第四章-原岩应力及其测量

矿山岩石力学主讲：李俊平2011年元月4原岩应力及其测量（2~3学时）1岩体初始应力状态的概念与意义（掌握概念，了解意义）2岩体自重应力（掌握概念、特点与计算）3岩体构造应力（掌握概念、特点与方向判定）4岩体初始应力状态的主要分布规律（重点和难点，理解主要分布规律）5影响原岩应力分布的因素（了解）6岩体初始应力的几种测定方法（了解水压致裂法和孔底应力解除法，一般知道其它方法）原岩：未经工程开挖扰动仍处于自然平衡状态的岩体原岩应力：存在于原岩中的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或地应力围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体围岩应力：洞室开挖后，周围岩体失去原来的平衡，引起洞周一定范围内岩体应力改变，重新调整形成新的应力二次应力：岩体开挖扰动了原岩自然平衡状态，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，如围岩应力4.1概述原岩应力场：原岩应力在岩体空间中的分布状态原岩应力≈自重应力＋构造应力？？研究原岩应力的意义：1）次生应力直接影响岩体工程的稳定性，然而，次生应力是在原岩应力的基础上产生的；2）小规模的岩石工程的开挖设计和施工可根据经验，大规模则非经验能解决，必须理论研究与计算，按最大主应力的方向决定工程走向，应力大小决定工程形态，并现场监测反馈；3）岩石的开挖效应不仅取决于当时的应力状态，也取决于历史上的全部应力状态4.1概述地应力的成因：1）大陆板块边界受压引起的应力场2）地幔热对流引起应力场3）地心引力引起的应力场4）岩浆侵入引起的应力场5）地温梯度引起的应力场温度梯度引起地层中不同深度具有不相同的膨胀6）地表剥蚀产生的应力场应力松弛赶不上剥蚀引起的岩体颗粒结构变化4.1概述自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力作用而产生的应力，也叫重力应力。它是由岩体自重引起的。重力应力场：由地心引力引起的应力场分布特点为：1)水平应力σx、σy小于垂直应力σz；2)σx、σy、σz均为压应力；3)σz只与岩体密度和深度有关，而σx、σy还同时与岩体弹性常数E、μ有关；4)结构面影响岩体自重应力分布4.2重力应力场一、均匀岩体中的基本公式在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态其中λ为侧压力系数。对于成层岩体iniizh1zzzzyx14.2重力应力场zzyx10zxyzxytttz在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，μ=0.20~0.30；在深部岩体转入塑性状态，μ=0.50，λ＝1，则有σx=σy=σz，各向等压的应力状态，又称为静水压力状态，海姆。4.2重力应力场二、各向异性岩体中的基本公式对于各向异性岩体，例如薄层状沉积岩：当岩层水平时0//////EEEzyxxyx则有：zyxEE////14.2重力应力场对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：当岩层垂直时联立求解上式得：0////////EEEzyxx0//////EEExzyyzxEE////////)1()1(zy////1)1(4.2重力应力场一、构造应力场的概念构造应力：由地质构造作用产生的应力。或地壳内长期存在着的一种促使构造运动发生和发展的内在力。岩体构造应力是构造运动中积累或剩余的一种分布力。构造应力场：指构造应力在空间的分布状态。是构造运动中积累或剩余的一种应力场，它是剩余应力场。分三类：1）与构造行迹相联系的原始构造应力；2）残余构造应力；3）现代构造应力。4.3构造应力场二、构造运动的起因（最具代表性）1、地质力学学说认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力：一种是经向水平离心力；一种是纬向水平惯性力。这两种力是引起地壳岩体中出现构造应力的根本原因。大量的实测资料说明岩体中水平应力大于垂直应力，说明构造应力以水平应力为主。2、板块构造学说认为板块运动核心是海底扩张。海底扩张是由于地幔对流引起的。源于1915年德国魏根纳提出大陆漂移学说，认为1.5亿年前，地球表面有一个统一的大陆－联合古大陆，其周围全是海洋。从侏罗纪开始，联合古大陆分裂成6大板块，它们覆在软流圈上各自漂移，最终形成现今大陆和海洋的分布。4.3构造应力场非洲4.3构造应力场三、构造应力场分析1）根据岩体变形破坏机理，利用构造运动留下的遗迹（构造形迹）分析、判断构造应力的主应力方向。4.3构造应力场1(d)岩脉(e)褶皱2)构造体系及区域构造应力场对一个区域而言，在一次构造运动中，既有褶皱又有断层和节理等。这些构造形迹尽管形态各异、性质不同、大小悬殊，但大都不是孤立出现，而是相伴而生，共同形成一个构造体系。4.3构造应力场四、原岩构造应力场的特点1）应力有压应力，亦可能有拉应力；2）以水平应力为主时，一般水平应力比垂直应力大；3）分布很不均匀，通常以地壳浅部为主；4）褶皱、断层和节理等各种构造行迹是相伴而生，共同形成一个构造体系4.3构造应力场4.4浅部地壳地应力分布的一般规律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（就小范围是变化的，包括大小与方向；就大区域是相对稳定的）实测垂直应力(v)基本等于上覆岩层的重量(γH)4.4浅部地壳地应力分布的一般规律水平应力普遍大于垂直应力（分地区的）最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长关系hmax=6.7+0.0444H，hmin=0.8+0.0329H(h,av/v)max4.4浅部地壳地应力分布的一般规律h=T+kH4.4浅部地壳地应力分布的一般规律平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小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h,av/v100/H+0.3≤h,av/v≤1500/H+0.54.4浅部地壳地应力分布的一般规律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4.5影响原岩应力分布的因素地形对原始地应力的影响是十分复杂的负地形的峡谷或山区，地形的影响在侵蚀基准面以上及其以下一定范围内表现特别明显岩体结构可能引起应力集中、削弱或改变应力方向断层端部、拐角处及交汇处将出现应力集中的现象。由于断层带中的岩体一般都比较软弱和破碎，其最大主应力和最小主应力与周围岩体相比均显著减小。岩体力学性质影响地应力累积坚固整体性好的弹性岩体，有利于应力积累为高应力古岩体应力比现有地层厚度所引起的重力应力要大剥蚀可造成较大的水平应力一、地应力测量方法—直接测量法和间接测量法直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、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。如扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法；特点：不涉及不同物理量的换算。间接测量法是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变化，如岩体变形或应变，密度、渗透性、吸水性、电阻、电容，弹性波传播速度等，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。如套孔应力解除法、孔底应力解除法。4.5地应力测量地应力测量方法分类4.5地应力测量二、水压致裂法1、基本原理对测试段钻孔用特制封隔器密封起来，然后对密封段加高压水直至孔壁岩石产生张裂隙。根据裂隙的方向及泵压的大小，分析确定原岩的应力状态。2、基本假设：1）一个主应力方向是垂直的，其大小等于上覆岩层的自重应力。而另外两个主应力是水平的，且破裂方向垂直于最小主应力方向。2）岩体是均质、各向同性的线弹性体。4.5地应力测量二、水压致裂法3、水压致裂法测定系统4.5地应力测量二、水压致裂法4、水压致裂测试原理4.5地应力测量二、水压致裂法4、水压致裂试验原理4.5地应力测量二、水压致裂法4、水压致裂试验成果（1）试验曲线只有一个关闭压力ps破裂始终是沿孔轴方向。A、岩石抗拉强度：B、最大水平应力：C、最小水平应力：D、垂直应力按岩体自重计算：ticsHppp01max13sHpmin3Hv24.5地应力测量21icictpp二、水压致裂法4、水压致裂试验成果（2）试验曲线有两个关闭压力ps1和ps2裂隙开始沿孔轴产生，随后转为水平方向。A、最小水平应力：B、垂直应力：C、最大水平应力：1min2sHp23svpticsHppp011max134.5地应力测量5测试步骤1）见图4.12，打钻孔到准备测量应力的部位，并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来。2）向二个封隔器的隔离段注射高压水，不断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力Pi；继续施加水压以扩张裂隙,当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高水压系统，保持水压恒定，此时的应力称为关闭压力，记为Ps；最后卸压，使裂隙闭合。4.5地应力测量3）重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记录裂隙重开时的压力Pr和随后的恒定关闭压力Ps。这种卸压一重新加压的过程重复2—3次，以提高测试数据的准确性。Pr和Pj同样由压力一时间曲线和流量一时间曲线确定。4）将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出5）测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小，测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。4.5地应力测量三、应力解除法一）基本原理地下某点岩体处于三向压缩状态，如用人为方法解除其应力，必然发生弹性恢复，测定其恢复应变，利用弹性力学公式则可算出岩体初始应力。4.5地应力测量zzyyxxzyxDDD,,三、应力解除法二）孔底应力解除法（1）打大孔至测点，磨平孔底。（2）在孔底粘贴电阻应变花探头。（3）解除应力，测量其应变。（4）取出岩心，测其弹性参数。（5）计算岩体应力。4.5地应力测量步骤：三、应力解除法二）孔底应力解除方法计算：对于等角应变花，孔底平面内的应力按为1)22(311)22(312'01206000120600Ex1)22(311)22(312'01206000120600Ey)()1(3'12060tExy4.5地应力测量)11(2'900900Ex)(2)1(2'90045tExy)11(2'900900Ey三、应力解除法二）孔底应力解除方法计算：对于直角应变花，孔底平面内的应力按为4.5地应力测量三、应力解除法二）孔底应力解除方法孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算。对于深孔，按平面应变问题处理：式中：σx，σy，σz为孔底的原岩应力，CT，Cl为孔底横向和轴向应力集中系数,大多采用Van.Heerden的结果：CT＝1.25，Cl＝－0.75（0.645＋μ）zlxTxCC'zlyTyCC'yTxyCt'4.5地应力测量三、应力解除法二）孔底应力解除方法孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算。对于浅孔，按平面应力问题处理：采用孔底应力解除时，单孔不能确定岩体应力的六个分量，必须进行三孔测定，才能确定岩体的原岩应力。xTxC'yTyC'zTzC'4.5地应力测量三、应力解除法三）套孔应力解除方法（孔径变形法、孔壁应变法）孔径变形法通过测定小钻孔孔径变形求解岩体应力；孔壁应变法通过测量小钻孔孔壁应变求解岩体应力。（1）打大孔至测点，磨平孔底。（2）打同心小孔，安装孔径变形计探头、或孔壁应变计（3）延伸大钻孔解除应力，同时测量孔径变形。（4）取出岩心，测其弹性参数E、μ。（5）计算岩体应力。4.5地应力测量U’2=U2/2U’1=U1/2U’3=U3/2空心包体应变计CSIR三轴孔壁应变计孔径变形示意图4.5地应力测量4.5地应力测量三、应力解