地应力及其测量原理文档
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第4章 地应力及其测量(zhang)
4）完全卸压，取出全部设备。
32-1-p0 2
5）采用印模器等设备测量水压致裂裂隙的位置、方向和大小。
（3）水压致裂法的优缺点 优点：
(1)设备简单。
只需用普通钻探方法打钻孔，用双止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩 体，不需要复杂的电磁测量设备。
(2)操作方便
只通过液压泵向钻孔内注液以压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可。
v H
其中，λ为侧压系数
h v
1
1
H
υ－上覆岩层泊松比
早在20世纪20年代，我国地质学家李四光就指出：“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 要性进进超过垂直应力分量。” 1958年，瑞典工程师哈斯特(N．Hast) 在斯堪的纳维亚半岛迚行 地应力测量工作时发现：在地壳上部的最大主应力几乎处处是水 平或接近水平的，最大水平主应力一般为垂直应力的1—2倍以上； 在某些地表处，测得的最大水平应力高达7MPa，从根本上动摇了 静水压力理论和以垂直应力为主的观点。
适用条件：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。
其测量和计算都较复杂。（略）
（二）套孔应力解除法
发展时间最长，技术比较成熟；在 适用性和可靠性方面，目前还没哪 种方法可以和应力解除法相比。
(1)测量原理:
进行岩体中某点应力量测时，先向该点钻进一定深度的超 前小孔，在此小钻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。
在25~2700m范围内：
v= H
(2) 构造应力场
(H/m，平均容重 ≈27kN/m3)
1) 成因（有增有减）：
第6章地应力及其测量
1原岩应力基础知识2概述地应力场的分布规律地应力测量方法3概述次生应力诱发应力受工程扰动之后的天然应力受工程扰动之后的天然应力状态状态J.HudsonJ.Hudson应力重分布应力重分布原岩原岩应力初始应力地应力4地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力是确定工程岩体力学属性进行围岩稳定性分析实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。
地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。
一、概述研究地应力的重要性1工程稳定性分析的原始参数。
2确定开挖方案与支护设计的必要参数。
5一、概述地应力的成因1912年瑞士地质学家海姆A.Heim在大型越岭隧道施工过程中通过观测和分析首次提出了地应力概念并假定地应力是静水应力状态。
σh水平应力σv垂直应力γ上覆岩层重量H深度Hvh1926年苏联学者金尼克修正了地应力静水压力假设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应乘以一个修正系数λ。
即HvHvh1其中λ为侧压系数1υ上覆岩层泊松比垂直应力为主侧压系数16在20世纪20年代我国地质学家李四光指出“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。
”1958年瑞典工程师哈斯特NHast 在斯堪的纳维亚半岛进行地应力测量工作时发现在地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的最大水平主应力一般为垂直应力的1—2倍以上在某些地表处测得的最大水平应力高达7MPa从根本上动摇了静水压力理论和以垂直应力为主的观点。
一、概述地应力的成因7后来的研究进一步表明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。
当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制但也与历史上的构造运动有关。
由于亿万年来地球经历了无数次大大小小的构造运动各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造另外地应力场还受到其他多种因素的影响造成地应力状态的复杂性和多变性因而只有通过对某点进行地应力实测才能了解该地的地应力状态。
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。
地应力及其测量原理PPT精品文档
3
❖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。
1
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。
11
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，
2
3.1.2 地应力研究国内外情况
1 国外发展情况
❖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。
1
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。
11
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，
2
3.1.2 地应力研究国内外情况
1 国外发展情况
地应力及其测量原理
0 σθ1 = −σx + 3σ0 y 0 τ τ zθ1 = −2 yz 0 0 σz2 = 2µ(σx −σ0 ) +σz y
π
(
)
设第i个测点三个方向应变片读数分别 设第 个测点三个方向应变片读数分别 为：εAi、εBi、εCi
E εAi +εBi εAi −εBi σzi = + 2 1− µ 1+ µ
（ 4） 地质构造面与地应力方向关系 ， 一般在水平面 ） 地质构造面与地应力方向关系， 最大主应力的方向常垂直于构造线。 内，最大主应力的方向常垂直于构造线。 2 地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响 地形地貌对地应力的影响是复杂的。 地形地貌对地应力的影响是复杂的。
剥蚀可以造成巨大的水平应力。 剥蚀可以造成巨大的水平应力。由构造作用与由 剥蚀作用产生的水平应力的主要区别在于， 剥蚀作用产生的水平应力的主要区别在于，由构造作 用产生的水平应力具有明显的方向性； 用产生的水平应力具有明显的方向性；而由剥蚀产生 的水平应力，按海姆假设条件，不具方向性。 的水平应力，按海姆假设条件，不具方向性。
3.2 地应力的构成及影响因素
力 力 重 应 构 残 应 古 造 余 力 原 应 构 应 新 造 力 岩 力 造 力 构 应 封 应 闭 力 温 应 度 力
3.2.1 自重应力 由地壳岩层的重量引起。 由地壳岩层的重量引起。
x
γ 1 H1 γ 2H2
x
原岩应力与次生应力
1905-1912瑞士地质学者海姆（Heim） 瑞士地质学者海姆（ 瑞士地质学者海姆 ）
σx =σy =σz
1925-1926金尼克 金尼克
σx =σy = λσz
第四章地应力及其原理(2016介绍
小结
地应力分布理论： 1）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静 h v H 水压力假设）
海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重 量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。
2）金尼克假设：（弹性力学假设）
1 修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上 覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。
• 次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力 平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。
• 应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。
4.2 地应力概论
• 一、 地应力 地应力分为自重应力场和构造应力场。 自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力； 构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活 动与变化的应力，地质作用残存的应力。
• （5）地温梯度引起的应力场
• • 地层的温度随着深度的增加而升高，一般的温度梯度 为每百米3℃。 由于温度梯度而引起地层中不同深度不同的膨胀，从
而引起地层中的局部压应力产生。
随埋深增加，地温增高，岩体性质改变产生附加应力。
3 C / 100m 岩体的体膨胀系 一般地温梯度： 4MPa； -5 数： ，岩体弹模 E=10 10 地温梯度引起的温度应力约为：
岩体力学
2018/10/21
1
第四章 岩体地应力及其测量方法
学习指导：
Ø 主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，
初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。 重 点
• 岩体的初始应力概念
• 岩体初始应力的测量方法
• 4 岩体地应力及其测量方法
• 4.1概述 • 4.1.1 基本概念 • 地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力 状态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力。
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。
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剥蚀可以造成巨大的水平应力。由构造作用与由剥蚀作用 产生的水平应力的主要区别在于，由构造作用产生的水平应力 具有明显的方向性；而由剥蚀产生的水平应力，不具方向性14 。
3 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。从能量
的积累观点来看，岩体应力的上限必然要受到岩体强
度的限制。 例如，当 Ｅ＝50GPa 以上的岩体，最大应 力一般为 10～30MPa ，而 Ｅ＝10GPa 以下的岩体应力
9
水平方向
? x ? ? y ? ? ?z
? ——侧压系数。
假定水平方向应变为零，根据胡克定 律可导出下式
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1 E
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?
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1 E
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连立求解，得
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x
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y
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?
z
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即
?? ? 1? ?
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。
1
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 ）。
?20世纪60年代中期之后，开创了三维地应力测量技 术，其中以澳大利亚联邦科学和工业研究组织研制的 CSIRO 型空心包体应变计应用最为广泛。
?20世纪 60年代末，美国人费尔赫斯特和海姆森提出 了水压致裂法，其突出优点是能够测量地壳深部的地 应力。
?20世纪80年代初，瑞典国家电力局 (SSPB) 研制成功
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。
12
3.2.3 地应力的影响因素
1 地质构造对地应力的影响
地质构造主要影响地应力的分布和传递：
（1）在静应力场中，断裂构造对地应力大小和方向的影响 是局部的。
了水下钻孔三向应变计
4
?20世界80年代后， Zoback 、 StePhansson 、Klein 和Ban 、Herget 、 Hudson 、Kugawara 、格佐夫斯 基等人绘制了美国大陆、斯堪的纳维亚半岛、西欧、 加拿大、英国、日本、前苏联的地壳应力图。
2 国பைடு நூலகம்发展情况
?20世纪 40年代，地质学家李四光把地应力作为地 质力学的一部分进行了研究。
?1980年国家地震局首次进行了水力压裂地应力测量， 从而迈出了我国深部应力测量的第一步。
?20世纪 80年代以后，空心包体应变计进入我国，随 后地质力学所、长冶院和长科院等研制了 KX-81 ， KX-2003 ，CKX-97 ，CKX-01 型空心包体。北京科技 大学的蔡美峰对 CSIRO 空心包体应变计做了重大改进。
很少超过 10MPa 。
这样，弹性模量较大的岩体有利于地应力积累， 所以地震和岩爆容易发生在这些部位，而塑性岩体容 易产生变形，不利于应力积累 。
15
4 温度对地应力的影响
岩体温度对地应力的影响表现在两个方 面：地温梯度和岩体局部温度的影响。
地温梯度一般为 3℃／100ｍ
了原岩应力的测量。
3
?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。
?1991年刘允芳、 1994年高建理，提出利用水压致裂 法进行三维地应力测量，取得了很好的测量结果。
?2004 年葛修润，侯名勋提出了一种钻孔局部壁面应 力全解除法；胡斌，章光等在套孔应力解除的基础上 提出了一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计。6
3.2 地应力的构成及影响因素
?重力应力
原岩应力????构造应力???新 古构 构造 造应 残力 余应力
? ?
??封闭应力
??温度应力
7
3.2.1 自重应力 由地壳岩层的重量引起。
x
x
?1H1
?2 H 2
y
?z
z
?x ?y
? z ?nHn
?x
z
(a)单一地层
(b)多层地层
垂直应力计算方法 8
垂直方向
? z ? ?H
? ——上覆岩层平均容重。
n
? ? z ? ?i H i i?1
? i ——上覆各层岩体容重；
当泊桑比值为0.5时，得到侧压系数为1.0 ， 所以海姆观点是金尼克公式的一个特例。
岩石的泊桑比值通常在0.10~0.35之间。因
此在自重应力场中侧压系数在0.10~0.54之间，
而主要在0.25~0.43之间。
11
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）在同一构造单元体内地应力大小和方向均较一致，而 靠近断裂或其他分离面附近大小和方向才有较大变化。
（3）在活动断层附近和地震地区，地应力大小和方向都有 较大变化。
（4）地质构造面与地应力方向关系，一般在水平面内，最 大主应力的方向常垂直于构造线。
13
2 地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响 地形地貌对地应力的影响是复杂的。
?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。
5
?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，
2
3.1.2 地应力研究国内外情况
1 国外发展情况
? 1905-1912 ，瑞士地质学者海姆（ Heim ）假定
?x ??y ??z
? 1925-1926 ，金尼克假定
? x ? ? y ? ? ?z
?? ? 1? ?
?1932年，美国人劳伦斯 (Lieurace) 在胡佛坝下面的
一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行
3 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。从能量
的积累观点来看，岩体应力的上限必然要受到岩体强
度的限制。 例如，当 Ｅ＝50GPa 以上的岩体，最大应 力一般为 10～30MPa ，而 Ｅ＝10GPa 以下的岩体应力
9
水平方向
? x ? ? y ? ? ?z
? ——侧压系数。
假定水平方向应变为零，根据胡克定 律可导出下式
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1 E
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连立求解，得
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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。
1
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 ）。
?20世纪60年代中期之后，开创了三维地应力测量技 术，其中以澳大利亚联邦科学和工业研究组织研制的 CSIRO 型空心包体应变计应用最为广泛。
?20世纪 60年代末，美国人费尔赫斯特和海姆森提出 了水压致裂法，其突出优点是能够测量地壳深部的地 应力。
?20世纪80年代初，瑞典国家电力局 (SSPB) 研制成功
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。
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3.2.3 地应力的影响因素
1 地质构造对地应力的影响
地质构造主要影响地应力的分布和传递：
（1）在静应力场中，断裂构造对地应力大小和方向的影响 是局部的。
了水下钻孔三向应变计
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?20世界80年代后， Zoback 、 StePhansson 、Klein 和Ban 、Herget 、 Hudson 、Kugawara 、格佐夫斯 基等人绘制了美国大陆、斯堪的纳维亚半岛、西欧、 加拿大、英国、日本、前苏联的地壳应力图。
2 国பைடு நூலகம்发展情况
?20世纪 40年代，地质学家李四光把地应力作为地 质力学的一部分进行了研究。
?1980年国家地震局首次进行了水力压裂地应力测量， 从而迈出了我国深部应力测量的第一步。
?20世纪 80年代以后，空心包体应变计进入我国，随 后地质力学所、长冶院和长科院等研制了 KX-81 ， KX-2003 ，CKX-97 ，CKX-01 型空心包体。北京科技 大学的蔡美峰对 CSIRO 空心包体应变计做了重大改进。
很少超过 10MPa 。
这样，弹性模量较大的岩体有利于地应力积累， 所以地震和岩爆容易发生在这些部位，而塑性岩体容 易产生变形，不利于应力积累 。
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4 温度对地应力的影响
岩体温度对地应力的影响表现在两个方 面：地温梯度和岩体局部温度的影响。
地温梯度一般为 3℃／100ｍ
了原岩应力的测量。
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?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。
?1991年刘允芳、 1994年高建理，提出利用水压致裂 法进行三维地应力测量，取得了很好的测量结果。
?2004 年葛修润，侯名勋提出了一种钻孔局部壁面应 力全解除法；胡斌，章光等在套孔应力解除的基础上 提出了一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计。6
3.2 地应力的构成及影响因素
?重力应力
原岩应力????构造应力???新 古构 构造 造应 残力 余应力
? ?
??封闭应力
??温度应力
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3.2.1 自重应力 由地壳岩层的重量引起。
x
x
?1H1
?2 H 2
y
?z
z
?x ?y
? z ?nHn
?x
z
(a)单一地层
(b)多层地层
垂直应力计算方法 8
垂直方向
? z ? ?H
? ——上覆岩层平均容重。
n
? ? z ? ?i H i i?1
? i ——上覆各层岩体容重；
当泊桑比值为0.5时，得到侧压系数为1.0 ， 所以海姆观点是金尼克公式的一个特例。
岩石的泊桑比值通常在0.10~0.35之间。因
此在自重应力场中侧压系数在0.10~0.54之间，
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）在同一构造单元体内地应力大小和方向均较一致，而 靠近断裂或其他分离面附近大小和方向才有较大变化。
（3）在活动断层附近和地震地区，地应力大小和方向都有 较大变化。
（4）地质构造面与地应力方向关系，一般在水平面内，最 大主应力的方向常垂直于构造线。
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2 地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响 地形地貌对地应力的影响是复杂的。
?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。
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?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
? 1905-1912 ，瑞士地质学者海姆（ Heim ）假定
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? 1925-1926 ，金尼克假定
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?1932年，美国人劳伦斯 (Lieurace) 在胡佛坝下面的
一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行