5.1 岩体中的地应力
岩体初始应力及其测量
100 0.3 1500 0.5
H
H
2、两个水平应力旳关系一般有
H min 0.2 ~ 0.8 H max
3、最大、最小水平主应力随深度线性增长： σHmax＝6.7＋0.0444H(Mpa) σHmin＝0.8＋0.0329H(Mpa)
在地壳浅部，可以为岩体处于弹性状态，μ=0.20~0.30, 在深部，岩体转入塑性状态， μ=0.50 ，λ＝1，则有：
σx= σy= σz＝γz
各向等压旳应力状态，又称为静水压力状态。 著名旳海姆假说（瑞士地质学家1871）
§5-3 岩体构造应力
一、构造应力场旳概念 构造应力：由地质构造作用产生旳应力称为构造应力。
1
§5-2 岩体旳自重应力
一、基本公式 在均匀岩体中，深度为z处旳岩体旳竖向自重应力为：
z z
在半无限体中任一微元体上旳正应力均 为主应力，且有
x y, x y 0 xy yz zx 0
根据虎克定律：
x
y
1 E
(
x
( y
z)
0
得：
x
y
1
z
z
其中λ为岩体静止侧压力系数。
在均匀岩体中，岩体旳自重初始应力状态为：
2、了解原岩应力分布状态； 3、了解影响原岩应力分布旳原因； 4、熟悉几种应力解除法测试原岩应力旳措施和 测试环节。
§5-1 基本概念
原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然 平衡状态旳岩体，称为原岩。
围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布旳岩体， 称为围岩。
地质构造力学分析
• 单轴应力状态： • 双轴应力状态： • 三轴应力状态：
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第二章
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第二章
图2-3 三种应力状态 （a）单轴应力状态；（b）双轴应力状态；（c）三轴应力状态
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第二章
3. 单轴应力分析
在单轴应力状态下，变形物体中任意 斜截面上的正应力、剪应力与主应力σ 斜截面上的正应力、剪应力与主应力σ1之 间的关系。
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图2-19 非旋转应变和旋转应变 (a)非旋转应变；(b)旋转应变 （据E.S.希尔斯）
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• （2）旋转应变
当岩石受到一对相互平行、方向相反的力偶 作用时，岩石发生变形过程中的应变轴不仅长度 发生了改变，而且方位也发生了改变，这种应变 称为旋转应变或简单剪切应变。
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第二章
图2-4 单轴应力状态分析
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第二章
பைடு நூலகம்σ=
σ1
2
(1 + cos 2α )
τ=
σ1
2
sin 2α
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第二章
将上两公式两边平方后相加得：
σ1 σ1 2 σ − + τ = 2 2
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任务2 任务2 变形与应变分析
1. 变形 1.1 变形的概念
第二章
当物体受到外力作用时，组成物体各 个质点间的相对位置就会发生变化，这种 变化称为变形。
岩体应力及其测量
(
2?
60
?
2? 120
1? ?
? ?0 )
?
?0
?
1 3
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E 3(1 ?
? ) (? 60
?x
?
?x x
,
?
y
?
?y y
,
?
z
?
?z z
破坏联系，解除应力；弹性恢复，测出变形；根据变形，转求应力。
1、已知主应力方向的应力解除 如图示平板：
y
?1
? x ? ?3 ,? y ? ?1 在受力状态下，贴上应变片此时：
? x ? ? 3 ? 0, ? y ? ?1 ? 0
卸去外力，变形恢复，此时：
2、板块构造学说
该学说认为板块运动的核心是海底扩张。海底扩张是由于地幔 对流引起的。
三、构造应力场分析
根据岩体变形破坏机理，对构造运动留下的遗迹 （构造形迹）进行分析，以判断构造应力的主应力方向。 （一）构造形迹的形成机理 1、褶皱形成机理
2、断层和节理的形成机理 断层、节理形成机理有三种：张性的、扭性的、压性的。
地应力及其分布规律
地应力及其分布规律1 、地应力的基本概念地应力是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。
广义上也指地球体内的应力.它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。
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。
此外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。
2、地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，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、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。
其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。
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,地应力成因之一：地幔热对流（图１、图2）地应力成因之一：板块边界受压（图3)地应力成因之一:岩浆浸入(图4）３、地应力的影响因素地壳深层岩体地应力分布复杂多变,造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响,但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。
1)岩体自重的影响岩体应力的大小等于其上覆岩体自重,研究表明：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。
但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑,在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动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,剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前,岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量,而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。
地应力测量的原理和应用
地应力测量的原理和应用概述地应力测量是地下工程设计和地震预测等领域中非常重要的技术手段。
本文将介绍地应力测量的原理和应用，并通过列点形式进行详细阐述。
原理1.地应力是介质内部或界面上由应力引起的正常力。
地应力的大小和方向对于地下工程的稳定性和岩体的破裂破坏具有重要影响。
2.地应力的测量原理主要基于力学原理，通过测量岩石或土壤中的应变变化来推测应力的大小和方向。
3.常用的地应力测量方法包括孔隙水压力计法、直接测定法、剪切试验法等。
应用1.地应力测量在地下工程设计中的应用：–地下隧道和地下室的设计中需要考虑地应力的大小和方向。
–地下开采工程中，地应力测量可以预测地下岩体的稳定性，减少事故发生的风险。
–桥梁和大型建筑物的地基设计中，地应力的测量可以为结构的稳定性提供依据。
2.地应力测量在地震预测中的应用：–地应力测量可以用于监测地壳中的应力变化，进而预测地震的发生概率和可能的破坏范围。
–地应力测量可以与地震监测技术相结合，提高地震预测的准确性和可靠性。
优势和挑战优势•地应力测量可以提供地下工程设计和地震预测所需的重要参数。
•地应力测量可以帮助减少地下工程事故的发生概率，保证工程的安全性。
•地应力测量可以提高地震预测的准确性，为地震灾害防治提供科学依据。
挑战•地应力测量需要准确的仪器设备和专业的技术人员进行操作，成本较高。
•地应力测量的技术研究和应用仍存在一定的局限性，需要进一步的研究和发展。
结论地应力测量是地下工程设计和地震预测中不可或缺的重要技术。
通过了解地应力测量的原理和应用，可以更好地理解地下岩体和土壤的力学行为，为工程和地震预测提供科学依据。
同时，我们也要认识到地应力测量的局限性和挑战，促进地应力测量技术的进一步研究和发展，提高其应用的准确性和可靠性。
第4章_岩体地应力及其测量方法-hyr2015
3）李四光：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。
4）哈斯特：地应力测量发现存在于地壳上部的最
大主应力几乎处处是水平或接近水平的，从根本上动 摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观 点。
5）近期研究：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。当前的应力状态主要由最近一次的构 造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。
●
4.2地应力场的分布规律
4.2.4影响地应力场分布的主要因素
地形对地应力的影响
一般来说，谷底是应力集中的部位，越靠近谷底 应力集中越明显。 最大主应力在谷底或河床中心近于水平，而在两 岸岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面相平 行。
●霍克和布朗根据各国实测资料，总结出如下规律：
h,av 1500 100 0.3≤ ≤ 0.5 H v H
(4-8)
式中：H——深度（m）。
4.2地应力场的分布规律
4.2.4影响地应力场分布的主要因素
4.2.4影响地应力场分布的主要因素
地应力的分布规律受以下因素影响而发生变化：
影响因素：地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、 岩体力学性质、温度、地下水等。 ●特别是地形和断层的扰动影响最大。
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）
H v 为上覆岩层的柏松比。 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。
v H ， h
• 我国的地质学家李四光： • 20年代指出“在构造应力的作用仅影响地
地应力
。
水压致裂法原理
测量地应力的水压致裂法是借助封隔器在垂直钻孔中测点处封 隔一段,作为压裂段,通过加压段的水压力,使孔壁岩石破裂,然后用印 模器或通过安装电视照相机,得出压裂裂缝,借助罗盘测定压裂裂缝方 向,并根据压裂时的水压力计算岩体初始应力。 记录仪可测出距孔口不同位置地应力测量压裂曲线图， 经由水 压致裂数据处理软件将所测曲线图进行分析计算各测点的压力大小。， 而后关泵停止施压， 在
压力稳定后， 将之与大气接通。 4） 重张试验。等压裂管道内的压力回零， 再实行第二回次的重张试验， 即让上一次产生的破裂缝重新张开， 并实时记录压力随时间变化的曲线， 关泵后再记录压力随时间变化的衰减曲线， 然后接通压裂管道与大气的连 接， 将压力回零。 5） 印模。用印模胶筒对原生裂缝和产生压裂缝的孔段进行印模， 并对 印模胶筒上的裂缝痕迹进行记录分析， 计算出印模结果和压裂曲线以测出 地应力状态。 。
水压致裂原地应力测量是以弹性力学为基础，并以下面3 个假设
为前提：
（1）岩石是线弹性和各向同性的； （2）岩石是完整的，压裂液体对岩石来说是非渗透的；
（3）岩层中有一个主应力的方向和孔轴平行。
在上述理论和假设前提下，水压致裂的力学模型可简化为一个 平面应力问题，如下：
上图为水压致裂法简化为平面问题的原理图， 由弹性力学计算可得 出，
孔壁夹角为直角的A、B 两个点的应力集中σA、σB 分别为： σA=3σ2-σ1
σB=3σ1-σ2
（1）
临界破裂压力P1 即促使孔壁发生破裂的外加液压与岩石抗张强度 T 加上孔壁破裂处的应力集中的总和相等， 也就是：
P1= T+（ 3σ2-σ1） （2）
但如果岩石中存在着孔隙压力， 则有效应力为区域主应力所替换， 设孔隙压力为Po， σh 为原地应力场中最小水平主应力， 而σH 为最大
地应力及其原理PPT课件
第十九页，共110页。
▪ 我国的地质学家李四光：
▪ 20年代指出“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”。
第二十页，共110页。
▪ 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地 壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接 近水平的，而且最大水平应力主应力一般 为垂直应力的1～2倍。
第三十六页，共110页。
▪ 6.3 地应力的变化规律 ▪ 通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分
析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些 基本规律： ▪ （1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，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。三个主应力的大小和方向是随着时间和空间而 变化的，因而它是一个非稳定的应力场，
▪我国大陆板块发 生变形，产生水平 压应力场，其主应 力迹线如图4-1所 示。
第二十六页，共110页。
（2）地幔热对流引起的应力场 由硅镁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，就分为两股 方向相反的平流，经一定流程 直到与令一对流圈的反向平流 相遇，一起转为下降流回到地球 深处，形成封闭的循环体系。地 幔热对流引起地壳下面的水平
第二十三页，共110页。
▪ 6.2 地应力的成因 ▪ 产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不
是十分清楚。 ▪ 近30多年来的实测和理论分析表明，地应力
的形成主要与地球的各种运动过程密切相关，
第二十四页，共110页。
▪ 6.2地应力的成因
▪ 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、岩浆侵入和地球非 均匀扩容等。
地应力及其对工程的意义
地应力是指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。
它包括由地热、重力、地球自转速度变化及其他因素产生的应力。
地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑等各类岩土工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩土力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。
地应力的多变性和复杂性意味着其大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得，要了解某个地区的地应力状态，唯一的方法就是进行地应力测试，因此地应力测试是进行岩土工程，尤其是地下方向岩土工程的必经之路。
对地应力的研究有助于更好地了解地球内部的物理性质和运动规律，对于预防地质灾害、保障人类安全具有重要意义。
第2讲岩体地应力问题
3.2.4 岩浆入侵引起的地应力
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 触介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．
所以它是相对稳定的非稳定应力场。
在某些地震活跃的地区，地应力的大小和方向随 时间的变化是很明显的。如 1976 年唐山地震后， 在唐山凤凰山测得的最大主应力方向为北47°西， 与区域应力场的最大主应力方向有较大偏差． 78 年，在同一地点测量，其最大主应力方向变为近 东西向（北 89°西）与区域应力场最大主应力方 向相一致。邢台地震区也有类似情况。前苏联的 喀尔巴歼山、高加索等地，发现主应力方向每隔 6～12年就有一次较大变化．我国甘肃六盘山主应 力方向在三年内有 20 ～ 30°的改变．而瑞典北部 的梅尔格特矿区，发现现今应力场方向与20 亿年 前应力场方向完全相同．
3.3 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．三个主应力的大小和方向是随着空间 和时间而变化的，因而它是个非稳定的应力场． 地应力在空间上的变化，从小范围来看，其变化是 很明显的，从一个矿山到另一个矿山，从某一点到 相距数十米外的另一点，地应力的大小和方向也是 不同的．但就某个地区整体而言，地应力的变化是 不大的．
最大水平应力的值一般为垂直应力
的1～2倍，甚至更高。在某些地表 处测得的水平地应力达到7Mpa。
这个结果从根本上动摇了
地应力是静水压力的理论， 以及地应力以垂直应力为 主的观点。