地应力及其测量

第5章地应力及其测量§5.1概述§5.2地应力分布的一些规律§5.3高地应力区的特征§5.4地应力的测量原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡状态的岩体，称为原岩。围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，称为围岩。原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，又称为初始地应力或地应力、天然应力。原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布状态称为原岩应力场，又称为初始地应力场。即未经采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。§5.1概述1基本概念自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。它是由岩体自重引起的。自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态称为自重应力场。构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。次生应力（二次应力）：岩体开挖扰动了原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的应力称为次生应力或二次应力。→←次生应力↓↑∧++++++++++++++++++天然应力(1)组成：•岩体自重→自重应力•构造运动→构造应力•流体作用→渗流应力•其它（地温、地球化学作用等）)(zhgpwVhhVgh1212、天然应力的组成及成因天然应力≈自重应力＋构造应力迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。（2）成因：1）地幔热对流地幔热对流－－（碰撞、俯冲、海岸）2）板块边界受压3）岩浆侵入垂直应力：—平均密度，KN/m3侧压力：H—总深度（m）—侧压力系数图岩体自重垂直应力Hzzyx4）岩体自重应力场5)地质构造应力6）地形、地表剥蚀对地应力影响7）水压力、热应力a.孔隙水压力、流动水压力(影响小)、静水压力（悬浮作用）b.一般地温梯度：岩体的体膨胀系数：，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力约为：zMPazMPaEzT003.0101003.045z--深度/m。温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。-510100/3mC3、天然应力的研究历史与研究意义(1)研究历史①世界上:1878年海姆提出天然应力1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致裂法）。②中国：50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米（天津大港）。(2)研究意义①区域稳定②地下洞室稳定③边坡稳定④地基岩体稳定§5-2地应力分布的一些基本规律目前，原岩应力的实测深度达3000m。在这一深度内，原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：1、原岩应力场是相对稳定的非稳定场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。三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的，因而它是个非均匀的应力场。地应力在空间上的变化，从小范围来看，其变化是很明显的；但就某个地区整体而言，地应力的变化是不大的。如我国的华北地区，地应力场的主导方向为北西到近于东西的主压应力2、实测垂直应力σv基本上等于上覆岩层的重力在25～2700m深度内，σv随深度线性增加，大致相当于按平均重度γ=27kN/m3计算出来的重力γH,即σv＝27H。3、水平应力σH普遍大于垂直应力σv,即侧压力系数λ＝σH/σv1;4、平均水平应力σH与垂直应力σv的比值随深度增加而减小。5.015003.0100,HHah,max,min,2hhhav5、最大、最小水平主应力随深度线性增加：σHmax＝6.7＋0.0444H(Mpa)σHmin＝0.8＋0.0329H(Mpa)6、两个水平应力的关系一般有8.0~2.0maxminHH7、原岩应力的分布规律还受地形、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扰动影响最大。地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平行；断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。研究高地应力问题的必要性：研究高地应力本身就是岩石力学的基本任务。岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地应力大小的变化而变化。随着采矿深度的增加，我国中西部的开发，尤其是水电工程建设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题提出了新课题。§5.3高地应力区特征1.高地应力判别准则（1）目前国际国内无统一的标准。（2）国内一般岩体工程以初始地应力在20-30MPa为高地应力(大于800米深)。（3）不同岩石弹性模量不同，岩石的储能性能不同，地应力也不同，高地应力是相对于围岩强度而言的。max/cR极高地应力高地应力一般地应力我国工程岩体分级基准（GB50218-94）44～77法国隧道协会22～44日本新奥法指南（1996年）24～66日本仲野分级22～445.3.1高地应力判别准则和高地应力现象2.高地应力现象岩爆：围岩处于高应力场条件下所产生的岩片（块）飞射抛撒，以及洞壁片状剥落等现象。它是岩石被挤压到弹性限度，岩体内积聚的能量突然释放所造成的一种岩石破坏现象。岩爆产生的条件：（1）地下工程开挖，洞室空间的形成是诱发岩爆的几何条件；（2）围岩应力重分布和集中导致围岩积累大量弹性变形能，这是诱发岩爆的动力条件；（3）岩体承受极限应力产生初始破裂后的剩余弹性变形能的集中释放量决定岩爆的弹射程度；（4）岩爆通过何种方式出现，这取决于围岩的岩性、岩体结构特征、弹性变形能的积累和释放时间长短。5.3.2岩爆及其防治措施A、劈裂；B、剪断；C、弹射岩爆渐进破坏过程示意图我国工程岩体分类标准采用的岩爆发生判据如下：[1]当max/cR7时，无岩爆；[2]当max/cR=4～7时，可能会发生轻微岩爆或中等岩爆；[3]当max/cR4时，可能会发生严重岩爆。式中，cR——岩石单轴抗压强度；max——最大地应力。•围岩加固措施•改善围岩应力条件•改变围岩性质•施工安全措施岩爆的防治§5.4岩体天然应力的测量自重应力理论地震震源机制解地变形量测天然应力测量大地水准测量三角网测量GPS测量天然应力确定方法VhhVgz121z·hA1、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面(1)均质各向同性岩体VhhniiiVEEgz||2111hA·…11z22z33ziiz(2)水平层状岩体VhVhVEEgz112||1hA…z·(3)垂直层状岩体2、天然应力的量测天然应力的量测方法水压致裂法应力恢复法（扁千斤顶法）套芯应力解除法光弹法声发射法X射线法岩体应力测量的目的:了解岩体中存在的应力大小和方向（工程稳定性分析的原始参数）为开挖方案与支护设计提供依据预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具直接测量法是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。扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法。其中，水压致裂法目前应用最为广泛，声发射法次之。间接测量法中，测量和记录岩体中某些与应力有关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。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是间接法中较常用的，其中套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的发展较为成熟的一种地应力测量方法。地应力测量方法一览表应力解除法当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时，岩体单元上所受的拉力将被解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答计算岩体单元所受的应力状态。切断联系解除应力应变恢复测试应变计算应力流程要点应力恢复法应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前此法仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用本方法较为方便。声发射法岩石达到稳定状态时的微裂结构与所受应力同时被“记忆”在岩石中。如果把这部分岩石用钻孔法取出岩芯，即该岩芯被应力解除，此时岩芯中张开的裂隙将会闭合，但不会“愈合”。由于声发射与岩石中裂隙生成有关，当该岩芯被再次加载并且岩芯内应力超过它原先在地壳内所受的应力时，岩芯内开始产生新的裂隙，并伴有大量声发射出现，于是可以根据岩芯所受载荷，确定出岩芯在地壳内所受的应力大小。水压致裂法通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。