第 6 章 岩体天然应力状态及其测试

第6章岩体天然应力状态及其测试技术•6.1概述•6.2自重应力场特征•6.3地应力研究中的主要成果•6.4岩体天然应力场的基本特征•6.5地应力测试方法•6.1.1研究地应力场是岩体工程建设的迫切需要•岩体与其它材料的显著不同是始终处于天然应力场中,但岩体中各点应力状态、分布规律及大小不同。•工程建筑物的失事、破坏都直接与天然应力场有关•例如：湖北某水电站基坑由于水平应力作用，坡脚发生80mm的水平位移。•甘肃金川镍矿一运输巷道，埋深450m，巷道走向N60W，开挖后，破坏严重，后经地应力测试，有强大水平应力作用，18.0---19.5MPa,方向N30E,与巷道走向正交.第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.1概述•6.1.2对地应力场的认识过程•1878年,瑞士地质学家Heim,提出静水应力假说;•1932年,美国胡佛大坝进行地应力测量;•1952年,N.Hast在瑞典矿山中测量地应力;•1960‘S---1970’S,地应力测试在国外广泛开展;•1970‘S---1980’S,苏联水压致裂测量最大深度5.1KM;•1990’S测试深度10.0KM;•中国,1960‘S,开始测试,64年,钻孔深度80m;•1980’S---90’S,重要的水电工程测试,二滩、龙羊峡、三峡等第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.1概述•6.1.3地应力场成因•1）板块运动•2）地幔热对流•3）地球旋转•4）重力•5）温度梯度•6）岩浆侵入•7）水压梯度第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.1概述•形成:地球引力作用•特点:1)垂直与水平应力均为压应力,水平应力由垂直应力诱导产生,无剪应力;•2)自重应力场是稳定应力场,不是时间的函数.•自重应力场:第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.2自重应力场特征hhyxzhhyxz•6.2.1金尼克假说•岩体处于弹性状态,•侧压系数第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.2自重应力场特征)](-[321E11)](-[312E12)](-[123E13h-11-132-1•6.2.2海姆假说•1878年瑞士地质学家Heim提出:•在岩体深处的原岩垂直应力与其上覆岩层的重量成正比,而水平应力与垂直应力大致相等.•即•适用条件:深部岩体,(即流变性塑性岩体)第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.2自重应力场特征h321•6.2.3自重应力场的一般特点•1)在线弹性岩体中的自重应力场中,岩体的侧压系数随深度增加而增加,•深度小于300m时,水平应力仅为垂直应力的10--20%,•在2000M,二者相等.为静水压应力场.•2)在粘弹性或粘性岩体中,不论深度如何,侧压系数均为1.自重应力场均为静水应力场.第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.2自重应力场特征第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.2自重应力场特征•重点:自重水平应力与岩性密切相关.•金尼克假说对应弹性岩体•海姆假说对应粘性与塑性岩体•岩体特性与围压密切相关,围压增加,岩体向延性转化.•确定自重应力场的方法:确定该地的岩体特性,埋深等,再选择用什么理论.第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.3地应力研究中的主要成果•1)地应力场以水平应力为主,浅部适用,中国基本适用;•2)应力转化的临界深度•地区临界深度•冰岛200m•中国(广东)250---300•德国中西部400m•日本600m•南非与美国1000M第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.3地应力研究中的主要成果•3)主要地区地应力场分布特征•美国•(a)加州----内华达最大主应力NE35---45(0--500m)••(b)中不俄明---新墨西哥最大主应力NE35---45•500D3000mDDD18.0507.01517.025vH2H1DDD25.0-1016.00131.0-30vH2H1第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.3地应力研究中的主要成果•C)中西部•d)纽约--宾州•D850mDDDvh25.019.04031.01152h1DDDvh25.016.05025.0125-850m-D2h12v０第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.3地应力研究中的主要成果•美国的总体规律•方向NE向40---45•0----5000m内DDDvh25.016.02024.0752h1第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.3地应力研究中的主要成果•苏联•a)波罗地盾max=10050kg/cm2•b)乌拉尔地区max=400200kg/cm2•c)阿尔泰地区max=700350kg/cm2•d)贝加尔地区max=1000500kg/cm2第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.3地应力研究中的主要成果•中国•特点:我国主要受印度洋板块与太平洋板块与欧亚板块的相对运动作用,形成了中国的地应力分布特征•a)喜马拉雅山前缘潜在的逆断型应力状态分布区EW,•垂直于喜马拉雅山脉近东西向;•b)中部潜在的走滑型应力状态分布区,NE;•c)华北华东地区张剪性走滑型应力状态分布区第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.3地应力研究中的主要成果第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.3地应力研究中的主要成果第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.4岩体天然应力场的基本特征•6.4.1基本特征•1)地壳中主应力为压应力,方向基本上是铅直和水平的.•2)垂直应力随深度呈线性增长.•3)水平应力分布特点•a)绝大部分最大水平应力大于垂直应力•h/Z=0.5--5.5,大部分在0.9--1.2之间•b)第一水平主应力接近水平,它与水平面的夹角小于30度.•C)两水平应力不相等,具有明显的方向性.•hmax/Hmin=1.4--3.3H)028.0266.0()6.1219(z第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.4岩体天然应力场的基本特征第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.4岩体天然应力场的基本特征•6.4.1基本特征•中国平均水平主应力随深度的变化:•平均水平应力与垂直应力的比值K:•K=1.5--5.0Z100m•K=0.5--2.0Z100m;•水平应力与垂直应力的比值:Z500mZhhhav041.072.02/)(minmax5.0/128/1.4150/Z/hminvhmaxZv第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.4岩体天然应力场的基本特征•6.4.1基本特征•世界各地116个现场地应力测量数据,平均水平应力与垂直应力的比值K为•5.0Z1500K-----0.3Z100K第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.4岩体天然应力场的基本特征第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.4岩体天然应力场的基本特征第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.4岩体天然应力场的基本特征•6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素•a)地质构造的作用•地质构造条件是是决定一个地区天然应力特征的最本质的因素,控制该地区的地应力类型、方向、量级与分布特征。•但要注意区别古构造与现代构造，以及现代应力场•例如：苏联的克里沃罗格煤田最大主应力平行与萨克萨干向斜轴；•未经构造变动的沉积地层中，垂直应力大致等于自重应力•构造轻微：垂直应力比自重应力大20--30%•构造剧烈：垂直应力远高于自重应力。第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.4岩体天然应力场的基本特征•6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素•a)地质构造的作用第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.4岩体天然应力场的基本特征•6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素•b)岩性的影响•岩体中天然应力是能量累积与释放的结果，岩石性质影响天然应力量级的大小。•规律：在同一地质体中，弹性模量高，强度大的岩体中，地应力高，而弹性模量低，强度小，则地应力低。•例如：武汉岩土所统计：•弹性模量相差1.5数量级,应力差1个量级;•坚硬白云质岩,E=1.05*105MPa,应力为10--30MPa,•粉砂岩1.86*103MPa,应力为1--3MPa第6章岩体天然应力状态及其测试技术6.4岩体天然应力场的基本特征•6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素•1982白世伟统计二滩水•电站坝区实测最大主应力•与杨氏模量的关系•如图第6章岩体天然应力状态及其测试技术•1994朱焕春,陶振宇统计岩浆岩水平应力随深度变化•H=0.0311H+13.65h=0.0131H+8.206.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素第6章岩体天然应力状态及其测试技术•1994朱焕春,陶振宇统计沉积岩水平应力随深度变化•H=0.0219H+7.89h=0.0161H+3.836.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素第6章岩体天然应力状态及其测试技术•1994朱焕春,陶振宇统计变质岩水平应力随深度变化•H=0.0209H+12.h=0.0132H+8.336.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素第6章岩体天然应力状态及其测试技术•1994朱焕春,陶振宇获得结论:•a)岩浆岩中水平应力一般较高,在几百米以内尤其显著,但分散性大,两水平应力的差值也大;•b)沉积岩中地应力水平一般较低,在不同深度上表现为最好的线性分布特征,最小水平应力相对较高,两个水平主应力的差值最小;•c)变质岩中水平应力大小不论在几百米,乃至千余米都比较分散,在浅层其大小和水平差应力值总体上介于岩浆岩与沉积岩之间.•D)岩体地应力与岩石弹性模量呈正相关关系,并且以弹性模量高的岩石更为突出.6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素第6章岩体天然应力状态及其测试技术•C)地形地貌的影响•地形地貌使地壳表层岩体天然应力场更加复杂化.•地形地貌条件不仅使天然应力量级发生变化,而且也控制方向.•在河谷区最大主应力方向有时平行于山坡方向,有时恰与等高线近似一致.这是十分复杂的.6.4.2影响岩体天然应力分布的主要因素第6章岩体天然应力状态及其测试技术•6.5.1表面应力测试•是早期岩体应力测试方法,它是在岩体表面或天然、人工洞室围岩表面，测试岩体应力的大小和方向的方法。•分类：应力解除法（完全解除，部分解除）•应力恢复法•测试仪器：钢铉应变计、电阻片等•应力恢复法：•应力解除法6.5地应力测试方法第6章岩体天然应力状态及其测试技术•6.5.1表面应力测试6.5地应力测试方法第6章岩体天然应力状态及其测试技术•6.5.2孔内应力测试•是较普遍采用的岩体应力测试方法。•分类：钻孔变形法•钻孔应力法•钻孔应变法（孔底应变法、孔壁应变法）•（1）钻孔变形法：通过测量应力解除前后钻孔孔径的变化，计算获得岩石应力。采用钻孔变形计。•仪器：美国矿务局USBM型•中科院武汉岩土所36-2型（图a）•（2）钻孔应力法：在测孔内安设刚性钻孔变形计，根据应力解除前后变形计上压力变化来计算岩石应力。•仪器：瑞典N。Hast，压磁应力计•中国地质力学所YJ--73型压磁应力计6.5地应力测试方法第6章岩体天然应力状态及其测试技术•6.5.2孔内应力测试•（3）孔底应变法：通过测量应力解除前后钻孔端部的应变变化而计算应力的。•仪器：南非E.R.Leeman“门塞式”•(4)孔壁应变法:通过测量应力解除前后钻孔孔壁表面应变变化来计算应力的.•仪器:葡萄牙Rocha等•中国:长沙矿冶院,地质力学所•这是国内外主要的地应力测试仪器.•单孔全应变计(三轴应变计)•方法,原理,理论6.5地应力测试方法第6章岩体天然应力状态及其测试技术•A)钻孔变形法•b)钻孔应力法•c)孔底应变法•d)孔壁应变法6.5地应力测试方法第6章岩体天然应力状态及其测试技术•6.5.2孔内应力测试•单孔全应变计(三轴应变计)•方法,原理,理论6.5地应力测试方法第6章岩体天然应力状态及其测试技术•理论