巖體力學(xué)05-地應(yīng)力及其測量

1、第五章第五章 地應(yīng)力及其測量地應(yīng)力及其測量一、地應(yīng)力的概念及研究意義地應(yīng)力的概念及研究意義二、地應(yīng)力成因及分布的一般規(guī)律二、地應(yīng)力成因及分布的一般規(guī)律三、地應(yīng)力測量的基本原理及方法三、地應(yīng)力測量的基本原理及方法一、地應(yīng)力的概念一、地應(yīng)力的概念1 1、地應(yīng)力地應(yīng)力( (又稱為天然應(yīng)力、初始應(yīng)力、一次應(yīng)力又稱為天然應(yīng)力、初始應(yīng)力、一次應(yīng)力等）：人類工程活動之前存在于巖體中的應(yīng)力。等）：人類工程活動之前存在于巖體中的應(yīng)力。2 2、重分布應(yīng)力重分布應(yīng)力（又稱二次分布應(yīng)力、附加應(yīng)力等）（又稱二次分布應(yīng)力、附加應(yīng)力等）由于工程活動改變了的巖體中的應(yīng)力。由于工程活動改變了的巖體中的應(yīng)力。 重分布應(yīng)力重分布應(yīng)

2、力+ + + + + +天然應(yīng)力天然應(yīng)力 相對于第相對于第2洞洞室的天然應(yīng)力室的天然應(yīng)力二、地應(yīng)力的研究意義二、地應(yīng)力的研究意義1 1、天然應(yīng)力是引起巖土工程變形和破壞的根本作、天然應(yīng)力是引起巖土工程變形和破壞的根本作用力用力，其地位相當(dāng)于工程習(xí)慣中所理解的外部荷載，其地位相當(dāng)于工程習(xí)慣中所理解的外部荷載，但又與材料力學(xué)、彈性力學(xué)中泛指的外荷載又有不但又與材料力學(xué)、彈性力學(xué)中泛指的外荷載又有不同。地下工程是在原巖應(yīng)力作用下開挖的，即地下同。地下工程是在原巖應(yīng)力作用下開挖的，即地下工程是先受力、后開挖，并且地應(yīng)力從開挖前到最工程是先受力、后開挖，并且地應(yīng)力從開挖前到最終一直對圍巖起作用。終一直對

3、圍巖起作用。2 2、原巖應(yīng)力是涉及地殼問題各個學(xué)科領(lǐng)域最基礎(chǔ)性的原始資、原巖應(yīng)力是涉及地殼問題各個學(xué)科領(lǐng)域最基礎(chǔ)性的原始資料。料。 1 1）在地球物理領(lǐng)域，科學(xué)家們匯集了全球陸地與海底大量）在地球物理領(lǐng)域，科學(xué)家們匯集了全球陸地與海底大量的地應(yīng)力測量資料，編制了地殼應(yīng)力分布圖，并用于建立地的地應(yīng)力測量資料，編制了地殼應(yīng)力分布圖，并用于建立地殼構(gòu)造模型和研究地殼運動規(guī)律，這項工程促進(jìn)了地球動力殼構(gòu)造模型和研究地殼運動規(guī)律，這項工程促進(jìn)了地球動力學(xué)，包括地震機制研究的發(fā)展。學(xué)，包括地震機制研究的發(fā)展。 2 2）在采礦工程領(lǐng)域，原巖應(yīng)力的大小和方向是井巷斷面形）在采礦工程領(lǐng)域，原巖應(yīng)力的大小和方向是

4、井巷斷面形狀優(yōu)化設(shè)計、方位的合理選擇以及井巷支護、采場礦山壓力狀優(yōu)化設(shè)計、方位的合理選擇以及井巷支護、采場礦山壓力控制的最主要依據(jù)之一?？刂频淖钪饕罁?jù)之一。 3 3）在其它領(lǐng)域，如水利水電壩基選擇和大壩穩(wěn)定性，石油）在其它領(lǐng)域，如水利水電壩基選擇和大壩穩(wěn)定性，石油鉆孔孔壁穩(wěn)定性和增加采油率的裂井工程，核廢料處理中防鉆孔孔壁穩(wěn)定性和增加采油率的裂井工程，核廢料處理中防止泄露和污染、地?zé)崂霉こ桃约暗刭|(zhì)災(zāi)害防治工程等等，止泄露和污染、地?zé)崂霉こ桃约暗刭|(zhì)災(zāi)害防治工程等等，都要用到地應(yīng)力這個基本參數(shù)。都要用到地應(yīng)力這個基本參數(shù)。3 3、在巖土工程的數(shù)值分析方法如有限元法等、在巖土工程的數(shù)值分析方法

5、如有限元法等中地應(yīng)力的大小和方向也是最原始的輸入?yún)⒅械貞?yīng)力的大小和方向也是最原始的輸入?yún)?shù)數(shù)。沒有可靠正確的地應(yīng)力資料，任何數(shù)值。沒有可靠正確的地應(yīng)力資料，任何數(shù)值分析便沒有意義。分析便沒有意義。因此，地應(yīng)力是確定工程巖體力學(xué)屬性、進(jìn)因此，地應(yīng)力是確定工程巖體力學(xué)屬性、進(jìn)行工程巖體的穩(wěn)定性分析、實現(xiàn)巖體工程設(shè)行工程巖體的穩(wěn)定性分析、實現(xiàn)巖體工程設(shè)計和決策科學(xué)化的前提。計和決策科學(xué)化的前提。三、地應(yīng)力的研究歷史三、地應(yīng)力的研究歷史1 1、國際、國際l18781878年海姆提出天然應(yīng)力；年海姆提出天然應(yīng)力；l19321932年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成功年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成

6、功地測定了巖體中的天然應(yīng)力；地測定了巖體中的天然應(yīng)力；l到目前天然應(yīng)力測點遍布全球，有幾十萬個測點。到目前天然應(yīng)力測點遍布全球，有幾十萬個測點。大部分是淺部，最深大部分是淺部，最深51085108米（美國密西根水壓致米（美國密西根水壓致裂法）。裂法）。2 2、國內(nèi)、國內(nèi)l5050年代末開始天然應(yīng)力量測，有幾萬個測點，最年代末開始天然應(yīng)力量測，有幾萬個測點，最深的有深的有39583958米（天津大港）。米（天津大港）。 一、地應(yīng)力的概念及研究意義地應(yīng)力的概念及研究意義二、地應(yīng)力成因及分布的一般規(guī)律二、地應(yīng)力成因及分布的一般規(guī)律三、地應(yīng)力測量的基本原理及方法三、地應(yīng)力測量的基本原理及方法一、地應(yīng)力

7、的成因一、地應(yīng)力的成因1 1、組成、組成： 巖體自重巖體自重自重應(yīng)力自重應(yīng)力 構(gòu)造運動構(gòu)造運動構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力流體作用流體作用滲流應(yīng)力滲流應(yīng)力 地溫梯度地溫梯度溫度應(yīng)力溫度應(yīng)力其它其它（地球化學(xué)作用等）（地球化學(xué)作用等）2 2、構(gòu)造應(yīng)力起源、構(gòu)造應(yīng)力起源：地幔熱對流地幔熱對流板塊運動板塊運動 地球自轉(zhuǎn)速度變化地球自轉(zhuǎn)速度變化地質(zhì)力學(xué)地質(zhì)力學(xué))(zhgpw VhhVgh 121)(003. 0MPazT 西南西南：印度板塊向：印度板塊向NNENNE擠擠壓（壓（5mm/a5mm/a）東東：太平洋板塊向：太平洋板塊向WW俯沖俯沖（1cm/a1cm/a）南南：菲律賓板塊向：菲律賓板塊向N N俯沖俯沖北

8、北：西伯利亞板塊阻擋：西伯利亞板塊阻擋 1 1跡線跡線：N-NE-SSEN-NE-SSEv中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠壓，形成了中國大陸巖體中的天然應(yīng)力。壓，形成了中國大陸巖體中的天然應(yīng)力。1 1地應(yīng)力一般是三軸壓應(yīng)力狀態(tài)地應(yīng)力一般是三軸壓應(yīng)力狀態(tài)，且為以水平，且為以水平應(yīng)力為主的應(yīng)力為主的三軸三軸不等不等壓應(yīng)力壓應(yīng)力場場幾乎所有地區(qū)均有兩個主應(yīng)力位于水平或幾乎所有地區(qū)均有兩個主應(yīng)力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，其與水平面之間的夾接近水平的平面內(nèi)，其與水平面之間的夾角一般不大于角一般不大于3030 。水平天然應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，僅在一些裂水平天然應(yīng)力

9、以壓應(yīng)力為主，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且是以一向壓，谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且是以一向壓，一向拉多見。另外在地表卸荷帶影響區(qū)，一向拉多見。另外在地表卸荷帶影響區(qū)，也可能出現(xiàn)水平應(yīng)力為拉應(yīng)力的現(xiàn)象。也可能出現(xiàn)水平應(yīng)力為拉應(yīng)力的現(xiàn)象。二、巖體天然應(yīng)力的分布特征二、巖體天然應(yīng)力的分布特征2 2地應(yīng)力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場地應(yīng)力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場地應(yīng)力地應(yīng)力的三個主應(yīng)力的大小和方向隨著空間和時間的的三個主應(yīng)力的大小和方向隨著空間和時間的變化而變化，因而是非穩(wěn)定場。變化而變化，因而是非穩(wěn)定場。在空間上，從小范圍來看，其變化是很明顯的，相距在空間上，從小范圍來看，其變

10、化是很明顯的，相距數(shù)十米，應(yīng)力的大小和方向可能不同。但就整個區(qū)域數(shù)十米，應(yīng)力的大小和方向可能不同。但就整個區(qū)域而言地應(yīng)力的變化是不大的。因此，地應(yīng)力具有區(qū)域而言地應(yīng)力的變化是不大的。因此，地應(yīng)力具有區(qū)域性的特點。性的特點。地殼活動強烈的地區(qū)，地應(yīng)力大小和方向隨時間變化地殼活動強烈的地區(qū)，地應(yīng)力大小和方向隨時間變化明顯。地震前應(yīng)力積累，應(yīng)力值不斷升高；地震時應(yīng)明顯。地震前應(yīng)力積累，應(yīng)力值不斷升高；地震時應(yīng)力釋放，應(yīng)力值突然大幅下降。主應(yīng)力方向在地震時力釋放，應(yīng)力值突然大幅下降。主應(yīng)力方向在地震時會發(fā)生明顯的改變，在震后一段時間又會恢復(fù)到震前會發(fā)生明顯的改變，在震后一段時間又會恢復(fù)到震前狀態(tài)。狀態(tài)

11、。以東經(jīng)以東經(jīng)100100105105o o為界分東西兩區(qū)。為界分東西兩區(qū)。q 強度上：西強東弱（西高東低）強度上：西強東弱（西高東低）q 方向上：西：方向上：西： NNE-SSWNNE-SSW為主，東：近為主，東：近E-WE-W。3 3實測垂直應(yīng)力實測垂直應(yīng)力 V基基本上等于上覆巖層的本上等于上覆巖層的重量重量對全世界實測垂對全世界實測垂直應(yīng)力資料的統(tǒng)直應(yīng)力資料的統(tǒng)計分析，在深度計分析，在深度252700m252700m的范圍的范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力呈內(nèi)，垂直應(yīng)力呈線性增長，大致線性增長，大致相當(dāng)于按平均重相當(dāng)于按平均重度度27kN/m27kN/m3 3計算計算的應(yīng)力值的應(yīng)力值 H H。4 4水平

12、應(yīng)力水平應(yīng)力 h普遍大于垂直應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力 V最大水平主應(yīng)力普遍大于垂直主應(yīng)力，兩者之最大水平主應(yīng)力普遍大于垂直主應(yīng)力，兩者之比一般為比一般為0.55.50.55.5，多數(shù)情況下大于，多數(shù)情況下大于2 2；平均水平；平均水平主應(yīng)力（最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的主應(yīng)力（最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的平均值）與垂直主應(yīng)力的比值一般為平均值）與垂直主應(yīng)力的比值一般為0.550.55，大，大多數(shù)為多數(shù)為0.81.50.81.5。地殼中水平主應(yīng)力普遍大于垂直主應(yīng)力。地殼中水平主應(yīng)力普遍大于垂直主應(yīng)力。垂直主應(yīng)力多數(shù)情況下為最小主應(yīng)力，少數(shù)情垂直主應(yīng)力多數(shù)情況下為最小主應(yīng)力，少數(shù)情況為中間主應(yīng)

13、力，個別情況為最大主應(yīng)力。況為中間主應(yīng)力，個別情況為最大主應(yīng)力。說明水平構(gòu)造運動如板塊移動碰撞控制著地殼說明水平構(gòu)造運動如板塊移動碰撞控制著地殼淺部應(yīng)力的形成與分布。淺部應(yīng)力的形成與分布。5 5、平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的、平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值比值（平均側(cè)壓力系數(shù)平均側(cè)壓力系數(shù)） 隨深隨深度的增加而減小度的增加而減小實測資料表明，在深度實測資料表明，在深度不大時，不大時， 相當(dāng)分散，相當(dāng)分散，但隨著深度的增加，該但隨著深度的增加，該值的變化范圍逐步縮小，值的變化范圍逐步縮小，并趨于并趨于1 1，表明在地殼深，表明在地殼深度有可能出現(xiàn)靜水壓力度有可能出現(xiàn)靜水壓力狀態(tài)。狀態(tài)。 與深度與深度z

14、 z的關(guān)系為：的關(guān)系為： zz15005 . 01003 . 0 6 6水平應(yīng)力隨深度呈線性增長水平應(yīng)力隨深度呈線性增長斯蒂芬森等根據(jù)實測結(jié)果給出了芬諾斯堪斯蒂芬森等根據(jù)實測結(jié)果給出了芬諾斯堪的亞古陸最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)的亞古陸最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力隨深度力隨深度z( z(單位單位m)m)變化的線性關(guān)系為：變化的線性關(guān)系為：)(0329. 08 . 0)(0444. 07 . 6min,max,MPazMPazhh 7 7最大水平主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值一般相差較大，最大水平主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值一般相差較大，顯示出很強的各向異性顯示出很強的各向異性最小水平主應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力之比

15、一最小水平主應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力之比一般為般為0.20.80.20.8，多數(shù)是，多數(shù)是0.40.80.40.8各向異性的原因：構(gòu)造運動的方向性；巖各向異性的原因：構(gòu)造運動的方向性；巖體的各向異性體的各向異性8 8地應(yīng)力受地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)特地應(yīng)力受地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的影響很大特別是地形和斷層的影響很大在具有負(fù)地形的峽谷地區(qū)或山區(qū)，地形對侵在具有負(fù)地形的峽谷地區(qū)或山區(qū)，地形對侵蝕基準(zhǔn)面以上及以下一定范圍內(nèi)表現(xiàn)特別明蝕基準(zhǔn)面以上及以下一定范圍內(nèi)表現(xiàn)特別明顯。谷地是應(yīng)力集

16、中的部位，越靠近谷地應(yīng)顯。谷地是應(yīng)力集中的部位，越靠近谷地應(yīng)力集中越明顯。最大主應(yīng)力在谷地或河床中力集中越明顯。最大主應(yīng)力在谷地或河床中心近于水平，而在岸坡則向谷底或河床傾斜，心近于水平，而在岸坡則向谷底或河床傾斜，并大致與坡面平行。并大致與坡面平行。在斷層和結(jié)構(gòu)面附近，地應(yīng)力分布受到明顯在斷層和結(jié)構(gòu)面附近，地應(yīng)力分布受到明顯擾動，斷層端部、拐角處及交匯處出現(xiàn)應(yīng)力擾動，斷層端部、拐角處及交匯處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。集中現(xiàn)象。第六章第六章 地應(yīng)力及其測量地應(yīng)力及其測量一、地應(yīng)力的概念及研究意義地應(yīng)力的概念及研究意義二、地應(yīng)力成因及分布的一般規(guī)律二、地應(yīng)力成因及分布的一般規(guī)律三、地應(yīng)力測量的基本原理及

17、方法三、地應(yīng)力測量的基本原理及方法自重應(yīng)力理論自重應(yīng)力理論地震震源機制解地震震源機制解地變形量測地變形量測天然應(yīng)力測量天然應(yīng)力測量大地水準(zhǔn)測量大地水準(zhǔn)測量三角網(wǎng)測量三角網(wǎng)測量GPS測量測量地應(yīng)地應(yīng)力確力確定定方方法法 VhhVgz121zhA一、根據(jù)自重應(yīng)力理論確定巖體中的天然應(yīng)力一、根據(jù)自重應(yīng)力理論確定巖體中的天然應(yīng)力適用于：地質(zhì)構(gòu)造簡單、地層平緩、當(dāng)?shù)厍治g基適用于：地質(zhì)構(gòu)造簡單、地層平緩、當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面穩(wěn)定準(zhǔn)面穩(wěn)定1 1、均質(zhì)各向同性巖體、均質(zhì)各向同性巖體VhhniiiVEEgz|2111hA11z22z33ziiz2 2、水平層狀巖體、水平層狀巖體3 3、垂直層狀巖體、垂直層狀巖體VhV

18、hVEEgz112|1hAz二、天然應(yīng)力的量測二、天然應(yīng)力的量測天天然然應(yīng)應(yīng)力力的的量量測測方方法法水壓致裂法水壓致裂法應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）套芯應(yīng)力解除法套芯應(yīng)力解除法光彈法光彈法聲發(fā)射法聲發(fā)射法X射線法射線法AAmaxhminh1 1、水壓致裂法、水壓致裂法tpc1pS pc2p0水壓力隨時間的變化曲線水壓力隨時間的變化曲線tpc1pS pc2p0假設(shè)：假設(shè)： 天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場，其鉛直應(yīng)力天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場，其鉛直應(yīng)力 v v= = gzgz假設(shè)在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體中假設(shè)在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體中 的一的一個小圓孔。作用應(yīng)力為個小圓孔

19、。作用應(yīng)力為 h,maxh,max、 h,minh,min，根據(jù)彈性理論，根據(jù)彈性理論中的柯西解，未加水壓力時，中的柯西解，未加水壓力時，A A點的應(yīng)力為：點的應(yīng)力為： A A=3=3 h,minh,min- - h,maxh,max在水壓力作用下，孔壁產(chǎn)生拉裂破壞的條件為在水壓力作用下，孔壁產(chǎn)生拉裂破壞的條件為: : AAmaxhminh1maxmin3cthhp維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為 聯(lián)立上兩式有聯(lián)立上兩式有而：而：因此，可得測點的天然應(yīng)力為因此，可得測點的天然應(yīng)力為 21cctpp shp min 2max3cshpp minhsp shp

20、min 1max3ctshpp shp min 2max3cthpp gzv 據(jù)巖體破裂方向確定：破裂平行于據(jù)巖體破裂方向確定：破裂平行于 ，垂直，垂直于于 ，破裂方向由壓痕、井下電視等確定。，破裂方向由壓痕、井下電視等確定。maxhminh優(yōu)點：優(yōu)點： 測深大，測深大，z z可達(dá)數(shù)百米，目前最深達(dá)可達(dá)數(shù)百米，目前最深達(dá)51085108米；施米；施工技術(shù)簡單，不需要應(yīng)力計等儀器。工技術(shù)簡單，不需要應(yīng)力計等儀器。應(yīng)力方向：應(yīng)力方向：千斤頂千斤頂油泵油泵時間千斤頂壓力 pc測點分離值 d0 d步驟：步驟：在巖壁上選擇測點，固定在巖壁上選擇測點，固定A A、B B兩點。兩點。d15cmd15cm；刻

21、槽應(yīng)力釋放、變形，刻槽應(yīng)力釋放、變形，d d0 0 d; d;安裝扁千斤頂安裝扁千斤頂; ;加壓應(yīng)力恢復(fù)加壓應(yīng)力恢復(fù)d d d d0 0，到，到d=dd=d0 0時的千斤頂壓力時的千斤頂壓力即為即為 ；R 2 2、應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）、應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）重復(fù)重復(fù) 測量另一個方向的測量另一個方向的 WW ；計算天然應(yīng)力：假定天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場，計算天然應(yīng)力：假定天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場，當(dāng)測得側(cè)壁應(yīng)力當(dāng)測得側(cè)壁應(yīng)力 R R和底板應(yīng)力和底板應(yīng)力 WW 時，則有時，則有: :RwhRwv83818183vRWh3 3、鉆孔套芯應(yīng)力解除法、鉆孔套芯應(yīng)力解除法基本原理基本原理+ + + + + +vh1h2h儀器儀器h套芯解除套芯解除鉆孔鉆孔同心套鉆同心套鉆放放應(yīng)變計應(yīng)變計應(yīng)力解除應(yīng)力解除應(yīng)力計算應(yīng)力計算位移恢復(fù)位移恢復(fù)設(shè)天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場設(shè)天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場cubuau113x4545 2cos23131 maERu 2cos(2)(2sin)31(2)31(2cos)31(2)31(cos)180cos(,sin)90cos()90(2cos(2)()45(2cos(2)(2cos(2)()3