岩石力学第五讲、地应力

概述—地应力的成因
1、大陆板快的推挤---- 边界受压 cm/年 2、地幔热对流--- 硅镁质地幔的可塑、对流与蠕动， 上升流与下降流，引起水平切向应力，形成拉伸区 （裂谷）与挤压应力集中区。 3、地心引力---由岩体自重所引起的应力称为自重应力， 它在空间上有规律的分布称为自重应力场，自重应力 相对稳定。 4、岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩– 局部的
确定开裂方向 Pi
Ps
Pr
Ps Po
水力致裂法测量系统
第五节 地应力实测方法6
六、其它地应力测量方法 1、声发射（AE）技术 材料（ 岩石）在荷载作用下，其内部储存的应变能 的快速释放产生弹性波，会发出声音即声发射。由频 率（次/min）记录并衡量岩体破坏发展程度。 材料（ 岩石）对应力历史的记忆能力：当岩石再次 加载时，若没有达到其历史上所承受的最大应力之前， 岩体不发生明显的声发射现象，当应力达到和超过历 史最高水平时，则大量产生声发射。即Kaiser效应， 其转折点即Kaiser点。 利用Kaiser效应测量地应力：在现场沿6个方向取样， 每个方向15~25个试件，在压力机上 对试件加压同时 记录声发射频率，确定Kaiser点，确定本试件的先存 最大应力，每个方向统计，6个方向确定空间应力。
水力致裂法原理：
圆形孔壁在二维应力场σ1 σ2 下的径向 应力为0，环向应力的最小值为3 σ2 -σ1 当水压大于此值与岩石抗拉强度T时， 孔壁开裂。开裂压力：Pi = 3 σ2 -σ1 +T 继续注水裂缝开裂至3倍洞径深度后，保 持压力恒定，Ps与σ2 平衡： Ps=σ2 当已知T和裂纹方向时，应力大小和方 向可以确定。用多种方法确定裂纹方向。
第四节 影响地应力分布的因素2
三、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，应力上限会受到强度的 限制，岩体的弹性模量和强度与地应力有关。 Jaeger认为：地应力与岩石强度成正比 岩石的弹性模量相差50倍，地应力可能相差10倍 塑性岩体易变形，不利于地应力的积累。
四、温度对地应力的影响
第三节
ห้องสมุดไป่ตู้地应力的一般规律2
二、地壳浅部3km原岩应力的规律
1、原岩应力是非稳定的应力场，其大小 和方向随空间和时间而变化。 2、实测垂直应力基本上等于上覆岩体的 重力 3、水平应力普遍大于垂直应力
第三节
地应力的一般规律3
4、平均水平应力与垂直应力的比值与深度的关系 λ值随深度的增加而减小，100/H+0.3≤λ≤1500/H+0.5 如H=500m时, λ=0.5~3.5; 当H=2000m时, λ=0.35~1.25 5、两个水平应力之间的关系：随区域不同而变化。 6、应力轴与水平面的相对关系： 剪应力的存在、主应力轴的方向， 原岩应力的三个主应力轴一般与水平面有一定夹角，据此分类 水平应力场：两个主应力轴呈水平或与水 平面的夹角小于30度。 非水平应力场：一个主应力轴的与水平面 的夹角为45度左右，另两个主应力轴的与 水平面的夹角为0~45度左右。
σx =σy =μ/（1-μ）σz λ= μ/（1-μ）侧压系数
多层岩体的累加。
第二节 自重应力与构造应力2
3、构造应力：
内在力应力的测试结果表明地应力并不完全符合重力应力场的规律。 地壳中各种构造运动的力量在岩体内的积存就是构造应力，或称 为一定区域内具有成生联系的各种构造形迹在不同部位的应力状 态的总体。构造应力分为三类： ①与构造形迹相联系的原始构造应力： 每一次构造运动都会在地壳中留下构造行迹，岩体在构造行迹附 近的地应力可能表现得更强烈，其方向可用地质力学的方法判断 ②残余构造应力： 构造运动发生后应力会释放，同时经过漫长的地质年代，应力松 弛，使原始构造应力显著下降，但仍残余部分构造应力。 ③现代构造应力： 有些地区构造应力与构造行迹没有直接关系，但与现代构造运动 密切相关。现代地壳仍处在不断的运动和变化中（5~50mm/年）， 这些都是构造应力作用的结果。现代构造强烈的地区，水平地应 力可达98±49MPa。
5、地温梯度3℃/100m--热膨胀、收缩– 压应力
6、地表剥蚀的影响：松弛的速度、封闭应力
←大陆板快的推挤 中国板块的主应力迹线
地幔对流机制→ 上升流与下降流
第二节 自重应力与构造应力
1、原岩应力的地位与重要性： 力学研究的基本问题 岩体的荷载与材料力学的荷载 研究原岩应力的意义。 2、自重应力： 上覆岩体的重力引起的应力。 研究时将岩体视为半无限体的均 匀、连续、各向同性的弹性体。 垂直应力：σz = γH 水平应力：横向约束不变形，
一、应力解除法实测的基本原理 1、岩体内有原岩应力 2、原岩应力已使岩体产生变形 3、将岩块从岩体母体分离出来，原岩 应力得到解除，变形将恢复 4、测量恢复的变形值，根据应力应变 关系，计算引起变形的应力值。 二、应力解除法的步骤： 1、钻大孔至测点，避开二次应力影响； 2、磨平孔底，钻同心小孔（测量孔）， 一次扰动； 3、在测量孔安装测应变和位移的元件； 4、大孔套取岩芯，二次扰动，测量本 次扰动时应力解除后的应变。 5、用弹性力学中关于圆孔问题的解析 解建立观测方程。
概述 – 地应力的认识与测量
4、地应力是确定工程岩体力学性质、进行岩体稳定分析、 工程开挖设计等的必要前提。工程实践的发展与对岩体稳 定的力学认识过程。对荷载的认识。工程开挖等对地应力 场的改变，相当于卸载。 5、对地应力的认识过程：1912年瑞士Heim的观察与静水 应力状态假设，1926年苏联динник考虑泊松效应与侧限 情况的假设，李四光的构造应力的推断。 6、获得原岩应力的可靠方法为原位测量。1950s，Hast首 先开始实测地应力，得到了很多结论。随后，地应力实测 在全球开展。 7、原岩应力是空间和时间的函数。 8、原岩应力的相对稳定性。
第五节 地应力实测方法2
三、三孔交汇实测方法 为得到三维主应力的大小和方向， 将三个孔的实测资料汇总在一起。 1、孔径变形法：测量应力解除后钻孔直 径的变化量，在完整岩体内适用。 按弹性力学平面问题，圆孔孔径的变化： △d = f（E，μ，P x，P y，P x y，θ） 故至少应有三个不同方向的孔径变化才 能计算出P x，P y，P x y，一般在钻 孔变形计中安排4个孔径变化测头。 一般不测量沿钻孔轴线方向的应变，而 用三个孔的测量结果计算三维地应力
第三节
地应力的一般规律
一、重力应力场与构造应力场的分布特点： 1、重力应力场： ☆以垂直应力为主，垂直应力大于水平应力； ☆应力为压应力 ☆应力随深度增加而增加 在构造不发育地区、第四纪冲积层、裂隙 发育地区、岩性较软的塑性岩体地区，其应 力场基本符合重力应力场的分布规律。 2、构造应力场： ☆应力有压应力，也可有拉应力 ☆以水平应力为主，水平应力大于垂直应力 ☆分布很不均匀，通常以地壳浅部为主。 原岩应力基本由重力应力场和构造应力场叠加。 构造应力是复杂多变的，难以有定量的规律。
2、简述岩体工程分类的意义及Q系统分类方法。
3、简述声发射技术测量地应力的基本原理与方法。
课堂测验---- 三、计算题
某均质岩石，其强度曲线符合直线型库仑准则， 岩石的单轴抗压强度σc为86.6Mpa，单轴抗拉强度σt为 28.86Mpa，试求： ① 岩石的抗剪强度指标：粘聚力C和内摩擦角υ； ② 若岩石内某斜面上的正应力σ=35 Mpa，剪应力τ=40 Mpa，请判断岩体是否会沿此斜面破坏。 ③ 当围压σ3 =20Mpa时，岩石破坏时的轴向应力σ1为多 少？破坏面与最大主应力σ1 方向的夹角为多少度？
试验曲线图
声发射地应力试验系统：
加载系统 声发射监测系统
记录系统
2、位移反分析技术
在测点部位开凿试验巷道，按一定方式开挖形成应 力释放，围岩将产生位移，用仪器测量围岩表面和内部 测点的位移，根据位移量的大小反演分析围岩的力学参 数和地应力状态。反分析得到的是围岩在较大范围内的 地应力状况的综合值。 一般的力学分析：已知荷载和材料参 数求应力、应变分布和位移 u= f（E，μ，P x，P y，P x y，θ） 位移反分析：已知部分点位移，求荷 载和材料参数： P x/E，P y/E，P x y/E等。 目标函数与参数优化： J=Min（Uj-Us）2，求最优值。
假设： P y = γh， 求E。
课堂测验---- 概念
一、 解释下列名词： 1、软化性与软化系数 2、岩石质量指标R.Q.D
3、蠕变与松弛
4、岩体完整性系数（龟裂系数）
6、塑性滞环
5、 脆性破坏与延性破坏及特征
二、简答体：
1、试用基本的力学模型组合出弹粘性体（Maxwell体）， 并给出其本构关系。
第五节 地应力实测方法3
2、孔底应变法 ☆υ76mm金刚石钻头钻孔至测点 ☆用磨平钻头将孔底磨平、磨光、干燥 ☆用专用工具在孔底贴应变片 ☆ 测初读数 ☆ 套取岩芯，解除原岩应力 ☆ 测应力解除后的应变，得到恢复应变值 ☆ 取出岩芯，在实验室测定弹模、泊松比 将不同方向的应变转化为εx、εy、 γxy，由广义虎克定律计算测量剖 面的应力状态。 当需要测量三维应力状态时，可 向测点打三个不同方向的钻孔， 对各观测剖面的结果平差得出。
若钻孔中有裂隙水压力Po，则： Pi = 3 σ2 -σ1 +T – Po
在裂纹产生后卸压，裂纹闭合，重新加压至再次开裂(T=0) ， 记录压力 Pr: Pr = 3 σ2 -σ1– Po
Pi - Pr = T
σ2 = Ps （关闭压力）
σ1 = 3 Ps – Pr – Po Pi - Pr = T （岩石抗拉强度）
1、地温剃度的影响：温度升高引起体积膨胀，但变形受到约束， 会引起温度应力，地温剃度3度/100米，温度应力会随深度增加而 加大，约占垂直应力的1/9左右，但为静水压力场。 2、 岩体受局部温度变化的影响； 温度变化会产生收缩和膨胀，导致岩体内产生温度应力，有些 温度应力有可能残余。