岩石力学第五讲、地应力.

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1、岩岩 石石 力力 学学 第五讲第五讲 ROCK MECHANICSROCK MECHANICS 主讲教师：汪家林 （3学时） 内容：原岩应力（地应力）与测量 第一节 概述- 基本概念 1、未受工程影响而处入自然平衡状态的岩体称为原岩。 地壳中的岩体在漫长的地质年代里始终处在不断的运 动和变化中，由于重力和地壳中构造运动等因素的影 响，原岩在空间上存在着按一定规律分布的初始应力 场，称为原岩应力场(天然应力场）或地应力场。 2、人类的工程活动将会扰动原岩内地应力场的自然平衡 状态，使一定范围内的原岩应力状态发生改变，形成 新的应力分布状态，这种变化称为应力重分布，变化 后的应力称为次生应力(二次

2、应力场）。 3、地应力是岩体变形破坏的根本作用力，次生应力是在 地应力的基础上形成的，次生应力的大小与分布状态 将影响人类工程的稳定性。 4、地应力是确定工程岩体力学性质、进行岩体稳定分析 、工程开挖设计等的必要前提。工程实践的发展与对岩体 稳定的力学认识过程。对荷载的认识。工程开挖等对地应 力场的改变，相当于卸载。 5、对地应力的认识过程：1912年瑞士Heim的观察与静水 应力状态假设，1926年苏联考虑泊松效应与侧限情 况的假设，李四光的构造应力的推断。 6、获得原岩应力的可靠方法为原位测量。1950s，Hast首 先开始实测地应力，得到了很多结论。随后，地应力实测 在全球开展。 7、原

3、岩应力是空间和时间的函数。 8、原岩应力的相对稳定性。 概述 地应力的认识与测量 概述地应力的成因 1、大陆板快的推挤- 边界受压 cm/年 2、地幔热对流- 硅镁质地幔的可塑、对流与蠕动， 上升流与下降流，引起水平切向应力，形成拉伸区（ 裂谷）与挤压应力集中区。 3、地心引力-由岩体自重所引起的应力称为自重应力 ，它在空间上有规律的分布称为自重应力场，自重应 力相对稳定。 4、岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩 局部的 5、地温梯度3/100m-热膨胀、收缩 压应力 6、地表剥蚀的影响：松弛的速度、封闭应力 大陆板快的推挤 中国板块的主应力迹线 地幔对流机制 上升流与下降流 第二节 自重应力与构造

4、应力 1、原岩应力的地位与重要性： 力学研究的基本问题 岩体的荷载与材料力学的荷载 研究原岩应力的意义。 2、自重应力： 上覆岩体的重力引起的应力。 研究时将岩体视为半无限体的均 匀、连续、各向同性的弹性体。 垂直应力：z = H 水平应力：横向约束不变形， x =y =/（1-）z = /（1-）侧压系数 多层岩体的累加。 第二节 自重应力与构造应力2 3、构造应力： 内在力应力的测试结果表明地应力并不完全符合重力应力场的规律 。地壳中各种构造运动的力量在岩体内的积存就是构造应力，或 称为一定区域内具有成生联系的各种构造形迹在不同部位的应力 状态的总体。构造应力分为三类： 与构造形迹相联系的

5、原始构造应力： 每一次构造运动都会在地壳中留下构造行迹，岩体在构造行迹附 近的地应力可能表现得更强烈，其方向可用地质力学的方法判断 残余构造应力： 构造运动发生后应力会释放，同时经过漫长的地质年代，应力松 弛，使原始构造应力显著下降，但仍残余部分构造应力。 现代构造应力： 有些地区构造应力与构造行迹没有直接关系，但与现代构造运动 密切相关。现代地壳仍处在不断的运动和变化中（550mm/年） ，这些都是构造应力作用的结果。现代构造强烈的地区，水平地 应力可达9849MPa。 第三节 地应力的一般规律 一、重力应力场与构造应力场的分布特点： 1、重力应力场： 以垂直应力为主，垂直应力大于水平应力

6、； 应力为压应力 应力随深度增加而增加 在构造不发育地区、第四纪冲积层、裂隙发 育地区、岩性较软的塑性岩体地区，其应力 场基本符合重力应力场的分布规律。 2、构造应力场： 应力有压应力，也可有拉应力 以水平应力为主，水平应力大于垂直应力 分布很不均匀，通常以地壳浅部为主。 原岩应力基本由重力应力场和构造应力场叠加 。 构造应力是复杂多变的，难以有定量的规律。 第三节 地应力的一般规律2 二、地壳浅部3km原岩应力的规律 1、原岩应力是非稳定的应力场，其大小 和方向随空间和时间而变化。 2、实测垂直应力基本上等于上覆岩体的 重力 3、水平应力普遍大于垂直应力 第三节 地应力的一般规律3 4、平均

7、水平应力与垂直应力的比值与深度的关系 值随深度的增加而减小，100/H+0.31500/H+0.5 如H=500m时, =0.53.5; 当H=2000m时, =0.351.25 5、两个水平应力之间的关系：随区域不同而变化。 6、应力轴与水平面的相对关系： 剪应力的存在、主应力轴的方向， 原岩应力的三个主应力轴一般与水平面有一定夹角，据此分类 水平应力场：两个主应力轴呈水平或与水 平面的夹角小于30度。 非水平应力场：一个主应力轴的与水平面 的夹角为45度左右，另两个主应力轴的与 水平面的夹角为045度左右。 第四节 影响地应力分布的因素 一、构造应力对地应力的影响：分布与传递。 1、断裂构

8、造对地应力大小与方向的影响是局部的。 2、同一构造单元的各构造块体内的应力大小均较一致，局部有变化 。 3、在活动断层和地震区地应力的变化 4、最大主应力常垂直构造线。 二、地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响 1、地形地貌的影响：地形如孤立的山，地貌如河谷。 2、剥蚀的影响：原有应力可能封闭，来不及松弛。 第四节 影响地应力分布的因素2 三、岩石力学性质对地应力的影响： 岩体地应力是能量积累与释放的结果，应力上限会受到强度的 限制，岩体的弹性模量和强度与地应力有关。 Jaeger认为：地应力与岩石强度成正比 岩石的弹性模量相差50倍，地应力可能相差10倍 塑性岩体易变形，不利于地应力的积累。 四

9、、温度对地应力的影响 1、地温剃度的影响：温度升高引起体积膨胀，但变形受到约束 ，会引起温度应力，地温剃度3度/100米，温度应力会随深度增加 而加大，约占垂直应力的1/9左右，但为静水压力场。 2、 岩体受局部温度变化的影响； 温度变化会产生收缩和膨胀，导致岩体内产生温度应力，有些 温度应力有可能残余。 第五节 地应力实测方法 一、应力解除法实测的基本原理 1、岩体内有原岩应力 2、原岩应力已使岩体产生变形 3、将岩块从岩体母体分离出来，原岩 应力得到解除，变形将恢复 4、测量恢复的变形值，根据应力应变 关系，计算引起变形的应力值。 二、应力解除法的步骤： 1、钻大孔至测点，避开二次应力影响

10、 ； 2、磨平孔底，钻同心小孔（测量孔） ，一次扰动； 3、在测量孔安装测应变和位移的元件 ； 4、大孔套取岩芯，二次扰动，测量本 次扰动时应力解除后的应变。 5、用弹性力学中关于圆孔问题的解析 解建立观测方程。 第五节 地应力实测方法2 三、三孔交汇实测方法 为得到三维主应力的大小和方向 ，将三个孔的实测资料汇总在一起。 1、孔径变形法：测量应力解除后钻孔直 径的变化量，在完整岩体内适用。 按弹性力学平面问题，圆孔孔径的变化 ： d = f（E，P x，P y，P x y，） 故至少应有三个不同方向的孔径变化才 能计算出P x，P y，P x y，一般在钻 孔变形计中安排4个孔径变化测头。

11、一般不测量沿钻孔轴线方向的应变，而 用三个孔的测量结果计算三维地应力 第五节 地应力实测方法3 2、孔底应变法 76mm金刚石钻头钻孔至测点 用磨平钻头将孔底磨平、磨光、干燥 用专用工具在孔底贴应变片 测初读数 套取岩芯，解除原岩应力 测应力解除后的应变，得到恢复应变值 取出岩芯，在实验室测定弹模、泊松比 将不同方向的应变转化为x、y、 xy，由广义虎克定律计算测量剖 面的应力状态。 当需要测量三维应力状态时，可 向测点打三个不同方向的钻孔， 对各观测剖面的结果平差得出。 第五节 地应力实测方法4 四、单孔实测三维应力的方法： 1、孔壁应变法： 1966年由南非Leeman等人研制， 在测量孔

12、孔壁上直接贴三组应变花， 每组有三个应变片，共可测出9个应 变分量，联立求解应力分量与方向。 应变片的安装需专用机具， 岩石的弹性参数由实验室测定。 2、空心包体法： 在预制的空心的环氧树脂外圆圆柱面 上粘贴与孔壁应变法布置相同的应变 片，使用时将其推入测量孔定位，挤 出环氧树脂胶液，固化后套取岩芯， 岩芯的弹性恢复将使应变片变形。 应力解除法的基本假设 为岩体是均质、连续、 各向同性的完全线弹性 体，所有计算公式从弹 性理论推导而出。 第五节 地应力实测方法5 五、水力致裂法： 水力致裂法就是对某孔段封闭加压直至孔 壁产生张性破裂来测量岩体应力。 水力压裂的裂缝是沿最小阻力方向，即垂直 最小

13、主应力的平面上发展。初试时，裂缝 往往是竖立的，若有一水平应力是三个主 应力中最小的，裂缝将保持竖立向扩展， 当垂直应力为最小时，裂缝将逐渐变为水 平方向。 方法：封闭、注入水压、逐步加压使孔壁开 裂、记录初试破裂压力，压力稳定后记录 关闭压力。重复试验、记录。 最后确定裂缝分布与方向，根据公式计算 原岩应力。 使用条件：铅直孔、铅直自重应力不是最小 主应力、裂隙不发育、渗透性差 水力致裂法原理： 圆形孔壁在二维应力场1 2 下的径向 应力为0，环向应力的最小值为3 2 -1 当水压大于此值与岩石抗拉强度T时， 孔壁开裂。开裂压力：Pi = 3 2 -1 +T 继续注水裂缝开裂至3倍洞径深度后

14、，保 持压力恒定，Ps与2 平衡： Ps=2 当已知T和裂纹方向时，应力大小和方 向可以确定。用多种方法确定裂纹方向 。 若钻孔中有裂隙水压力Po，则： Pi = 3 2 -1 +T Po 在裂纹产生后卸压，裂纹闭合，重新加压至再次开裂(T=0) ， 记录压力 Pr: Pr = 3 2 -1 Po Pi - Pr = T Pi Ps 水力致裂法测量系统 Pr Ps Po 2 = Ps （关闭压力） 1 = 3 Ps Pr Po Pi - Pr = T （岩石抗拉强度 ） 确定开裂方向 第五节 地应力实测方法6 六、其它地应力测量方法 1、声发射（AE）技术 材料（ 岩石）在荷载作用下，其内部储

15、存的应变能 的快速释放产生弹性波，会发出声音即声发射。由频 率（次/min）记录并衡量岩体破坏发展程度。 材料（ 岩石）对应力历史的记忆能力：当岩石再次 加载时，若没有达到其历史上所承受的最大应力之前 ，岩体不发生明显的声发射现象，当应力达到和超过 历史最高水平时，则大量产生声发射。即Kaiser效应 ，其转折点即Kaiser点。 利用Kaiser效应测量地应力：在现场沿6个方向取样， 每个方向1525个试件，在压力机上 对试件加压同时记 录声发射频率，确定Kaiser点，确定本试件的先存最 大应力，每个方向统计，6个方向确定空间应力。 声发射地应力试验系统： 加载系统 声发射监测系统 记录系

16、统 试验曲线图 2、位移反分析技术 在测点部位开凿试验巷道，按一定方式开挖形成应 力释放，围岩将产生位移，用仪器测量围岩表面和内部 测点的位移，根据位移量的大小反演分析围岩的力学参 数和地应力状态。反分析得到的是围岩在较大范围内的 地应力状况的综合值。 一般的力学分析：已知荷载和材料参 数求应力、应变分布和位移 u= f（E，P x，P y，P x y，） 位移反分析：已知部分点位移，求荷 载和材料参数： P x/E，P y/E，P x y/E等 。 目标函数与参数优化： J=Min（Uj-Us）2，求最优值。 假设： P y = h， 求E。 课堂测验- 概念 一、 解释下列名词： 1、软化性与软化系数 2、岩石质量指标R.Q.D 3、蠕变与