第六章 岩体初始应力
压裂裂缝的产生： 压裂裂缝的产生：假定岩体铅垂应 力为一个主应力，例如σ 力为一个主应力，例如σ3 ，根据基 尔希公式， 尔希公式，钻孔周边切向应力最小 值为σ σ 值为σq=3σ2－σ1 ，压裂裂缝在图 所示位置， 所示位置，借助于印模器可印下这 个位置（方向）。 个位置（方向）。
2、水压致裂试验 1）测试设备 ）
构造形迹： 构造形迹： 在一次构造运动中，形成一系列的褶皱和断裂（ 在一次构造运动中，形成一系列的褶皱和断裂（断 层和节理等）， ），它们是构造运动留下的遗迹 层和节理等），它们是构造运动留下的遗迹 构造形迹 构造应力场的主应力方向
1）褶皱(fold) ）褶皱
构造线(structural line)： 褶皱和直立岩层的走向 构造线 ： ——垂直于σ1 垂直于σ 垂直于
3、霍克和布朗（Hoek and Brown） Brown） 霍克和布朗（
二、水压致裂法
1、基本原理： 基本原理：
借助于封隔器在垂直钻孔中测点处封隔一段，作为压裂段， 借助于封隔器在垂直钻孔中测点处封隔一段，作为压裂段，然后将 压裂液送入压裂段，通过加压泵对压裂段施加水压力， 压裂液送入压裂段，通过加压泵对压裂段施加水压力，使孔壁岩石 破裂，然后用印模器印出压裂裂缝，或通过钻孔电视照相机照相， 破裂，然后用印模器印出压裂裂缝，或通过钻孔电视照相机照相， 借助于安装指南针测定压裂裂缝的方向， 借助于安装指南针测定压裂裂缝的方向，并根据压裂时的水压力计 算岩体初始应力。 算岩体初始应力。
二、计算公式
1、垂直应力计算
一般假定计算点附近岩体为均质、各向同性的 一般假定计算点附近岩体为均质、 连续体进行估算。 连续体进行估算。铅垂方向自重应力分量 σz 为单元体以上至地表的岩柱的重量， 为单元体以上至地表的岩柱的重量，即：
σz
σx
σz = γ ⋅ z
式中， 是岩体平均容重， ；ｚ是计算点 式中，g 是岩体平均容重，KN/ m3；ｚ是计算点 处距地表深度， ； 为铅垂应力分量， 处距地表深度，m；σz 为铅垂应力分量，Mpa。 。
在地盾区及古生代褶皱带： 在地盾区及古生代褶皱带： 平均水平应力大于岩石静水压力，平均水平应力与铅垂应力之比约为2:1， 平均水平应力大于岩石静水压力，平均水平应力与铅垂应力之比约为 ， 平均水平应力随深度变化的近似关系为： 平均水平应力随深度变化的近似关系为：
在地台中的沉积盖层，古生代褶皱带的裂缝块状岩体以及断裂带： 在地台中的沉积盖层，古生代褶皱带的裂缝块状岩体以及断裂带：
4、孔壁应变法
基本原理
测量步骤
岩体三维应力计算： 岩体三维应力计算： 根据弹性力学，在9个应变片的情况下，孔壁应变与岩体应力的关 系有9个方程式，在12个应变片的情况下，有12个方程式。可根据9个或 12个方程式采用最小二乘法(least square method)求解岩体应力的6个分量 σx，σy，σz，txy，tyz，tzx 。
二、构造应力场分析
主要借助于岩体中存在的各种构造形迹，弄清构造体系 主要借助于岩体中存在的各种构造形迹，弄清构造体系(structural system)，从而确定形成这种构造体系时的构造应力场的主应力方向 ，
1、构造形迹(structural feature)的形成机理 构造形迹(structural feature)的形成机理
+
+
+
+
+
+
+ + + + + +
++++++
初始应力
σθ σθ s → ← ↓σθ ↑
r
重分布应力
二、初始应力的组成
岩体自重→自重应力 岩体自重 自重应力(gravitational stress) 自重应力 构造运动→构造应力 构造应力(tectonic stress) 构造运动 构造应力 流体作用→渗流应力 流体作用 渗流应力 (seepage stress, water pressure) 其它（地温、地球化学作用等） 其它（地温、地球化学作用等）
重复2至5步完成2~3压裂循环，以便取得合理的压裂参 数及正确地判断岩石破裂及裂隙延伸过程。
f.解除封孔，用印模栓塞记录破裂裂隙的方向。 f.解除封孔，用印模栓塞记录破裂裂隙的方向。 解除封孔
全部试验过程用压力-时间曲线表示，如图所示。图的上部表示钻 孔封堵段孔壁在试验过程中的状态。
破裂过程的压力—时间曲线
σ z = ∑ρi ghi
i=1
式中， 层岩体密度； 为第i层岩体厚度 层岩体厚度； 式中，ρi 为第 i 层岩体密度；hi 为第 层岩体厚度；n 为计算的 岩层数。 岩层数。
n
2、水平应力计算
半无限体各向同性弹性体中，岩体单元在 、 方向受相邻单元 半无限体各向同性弹性体中，岩体单元在x、y方向受相邻单元 限制不产生变形， 定律， 限制不产生变形，即εx=0，εy=0。由广义 ， 。由广义Hook定律，得 定律
一、构造应力场的概念
1、构造应力场定义
岩体构造应力是在地壳造山运动(tectogenesis )和造陆运动中积累 岩体构造应力是在地壳造山运动 和造陆运动中积累 (accumulate)或剩余 或剩余(remain)的一种分布力。 的一种分布力。 或剩余 的一种分布力
2、构造应力场分类
古构造应力场 按构造运动的 活动性划分 现今仍在活动的构造应力场 全球性构造应力场 按构造运动的 规模划分 区域性构造应力场 局部构造应力场
3）计算公式 ）
（1）等角应变花情况
（2）直角应变花情况
3、孔径变形法 1）测定岩体应力的步骤 ） 2）应力计算 ）
假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩 体应力 σ1 的夹角分别为 θ1, θ2 和θ3，测 得的孔径变形分别为u 得的孔径变形分别为 1, u2, u3，孔壁径向位 移为其1/2，如图。 移为其 ，如图。 之间隔为60º 时，则按下式 当θ1, θ2 和 θ3 之间隔为 岩体应力： 岩体应力：
然后， 然后，利用弹性力学公式则可 计算岩体初始应力
这个过程可以归结为： 破坏联系-解除应力 弹性恢复 测出变形-根据变 这个过程可以归结为： 破坏联系 解除应力-弹性恢复 测出变形 根据变 解除应力 弹性恢复-测出变形 转求应力。 形，转求应力。
2、孔底应力解除法 1）测定岩体应力的步骤 ）
2）应变花(strain gauge rose)： ）应变花 ：
例－米字形构造体系：
构造形迹的序次 构造应力场
6.4 岩体应力测定
一、应力解除法(stress relief method) 应力解除法(stress
1、基本原理
假定地下处于初始三维应力状态的岩体为线弹性体， 假定地下处于初始三维应力状态的岩体为线弹性体，将岩体 脱离母岩，则所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。 脱离母岩，则所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。 用仪器测得恢复应变，则为： 用仪器测得恢复应变，则为：
a. 自重应力的三个分量都是压应力； 自重应力的三个分量都是压应力； b. 铅垂应力分量只与岩体容重有关，水平应力还 铅垂应力分量只与岩体容重有关， 与岩体的弹性参数有关，小于铅垂应力； 与岩体的弹性参数有关，小于铅垂应力； c. 岩体中的结构面影响岩体自重应力。 岩体中的结构面影响岩体自重应力。
6.3 岩体构造应力
平均水平应力小于覆盖层(overburden)的压力，平均水平应 的压力， 平均水平应力小于覆盖层 的压力 力与铅垂应力之比约为1： ， 力与铅垂应力之比约为 ：2，平均水平应力随深度变化的近 似关系为（如上图中DE线 似关系为（如上图中 线）：
铅垂应力一般与上覆岩层重量计算的结果大体一致， 铅垂应力一般与上覆岩层重量计算的结果大体一致，即
第六章 岩体初始应力
唐礼忠
中南大学 岩石力学与工程研究所
6.1 初始应力的基本概念
6.2 岩体自重应力
6.3 岩体构造应力
6.4 岩体ห้องสมุดไป่ตู้力测定
6.5 岩体初始应力分布状态
6.1 初始应力的基本概念
一、定义
初始应力/ 初始应力/in-situ stress： -人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 -岩体在天然状态下的内在应力。 岩体在天然状态下的内在应力。 ——地应力、初始应力、原岩应力 地应力、初始应力、 地应力 -在岩体工程开挖之前的岩体中或者在工程影响区之外的岩体 中存在的三维应力
可以得到
令
λ称为侧应力系数，表示水平应力与垂直应力的比值。 称为侧应力系数，表示水平应力与垂直应力的比值。 称为侧应力系数 一般岩石的µ=0.2~0.3，则λ=0.25~0.43。 ， 一般岩石的 。 当µ=0.5时，λ=1，即σx=σy=σz 时 ， ——静水压力状态 静水压力状态
三、岩体自重应力的特点
2）断层和节理 ）
张性断裂和剪切断裂 张性断层： 张性断层： 大规模的张性断层的形成与岩石在单轴压缩条件下产生 纵向劈裂相似，是由于张应变超过极限而产生的。 纵向劈裂相似，是由于张应变超过极限而产生的。 总体方向与最大主应力方向平行。 总体方向与最大主应力方向平行。 剪性断裂： 压性断层和扭性断层，都可用莫尔-库仑理论来解释 剪性断裂： 压性断层和扭性断层，都可用莫尔 库仑理论来解释
σy
上式可改写为： 上式可改写为：
σz = ρgz
式中， 是岩体平均密度 是岩体平均密度， ；ｇ是重力加速度 是重力加速度： 式中，ρ是岩体平均密度，KN/m3 ；ｇ是重力加速度： 9.8m/s2；z 深度，m； 深度， ； 如果在研究深度范围内有几层不同的岩层， 如果在研究深度范围内有几层不同的岩层，垂直应力分量可用下式 计算： 计算：
（2）测试过程 ）
岩体初始应力-2
1
6.2 初始应力测定与分布
2
p
1
2
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
（1）基本原理
6.2 初始应力测定与分布
借助于封隔器在垂直钻孔中测点处封隔一段，作为 压裂段，然后将压裂液送入压裂段，通过加压泵对 压裂段施加水压力，使孔壁岩石破裂，然后用印模 器印出压裂裂缝，或通过钻孔电视照相机照相，借 助于安装指南针测定压裂裂缝的方向，并根据压裂 时的水压力计算岩体初始应力。
深度Z（米）的变化图。
( H max H min ) / 2 / v
水平应力平均值与垂直应 力之比随深度而减小。
在 3000 米以内的地壳表层， 水平应力平均值与同深度处 铅垂应力分量的比在 0.5 至 3 之间，比值K随深度变 化的关系为：
100 0.30 500 0.50
6 岩体初始应力
6.2 初始应力测定与分布 6.2.1 应力解除法
（1）基本原理
假定地下处于初始三维应力状态的岩体为线弹性体，将岩体 脱离母岩，则所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。
用仪器测得恢复应变，则为：
然后，利用弹性力学公式则可 计算岩体初始应力 这个过程可以归结为： 破坏联系-解除应力-弹性恢复-测出变形-根据变
6 岩体初始应力
6.2 初始应力测定与分布
6.2.3 初始应力大小和方向随深度的变化
（1）我国测试结果
岩体初始应力三个主应力
σHmax、 σHmin 、 σV 均 随深度增加而增大。
σHHmmaaxx σH Hmmiinn
v 0.0265 H
σHHmmaaxx σHHmmiinn
6 岩体初始应力
（4）孔壁应变法 1）测定岩体应力的步骤
岩石力学重点提示
第一章绪论岩石和岩体都是岩体力学的直接研究对象。
但在岩体力学中，这是两个既有联系又有区别的两个基本概念。
所谓岩石就是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体；所谓岩体则是指在一定的地质条件下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。
岩石就是指岩块，在一般情况下，不含有地质结构面。
因此，岩石和岩体的力学性质也是不同的，前者可在实验室条件下进行试验，而后者一般在野外现场的实验场地完成实验。
从实验的精确度来看，后者更接近岩体的实际情况，反映了岩体的实际强度，前者则相差甚远。
第二章岩石的基本物理力学性质（一）岩石的基本物理性质这部分内容比较直观、容易掌握，但要注意各性质指标的定义和归类，避免引起混淆。
为便于记忆，列出基本物理力学性质的归类树，读者应将对应的公式（或注释）填充。
岩浆岩１．岩石（按地质成因）沉积岩变质岩２．岩体＝岩石（或岩块）＋结构面（二）岩石的强度特性1．强度试验基本内容单向抗压强度试验 抗剪强度2． 单向抗压强度试验（1）试件：直径D ＝50mm ±0.3mm ；高H=(2～2.5)D ±0.3mm ；两端法线与试件轴线偏差不大于025.0；端面不平整度不大于0.5mm 。
（2）单向抗压强度 AP=σ P －岩石试件无侧限条件下的破坏载荷 A －试件承载面积（3）试件破坏形态圆柱单向压缩有两种可能的破坏形态：圆锥形破坏和圆柱形劈裂破坏（见图２-1）（a ）圆锥形破坏 （b ）柱状劈裂破坏 图２-1 单轴压缩破坏形态破坏原因：①圆锥形破坏形状是由于试件两端与试验机承压板之间摩擦力增大造成的。
②柱状劈裂破坏，如图２-1b 所示。
若采用有效方法消除岩石试件两端面的摩擦力，则试件的破坏形态成为柱状劈裂破坏。
（4）试件单向抗压强度的主要影响因素①试验机铁板的刚度；②试件的形状；③试件的尺寸；③试件的高径比；④加载速度 3. 单向抗拉强度试验 （1）直接拉伸法对岩石试件直接施加拉力至破坏，抗拉强度为AP t =σ 式中：P －试件破坏时承受的最大压力；A －与拉力垂直的横截面积。
《岩体力学》第六章岩体的力学性质
图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
岩体的初始应力状态1
第 2节
组成岩体初始应力状态的 各种应力场及其计算
岩体自重应力场及其计算 岩体的构造应力场 影响岩体初始应力状态的其他因素
1、岩体自重应力场及其计算 1）海姆假说
1912年瑞士地质学家海姆在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，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
1
H
侧压力系数
1
若岩体由多层不同重力密度的岩层所组成(图6-2)。 h1 , h2 ,, hi hn ， 每层的厚度依次 各层的重力密度依次分别为 ， n 1, 2 ,, i 则岩体的自重初始应力为
z i H i x y z
周围岩石
通常把应力的这种变化叫应力重分布，把应力重分布影响范围的岩体叫围 岩。围岩内的应力叫围岩应力（二次应力）。洞室的开挖引起围岩的应力 和变形，这不仅会影响洞室本身的稳定状态，而且为了维持围岩的稳定， 必须进行人工支护，建造一定的支护结构或衬砌，合理地设计支护结构， 确定经济合理的衬砌尺寸，都与岩体的初始应力状态紧密相关。
4)岩浆侵入引起的应力场
岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围地层中产生相应的应力场，其过程也 是相当复杂的。熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向 相等的均匀压力，但是炽热的岩浆侵入后即逐渐冷凝收缩，并从接触界面处逐渐 向内部发展。不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应 力产生复杂的变化过程。 与上述三种应力场不同，由岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。
水 库 诱 发 地 震
水库水体重量作用
2) 初始应力与岩体稳定性的关系
第六章 岩体的初始应力状态
T0
（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力
（1）一般来讲 z h 作为地主应力之一。我 们可以将 z 与 2 h 作比较，若 z 1h ，则 可以肯定此时 2 h 为最小主应力；进一步将 与 z 1h 作比较，也就可以以此确定地应力的 三个主应力。
因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定 2 h 的方位或 1h 的方向，所以三个地主应力的 方位也就可以相应确定。 （2）如果 2 h h ，并且孔壁开裂后孔内 岩体出现水平裂缝，则此时 z h 为最小 地应力， 2 h 与 1h 各为中间主应力及最大 地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。
T z E 0.03 10 5 10 4 zMPa 0.003 zMPa
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。 返回
第三节 岩体初始应力状态的现场量测方法 一、岩体应力现场量测方法概述 1.目的： （1）了解岩体中存在的应力大小和方向 （2）为分析岩体的工程受力状态以及为 支护及岩体加固提供依据 （3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的 有力工具
工作步骤
应变观测系统
（2）套孔应力解除法
•孔径变形测试，孔壁应力解除法，均属于 套孔应力解除法。前者测试套孔应力解除 后的孔径变化；后者测试套孔应力解除后 的孔壁应变。其操作步骤和原理基本相同
原理要点 对岩体中某点进行应力量测时，
先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此 小孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段 同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复 应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的 应力状态。
直角应 变花
等边三角 形应变花
应力解除槽
表面应力解除法
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。
第六章岩体的初始应力状态
第四节 岩体初始应力的量测方法
一、岩体应力现场量测方法概述 1.目的：
（1）了解岩体中存在的应力大小和方向 （2）为分析岩体的工程受力状态以及为支护及 岩体加固提供依据 （3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工 具
第三节 岩体初始应力场的分布规律
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
地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三 向不等压应力场。
就某个地区整体而言，地应力的变化是不大的。 在某些地震活动活跃的地区，地应力的大小和方 向随时间的变化是很明显的。
第三节 岩体初始应力场的分布规律
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 5. 地应力测量-水压致裂法，应力解除法
地应力的概念 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。
2 地应力测量的必要性及意义
① 它是引起地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力。
大多数为0.8~1.5
σ h,av / σ v 之值一般为0.5~5.0，
第三节 岩体初始应力场的分布规律
平均水平应力与 垂直应力的比 值随深度增加 而减小
100+0.3≤ σh,aυ ≤1500+0.5
H
συ H
世界各国平均水平应力与垂直应 力的比值随深度的变化规律图
5
2013/10/16
第三节 岩体初始应力场的分布规律
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.地温梯度引起的温度应力：温度应力是同深度的垂直应力 的1/9，呈静水压力状态。
第六章岩体的初始应力状态讲义
z z
n
z i hi i 1
若认为岩体为均质、连续且各向同性体，各岩体单 元横向变形为0，即x= y=0，则由广义胡克定律：
x
1 E
x
y z
y
1 E
y
z
x
解上式得水平应力x、 y为：
5、水压致裂法测定系统
6、应力计算
两向受不相等的均布力σ1、σ2作用时的应力分量：
1
2
2
(1
r2
2
)
1
2
2
(1
r2
2
)(1
3
r
2 2
)
cos
2
2
1
2
2
(1
r2 ) 1 2
2
2
(1
3 r 4 )cos 2 4
岩浆侵入或者随着深度的增加，温度升高，使岩 体膨胀，产生热应力，增加初始应力；
若地温梯度α=3°C/100m，岩体热膨胀系数β约 为10-5，一般岩体弹性模量E=10GPa，则地温引起的温 度应力T约为：
T =αβE Z=0.03×10-5×104 Z=0.003 Z MPa
Z为研究点处的深度，m。
x
y
1
z
z
其中λ为侧压力系数，
岩体（0.2-0.3），则（0.25-0.43）；
另外， xy yz zx 0
岩体自重应力随着深度呈线性增加，浅部处 于弹性状态；超某一临界深度（砂岩500m、花岗 岩2500m），岩体处于潜塑状态或塑性状态（开 挖前为弹性，开挖后呈塑性），此时，其近于 0.5，则近于1.0，岩体所受垂直与水平应力相 等，即静水压力状态，该现象瑞士地质学家海姆 （A.Heim）1987年在研究阿尔卑斯山深大隧道时 发现，称为海姆假说。
6章 岩体的初始应力状态第一节 初始应力的概念与意义
重力应力： 重力应力：地壳上部各种岩体由于受地心引力的作用所引起的应力称为 重力应力或上覆岩层压力，即重力应力是由岩体自身引起的。 重力应力或上覆岩层压力，即重力应力是由岩体自身引起的。 构造应力：地壳形成之后，地下岩体在慢长的地质年代中， 构造应力：地壳形成之后，地下岩体在慢长的地质年代中，经历构造 运动，有的地方隆起，有的地方下沉。 运动，有的地方隆起，有的地方下沉。这说明在地壳中长期存在着一 种促使构造运动发生和发展的内在力，我们称其为构造应力。 种促使构造运动发生和发展的内在力，我们称其为构造应力。 原始构造应力： 原始构造应力：它是指新生代以前发生的地质构造运动使岩体变形 而积存在岩体内的构造应力。 而积存在岩体内的构造应力。 残余构造应力： 残余构造应力：它是指远古时期的地质构造运动使岩体变形并以弹 性变形能的形式储存在岩层内而形成的原始构造应力。 性变形能的形式储存在岩层内而形成的原始构造应力。 现代构造应力： 现代构造应力：它是现今正在形成某种构造体系和构造形迹的应 也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。 力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。它已被地震冲击 地层和原岩应力测量所证实。 地层和原岩应力测量所证实。
二、意义 （1）井壁力学稳定的原始参数。 ）井壁力学稳定的原始法
差应变法： 差应变法：是用室内的等围压实验反推三向应力方向和应力比的方 理论是严谨、可靠。但要求同时测量6道以上的应变， 法。理论是严谨、可靠。但要求同时测量6道以上的应变，应变仪在不同 道间要有较好的一致性，该技术实验难度极大。 道间要有较好的一致性，该技术实验难度极大。 Kaiser效应法：是用室内单轴实验反推三向应力和平面应力的方法， Kaiser效应法：是用室内单轴实验反推三向应力和平面应力的方法， 效应法 要在岩心指定的6个方向或3个方向上钻取小样， 要在岩心指定的6个方向或3个方向上钻取小样，每一个小样的测量结果 反应该方向在历史上承受的最大压力。 反应该方向在历史上承受的最大压力。 波速各向异性： 波速各向异性：是通过室内测得的岩心波速的各向异性来分析地应力 方向的一种方法。要求原始岩心介质是均匀的、各向同性的。 方向的一种方法。要求原始岩心介质是均匀的、各向同性的。
第六章 岩体初始应力
6.4 岩体应力测定
一、应力解除法(stress relief method)
1、基本原理
假定地下处于初始三维应力状态的岩体为线弹性体，将岩体 脱离母岩，则所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。 用仪器测得恢复应变，则为：
然后，利用弹性力学公式则可 计算岩体初始应力
这个过程可以归结为： 破坏联系-解除应力-弹性恢复-测出变形-根据变 形，转求应力。
重复2至5步完成2~3压裂循环，以便取得合理的压裂参 数及正确地判断岩石破裂及裂隙延伸过程。
f.解除封孔，用印模栓塞记录破裂裂隙的方向。
全部试验过程用压力-时间曲线表示，如图所示。图的上部表示钻 孔封堵段孔壁在试验过程中的状态。
破裂过程的压力—时间曲线
6.5 岩体初始应力分布状态
一、岩体初始应力大小和方向随深度的变化
第六章 岩体初始应力
唐礼忠
中南大学 岩石力学与工程研究所
6.1 初始应力的基本概念 6.2 岩体自重应力
6.3 岩体构造应力 6.4 岩体应力测定
6.5 岩体初始应力分布状态
6.1 初始应力的基本概念
一、定义
初始应力/in-situ stress： -人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 -岩体在天然状态下的内在应力。
1、我国测试结果
岩体初始应力三个主应力σHmax、 σHmin 、 σV 均随深度增加而增大。
σHmax σHmin
σHmax
σHmin
2、拉纳利(G.Ranalli)等人
在地盾区及古生代褶皱带： 平均水平应力大于岩石静水压力，平均水平应力与铅垂应力之比约为2:1， 平均水平应力随深度变化的近似关系为：
6.3 岩体构造应力
一、构造应力场的概念
岩体中的初始应力场
岩体中的初始应力场围岩的物理力学性质、重力、温度、地形及构造等一些经常性因素对围岩的初始应力状态有很大影响；同时地下水的活动、地壳的运动、人类长期活动等局部性的或者暂时性的因素是第二个影响因素。
所以，初始应力场是由两种力系构成的，即一般说来，连续介质力学的分析方法是重力地应力场可以采用的办法。
其他的因素造成的初始应力场，主要的确定方法是用现场试验的方法。
在上面讲到的两种因素中，当前主要研究的方向是由围岩的重力形成的应力场，而其他的因素只认为是改变了由重力造成的初始地应力场。
1 构造应力场跟据已经发表的一些岩体应力测量数据显示：① 构造地应力场实际测量得到的水平应力普遍大于垂直应力，垂直应力基本上等于上覆岩层的重量，而且在不深的地方已经普遍存在。
② 残余的应力将对地下结构产生重大的影响，地质构造的变化不仅仅改变了自重应力场，除了以各种各样形式积蓄在岩体内，还以各种构造形态获得释放。
③ 构造地应力场的性质参数无论在时间上、空间上都是有1/ 3很大变化的，它是很不均匀的。
水平主应力具有很明显的各向异性，而且具有很强的方向性，一般来说很少有大、小主应力相等的情况，总是以一个方向的主应力占优势，而且最大主应力的方向与区域的地质构造有密切的联系。
尤其是构造地应力场的主应力轴的绝对值和方向有很大变化量。
人类直至今天仍未完全的认识和解决构造应力场——由于形成构造应力场的原因非常的繁杂。
构造应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，在三维空间的分布是极其不均匀的，而且它随时间的推移还不断的变化。
所以，当前初始应力场的作用只能通过某些量测数据实验加以分析，尝试找出一点规律性，还是很难用函数式表达出构造应力场的规律的。
在某些重要的工程当中，我们多采取实地测量的方法来判定主应力的大小、方向的变化规律性质。
而在理论分析当中，是常把初始应力场按照静水应力场来处理的。
由于力学形态上的、构造的、测量技术上的等一些原因，用数学分析方法来求解初始地应力场，经常会导致极大的误差。