地应力场研究

地应力及其分布规律

地应⼒及其分布规律地应⼒及其分布规律————————————————————————————————作者：————————————————————————————————⽇期: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。

第4章地应力及其测量

地心引力引起的应力场
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
地应力的成因
产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十
分清楚的问题。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，其中，构造应力场和重力应力场为现今地应力场的主要组成部分
Байду номын сангаас
岩浆侵入引起的应力场
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，并从接触界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

2 地应力分布的若干规律
地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，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，从某一点到相距数十米外的另一点，地应力的大小和方向也可能是不同的，但就某个地区整体而言，地应力的变化是不大的。如我国的华北地区，地应力场的主导方向为北西到近于东西的主压应力

5、地应力

Drilling Direction and Stress
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis 60° cone
水平主应力的测量：
测量的对象：水平地应力的大小和方向
地应力方向的测量方法：井壁崩落椭圆法地质力学方法压裂裂缝监测法地应力大小的测量方法：水力压裂试验声发射Kaiser效应
岩心差应变实验法
一、井壁崩落椭圆法判断水平地应力方向
水平最大主应力方向
一般情况下，井壁坍
塌形成的椭圆形井眼，
长轴与最大水平主地应力方向垂直
（理论依据是什么？）
水平最小主应力方向
井壁发生坍塌后的井眼形状与井眼钻开后应力的重分布有关井眼坍塌破坏形状σ Nhomakorabeah
σ
H
σ
H
σ
h
井眼坍塌长轴方向的变化
水平最小主应力节理破碎地层塌块大，井眼长轴在最大水平地应力方位水平最小主应力
水平最大主应力
完整地层塌块小，井眼长轴在最小水平地应力方位
井壁崩落椭圆资料的获取与识别
应力
取心方式与实验设备
加载装臵
声信号接收设备
实验步骤：
加工好的岩样套上橡胶封隔套，装入高压釜中；
加围压至设定值，并使之保持恒定；
以恒定的加载速给岩样施加向载荷；记录下加载过程中岩样内部微破坏所发出的声发射信号将向载荷卸致零，进行第二次加载；绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲线。

自然崩落法矿山深部地应力场分布规律的测试研究

Ｍｉｅｎ．Ｒｅｕｔｈｗｅｈｔｔｅｐｉｃｐｌｓｒｓｉｅｒｙｉｃｅｓｄｗｉｈａｎｒａｅｉｅｔｎ１ｒａｈｄ３７ａｓｌｓｓｏｄｔａｈｒｎｉａｔｅｓｌｎａｌｎｒａｅｔｎｉｃｅｓｎｄｐｈ，ａｄｅｃｅ７．３ＭＰａ４ｌｖｌｎｈｉｒｅａｉｎａｅａｌｉｔ３０ｍｅｅ，ａｄｔｅｒｏｉｎｔｔｒｌｎＮＥＥｒｃｉｎｓｏｎｏｓｓｅｃｏｄｉｅｔｈｗｉｇａｃｎｉｔｎｆｒｏｈｏｏｔｌｓｒｓｃｏｔｏｉ
ＭＡｈｎｄＣｕ — ｅ，Ｌｉｂｎ，ＣＨＥｅｇＩＸ — ｉｇＮＦｎ，ＸＵＪ — ｈｎｉｅｇｃ
（ｃｏｌｆＲｓｕｃｓｎａｅｎｉｅｉ，ＣｎｒｌｏｔＵｉｒｔ，ｈｎｓａ４０８，ｕａ，Ｃｉ）ＳｈｏｏｅｒｄＳｆｔＥｇｎｒｇｅｔｕｈｎｖｓｙＣａｇｈ１０３ＨｎｎｈｎｏｅａｙｅｎａＳｅｉａ
Ａｂｔａｔｓｒｃ：ＬＵＴ— ａｅａｕｅｎｙｔｍｏｎ—ｉｕｓｒｓｓｕｅｎｔｅｄｅｎｎｒａｏｎｋａｇｕＣｏｐｒｂｓｄｍｅｓｒｍｅｔｓｓｅｆｒｉｓｔｔｅｓｗａｓｄｉｈｅｐｍｉｉｇａｅｆＴｏｇｕｎｙｐｅ
地应力测量对矿山开采设计具有十分重要的意
义 ¨ 。只有准确掌握了矿山的地应力分布特征和变化规律，能合理确定矿山总体布置，才选取适当的采矿方法，确定巷道和采场的最佳走向、面形状、面尺断断寸、开挖步骤、支护方式、支护结构参数等，而在保证从围岩稳定的前提下，最大限度地增加矿石产量，高矿提

4-地应力及其测量解析

5
e) 对地应力的传统认识有误。
1912年A.Heim h v H
1926年A.H.Динник
h
H 1
20世纪50年代N.Hast实测发现存在于地壳上部的最大主应力方向接近水平的，而且最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍，甚至更多。
6
4.1.3 地应力的成因
1）地幔热对流
• 硅镁质组成的地幔因高温，上下对流、蠕动，深部地幔上升到顶部时变成2股方向相反的平流：与反向平流相遇，转为下降流进入深部，形成封闭的循环体系。
Pb0 Pb0
Ps
Ps
Ps0
Ps
Ps0
Ps
P0
P0 ④Ps0-关闭压力
⑤Pb0-重张压力
图压裂过程泵压变化及特征压力
36
• 各特征压力的物理意义 ①P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力 ②Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力 ③Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开
裂压力 ④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩
y 1 sin
z 1 sin
17
（4）当松散介质有一定粘聚力时 (c>0 )
侧压力为：
x
H
1 sin 1 sin
2c cos 1 sin
18
注：当 x 0
说明无侧压力
x 0
无侧压力深度
HO
2C cos
1 sin
19
5)地质构造应力
20
5)地质构造应力
Fujianshanghang，
平均水平应力 K 垂直应力
K 1500 0.5 Z
K 100 0.3 Z
4.4 高地应力地区的主要岩石力学问题

地应力的测量方法

地应力的测量原理目前地应力测量方法有很多种，根据测量原理可分为三大类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。

其中，应力解除法与水压致裂法得到比较广泛的应用，其他几种只能作为辅助方法。

1.应力解除法测试原理和技术1.1应力解除法测试原理具有初始应力的岩体，用人为的方法卸去其应力，在岩体恢复变形的过程中测试其应变，然后用弹性力学理论计算出地应力的大小，得出其方向、倾角。

目前国内外地应力测量普遍采用空心包体应变计测量技术。

KX一81型空心包体应变计由A、B、C 3组共12枚应变片嵌埋在1个壁厚约3 mm的空心环氧树脂圆筒中间，圆筒外表面与钻孔壁用专用环氧树脂胶黏结在一起，其是在澳大利亚CSIRO空心包体应变计的基础上研制出来的，是套钻孔应力解除法的一种，只需1个孔就能测量出某点的三维原岩应力，具有使用方便、安装操作简单、成本低、效率高等优点。

1.2完全温度补偿技术KX一81型空心包体应变计与其他许多应变测量仪器一样，均采用应变计作为敏感元件，并根据惠斯顿电桥的原理13J，将应变的变化转换成电压变化经放大后记录下来。

电阻应变计对温度变化是很敏感的，温度发生变化时应变计的电阻值将发生变化，从而产生虚假的附加应变值。

因此在现场测试中必须采取温度补偿措施。

惠斯顿电桥原理：平衡时，检流计所在支路电流为零，则有，（1）流过R1和R3的电流相同（记作I1），流过R2和R4的电流相同（记作I2）。

（2）B，D两点电位相等，即UB=UD。

因而有I1R1=I2R2；个阻值已知，便可求得第四个电阻。

测量时，选择适当的电阻作为R1和R2，用一个可变电阻作为R3，令被测电阻充当R4，调节R3使电桥平衡，而且可利用高灵敏度的检流计来测零，故用电桥测电阻比用欧姆表精确。

地应力基本概念及测量方法

地应力基本概念及测量方法应力等因素导致岩体具有初始地应力（或简称地应力）是最具有特色的性质之一。

就岩体工程而言，如不考虑岩体地应力这一要素，就难以进行合理的分析和得出符合实际的结论。

岩体应力天然应力是指未经人为扰动的，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。

天然应力构成：岩体自重自重应力构造运动构造应力流体作用静水压力梯度，渗流应力其他（低温、地球化学作用）地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极大，它不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且往往对各类建筑物的设计和施工造成直接的影响。

比如，地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏。

这都是由于在具有初始地应力场的岩体中进行开挖所致，因为这种开挖荷载通常是地下工程问题中的重要荷载。

由此可见，如何测定和评估岩体的地应力，如何合理模拟工程区域的初始地应力场以及正确和合理地计算工程问题中的开挖荷载，是岩石力学与工程问题中不可回避的重要问题。

已有的研究和工程实践表明，浅部地壳应力分布主要有如下的一些基本规律：地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。

实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。

水平应力普遍大于垂直应力。

平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。

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。

最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。

地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。

高应力区实践表明，在高应力区，地表、地下工程施工期间所进行的岩体开挖工作，往往能在岩体内引起一系列与卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，其结果是不仅会恶化地基或边坡岩体的工程地质条件，而且作用的本身有时也会对建筑物造成直接的危害。

地应力知识

地应力知识简介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。

随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。

一地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。

30多年来的实测和理论分析表明，地应力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、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。

1大陆板块边界受压引起的应力场以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。

在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。

2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。

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。

3由地心引力引起的应力场（也称为重力场）重力场，是各种应力场中唯一能够计算的应力场。

重力应力为垂直方向应力，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。

4岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。

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均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，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。

岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。