4-地应力及其测量.ppt

12本节主要内容•1概念•2研究地应力的必要性•3地应力的成因•4地壳浅部地应力分布的一般规律34.1概述4.1.1地应力的概念地应力：是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。44.1.2地应力测量的必要性及意义a)它是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。区别于结构力学、材料力学其他力学。b)传统的岩石工程的开挖设计和施工的经验类比法有局限性。小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法往往是有效的。大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不足。5c)是岩石工程数值分析方法计算分析的必要前提条件。d)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。620世纪50年代N.Hast实测发现存在于地壳上部的最大主应力方向接近水平的，而且最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍，甚至更多。HvhHh1e)对地应力的传统认识有误。1912年A.Heim1926年A.H.Динник74.1.3地应力的成因•硅镁质组成的地幔因高温，上下对流、蠕动，深部地幔上升到顶部时变成2股方向相反的平流：与反向平流相遇，转为下降流进入深部，形成封闭的循环体系。•亚洲形成孟加拉湾延伸至贝尔加湖的最低重力槽，是拉伸的袋装区，西昌、攀枝花到昆明的裂谷刚好处于这一地区，形成以西藏为中心的大对流环（上升），华北-山西地堑有下降流。•产生很大的水平应力。1）地幔热对流84.1.3地应力的成因地幔热对流－－（碰撞、俯冲、海岸）94.1.3地应力的成因•大陆板块受印度洋、太平洋外部板块推挤（每年数厘米），受西贝利亚、菲律宾板块约束，板块发生变形，产生水平应力场。•印度洋、太平洋板块的移动促成中国山脉的形成，控制我国地震的分布。•喜马拉雅山现在是世界上海拔最高的山脉，但在几十万年、几百万年前，它的海拔还是比较低的。同时，青藏高原在200万年前～300万年前，平均海拔只有1000米～2000米，而现在的平均海拔是4600米以上。2）板块边界受压104.1.3地应力的成因•环太平洋火山地震带濒临太平洋的大陆边缘与岛屿•地中海-印度尼西亚地震带西起大西洋亚速尔群岛，向东经地中海、土耳其、伊朗、阿富汗、巴基斯坦、印度北部、中国西部和西南部边境、经过缅甸到印度尼西亚，与环太平洋地震带相接。•洋脊地震带在全球洋脊的轴部，均为浅源地震，震级一般较小。•中国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育。20世纪以来，中国共发生6级以上地震近800次，遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外所有的省、自治区、直辖市。•①台湾省及其附近海域；②西南地区，主要是西藏、四川西部和云南中西部；③西北地区，主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓；④华北地区，主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山-燕山一带、山东中部和渤海湾；⑤东南沿海的广东、福建等地。中国的台湾省位于环太平洋地震带上，西藏、新疆、云南、四川、青海等省区位于喜马拉雅-地中海地震带上，其他省区处于相关的地震带上。4.1.3地应力的成因124.1.3地应力的成因•岩浆侵入、冷凝收缩和成岩，均产生应力场。•高温岩浆对周围岩体施加均匀压力，冷凝后收缩，并从接触面逐渐向内部发展。•产生局部应力场。3）岩浆侵入134.1.3地应力的成因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14（1）岩体假定处于弹性状态zx1由推出1得：01zyxyxE的取值有4种可能：15岩体由多层不同性质岩层组成时第j层底面应力：jiiijzh1jzjjyjxznniiizhyx1jj1j第n层底面应力：1615.0（2）Heim假设（塑性状态）当原始应力超过一定的极限，岩体就会处于潜塑状态或塑性状态。（相当于）17（3）岩体为理想松散介质（c=0,风化带、断层带）由极限平衡理得sin1sin1zxsin1sin1zyzxxzsin18（4）当松散介质有一定粘聚力时(c0)sin1cos2sin1sin1cHx侧压力为：19注：当说明无侧压力sin1cos2CHO0x0x无侧压力深度205)地质构造应力215)地质构造应力Fujianshanghang，某地应力场受断层影响情况225)地质构造应力Hebeihandan，某旋转地应力场受旋钮构造影响。23图地形对初应力的影响6）地形、地表剥蚀对地应力影响247）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254.1.4地壳浅部（3000m以内）地应力分布的主要规律1）地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。264.1.4地壳浅部（3000m以内）地应力分布的主要规律垂直应力随深度线性增加。平均密度约为27KN/m3kPaHv272）垂直应力随深度的变化规律27垂直应力平均水平应力K3.0100KZ5.01500KZ4.1.4地壳浅部（3000m以内）地应力分布的主要规律3）水平应力普遍大于垂直应力；4）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1284.1.4地壳浅部（3000m以内）地应力分布的主要规律5）最大水平主应力与最小水平主应力随深度增加线性增长6）最大水平主应力与最小水平主应力之差随深度增加而增大709011013015017019021023025003691215应力值(MPa)深度(m)最大水平主应力最小水平主应力Hebeitangshan，某地应力与深度关系29图地形对地应力的影响7）地形、地表剥蚀对地应力影响3031本节主要内容•1地应力测量概述•2水压致裂法的测量原理与步骤•3应力解除法（空心包体应变计）的测量原理与步骤324.2地应力测量方法4.2.1地应力测量概述Oxzzxyyzxzyxzxyyxyza.一点的三维应力状态()来表示zxyzxyzyx,,,,,33b.方法分类344.2.2水压致裂法水压致裂法的假设前提：（1）有2个（、）主应力为水平方向，另1个为竖直方向,且（2）线性、均质、各向同性（3）渗透符合达西定律h1h2vhv35水压致裂法步骤（1）钻孔（地质勘探）、选段（完整）、封隔（气或液）；直径：38、51、76、110、130；36P0PbPsPs0P0Pb0Ps图压裂过程泵压变化及特征压力PbPsPsPs0Pb0P0（2）加液压将孔壁压裂与重开①P0-孔隙水压力或地下水压力②Pb-初始压裂压力③Ps-稳定开裂压力④Ps0-关闭压力⑤Pb0-重张压力37•各特征压力的物理意义①P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力②Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力③Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开裂压力④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩渗透性大，该压力将逐渐衰减⑤Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力38（3）卸压、提设备、测定开裂方位；然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算地应力394.2.3应力解除法1)基本原理：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，并且认为岩体时连续、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402)应力解除法分类按测试应变或变形孔径变形测试孔壁应变测试孔底应力解除法孔壁应力解除法测1个平面3个方向上的应变1平面3方向上的径位移3平面9个方向应变按测试深度表面应力解除浅孔应力解除深孔应力解除原理要点向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔，在孔底中心处粘贴应变传感器；套孔钻出岩芯，使孔底平面完全卸载，应变传感器测得孔底平面中心恢复应变；在室内测得岩石的弹性常数；计算孔底中心处的平面应力状态。由于孔底应力解除法只需要钻进一段不长的岩芯，所以对较破碎的岩体也能应用。（1）岩体孔底应力解除法在孔底平面粘贴3应变片应变花一个平面有3个独立的应力分量工作步骤应变观测系统434.2.4空心包体应变计测量地应力a.探头结构•孔壁应力解除法传感器布置45空心包体应变计安装、采集数据示意46b.主要特点：1)测量有操作简便2)测量技术和计算理论比较成熟3)精度相对较高的地应力4)目前使用最为广泛是国际岩石力学学会推荐使用的地应力测量方法47钻孔的深度必须超过开挖影响区，才能测到岩体内的原始应力，否则测出的是二次应力。c.测量要求与步骤1)测量要求表面应力解除法直角应变花等边三角形应变花应力解除槽工作步骤套孔应力解除工作步骤50(c)(d)(b)(a)套孔取芯套芯小孔套芯大孔安装探头(c)(d)(b)(a)套孔取芯套芯小孔套芯大孔安装探头(c)(d)(b)(a)套孔取芯套芯小孔套芯大孔安装探头(c)(d)(b)(a)套孔取芯套芯小孔套芯大孔安装探头(1)在测试地点打大孔(2)从大孔底打同心小孔(3)在小孔中央位置安装测量探头(4)用薄壁钻头延伸大孔，使小孔周围岩芯实现应力解除（5）将岩芯与探头一并取回，进行围压标定和温度标定试验。（6）数据修正和处理，计算地应力值2)测量步骤：4.3岩体初始应力状态分布的主要规律4.3.1垂直应力随深度的变化规律实测垂直应力随深度的变化垂直应力随深度线性增加。平均密度约为27KN/m3MpaHv274.3.2水平应力随深度的变化平均水平应力随深度而增加4.3.3水平应力与垂直应力的比值K在接近地表及浅层地层中，水平应力大于垂直应力。但随深度增加就会出现K=1的状况。垂直应力平均水平应力K3.0100KZ5.01500KZ4.4高地应力地区的主要岩石力学问题4.4.1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。4.4.2高地应力判别准则和高地应力现象（一）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）由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储能性能也不同。按《工程岩体分级标准》（GB50218-94）：称为极高初始地应力，为高地应力。其中：为岩石单轴饱和抗压强度；为垂直轴线方向的最大初始地应力。4/maxcR74/maxcRcRmax（二）高地应力现象（1）岩芯饼化现象。（2）岩爆。（3）探硐和地下隧道的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形（4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象.二滩引水隧洞岩爆发生部位示意图基坑边坡回弹错动（5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高。高地应力条件下岩体变形曲线三、研究高地应力应注意的问题（一）关于岩体的浅塑状态可以通过莫尔强度包络线来判断岩石（体）发生何种破坏及形式。用应力圆和莫尔包络线判断岩体是否破坏或进入塑性状态弹性