《岩石物理学(地大)06第三章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩石物理学(地大)06第三章（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、岩石物理学与地震学系统岩石物理学与地震学系统 06地应力的测量 06地应力的测量 於文辉 教授於文辉 教授 wenhuiy 地应力的测量地应力的测量 概论 直接测量法 间接测量法 概论 直接测量法 间接测量法 一 概论一 概论 a 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 a 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 地应力测量的必要性地应力测量的必要性 b 重要性 决定洞室布置的决定性因素之一 是稳定性分 析的重要参数 b 重要性 决定洞室布置的决定性因素之一 是稳定性分 析的重要参数 c 地
2、应力分布理论 海姆首次提出地应力的概念与静水压力假设 式中 为水平应力 为垂直应力 为上覆岩层容重 为深度 c 地应力分布理论 海姆首次提出地应力的概念与静水压力假设 式中 为水平应力 为垂直应力 为上覆岩层容重 为深度 H vh v h H 金尼克的弹性力学假设 式中 为上覆岩层的柏松比 金尼克的弹性力学假设 式中 为上覆岩层的柏松比 H v H h 1 李四光 在构造应力的作用仅影响地壳上层一定 厚度的情况下 水平应力分量的重要性远远超过垂 直应力分量 李四光 在构造应力的作用仅影响地壳上层一定 厚度的情况下 水平应力分量的重要性远远超过垂 直应力分量 哈斯特 地应力测量发现存在于地壳上部
3、的最大 主应力几乎处处是水平或接近水平的 从根本上动 摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的 观点 哈斯特 地应力测量发现存在于地壳上部的最大 主应力几乎处处是水平或接近水平的 从根本上动 摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的 观点 近期研究 重力作用和构造运动是引起地应力的 主要原因 其中尤以水平方向的构造运动对地应力 的形成影响最大 当前的应力状态主要由最近一次 的构造运动所控制 但也与历史上的构造运动有 近期研究 重力作用和构造运动是引起地应力的 主要原因 其中尤以水平方向的构造运动对地应力 的形成影响最大 当前的应力状态主要由最近一次 的构造运动所控制 但也与历史上的构造
4、运动有 关关 地应力的成因地应力的成因 1 大陆板块边界受压引起的应力场 2 地幔热对流引起的应力场 3 由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 6 地表剥蚀产生的应力场 1 大陆板块边界受压引起的应力场 2 地幔热对流引起的应力场 3 由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 6 地表剥蚀产生的应力场 地应力分布的一般规律地应力分布的一般规律 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 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 H v 2 实测垂直应力基本 等于上覆岩层
5、的重量 2 实测垂直应力基本 等于上覆岩层的重量 3 水平应力普遍大于垂直应力 3 水平应力普遍大于垂直应力 1 962537 537 5其他地区 4 30202951前苏联 2 50352441南非 4 9910000瑞典 3 56661717挪威 3 29414118美国 2 5610000加拿大 2 9578220澳大利亚 2 09284032中国 1 20 8 1 2 0 8 h max v h av v 国家 世界各国水平主应力与垂直主应力的关系世界各国水平主应力与垂直主应力的关系 平均水平应力与垂直应力的比值随 深度增加而减小 但在不同地区 变化 的速度很不相同 平均水平应力与垂直
6、应力的比值随 深度增加而减小 但在不同地区 变化 的速度很不相同 4 4 5 最大水平主应力和最小 水平主应力也随深度呈线性 增长关系 5 最大水平主应力和最小 水平主应力也随深度呈线性 增长关系 100112261618中国华北地区 100824561225中国 1009234622222北美 100613671451斯勘的纳维亚等地 合计0 25 00 50 0 250 75 0 501 0 0 75 h min h max 统计数目实测地点 部分国家和地区两个水平主应力的比值表部分国家和地区两个水平主应力的比值表 6 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 6
7、 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 7 地应力的上述分布规律还会受到地形 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 7 地应力的上述分布规律还会受到地形 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 O x z z x y y z x z y x z x y y x y z 岩体中一点原岩 应力状态示意图 岩体中一点原岩 应力状态示意图 地应力测量的基本原理和方法地应力测量的基本原理和方法 测量原始地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区
8、域的 未受扰动的三维应力状态 这种测量通常是通过一点一点的 量测来完成的 岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标系 中的6个分量来表示 测量原始地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的 未受扰动的三维应力状态 这种测量通常是通过一点一点的 量测来完成的 岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标系 中的6个分量来表示 xzyzxyzyx 测量方法测量方法 按测量手段划分按测量手段划分 构造法 变形法 电磁法 地震法 放射性法 构造法 变形法 电磁法 地震法 放射性法 测量原理的不同划分测量原理的不同划分 应变恢复法 应变解除法 水压致裂法 声发射法 X射线法 重力法 应变恢复法 应变解除法 水压致
9、裂法 声发射法 X射线法 重力法 按测量方法按测量方法 直接测量法 间接测量法 直接测量法 间接测量法 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 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 直接测量法直接测量法 间接测量法间接测量法 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的 变化 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 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的 变化 然后由测得的间接物理量的变化 通
10、过已知的公式计算岩体中的应力值 二 直接测量法二 直接测量法 1 扁千斤顶法扁千斤顶法 2 刚性包体应力记法刚性包体应力记法 3 水压致裂法水压致裂法 4 声发射法声发射法 1 扁千斤顶法1 扁千斤顶法 扁千斤顶地应力测量法原理图扁千斤顶地应力测量法原理图 从原理上来讲 扁千斤顶法只是一种一维应力测量方 法 一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向 的应力分量 为了确定该测点的六个应力分量就必须在该 点沿不同方向切割六个扁槽 这是不可能实现的 扁千斤顶测量只能在巷道 峒室或其他开挖体表面附 近的岩体中进行 因而其测量的是一种受开挖扰动的次生 应力场 而非原岩应力场 同时 扁千斤顶的测量原
11、理是 基于岩石为完全线弹性的假设 对于非线性岩体 其加载 和卸载路径的应力应变关系是不同的 由扁千斤顶测得的 平衡应力并不等于扁槽开挖前岩体中的应力 从原理上来讲 扁千斤顶法只是一种一维应力测量方 法 一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向 的应力分量 为了确定该测点的六个应力分量就必须在该 点沿不同方向切割六个扁槽 这是不可能实现的 扁千斤顶测量只能在巷道 峒室或其他开挖体表面附 近的岩体中进行 因而其测量的是一种受开挖扰动的次生 应力场 而非原岩应力场 同时 扁千斤顶的测量原理是 基于岩石为完全线弹性的假设 对于非线性岩体 其加载 和卸载路径的应力应变关系是不同的 由扁千斤顶测得的
12、 平衡应力并不等于扁槽开挖前岩体中的应力 扁千斤顶地应力测量法的优缺点扁千斤顶地应力测量法的优缺点 3 2直接测量法 刚性包体应力计法 2 刚性包体法2 刚性包体法 刚性包体地应力测量法原理图刚性包体地应力测量法原理图 刚性包体应力计具有很高的稳定性 因而可 用于对现场应力变化进行长期监测 然而通常只 能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情 况 而不能用于测量原岩应力 除钢弦应力计 外 其他各种刚性包体应力计的灵敏度均较低 故20世纪80年代之前已被逐步淘汰 钢弦应力计 目前仍在一些国家特别是美国得到较为广泛的应 用 刚性包体应力计具有很高的稳定性 因而可 用于对现场应力变化进行长期监测
13、然而通常只 能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情 况 而不能用于测量原岩应力 除钢弦应力计 外 其他各种刚性包体应力计的灵敏度均较低 故20世纪80年代之前已被逐步淘汰 钢弦应力计 目前仍在一些国家特别是美国得到较为广泛的应 用 刚性包体地应力测量法的优缺点刚性包体地应力测量法的优缺点 从弹性力学理论可知 当一个位于无限体中的钻孔受到无 穷远处二维应力场 的作用时 离开钻孔端部一 定距离的部位处于平面应变状态 在这些部位 钻孔周边 的应力为 从弹性力学理论可知 当一个位于无限体中的钻孔受到无 穷远处二维应力场 的作用时 离开钻孔端部一 定距离的部位处于平面应变状态 在这些部位 钻孔周边
14、的应力为 1 2 2cos 2 2121 0 r 式中 和分别为钻孔周边的切向应力和径向应力 为周边一点与轴的夹角 式中 和分别为钻孔周边的切向应力和径向应力 为周边一点与轴的夹角 r 1 当 0当 0 时 取得极小值 此时时 取得极小值 此时 12 3 3 水压致裂法3 水压致裂法 如果采用图所示的水压致裂 系统将钻孔某段封隔起来 并向该段钻孔注入高压水 当水压超过和岩石抗 拉强度T之和后 在 0 处 也即所在方位将发生孔 壁开裂 设钻孔壁发生初始 开裂时的水压为 则有 12 3 i P TP i 12 3 P 2 3 2 1 1 水压致裂地应力测量法的原理水压致裂地应力测量法的原理 如果继
15、续向封隔段注入高压 水 使裂隙进一步扩展 当 裂隙深度达到3倍钻孔直径 时 此处已接近原岩应力状 态 停止加压 保持压力恒 定 将该恒定压力记为Ps Ps 应和原岩应力 2相平衡 即 P 2 3 2 1 1 2 s P 水压致裂地应力测量法的原理水压致裂地应力测量法的原理 在钻孔中存在裂隙水的情况 下 如封隔段处的裂隙水压 力为P0 则 P 2 3 2 1 1 012 3PTP i 在初始裂隙产生后 将水 压卸除 使裂隙闭合 然 后再重新向封隔段加压 使裂隙重新打开 记裂隙 重开时的压力为Pr 则有 012 3PP r 水压致裂地应力测量法的原理水压致裂地应力测量法的原理 由以上两式求 1和
16、2就无须 知道岩石的抗拉强度 因 此 由水压致裂法测量原岩 应力将不涉及岩石的物理力 学性质 而完全由测量和记 录的压力值来决定 P 2 3 2 1 1 012 3PP r 2 s P 水压致裂地应力测量法的原理水压致裂地应力测量法的原理 1 打钻孔到准备测量应力的部位 井将钻 孔中待加压段用封隔器密封起来 钻孔直径 与所选用的封隔器的直径相一致 封隔器一 般是充压膨胀式的 充压可用液体 也可用 气体 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 然后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 最后卸压 使裂隙闭合 在整 个加压过程中 同时记录压力 时间曲线图 和流量 时间曲线图 确定Pi Ps值 水压致裂地应力测量法的测量步骤水压致裂地应力测量法的测量步骤 3 重新向密封段注射高压水 使裂隙重新 打开并记下裂隙重开时的压力Pr和随后的恒 定关闭压力Ps 这种卸压 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Ps同样由压力 时间曲线和流量 时间曲 线确定
