。出现静水压应力状态。垂直应力平均水平应力K3.0100K H5.01500K H4 4）平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小，且）平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小，且趋近于趋近于1 15）最大水平主应）最大水平主应力和最小水平主力和最小水平主应力也随深度呈应力也随深度呈线性增长关系。线性增长关系。 （6）最大水平主应力和最小水平应力之）最大水平主应力和最小水平应力之值一般相差较大，其方向也受地质构造影值一般相差较大，其方向也受地质构造影响，显示出很强的方向性特点。响，显示出很强的方向性特点。6)最大水平主应力和最小水

34、平主应力之值一般相差较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。大，显示出很强的方向性。 sh,min/sh,max，一般为，一般为0.20.8.多数为多数为0.40.8实测地点统计数目sh,min/sh,max (%)1.00.750.750.50 0.500.250.250合计斯勘的纳维亚511467136100北美2222246239100中国251256248100中国华北地区186612211100 （7）地应力除上述分布规律外，还受地形、）地应力除上述分布规律外，还受地形、岩体结构、断层等方面的扰动影响。岩体结构、断层等方面的扰动影响。 地形对原始地应力的

35、影响是十分复杂的，地形对原始地应力的影响是十分复杂的，一般来说，谷底是应力集中部位，越靠近一般来说，谷底是应力集中部位，越靠近谷底其应力集中程度也会越明显。谷底其应力集中程度也会越明显。 随着深度的增加或远离谷底边坡，则地应随着深度的增加或远离谷底边坡，则地应力分布状态逐渐趋于规律化，并显示出和力分布状态逐渐趋于规律化，并显示出和区域应力场的一致性。区域应力场的一致性。 在断层和结构面附近，地应力分布状态也会在断层和结构面附近，地应力分布状态也会出现明显的扰动。出现明显的扰动。 断层端部、拐角处及交汇处将出现应力集中断层端部、拐角处及交汇处将出现应力集中的现象。的现象。 由于断层带中的岩体一般

36、都比较软弱和破碎，由于断层带中的岩体一般都比较软弱和破碎，不能承受高的应力和不利于能量积累，所以不能承受高的应力和不利于能量积累，所以此处成为应力降低带。此处成为应力降低带。 随着断层性质的不同，其影响也不一样，随着断层性质的不同，其影响也不一样， 如果是压性断层，其中的应力状态与周围岩如果是压性断层，其中的应力状态与周围岩体比较接近，只是主应力的大小比周围岩体体比较接近，只是主应力的大小比周围岩体有所下降，有所下降， 若是张性断层，其中的地应力大小和方向与若是张性断层，其中的地应力大小和方向与周围岩体相比均要发生显著的变化。周围岩体相比均要发生显著的变化。 6.4 地应力的实测方法地应力的实

37、测方法 6.4.1 地应力实测的基本原理地应力实测的基本原理 原岩地应力测量就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未扰动的三维应力， 原位地应力测量原位地应力测量是目前取得工程需要的不同深度原岩应力可靠资料的唯一方法。 岩体中一点的三维压力状态可由选定坐标系中的六岩体中一点的三维压力状态可由选定坐标系中的六个应力分量来表示，如图个应力分量来表示，如图4-4所示。所示。但图中的坐标系一般取但图中的坐标系一般取地球坐标系作测量坐标系，地球坐标系作测量坐标系，这样由六个应力分量可求这样由六个应力分量可求得该点的三个主应力的大得该点的三个主应力的大小和方向就是唯一的，这小和方向就是唯一的，这种测量通常

38、叫种测量通常叫“点点”测量测量方法方法。 尽管也有一些（如超声波地球物理方法）测定大尽管也有一些（如超声波地球物理方法）测定大范围岩体内平均应力方法，但这些方法不如范围岩体内平均应力方法，但这些方法不如“点点”测量方法准确，因此，测量方法准确，因此，“点点”测量方法更为普及测量方法更为普及。 由于地应力的复杂和多变性，要比较准确测定某由于地应力的复杂和多变性，要比较准确测定某一地区地应力，必须进行充足数量一地区地应力，必须进行充足数量“点点”测量，测量， 再借助数值、数理统计、灰色建模和人工智能等再借助数值、数理统计、灰色建模和人工智能等处理方法，来描述该地区全部地应力场状态。处理方法，来描述

39、该地区全部地应力场状态。 在进行原位地应力测量时，为了让人和设在进行原位地应力测量时，为了让人和设备进入观测地点不可避免的要预先开挖一备进入观测地点不可避免的要预先开挖一些巷道和峒室。些巷道和峒室。 因此，只要巷道和峒室一开，其周围岩体因此，只要巷道和峒室一开，其周围岩体中的应力状态就受到扰动进行重新分布而中的应力状态就受到扰动进行重新分布而产生了次生应力，产生了次生应力， 若要在峒室表面进行测量（如早期的扁千若要在峒室表面进行测量（如早期的扁千斤顶法），再在计算原始应力时再考虑扰斤顶法），再在计算原始应力时再考虑扰动作用，动作用， 但这种扰动非常复杂，不可能精确计算和但这种扰动非常复杂，不可

40、能精确计算和分析，导致所测得的数据不准确，有的甚分析，导致所测得的数据不准确，有的甚至是错误的结论。至是错误的结论。 为了避免这种不足，尽量少扰动原岩中为了避免这种不足，尽量少扰动原岩中的压力状态，保证测量结果的真实有效，的压力状态，保证测量结果的真实有效， 因此，从峒室表面再向岩体中打小直径因此，从峒室表面再向岩体中打小直径的深孔，直到原岩应力区，让测量过程的深孔，直到原岩应力区，让测量过程只在小孔中进行，由于小孔对原岩应力只在小孔中进行，由于小孔对原岩应力状态的扰动是可以忽略不计的。状态的扰动是可以忽略不计的。 目前，普遍采用的应力解除法和水压致裂法目前，普遍采用的应力解除法和水压致裂法均

41、属于此类方法。均属于此类方法。 但是，任何一种实测方法都需要通过扰动但是，任何一种实测方法都需要通过扰动（通常是打钻孔），打破原有状态，在从一（通常是打钻孔），打破原有状态，在从一种平衡状态到新的平衡状态过程中，通过对种平衡状态到新的平衡状态过程中，通过对力或应力的效应的间接测定来实现，不可能力或应力的效应的间接测定来实现，不可能完全实现原岩应力的测试。完全实现原岩应力的测试。 原岩应力实测方法因其所用传感器原理和原岩应力实测方法因其所用传感器原理和结构的不同而有许多种：孔径变形法、水结构的不同而有许多种：孔径变形法、水压致裂法、孔壁应变法、空心包体应变法。压致裂法、孔壁应变法、空心包体应变法

42、。 其中，前二种是二维应力测量，可以测量其中，前二种是二维应力测量，可以测量与钻孔轴线垂直截面上的原岩应力分量；与钻孔轴线垂直截面上的原岩应力分量； 后二种是三维应力测量，可以一次测得全后二种是三维应力测量，可以一次测得全部六个应力分量；部六个应力分量； 测量方法：测量方法：1 1）测量）测量手段手段的不同划分：的不同划分： 构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。2 2）测量）测量原理原理的不同划分：的不同划分： 应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、水压致裂法、声发射

43、法、X X射线法、重力法射线法、重力法3 3）测量）测量基本原理基本原理不同划分：不同划分： 直接测量法：直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量，并由这些应由测量仪器直接测量和记录各种应力量，并由这些应 力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。 间接测量法：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 某些与应力有关的间接物理量的变化，然后由测得的间接物某些与应力有关的间接物理量的变化，然后由测得的间接物 理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。理量的变化，通过已知

44、的公式计算岩体中的应力值。 直接测量法：直接测量法： 由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值的方法。在计算过关系，通过计算获得原岩应力值的方法。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力的物理力学性质和应力-应变关系。应变关系。 扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法等均属此种测量法，其中，水压致裂法是

45、目发射法等均属此种测量法，其中，水压致裂法是目前应用最广的方法，声发射次之。前应用最广的方法，声发射次之。 间接测量法：间接测量法： 不直接测量应力量，而是借助某些传感器元件或不直接测量应力量，而是借助某些传感器元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变、弹间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变、弹性波传播速度变化等，性波传播速度变化等， 然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值的方法。式计算岩体中的应力值的方法。 间接测量法：间接测量法： 因此

46、，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必因此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和须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。应力的相互关系。 其中，其中，套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的，且发展较为成熟的一种间接测量地应力的方法。且发展较为成熟的一种间接测量地应力的方法。6.4.1 6.4.1 直接测量法直接测量法1 1 扁千斤顶法扁千斤顶法2 2 刚性包体应力计法刚性包体应力计法3 3 水压致裂法水压致裂法4 4 声发射法声发射法6.4.1 6.4.1 直接测量法直接测量法( ( 一、

47、扁千斤顶法一、扁千斤顶法) )示意图 步骤：步骤：1)1)在准备测量地应在准备测量地应力的岩石表面，安力的岩石表面，安装两个测量柱并测装两个测量柱并测量两柱之间的距离量两柱之间的距离. .2)在与两柱对称的中间位置向岩体内开挖一个垂直于测在与两柱对称的中间位置向岩体内开挖一个垂直于测量柱连线的扁槽，并测量记录开挖过程过程中两测量柱量柱连线的扁槽，并测量记录开挖过程过程中两测量柱之间距离的变化之间距离的变化.6.4.1 6.4.1 直接测量法直接测量法( ( 一、扁千斤顶法一、扁千斤顶法) )示意图 3)3)将扁千斤顶放入槽将扁千斤顶放入槽内并加压，测量两柱内并加压，测量两柱之间的距离，直到恢之

48、间的距离，直到恢复到扁槽开挖前的距复到扁槽开挖前的距离，记录千斤顶压力；离，记录千斤顶压力；这一压力称为这一压力称为“平衡平衡压力压力”或或“补偿应力补偿应力”6.4.1 直接测量法直接测量法1）扁千斤顶法）扁千斤顶法 扁千斤顶法又称扁千斤顶法又称“压力枕压力枕”，由两块薄钢板沿周围，由两块薄钢板沿周围焊接而成。在周边处有一个油压入口和一个出气阀。焊接而成。在周边处有一个油压入口和一个出气阀。 测量步骤如下：测量步骤如下： 1、在准备测量应力的岩石表面，如巷道、峒室的、在准备测量应力的岩石表面，如巷道、峒室的表面，安装两个测量柱，并用微米表测量两柱之间表面，安装两个测量柱，并用微米表测量两柱之

49、间的距离。的距离。u2、在与俩测量柱对称的中间位置向岩体内开挖、在与俩测量柱对称的中间位置向岩体内开挖一个垂直于测量柱连线的扁槽，槽的大小、形状一个垂直于测量柱连线的扁槽，槽的大小、形状和厚度需和扁千斤顶相一致。和厚度需和扁千斤顶相一致。 由于扁槽的开挖，造成局部应力释放并引起由于扁槽的开挖，造成局部应力释放并引起测量柱之间距离的变化，测量并记录这一变化值。测量柱之间距离的变化，测量并记录这一变化值。 3、将扁千斤顶完全塞入槽内，必要时需注浆将扁、将扁千斤顶完全塞入槽内，必要时需注浆将扁千斤顶和岩石胶结在一起，然后用电动或手动液压千斤顶和岩石胶结在一起，然后用电动或手动液压泵向其加压。泵向其加

50、压。 随着压力的增加，两侧柱之间的距离亦增加，当两随着压力的增加，两侧柱之间的距离亦增加，当两测量柱之间的距离恢复到扁槽开挖前的大小时，停测量柱之间的距离恢复到扁槽开挖前的大小时，停止加压，并记录此时扁千斤顶中的压力。止加压，并记录此时扁千斤顶中的压力。 该压力称为该压力称为“平衡应力平衡应力”或或“补偿应力补偿应力”，等于扁，等于扁槽开挖前表面岩体中垂直于扁千斤顶方向且平行于槽开挖前表面岩体中垂直于扁千斤顶方向且平行于两测柱连线方向的应力。两测柱连线方向的应力。 评价：评价： 1、扁千斤顶法只是一种一维应力测量法，不能在、扁千斤顶法只是一种一维应力测量法，不能在同一点上测量六个应力分量；同一