巖體力學(xué)05-地應(yīng)力及其測量

第五章地應(yīng)力及其測量一、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)律三、地應(yīng)力測量的基本原理及方法一、地應(yīng)力的概念1、地應(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。2、重分布應(yīng)力（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?！胤植紤?yīng)力↓↑∧++++++++++++++++++天然應(yīng)力→←↓↑∧相對于第2洞室的天然應(yīng)力二、地應(yīng)力的研究意義1、天然應(yīng)力是引起巖土工程變形和破壞的根本作用力，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)力從開挖前到最終一直對圍巖起作用。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)性的原始資料。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，這項工程促進了地球動力學(xué)，包括地震機制研究的發(fā)展。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。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，都要用到地應(yīng)力這個基本參數(shù)。3、在巖土工程的數(shù)值分析方法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)?shù)。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。因此，地應(yīng)力是確定工程巖體力學(xué)屬性、進行工程巖體的穩(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。三、地應(yīng)力的研究歷史1、國際1878年海姆提出天然應(yīng)力；1932年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成功地測定了巖體中的天然應(yīng)力；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5108米（美國密西根水壓致裂法）。2、國內(nèi)50年代末開始天然應(yīng)力量測，有幾萬個測點，最深的有3958米（天津大港）。一、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)律三、地應(yīng)力測量的基本原理及方法一、地應(yīng)力的成因1、組成：巖體自重→自重應(yīng)力構(gòu)造運動→構(gòu)造應(yīng)力流體作用→滲流應(yīng)力地溫梯度→溫度應(yīng)力其它（地球化學(xué)作用等）2、構(gòu)造應(yīng)力起源：地幔熱對流——板塊運動地球自轉(zhuǎn)速度變化——地質(zhì)力學(xué)西南：印度板塊向NNE擠壓（5mm/a）東：太平洋板塊向W俯沖（1cm/a）南：菲律賓板塊向N俯沖北：西伯利亞板塊阻擋1跡線：N-NE-SSE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。1．地應(yīng)力一般是三軸壓應(yīng)力狀態(tài)，且為以水平應(yīng)力為主的三軸不等壓應(yīng)力場幾乎所有地區(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角一般不大于30。水平天然應(yīng)力以壓應(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，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。二、巖體天然應(yīng)力的分布特征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。在空間上，從小范圍來看，其變化是很明顯的，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。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)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)到震前狀態(tài)。以東經(jīng)100～105o為界分東西兩區(qū)。強度上：西強東弱（西高東低）方向上：西：NNE-SSW為主，東：近E-W。3．實測垂直應(yīng)力V基本上等于上覆巖層的重量對全世界實測垂直應(yīng)力資料的統(tǒng)計分析，在深度25~2700m的范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力呈線性增長，大致相當(dāng)于按平均重度27kN/m3計算的應(yīng)力值H。4．水平應(yīng)力h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，兩者之比一般為0.5~5.5，多數(shù)情況下大于2；平均水平主應(yīng)力（最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的平均值）與垂直主應(yīng)力的比值一般為0.5~5，大多數(shù)為0.8~1.5。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淺部應(yīng)力的形成與分布。5、平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值（平均側(cè)壓力系數(shù)）隨深度的增加而減小實測資料表明，在深度不大時，相當(dāng)分散，但隨著深度的增加，該值的變化范圍逐步縮小，并趨于1，表明在地殼深度有可能出現(xiàn)靜水壓力狀態(tài)。與深度z的關(guān)系為：6．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)果給出了芬諾斯堪的亞古陸最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力隨深度z(單位m)變化的線性關(guān)系為：7．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最小水平主應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力之比一般為0.2~0.8，多數(shù)是0.4~0.8各向異性的原因：構(gòu)造運動的方向性；巖體的各向異性8．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，特別是地形和斷層的影響很大在具有負地形的峽谷地區(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。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)力集中現(xiàn)象。第六章地應(yīng)力及其測量一、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)律三、地應(yīng)力測量的基本原理及方法自重應(yīng)力理論地震震源機制解地變形量測天然應(yīng)力測量大地水準(zhǔn)測量三角網(wǎng)測量GPS測量地應(yīng)力確定方法z·A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基準(zhǔn)面穩(wěn)定1、均質(zhì)各向同性巖體A·…2、水平層狀巖體3、垂直層狀巖體A…·二、天然應(yīng)力的量測天然應(yīng)力的量測方法水壓致裂法應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）套芯應(yīng)力解除法光彈法聲發(fā)射法X射線法A1、水壓致裂法tpc1pSpc2p0水壓力隨時間的變化曲線tpc1pSpc2p0假設(shè)：天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場，其鉛直應(yīng)力v=gz假設(shè)在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體中的一個小圓孔。作用應(yīng)力為h,max、h,min，根據(jù)彈性理論中的柯西解，未加水壓力時，A點的應(yīng)力為：

A=3h,min-h,max在水壓力作用下，孔壁產(chǎn)生拉裂破壞的條件為:

A維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為聯(lián)立上兩式有而：因此，可得測點的天然應(yīng)力為據(jù)巖體破裂方向確定：破裂平行于，垂直于，破裂方向由壓痕、井下電視等確定。優(yōu)點：測深大，z可達數(shù)百米，目前最深達5108米；施工技術(shù)簡單，不需要應(yīng)力計等儀器。應(yīng)力方向：千斤頂油泵時間千斤頂壓力pc測點分離值d0d步驟：①在巖壁上選擇測點，固定A、B兩點。d≈15cm；②刻槽應(yīng)力釋放、變形，d0

d;③安裝扁千斤頂;④加壓應(yīng)力恢復(fù)dd0，到d=d0時的千斤頂壓力即為；2、應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）⑤重復(fù)①~④測量另一個方向的W

；⑥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R和底板應(yīng)力W

時，則有:·3、鉆孔套芯應(yīng)力解除法①基本原理++++++++++++++++++儀器套芯解除鉆孔同心套鉆放應(yīng)變計應(yīng)力解除應(yīng)力計算位移恢復(fù)設(shè)天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場45°45°∴∵②計算公式：應(yīng)變計互成45°，據(jù)上式有用消元法解三元一次方程，得：應(yīng)變計互為60°時，可按下列公式計算60°60°選點、鉆孔：130mm

，深度一般小于30m;在孔底打一測量孔：36m