岩体初始应力与其测量
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
第10章岩体原位应力测试
钻孔设备
◦ 钻机及相应配套的岩芯管、钻杆等;φ36mm钻头， φ110mm或φ130mm钻头;孔底磨平钻头和锥形钻头
（3）用f36mm钻头钻 一深约300-400mm的 同心孔，并将钻孔冲洗 干净；
(4)测试要点 1)清除试面上松动岩块并把它整平，其范围不小于解除 岩芯直径的2倍。岩面起伏差不超过0.5cm，要做好试面 的现场描述; 2)在已处理的试验面上，埋设应变计丛(或贴应变片丛)。 每组应变丛不得少于三只应变计(片)。应变计(片)埋好后， 应加保护罩，以防损坏; 3)把应变计(片)与应变仪接通，读出并记录各应变计(片) 的初始值; 4)用钻机分级掏槽，并记录其应变读数。每级掏深一般 为2cm，掏槽的最终深度一般要求达到应变读数稳定时为 止，并不得小于解除岩芯直径的0.5倍。
(1)测试原理 应力解除法是在岩体表面和地下洞室壁上预先埋设应变计 (或贴电阻片)，然后在其周围掏环形槽(图)，并同时测量岩体 应力解除后的应变值。根据岩体应力解除前后的应变变化和 岩体的弹性模量，计算岩体的表面应力。
(2)应用范围 应力解除法常用于岩体表面和地下洞室围岩表面的应 力测量。每次试验只能确定平面上两个方向的最大、最 小主应力。如果要确定该处的三向应力，至少要在三个 不同方向的面上进行三次测量。 (3)主要仪器设备 1)钢弦应变计和钢弦应变仪或电阻应变片和电阻应变 仪。 2)应变计保护罩。 3)钻机及相应配套的器材，用于掏槽。
(4)测试要点 1)把试验面上的松动岩石清除，并使之基本平整，并做好现 场描述; 2)在已处理好的岩面上安装应变计，应变计的方向应与解除 槽长轴垂直，应变计的中心点与解除槽长轴中心的距离应 为槽长的1 /3。应变计安装好后应加盖保护罩，然后进行 多次读数，以确定应变计的初值。也可在解除槽两侧预埋 测点，用可拆卸的位移计量测; 3)用钻机或切割机进行分级掏槽，每级掏槽深度为2cm，同 时记录相应的应变计读数。槽的深度一般要求大于扁千斤 顶的尺寸，并使加载的扁千斤顶外缘埋入岩面25mm，以 防止加载过程中岩石局部破坏; 4)用清水将槽内的岩粉等冲洗干净，并把调制好的水泥砂浆 灌入槽内，再把扁千斤顶推入并捣实砂浆。必须严防浆体 中夹入气泡，否则将损坏扁千斤顶或使试验结果不可靠; 5)待砂浆凝固后，接通扁千斤顶和油泵，即可加压进行应力 恢复试验，一般采用分级加压并同时记录应变计读数。最 大一级压力应大于解除结束时应变计测读的相应压力。
《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。
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。
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。
7、岩体应力测试(孔壁应变法测试、孔径变形法测试、孔底应变法测试、表面应变法测试)
岩体应力测试包括：孔壁应变法测试、孔径变形法测试、孔底应变法测试、表面应变法测试岩体应力是泛指岩体内部存在的应力。
在天然状态下，岩体内部存在的应力，称为岩体初始应力（或天然应力、原始应力）；在岩体被扰动后，扰动范围内重分布的应力，称为岩体二次应力。
岩体初始应力，不仅与岩体自重、地质构造运动有关；而且与成岩过程的物理化学变化、地形地貌、地温梯度、岩性特性等有着密切关系，是一种复杂的、综合性的应力状态。
为了了解岩体初始应力状态，最有效的方法就是在现场进行测试。
岩体应力的测试方法很多，且各有利弊。
常用的是套钻岩芯应变解除法。
岩体应力测试是以弹性理论为基础，假定岩体为均质、连续、各向同性的线弹性体基础上进行的。
（一）孔壁应变法测试孔壁应变法测试，是通过在钻孔套钻应力解除过程中，量测某点的孔壁应变，反算该点的三向应力大小和方向，据此计算岩体初始应力。
本测试方法适用于无水、完整或较完整岩体。
应力测试段内，岩件府均一、完整。
测点应选在应力扰动区外。
应力扰动区范围，一般为洞室直径的 2 倍。
测试前后应对试段、钻孔、岩芯及解除岩芯进行地质描述。
主要内容为：钻孔钻进情况、岩性、岩体结构面性状、测点应力现象等，并收集相关地质图。
1、测试孔主要要求用大孔径钻头钻至预定测试深度，并磨平孔底。
取出岩芯，进行描述。
用小孔径钻头钻测试孔，与大孔同轴，深 50cm。
取出岩芯并描述。
当孔壁不光滑时，应采用扩孔器扩孔。
清洗测试孔，并对孔壁进行干燥处理。
试前需进行应变计安装。
用安装器将应变计送入测试孔，就位定向，并施加一定的预压力，使应变计牢固地黏结在孔壁上，取出安装器，量测测点方位及深度。
2、测试要点向钻孔注水，每隔 10min 读数一次，连续 3 次读数相差不超过5με时，即认为稳定，并将此读数作为初始值。
按预定分级深度钻进，进行套钻解除，每级深度宜为 2cm。
每解除一级深度，停钻读数，连续读取 2 次。
套钻解除深度应超过孔底应力集中影响区。
岩石力学-第六章岩体的初始应力状态
6.5.2 高地应力的判别标准和高地应力现 象
• （3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形，在中等强度 以下的岩体中，开挖探硐或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩体产生剥 离现象，有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有破哑声。在软质岩体中则产生洞 体较大的变形，位移显著，持续时间长，洞径明显缩小。
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。
6.4 岩体初始应力分布的主 要规律
初始应力场是一个非稳定应力 中国大陆板块边界所受的外力分布 场
中国大陆板块受到 外部印度板块每年以5厘米 速度和太平洋板块每年以数 厘米速度的推挤，同时受到 西伯利亚板块和菲律滨板块 的约束。板块变形，形成主 应力迹线，印、太板块的移 动促成了中国山脉的形成， 控制了地震的分布。
=0.8 ＋ 0.0329H(MP a)
6.4 岩体初始应力分布的主
要规律
平均水平应力 K 垂直应力
4. 平均水平应力与垂直应
力的比值随深度增加而减
小。
K
1500 H
0.5
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
6. 最大水平主应力和最小
水平主应力之值一般相差
K 100 0.3 H
极高地应力 高地应力 一般地应力
我国工程岩体分级基准
<4
4～7
>7
（GB50218-94）
法国隧道协会
<2
2～4
>4
日本新奥法指南（1996年） > 2
4～6
岩体应力测试
岩体应力测试
岩体应力是泛指存在于岩体内部的应力，他包括岩体初始应力和围岩应力。
岩体初始应力是指天然状态下岩体内赋存的应力，又称为原岩应力，在地震领域又称为地应力。
它主要由上覆岩层重力形成的自重应力和由地壳运动所产生的构造应力（包括现今构造应力和残余构造应力）所组成。
围岩应力是指岩体被扰动后引起应力重分布的应力，又称二次应力，它是由于人工开挖等工程活动而形成的。
1、岩体应力测试方法
岩体应力测试方法有应力部分解除法、应力完全解除法、应力恢复法、破裂岩石法、地球物理法以及其它方法。
岩体应力测量方法分类表。