岩体的初始应力概要
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
岩体的初始应力状态
第三讲岩体的初始应力状态一、内容提要：本讲主要讲述岩体初始应力的基本概念、量测方法及岩体初始应力状态的分布规律；二、重点、难点：岩体初始应力场及其计算；岩体初始应力的影响因素；岩体初始应力的分布规律；对于岩体初始应力水压致裂法及应力解除法的基本原理作一般了解；三、内容讲解：一、岩体初始应力的基本概念(一)初始应力状态的概念与意义所谓岩体的初始应力，是指在天然状态下存在于岩体内部的应力。
在地质学中，通常又称它为地应力。
岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的。
显然，岩体的地质构造应力是与岩体的特性(例如岩体中的裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等)有密切关系，也与正在发生过程中的地质构造运动以及与历次构造运动所形成的各种地质构造现象(例如断层、褶皱等)有密切关系。
因此，岩体中每一单元的初始应力状态都是随该单元的位置不同而有所变化。
此外，影响岩体初始应力状态的因素还有地形、地震力、水压力、热应力等，但这些因素所产生的地应力，大都是次要的，只是在特定的情况下才需考虑。
因此，对于岩石工程来说，主要应考虑自重应力和地质构造应力。
【例题1】下列各项有关岩体初始应力的叙述，正确的选项为（）。
A. 岩体的初始应力是由岩体的自重和地质构造运动引起的；B. 地形、地震力、水压力、热应力等因素不会产生地应力；C. 岩体中每一单元的初始应力状态与该单元的位置无关；D. 对于岩石工程而言，主要应考虑自重和地质构造应力；答案: D【例题2】岩体的的初始应力主要由下列哪些因素引起（）。
A. 地震力B. 热应力C. 地形D. 构造运动答案: D地面和地下工程的稳定状态与岩体的初始应力状态密切相关。
岩体在开挖以后，改变了岩体的初始应力状态，使岩体应力重新分布，有可能使得岩体中某些部位形成应力集中，从而引起岩体的变形或破坏。
对于地下洞室工程来讲，我们把与洞室本身稳定性密切相关的岩体称为围岩。
洞室的开挖引起围岩的应力变化，这将影响洞室本身的稳定状态。
石油工程岩石力学-地应力
平地应力方位
地应力纵向分布规律计算
不同深度，不同性质的地层其地应力大小及 非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而 线性增大，对不同地层要分层计算地应力。
地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质构 造运动产生的构造应力，用公式表示为：
H
H
H
T
地应力纵向分布规律计算
hmin
HMAX >> v > hmin
第二节 地应力的测量方法
垂直主应力的求取：
垂直地应力是由重力作用产生的（岩石的重量）； 在任意深度，垂直地应力等于上覆岩层压力：
v = gz （密度×重力加速度×深度） 通常垂直地应力通过对密度测井数据积分获得； 在海上钻井要包含泥线以上海水产生的压力；
B A
C
largely unfractured shale
static basal sheet
compression
四、进行地应力研究的意义：
是所有地质力学问题中重要的初始条件； 是勘探、钻井及油藏等石油工程的重要参数； 是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数； 是采油工程中出砂防砂分析的重要参数； 是油气层增产改造措施制定的重要参数；
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
r
H 2
(1
R2 r2 )
H 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
H 2
(1
R2 r2
)
H 2
(1
3R 4 r4
) cos2
r
H 2
(1
3R 4 r4
2R2 r2
) sin 2
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。
岩体力学
1.岩体力学的定义：岩体力学主要是研究岩石和岩体力学性能的一门学科。
是探讨岩石和岩体在其周围物理环境（力场、温度场、地下水等）发生变化后，作出响应的一门力学分支。
2.岩石的定义：岩石是矿物或岩屑地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。
3.岩体的定义：在岩体力学中，通常将在一定工程范围内的自然地质体称为岩体。
4.结构面的定义：所谓结构面，是指具有极低的或没有抗体强度的不连续面5.岩石的力学特征：1.不连续性.2.各向异性.3.不均匀性.4.赋存地质因子的特性.6.学派：1.地质力学的岩石力学派。
2.工程岩石力学派。
第二章1.岩石的基本物理性质：1.岩石的密度指标。
2.岩石的孔隙性。
3.岩石的水理性质。
4.岩石的抗风化指标。
5.岩石的其他特性。
2.岩石的强度特性：所谓强度，是指材料在荷载作用下，所能承受的最大的单位面积上的力。
通常研究岩石的单轴抗压强度（无侧限压缩强度）、抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等。
在单向压缩荷载作用下试件的破坏形态：1.圆锥形破坏。
2.柱状劈裂破坏。
3.四种强度特性：1.岩石的单轴抗压强度。
2.岩石的抗拉强度。
3.岩石的抗剪强度。
4.岩石在三向压缩应力作用下的强度。
4.岩石三向压缩强度的影响因素：1.侧向压力的影响。
2.试件尺寸与加载速率的影响。
3.加载路径对岩石三向压缩强度的影响。
4.孔隙压力对岩石三向压缩强度的影响。
5.岩石应力应变全过程曲线（略）6.岩石的流变性包含着三部分的内容：岩石的蠕变、岩石的应力松弛、岩石的长期强度。
7.所谓的蠕变是指岩石在恒定的外力作用下，应变随时间的增长而增长的特性，也称作徐变。
8.典型蠕变曲线（略）。
9.影响岩石蠕变的主要因素：1.应力水平对蠕变的影响。
（不能太大也不能太小，中等应力水平（60%-90%）峰值）2.温度、湿度对蠕变的影响。
10.岩石介质力学模型：1.基本力学介质模型：弹性介质模型、塑性介质模型、粘性介质模型。
2.常用的岩石介质模型：弹塑性介质模型、粘弹性介质模型：马克斯韦尔模型、凯尔文模型。
岩体原始应力的名词解释
岩体原始应力的名词解释岩体是地壳中的固体岩石，它们构成了地球表面的大部分陆地，并承受着地壳中的各种力量和应力。
在地质演化的过程中，岩体中存在着原始应力，这是指岩石形成和沉积时的初始应力状态，通常受到地壳构造、板块运动、重力、地质作用等多种因素的影响。
岩体原始应力是岩石内部及其周围环境中存在的应力状态，它是一种内在的力量平衡状态。
岩体原始应力可以分为横向应力和纵向应力两个主要方向。
横向应力是指垂直于岩石层面的应力，它可以使岩石发生剪切和摩擦等形变。
纵向应力是指平行于岩石层面的应力，它可以使岩石发生蠕变和延展等形变。
岩体的原始应力与地壳构造密切相关。
地壳是地球地表及其下部较薄的岩石层，它由不同性质和构造的岩石组成，同时受到岩石变形、板块运动和地壳运动等作用的影响。
这些作用导致了地壳中的张应力和压应力的形成，进而影响了岩体的原始应力状态。
例如，在板块碰撞造山过程中，由于岩石受到的压力增大，岩体中的压应力也相应增加，从而使得岩体的原始应力发生改变。
除了地壳构造，重力也是岩体原始应力的重要来源。
地球上的重力场对岩石的应力状态有着重要影响，它会引起岩石的竖向和横向应力分布的不均匀性。
比如，在山地地区，由于山体的重力作用，岩体受到的压力会增加，从而导致原始应力的变化。
地质作用也会对岩体原始应力造成影响。
例如，在岩石的沉积过程中，由于上覆物的重力作用和沉积物本身的重压力，岩石会受到压力和应力的影响，形成初始的应力状态。
而在岩石的变质过程中，温度和压力的改变也会导致岩体原始应力的改变，这是由于岩石的结构和组成发生了变化。
了解岩体原始应力对于地质科学和工程实践具有重要意义。
在地质科学研究中，通过对岩体原始应力的研究，可以了解到地壳的结构和形变历史，揭示地质过程和构造演化的规律。
在工程实践中，了解岩体原始应力可以帮助工程师设计和施工地下工程，预测和评估地壳的稳定性和岩石的破裂状况，避免地质灾害的发生。
综上所述，岩体原始应力是指岩石形成和沉积时的初始应力状态，它受到地壳构造、板块运动、重力、地质作用等多种因素的影响。
岩体中的天然应力概述
第一节概述一、定义（1）天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
又称地应力、初始应力等。
（2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。
又称二次分布应力、附加应力等。
天然应力，没有工程活动开挖洞室后的应立场，为重分布应力，与天然应力有所改变在附近开挖第二个洞室，则视前一个洞室开挖后的应立场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力二、天然应力的组成天然应力一般由以下几部分组成：•由岩体自重引起的自重应力•由构造运动引起的构造应力•由流体作用引起的渗流应力•其它（如，地温引起的温差应力、地球化学作用引起的化学应力等）三、天然应力的研究历史与研究意义1、研究历史（1）世界上•1878年海姆提出天然应力；•l932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力；•到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。
大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致裂法）。
（2）中国•20世纪50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米（天津大港）。
2、研究意义（1）区域稳定任何地区现代构造运动的性质和强度，均取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。
从工程地质观点看，地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害。
从岩体力学观点出发，地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。
在一定的天然应力场基础上，常因修建大型水库改变了地区的天然应力场而引起水库诱发地震。
（2）地下洞室稳定对于地下洞室而言，岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源。
如果天然应力分布不均匀，可能在洞顶拉裂掉块，洞侧壁内鼓张裂和倒塌。
（3）边坡稳定天然应力状态与岩体稳定性关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。
越来越多的资料表明，在岩体高应力区，地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖，常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，使工程岩体失稳。
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。
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= x / z =(1-sin)/ (1+sin)
(6-8)
对于具有一定粘聚力的松散岩体，侧向应力x与垂直应力z
之间的关系为
x
z
H
1 sin 1 sin
2c cos 1 sin
（二）基本理论和计算公式
室内及现场资料表明：钻孔壁在液压下的初始开裂经常是垂直的。
设孔周水平地应力为1h、2h孔壁还受有水压Pb，此时，钻孔周
围岩体内应力：
r=1/2(1h + 2h)(1-a3/r2)+ Pb a2/r2 +1/2(1h - 2h)(1- 4a2/r2 + 3a4/r4)cos2
垂向应力v减小了H，水平应力n则减少了H /（1- ）
（按弹性卸载考虑）
则此时岩石单元的侧压力系数为：
n v
0
v
H
1
H0 H
0
[(0
1
)H
]
(H0
1 H
)
由于剥蚀后岩石单元埋深 H=H0 -H，所以：
(H
)
0
[(0
1
)H
]
1 H
（6-11）
可见，由于上覆岩体被剥蚀，使侧压力系数有增加的趋势，
（a）正断层（b）逆断层（c）平推断层（d）岩脉（e）褶皱 图6-4 由地质特征推断的应力方向（a）~（e）均为平面图
2．地表剥蚀时侧压力系数的影响
Z0 K0Z0
图6-5 侵蚀对某一深度上的应力的影响
设某深度H0的一个岩石单元，该处初始侧压系数0
上覆岩体剥蚀Βιβλιοθήκη 厚度H，使岩石单元受到卸载作用，卸载后，
其结果通常被认为是令人满意的。 常用地应力测量方法表6-1
二、水压致裂法 （一）方法原理及技术 基本原理 ： Po——孔隙水压或地下水压力。 Pb——初始压裂压力。 Ps——液体进入岩体内连续地 将岩体劈裂的液压，称为稳定 开裂压力。 Pso——关泵后压力表上保持的 压力，称关闭压力。 Pbo——开启压力。
（6-9）
显然，在一定深度范围，側向应力x 有可能为负； 令x=0，则由上式可得：
H0
2c cos (1 sin )
（6-10）
当H>H0时，才开始出现侧向应力x，并随深度成正比增加。
二、岩体构造应力场
1．构造应力的确定
构造应力尚无法用数学力学的方法进行分析计算，而只能采 用现场应力量测的方法来求得，但是构造应力的方向可以根据地 质力学的方法加以判断。
2、 组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算
一、岩体自重应力场 1．假设岩体为均匀连续价值，并为半无限空间体 在距地表深度H处，岩体的初始应力场为
z = H x = y = z xy=0
式中：H——岩体单元的深度（m）
——上覆岩体的平均重力密度（kN/m3） ——侧压力系数 若岩体视为各向同性的弹性体，x = 0，y = 0，由广义虎克定律：
1. 掌握初始应力、构造应力的概念，掌 握自重应 力的计算方法；
2. 了解原岩应力的一般规律及影响原岩应分布的因 素；
3. 了解岩应力的实测方法
1 岩体初始应力状态的概念与意义
原岩： 未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体。 原岩应力（亦称初始应力或地应力）： 定义之一：原岩中存在的应力。 定义之二：岩体在天然状态下所存在的内应力。
2h =Pso Pb –Pb0 =T0
1h =32h -Pb +T0
此时To=0 ，则式（6-19）
1h =32h -Pb0 –Pw
（6-20）
对比式（6-19）与式（6-20），可得，
Pb –Pb0 =T0
（6-21）
在关闭压力Pso这一特征点上，孔壁已开裂，即To=0，所以 ，此时，Pso等于与裂隙面垂直的应力，亦即：
2h =Pso
（6-22）
由此通过分析：可得出主应力及岩体抗拉强度 值：
-To
（6-16）
时，孔隙开裂，式中，To为岩体抗拉强度。
据此，可求得孔壁破裂的应力条件为：
32h -1h -Pb +T0=0
（6-17）
或1h =32h -Pb +T0
（6-18）
如果岩体中有孔隙水压力Pw时，则式6-18）变为：
1h =32h -Pb +T0 –Pw
（6-19）
若水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pbo称为开启压力，即
=1/2(1h + 2h)(1+a3/r2)- Pb a2/r2 -1/2(1h - 2h)(1- 3a4/r4)cos2
当 = a，即孔壁处，则，
（6-13）
r= Pb = (1h + 2h)- Pb -2 (1h - 2h) cos2 当 = 0时，有最小值，即：
（6-14）
按最大拉应力理论有：
x=1/E[x -（ y + z ）]=0
y=1/E[y -（ x + z ）]=0
由此得：
x = y = /（1- ） z = /（1- ）H
所以，侧压力系数= /（1- ）
2．成层岩体
n
z i hi
i 1
x y z
（6-3） （6-4）
（6-3）、（6-4）岩体在一定深度范围内成立。
（三）水压力和热应力
3．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 目的：了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工 程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。 岩体应力量测按目的可分为：岩体初始应力量测和地下工程应 力分布量测 岩体应力量测常用方法: 应力解除法、应力恢复法和水压致裂法。 工程中某种应力量测方法的精确度能控制误差在0.4MPa以内，
一般习惯把原岩应力分为自重应力场和构造应力场。 由上覆岩体的自重所引起的应力称为自重应力；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 质作用残存的应力统称为构造应力。
研究岩体初始应力状态的工程意义： 1. 正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化 2. 合理设计地下工程的支护尺寸
当深度小于一定数值时，会出现水平应力n大于垂直应力v。
三、影响岩体初始应力状态的其他因素 （一）地形 1. 山谷谷底的应力很大: 与岩体的均质程度有关（图6-6 ) 2. 地形对岩体初始应力影响的另一特征: (图6-7）
（二）地质条件对自重应力的影响 图6-8 背斜: 两翼应力增大, 中部应力降低; 向斜: 两翼应力降低, 核部应力增大. 图6-8 断层: 山峰地应力低, 山谷地应力高