第九章原巖應(yīng)力及其測(cè)量

1、資源與環(huán)境工程學(xué)院原巖應(yīng)力及其測(cè)量資源與環(huán)境工程學(xué)院原巖應(yīng)力構(gòu)成原巖應(yīng)力構(gòu)成及影響因素基本概念1、原巖：未經(jīng)采掘而又不受采動(dòng)影響仍處于自然平衡狀態(tài)的巖體稱為原巖。資源與環(huán)境工程學(xué)院原巖應(yīng)力構(gòu)成2、原巖應(yīng)力：在原巖中天然存在的應(yīng)力稱為原巖應(yīng)力，亦稱天然應(yīng)力、初始應(yīng)力或地應(yīng)力。3、次生應(yīng)力：在巖體中進(jìn)行開挖以后，擾動(dòng)了原巖的自然平衡狀態(tài)，引起巖體中應(yīng)力的重新分布，變化后的應(yīng)力稱為次生應(yīng)力或二次應(yīng)力。資源與環(huán)境工程學(xué)院原巖應(yīng)力構(gòu)成原巖應(yīng)力的構(gòu)成 由巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地形、地震力、水壓力、熱應(yīng)力、剝蝕作用等作用力構(gòu)成。資源與環(huán)境工程學(xué)院巖體初始應(yīng)力場(chǎng)巖體初始應(yīng)力場(chǎng)1、巖體自重應(yīng)力場(chǎng)將巖體視為均勻

2、、連續(xù)且各向同性的彈性體。海姆理論Hz鉛垂應(yīng)力Hzyx水平應(yīng)力0zxyzxy剪應(yīng)力資源與環(huán)境工程學(xué)院巖體初始應(yīng)力場(chǎng)金尼克理論Hz鉛垂應(yīng)力HHzyx1水平應(yīng)力0zxyzxy剪應(yīng)力資源與環(huán)境工程學(xué)院巖體初始應(yīng)力場(chǎng)當(dāng)深度H內(nèi)有多層巖石，且各層巖石容重不同時(shí)：niiiiiyxH11Hz鉛垂應(yīng)力水平應(yīng)力0zxyzxy剪應(yīng)力資源與環(huán)境工程學(xué)院巖體初始應(yīng)力場(chǎng)巖體構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力：這種在地殼中促使地殼發(fā)生變動(dòng)的力稱為構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)：構(gòu)造應(yīng)力在空間的分布狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。資源與環(huán)境工程學(xué)院巖體初始應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力種類原始構(gòu)造應(yīng)力殘余構(gòu)造應(yīng)力現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力資源與環(huán)境工程學(xué)院原巖應(yīng)力分布的規(guī)律原巖應(yīng)力分布的規(guī)

3、律自重應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)：1、以垂直應(yīng)力為主，垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力。2、應(yīng)力均為壓應(yīng)力。3、應(yīng)力隨深度增加而增加。 通常對(duì)于一些構(gòu)造不發(fā)育、第四紀(jì)沖積層或巖體裂隙較發(fā)育，巖性較軟的地區(qū)，其原巖應(yīng)力基本符合重力應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)。資源與環(huán)境工程學(xué)院原巖應(yīng)力分布的規(guī)律構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)：1、應(yīng)力可能是壓應(yīng)力，也可能是拉應(yīng)力。2、以水平應(yīng)力為主，一般水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。3、分布很不均與，以地殼淺部為主。資源與環(huán)境工程學(xué)院地殼淺部原巖應(yīng)力分布的規(guī)律地殼淺部原巖應(yīng)力分布的規(guī)律：1、原巖應(yīng)力場(chǎng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)。資源與環(huán)境工程學(xué)院地殼淺部原巖應(yīng)力分布的規(guī)律2、實(shí)測(cè)鉛垂應(yīng)力基本上等于上覆巖層重量。資源與

4、環(huán)境工程學(xué)院地殼淺部原巖應(yīng)力分布的規(guī)律3、水平應(yīng)力普遍大于鉛垂應(yīng)力。資源與環(huán)境工程學(xué)院地殼淺部原巖應(yīng)力分布的規(guī)律4、平均水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力的比值隨深度的增加而減小。資源與環(huán)境工程學(xué)院地殼淺部原巖應(yīng)力分布的規(guī)律5、水平主應(yīng)力隨深度增加呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。6、兩個(gè)水平主應(yīng)力一般相差較大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性。7、應(yīng)力軸與水平面一般有一定的角度。資源與環(huán)境工程學(xué)院影響原巖應(yīng)力分布的因素影響原巖應(yīng)力分布的因素1、地形2、巖體的結(jié)構(gòu)、裂隙面3、巖體的力學(xué)性質(zhì)4、剝蝕作用5、溫度6、水資源與環(huán)境工程學(xué)院原巖應(yīng)力測(cè)量原巖應(yīng)力測(cè)量直接測(cè)量法扁千斤頂法聲發(fā)射法水壓致裂法剛性包體應(yīng)力計(jì)法間接測(cè)量法全應(yīng)力解除法局部應(yīng)力

5、解除法孔底應(yīng)力解除法孔徑變形法孔壁應(yīng)變法切槽解除法平行鉆孔法中心鉆孔法資源與環(huán)境工程學(xué)院扁千斤頂法扁千斤頂法資源與環(huán)境工程學(xué)院扁千斤頂法1、扁千斤頂法測(cè)試步驟、在準(zhǔn)備測(cè)量巖石表面安裝兩個(gè)測(cè)量柱，并用微米表測(cè)量?jī)芍g的距離。、在于兩測(cè)量柱對(duì)稱的中間位置開挖一個(gè)垂直于測(cè)量柱連線的扁槽，槽的大小、形狀、厚度應(yīng)與扁千斤頂一致。資源與環(huán)境工程學(xué)院扁千斤頂法、將扁千斤頂完全塞進(jìn)槽內(nèi)，必要時(shí)需注漿將扁千斤頂與巖石膠結(jié)在一起。然后加壓，待兩測(cè)量柱之間距離恢復(fù)到開挖前大小時(shí)，停止加壓，記錄下此時(shí)扁千斤頂中壓力。資源與環(huán)境工程學(xué)院扁千斤頂法2、扁千斤頂法特點(diǎn)、扁千斤頂法只能測(cè)量一維次生應(yīng)力。、扁千斤頂法假定巖石

6、完全線彈性。資源與環(huán)境工程學(xué)院聲發(fā)射法聲發(fā)射法聲發(fā)射法測(cè)試步驟、試件制備。、聲發(fā)射測(cè)試。、原巖應(yīng)力計(jì)算。資源與環(huán)境工程學(xué)院聲發(fā)射法資源與環(huán)境工程學(xué)院剛性包體應(yīng)力計(jì)法剛性包體應(yīng)力計(jì)法 剛性包體壓力計(jì)由硬質(zhì)金屬材料制成的空心圓柱，其中心部位有一個(gè)壓力傳感器。測(cè)量時(shí)首先在測(cè)點(diǎn)打一鉆孔，然后將該圓柱擠壓進(jìn)鉆孔中。這就相當(dāng)于位于無限體中的剛性包體，當(dāng)周圍巖體應(yīng)力發(fā)生變化，在剛性包體中產(chǎn)生一個(gè)均勻分布的應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)的大小與巖體中應(yīng)力的變化存在一定的比例關(guān)系。資源與環(huán)境工程學(xué)院剛性包體應(yīng)力計(jì)法資源與環(huán)境工程學(xué)院剛性包體應(yīng)力計(jì)法資源與環(huán)境工程學(xué)院剛性包體應(yīng)力計(jì)法資源與環(huán)境工程學(xué)院水壓致裂法水壓致裂法 水壓

7、致裂法是通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定測(cè)量深度加液壓將孔壁壓裂，測(cè)定壓裂過程中的各特征點(diǎn)壓力及開裂方位，以此計(jì)算測(cè)點(diǎn)附近巖體中初始應(yīng)力大小和方向。資源與環(huán)境工程學(xué)院水壓致裂法資源與環(huán)境工程學(xué)院水壓致裂法水壓致裂法應(yīng)力計(jì)算方法2cos231310r133tiP1333sP當(dāng)031133資源與環(huán)境工程學(xué)院水壓致裂法當(dāng)考慮水壓力時(shí)0133PPPri0133PPTi 避免尋求鉆孔抗拉強(qiáng)度的困難，采取先使鉆孔裂隙打開，然后泄壓，再重新加壓，使裂隙重新打開，記錄裂隙重開時(shí)的壓力pr，即有：資源與環(huán)境工程學(xué)院水壓致裂法水壓致裂法測(cè)試步驟、打孔到測(cè)量部位，并將鉆孔中待加壓段用封隔器密封起來。、向密封隔離段注射高壓水，

8、不斷加大水壓，至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力Pi,然后繼續(xù)加壓直到裂隙擴(kuò)張到3倍鉆孔直徑。資源與環(huán)境工程學(xué)院水壓致裂法、停止增壓，保持壓力恒定，此時(shí)的壓力稱為關(guān)閉壓力，記為Ps。最后卸壓，裂隙完全閉合。、重新向密封段注水，使裂隙重新打開并記下裂隙重開時(shí)的壓力Pr和隨后的恒定關(guān)閉壓力Ps。重復(fù)此過程23次，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。資源與環(huán)境工程學(xué)院水壓致裂法、將封隔器完全卸壓，將全部設(shè)備從鉆孔中取出。、測(cè)量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗(yàn)段天然節(jié)理、裂隙位置、方向和大小。資源與環(huán)境工程學(xué)院應(yīng)力解除法應(yīng)力解除法 將具有初始應(yīng)力的巖體用人為的方法解除其應(yīng)力，使巖體變形恢復(fù)，再通過某種手段測(cè)出巖體恢復(fù)的變形（應(yīng)變

9、或位移），然后按彈性理論求出巖體應(yīng)力（主應(yīng)力的大小和方向）。資源與環(huán)境工程學(xué)院應(yīng)力解除法資源與環(huán)境工程學(xué)院孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法 先打平底鉆孔到需測(cè)應(yīng)力的預(yù)定深度，再把電阻應(yīng)變片（或光彈性應(yīng)變計(jì)）等測(cè)量應(yīng)變的裝置貼在孔底平面中部作為應(yīng)變傳感器，然后用環(huán)形鉆頭延伸鉆孔，使貼有應(yīng)變花的巖芯與基巖分離，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力解除。根據(jù)應(yīng)力解除過程中的孔底恢復(fù)應(yīng)變，轉(zhuǎn)求巖體應(yīng)力，這種方法稱為孔底應(yīng)力解除法。資源與環(huán)境工程學(xué)院孔底應(yīng)力解除法資源與環(huán)境工程學(xué)院孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除測(cè)試步驟 、在測(cè)點(diǎn)處用76鉆頭打一平底鉆孔至擬測(cè)深度。、用磨平鉆頭將孔底磨平、打光，沖洗鉆孔，并使之干燥。資源與環(huán)境工程學(xué)院孔底應(yīng)

10、力解除法、將環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑涂到孔底和應(yīng)變傳感器探頭上，用安裝器將傳感器粘貼在孔底，經(jīng)20小時(shí)等粘接劑固化后，讀取初始應(yīng)變讀數(shù)，拆除安裝工具。、用環(huán)形鉆頭鉆出環(huán)形間隙，深度為巖芯直徑2倍，以便使貼有電阻應(yīng)變花的孔底巖芯與基巖分離，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力解除。資源與環(huán)境工程學(xué)院孔底應(yīng)力解除法、測(cè)量解除后的應(yīng)變值，它與初始讀數(shù)之差即為恢復(fù)的應(yīng)變值。、取出巖芯，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定巖芯彈性模量和泊松比。資源與環(huán)境工程學(xué)院孔底應(yīng)力解除法資源與環(huán)境工程學(xué)院孔底應(yīng)力解除法計(jì)算方法由孔底應(yīng)變計(jì)算孔底應(yīng)力基本條件2sin2sincos22xyyx資源與環(huán)境工程學(xué)院孔底應(yīng)力解除法112900900Ex112900900Ey900452

11、12Exy01yxE901xyEExyxy12資源與環(huán)境工程學(xué)院孔底應(yīng)力解除法由孔底應(yīng)力計(jì)算巖體應(yīng)力分量對(duì)于深孔，由經(jīng)驗(yàn)公式可得zyxxcbazxyycbaxyxyd一般取：25. 1a0b645. 075. 0cad資源與環(huán)境工程學(xué)院孔底應(yīng)力解除法對(duì)于淺孔，按平面應(yīng)力問題處理：xxayyaxyxya資源與環(huán)境工程學(xué)院孔底應(yīng)力解除法次主應(yīng)力的計(jì)算2212221xyyxyx2232221xyyxyxyxxytg2（逆時(shí)針為負(fù)）yxxE1xyyE1Exyxy12資源與環(huán)境工程學(xué)院孔徑變形法孔徑變形法 在欲測(cè)巖體應(yīng)力處先鉆一大孔到指定深度，然后在孔底平面鉆一同心小孔，在小孔內(nèi)安裝不同類型的孔徑變形傳

12、感器，再用環(huán)形套鉆延伸小孔，形成與基巖分離的筒狀巖芯。由于卸載使小孔孔徑發(fā)生變化，根據(jù)孔徑變形傳感器測(cè)出孔徑三個(gè)方向的變化量，按彈性力學(xué)公式即可確定垂直于鉆孔平面的巖體應(yīng)力狀態(tài)，這種方法稱為孔徑變形法。資源與環(huán)境工程學(xué)院孔徑變形法資源與環(huán)境工程學(xué)院孔徑變形法孔徑變形應(yīng)力解除測(cè)試步驟、在測(cè)點(diǎn)處用90鉆頭打大孔鉆孔至擬測(cè)深度，再將孔底磨平。、在大孔孔底用36鉆頭鉆一同心小孔，清洗小孔并吹干，在小孔中部涂上適量粘接劑。資源與環(huán)境工程學(xué)院孔徑變形法、將應(yīng)變花通過安裝器粘到孔壁上，待粘接劑固化后，讀取讀數(shù)。取出安裝器，用封孔栓堵塞小孔。、用90套鉆進(jìn)行應(yīng)力解除，并讀取應(yīng)力解除后的小孔孔徑變形值。、取出巖

13、芯，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定巖芯彈性模量和泊松比。資源與環(huán)境工程學(xué)院孔徑變形法計(jì)算方法若是淺孔，則是平面應(yīng)力問題：2cos23131Edu資源與環(huán)境工程學(xué)院孔徑變形法若是深孔，則是平面變形問題：2cos2131312Edu2132322213212312216uuuuuuuuudE資源與環(huán)境工程學(xué)院孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法 在鉆孔壁粘貼應(yīng)變花，通過測(cè)量應(yīng)力解除前后的應(yīng)變，來推算巖體應(yīng)力，這種方法稱為孔壁應(yīng)變法。資源與環(huán)境工程學(xué)院孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法測(cè)試步驟、在測(cè)點(diǎn)處用90鉆頭打大孔鉆孔至擬測(cè)深度，再將孔底磨平。、在大孔孔底用36鉆頭鉆一同心小孔，清洗小孔并吹干，在小孔內(nèi)壁不同方向涂上適量粘接劑，并粘上3組直角應(yīng)變花，讀取初始