5地应力及其测量-课件·PPT
5、地应力
Drilling Direction and Stress
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis 60° cone
水平主应力的测量：
测量的对象：水平地应力的大小和方向
地应力方向的测量方法：井壁崩落椭圆法 地质力学方法 压裂裂缝监测法 地应力大小的测量方法：水力压裂试验 声发射Kaiser效应
岩心差应变实验法
一、井壁崩落椭圆法判断水平地应力方向
水平最大主应力方向
一般情况下，井壁坍
塌形成的椭圆形井眼，
长轴与最大水平主地 应力方向垂直
（理论依据是什么？）
水平最小主应力方向
井壁发生坍塌后的井眼形状与井眼钻开后应力的重分布有关井眼坍塌破坏形状σ Nhomakorabeah
σ
H
σ
H
σ
h
井眼坍塌长轴方向的变化
水平最小主应力 节理破碎地层塌块 大，井眼长轴在最 大水平地应力方位 水平最小主应力
水平最大主应力
完整地层塌块小， 井眼长轴在最小水 平地应力方位
井壁崩落椭圆资料的获取与识别
应力
取心方式与实验设备
加载装臵
声信号接收设备
实验步骤：
加工好的岩样套上橡胶封隔套，装入高压釜中；
加围压至设定值，并使之保持恒定；
以恒定的加载速给岩样施加向载荷；记录下加载过程 中岩样内部微破坏所发出的声发射信号 将向载荷卸致零，进行第二次加载； 绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲线。
地应力及其测量解析PPT教案
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。
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c) 是岩石工程数值分析方法计算分析的必要 前提条件。
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4.1.3 地应力的成因
3）岩浆侵入
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。
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4.1.3 地应力的成因
4）岩体自重应力场
垂直应力： z H
侧压力： x y z
向接近水平的，而且最大水平 主应力一般第为5页/共垂74页直应力的1～2 倍，甚至更多。
6
4.1.3 地应力的成因
1）地幔热对流 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。
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
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c.测量要求与步骤
1)测量要求 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。
岩体力学05-地应力及其测量讲述
ub
uc
1 2
(ua
ub)2
(ub
uc)2
(uc
ua)2
tg2
2ua
3(ub uc） (ub uc）
③测量步骤： 选点、钻孔：130mm ，深
度一般小于30m ; 在孔底打一测量孔：36mm，
深度一般50cm，并洗干净； 安装应变计：并与应变仪连接，
h min
A
A
h max
假设：
天然应力为水平应力场，其铅直应力v=gz
假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中 的一
个小圆孔。作用应力为h,max、h,min，根据弹性理论 中的柯西解，未加水压力时，A点的应力为：
A=3h,min-h,max
在水压力作用下，孔壁产生拉裂破坏的条件为:
第六章 地应力及其测量
一、地应力的概念及研究意义 二、地应力成因及分布的一般规律 三、地应力测量的基本原理及方法
地应 力确 定方
法
自重应力理论
天然应力测量 大地水准测量
地变形量测
三角网测量
GPS测量 地震震源机制解
一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力 适用于：地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基 准面稳定
以东经100～105o为界分东西两区。 强度上：西强东弱（西高东低） 方向上：西： NNE-SSW为主，东：近E-W。
3．实测垂直应力V基 本上等于上覆岩层的重 量
• 对全世界实测垂 直应力资料的统 计分析，在深度 25~2700m的范围 内，垂直应力呈 线性增长，大致 相当于按平均重 度27kN/m3计算 的应力值H。
《岩石力学》地应力及其测量
1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。
自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。
2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。
答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。
3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即σℎ=σv=γH金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。
他根据弹性力学理论，认为这个系数等于μ1−μ，即σv=γH，σℎ=μ1−μγH4. 地应力是如何形成的？答：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。
5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。
关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。
土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。
6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。
答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。
地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即σG=γH。
重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。
《岩石力学》 地应力及其测量
1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。
自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。
2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。
答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。
3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即σℎ=σv=γH金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。
他根据弹性力学理论，认为这个系数等于μ1−μ，即σv=γH，σℎ=μ1−μγH4. 地应力是如何形成的？答：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。
5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。
关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。
土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。
6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。
答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。
地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即σG=γH。
重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。
地应力及其测量原理PPT精品文档
❖在20世纪50年代，瑞典人哈斯特(Hast)采用应力解 除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量。 1958年首次公布了他于1952-1953年在瑞典拉伊斯瓦 尔(Laiswall)铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区的地 应力测量结果，首次测得近地表地层中的水平应力高 于垂直应力，引起了人们的关注。
3 地应力及其测量原理
3.1 概 述
3.1.1 地应力概念
a 地层未受到扰动时，存 在于地层内各点的应力称为 原岩应力，或称为原始应力， 或称为初始地应力（in situ stress）。它是地下工程围 岩变形、破坏、支护结构受 力的根本渊源。
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b 当地层被开挖 后，存在于开挖空间 周围岩体中重新分布 的应力称为次生应力， 也叫诱发应力 （induced stress）。
而主要在0.25~0.43之间。
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3.2.2 构造应力
1 古构造应力：是地质史上由于构造运动残 留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力。
2 新构造运动应力是现今正在形成某种构造 体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和 最新地壳变形的应力。
3 封闭应力是在各种地质因素长期作用下 残存于结构内部的应力。
❖地应力实测工作从上个世纪60年代初开始， 1962~1964年在三峡平善坝坝址获得了岩体表面应力 测量成果。
❖1964年，在陈宗基院士的带领下，中国科学院武汉
岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应力
解除测量，测量深度为80m。
5ห้องสมุดไป่ตู้
❖1966年开展了地应力对地震预报的研究，并在河北 省隆尧县建立了我国第一个地应力观测台站，
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3.1.2 地应力研究国内外情况
1 国外发展情况
第5章 地应力及其测量
四、研究原岩应力的意义 在岩体内或在岩基上修造建筑物时，由于施工开挖，改变 了岩体的边界条件，从而引起岩体应力的重分布，形成新 的应力状态，这会产生岩体的变形或破坏。在岩体应力重 分布的新情况下，再加上建筑物的各种荷载（如自重、水 压力等），岩体内各质点的应力必然会随之而发生变化， 这会导致新的破坏因素的出现。因此在工程实践中，进行 岩体工程稳定性分析时，原岩应力是必需的基本资料。 原岩应力是客观存在的，问题在于工程设计中如何正确地 认识它、适应它、甚至利用它，从而使工程达到既安全又 经济的效果。
地幔热对流引起的应力场
由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上 下对流和蠕动。当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就 分为二股方向相反的平流，经一定流程直到与另一对流圈 的反向平流相遇，一起转为下降流，回到地球深处，形成 一个封闭的循环体系 地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由 孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽，它是一个有 拉伸特点的带状区 我国从西昌、攀枝花到昆明的裂谷正位于这一地区，该裂 谷区有一个以西藏中部为中心的上升流的大对流环。在华 北—山西地堑有一个下降流，由于地幔物质的下降，引起 很大的水平挤压应力
坚硬完整的岩体，如果天然应力很高，聚集着大量的能量。在地下 洞室开挖过程中，围岩应力较大的部位被挤压到超过岩石的弹性限 度，积聚的能量会突然释放出来，先是撕裂声，随即就是爆炸声， 石片飞散，体积大者就地坠落，体积小者，则弹射出来，这就是岩 爆现象。强大的原岩应力是构成岩爆现象的决定性因素，因此，埋 深较大的地下洞室，在设计和施工中应慎重对待，并采取一些防治 措施。例如，注意导坑和洞室的断面形状，以避免强烈的应力集中 区；衬砌以采用混凝土为宜，而不用砌石圬工和装配式结构；加强 临时支护和危石的清理，认真观察围岩动态，如发现撕裂声，应立 即撤离人员与机具，目前已有一些工程采用声发射仪进行探测。岩 爆地段在开挖完成后，应立即进行衬砌浇筑，围岩不宜暴露时间过 长，并尽可能采用早强混凝土和适当延迟拆模。 （二）原岩应力对地面工程的影响 在岩基上修筑大坝，由于基坑开挖的减荷作用，将会引起坑底岩体 发生回弹隆起或坑壁岩层移动。这种岩体变形，在水平主应力较大， 岩体中存在着接近于水平产状的软弱面时特别显著。这不仅使岩体 的工程性质恶化，而且还会影响未来建筑物的受力状态和稳定。
地应力及其测量
3.1 概论
3.1.4 地应力测量的基本原理和方法 测量方法： 测量基本原理不同划分： 直接测量法和间接测量法。
直接测量法：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。 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。
P 3
Pi 3 2 1 T
水压致裂应力测量原理
原理
3.2直接测量法(水压致裂法)
如果继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 应和原岩应力相平衡， 即
第三章 地应力及其测量
3.1 概论
3.2 直接测量法（水压致裂）
3.3 间接测量法（空心包体CSIRO）
3.1 概论
3.1.1 地应力测量的必要性
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。 b 重要性： 决定洞室布置的决定性因素之一。稳定性分析 的重要参数。
世界各国水平主应力与垂直主应力的关系
h,av/v(%) 国家名称 h,max/v <0.8 32 0 0 18 17 0 41 51 37.5 0.8~1.2 40 22 0 41 17 0 24 29 37.5 >1.2 28 78 100 41 66 100 35 20 25 2.09 2.95 2.56 3.29 3.56 4.99 2.50 4.30 1.96
3.1 概论
3.1.1 地应力测量的必要性