地应力及其测量原理

3.1概述概念：a地层未受到扰动时，存在于地层内各点的应力称为原岩应力，或称为原始应力，或称为初始地应力（insitustress）。它是地下工程围岩变形、破坏、支护结构受力的根本渊源。b当地层被开挖后，存在于开挖空间周围岩体中重新分布的应力称为次生应力，也叫诱发应力（inducedstress）。3地应力及其测量原理原岩应力与次生应力1905-1912瑞士地质学者海姆（Heim）zyx1925-1926金尼克zyx11915年瑞典人哈斯特（Hast，N）首创在岩体中地应力的测量工作。实测表明：垂直应力和水平应力的数值，至少在3000m范围以内，海姆和金尼克的假说不是地应力状态的普遍规律。而且人们对地应力规律的认识，至今还很肤浅，所以还不能计算，只能通过实测获得。温度应力封闭应力新构造应力古构造残余应力构造应力重力应力原岩应力3.2地应力的构成及影响因素3.2.1自重应力yxxyz11H22HnnHxzzxz图5-2垂直应力计算方法(a)单一地层(b)多层地层由地壳岩层的重量引起。HzniiizH1——上覆各层岩体容重；i——上覆岩层平均容重。垂直方向水平方向zyx——侧压系数。假定水平方向应变为零，根据胡克定律可导出下式0101zxyyzyxxEEHzyx11连立求解，得1即当泊桑比值为0.5时，得到侧压系数为1.0，所以海姆观点是金尼克公式的一个特例。岩石的泊桑比值通常在0.10~0.35之间。因此在自重应力场中侧压系数在0.10~0.54之间，而主要在0.25~0.43之间。3.2.2构造应力1古构造应力：是地质史上由于构造运动残留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力。2新构造运动应力是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。3封闭应力是在各种地质因素长期作用下残存于结构内部的应力。3.2.3地应力的影响因素1地质构造对地应力的影响地质构造主要影响地应力的分布和传递：（1）在静应力场中，断裂构造对地应力大小和方向的影响是局部的。（2）在同一构造单元体内地应力大小和方向均较一致，而靠近断裂或其他分离面附近大小和方向才有较大变化。（3）在活动断层附近和地震地区，地应力大小和方向都有较大变化。（4）地质构造面与地应力方向关系，一般在水平面内，最大主应力的方向常垂直于构造线。2地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌对地应力的影响是复杂的。剥蚀可以造成巨大的水平应力。由构造作用与由剥蚀作用产生的水平应力的主要区别在于，由构造作用产生的水平应力具有明显的方向性；而由剥蚀产生的水平应力，按海姆假设条件，不具方向性。岩体地应力是能量积累与释放的结果。从能量的积累观点来看，岩体应力的上限必然要受到岩体强度的限制。例如，当Ｅ＝50GPa以上的岩体，最大应力一般为10～30MPa，而Ｅ＝10GPa以下的岩体应力很少超过10MPa。这样，弹性模量较大的岩体有利于地应力积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位，而塑性岩体容易产生变形，不利于应力积累。3岩石力学性质对地应力的影响4温度对地应力的影响岩体温度对地应力的影响表现在两个方面：地温梯度和岩体局部温度的影响。地温梯度一般为３℃／100ｍ510岩体的体膨胀系数约为而岩体的弹性摸量一般为10GPa)(..MPa0030010HEHT温度应力TTzTyTx温度应力一般是静水压力3.2.4研究原岩应力的意义1在地下工程中1）围岩稳定与支护结构设计；2）地下洞室走向选择；3）地下洞室断面几何形状；4）坚硬脆性岩体中的岩爆；2在地上工程中主要是基坑开挖后，底部岩体在原岩应力作用下出现底鼓而影响上部结构稳定。3.3地壳浅部地应力的变化规律3.3.1地应力是个非稳定应力场3.3.2实测垂直应力基本等于上覆岩层重量zH3.3.3水平应力普遍大于垂直应力在深度为25~2700m范围内，垂直应力呈线性增长，大致相当于按平均容重0.027MN/m3计算出来。5.01500z3.0100z上限：下限：3.4原岩应力的现场实测方法初始地应力对工程设计是不可缺少的基础资料之一。由于原岩应力不易计算，最好的办法就是通过现场量测获得。岩体应力的现场量测包括岩体原岩应力测试和洞室围岩应力测试。常用的地应力测试方法：应力解除法、应力恢复法及水压致裂法。3.4.1应力解除法它的基本原理是：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为地将该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将被解除。该单元体将产生弹性恢复的应变值或变形值，用传感器测量这一应变和位移，再根据应力和应变或位移之间的关系计算原岩应力。1应力解除法的实施步骤1）套钻大孔（D=118mm）；2）取岩芯并将孔底磨平；3）套钻小孔（d=36mm）；4）取小孔岩芯；5）粘贴元件测初读数；6）应力解除；7）取岩芯；8）测终读数2应力解除法的测量方法1）孔径变形法测量应力解除前后钻孔直径的变化Δd，采用36—2型孔径变形计进行测量。dσσσσyxyxτxy应力解除前应力解除后00000d+Δd12d+Δd3d+Δd这种方法要求在能取得完整岩芯的岩体中进行，一般至少要能取出大孔直径2倍长度的岩芯。孔径变化与所在断面上原始地应力关系为：24221000002sincosxyyxyxdEd取三个不同θi，可得到三个不同方向的直径变化Δdi，形成以下的三元一次方程组3030000232020000221010000212sin42cos212sin42cos212sin42cos21xyyxyxxyyxyxxyyxyxdEddEddEd要测定一点的其他三个应力分量，需要采用三孔交汇法。工作量比较大。2）孔壁应变法只需在一个钻孔内进行量测，即可确定六个空间应力分量。00002422zxyyxzsincos242200000sincosxyyxyxsincos0022zxyzz122473取分别为：得到一下九个方程：010010001232yzzyxzyxz020020002232zxzyxzyxz0030003003244zxyzzxyyxzxyz122473112AiBiBiAiiE122BiAiCiizE112BiAiBiAiziE设第i个测点三个方向应变片读数分别为：εAi、εBi、εCi12102101202381381zzyx201032102121281zzxzyzxy三轴应变计，国际岩石力学与工程学会制定的地应力测量建议方法中定名为CSIR型应变计。空心包体式三轴应变计。3.4.2应力恢复法3.4.3水压致裂法初始劈裂压力稳定开裂压力关闭压力开启压力2312112144003012202200301cosrRrRprRb2203010301cosbp时0Rr在水压力为pb，原始应力为σ1、σ3共同作用下，孔周边岩体中切向应力：bp01033最小切向应力为：时,0孔壁切向应力σσσσ00003131bPttbp03013时，孔壁发生拉裂，得：考虑孔隙水压力P0tbpp003013当第二次加压至裂隙张开，此时水压力为Pb0,σt=00003013ppb0bbtpp1测量深度不受限制、代表性好；2操作方便；3测值直观；4适应性强。于是，得：而关闭水泵后，裂隙中保持的稳定压力正好与最小主应力相平衡，得：000301000333bstbbbtsPPPPPP实测地应力以压应力为正；、、分别为最大、中间和最小主应力；、、分别为三个主应力的方位角（沿顺时针与正北方向的夹角）；、、分别为三个主应力作用方向的倾角（与水平面的夹角）。1231231233.5实测地应力在计算中的应用3.5.1实测地应力的表达123123123测点编号12345测点位置DK66+580DK81+95DK72+37DK76+156DK74+610测点埋深(m)32027071010851640(MPa)10.6415.0721.0434.0584.16(MPa)9.1510.5712.2627.5528.22(MPa)5.238.327.6414.9916.13(°)28333133230258(°)15241226143104(°)193629823510(°)1.00.327.074.065(°)59.014.028.07.023(°)31.076.049.015.010123123123秦岭隧道实测地应力αβσENZxyzN隧道轴线方向大地坐标系计算坐标系iiilsincosiiimcoscosiinsin、、分别为E、N、Z轴与主应力空间、、轴之间夹角的方向余弦,则有以下关系式ilimin1233.5.2实测地应力的坐标变换333222111nmlnmlnmlT321123ENZTTT123则坐标转换矩阵将实测地应力转换到大地坐标同理，若计算坐标x、y、z相对大地坐标E、N、Z的方向余弦分别为ilimin则计算坐标下的应力333222111nmlnmlnmlTTTTENZxyzTTTTTT123其中