第4章-巖體地應(yīng)力及其測(cè)量方法-hyr2015

第4章

巖體地應(yīng)力及其測(cè)量方法§1概述§2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律§3高地應(yīng)力區(qū)特征§4地應(yīng)力測(cè)量方法第4章

巖體地應(yīng)力及其測(cè)量方法一、定義1.地應(yīng)力(天然應(yīng)力、初始應(yīng)力等）人類工程活動(dòng)之前存在于巖體中的應(yīng)力。2.二次應(yīng)力（重分布應(yīng)力、誘導(dǎo)應(yīng)力等）由于工程活動(dòng)改變了的巖體中的應(yīng)力?！螒?yīng)力↓↑∧++++++++++++++++++地應(yīng)力→←↓↑∧相對(duì)于第2洞室的地應(yīng)力4.1概述4.1.1地應(yīng)力的基本概念關(guān)于地應(yīng)力的古典假設(shè)1、海姆假設(shè)：在前言中我們已經(jīng)介紹過，人們認(rèn)識(shí)地應(yīng)力還只是近百年的事，1912年瑞士的地質(zhì)科學(xué)家海姆（A.Heim）在大型越嶺隧道的施工過程中，通過觀察與分析，首次提出了地應(yīng)力的概念，二、關(guān)于地應(yīng)力的古典假設(shè)1、海姆假設(shè)：假設(shè)地應(yīng)力是靜水應(yīng)力狀態(tài)，即地殼中任意一點(diǎn)的應(yīng)力在各個(gè)方向上均相等，并且等于單位面積上覆蓋巖層的重量，即：式中：—水平應(yīng)力；—垂直應(yīng)力；—覆蓋巖層的容重；—覆蓋巖層的深度。海姆認(rèn)為：（1）原巖應(yīng)力各向等壓，即靜水壓力狀態(tài)。（2）上覆巖體的重量，歷經(jīng)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代后，由于材料的蠕變性及地下水平方向的約束條件，導(dǎo)致水平應(yīng)力最終與鉛重應(yīng)力相均衡。這一法則，仍為許多巖石力學(xué)家在認(rèn)識(shí)深部地應(yīng)力狀態(tài)時(shí)所接受。2、金尼克假設(shè)1926年，原蘇聯(lián)學(xué)者金尼克修正了海姆的靜水壓力假設(shè)，他認(rèn)為地殼中各點(diǎn)的垂直應(yīng)力等于上覆蓋巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力（水平應(yīng)力）是泊松效應(yīng)的結(jié)果，其值應(yīng)為乘以一個(gè)修正系數(shù)。2、金尼克假設(shè)金尼克根據(jù)彈性理論（假定巖體是均勻的、連續(xù)的彈性介質(zhì)體，得出水平應(yīng)力總歸小于鉛垂應(yīng)力的結(jié)論），認(rèn)為這個(gè)測(cè)壓系數(shù)等于，即：式中：—上覆蓋巖層的泊松比，巖石的泊松比的常值范圍為0.15~0.30。此時(shí)，當(dāng)時(shí)，，即海姆假說只是金尼克假說的一個(gè)特例。同期的其他一些人主要關(guān)心的也是如何用一些數(shù)學(xué)公式來定量地計(jì)算地應(yīng)力的大小，并且也都認(rèn)為地應(yīng)力只與重力有關(guān)，即以垂直應(yīng)力為主，他們不同點(diǎn)只在于測(cè)壓系數(shù)的不同。小結(jié)c地應(yīng)力分布理論：1）海姆假設(shè)：（首次提出了地應(yīng)力的概念，靜水壓力假設(shè)）

海姆假說：在巖體深處的初始垂直應(yīng)力與其上覆巖體的重量成正比，而水平應(yīng)力大致與垂直應(yīng)力相等。2）金尼克假設(shè)：（彈性力學(xué)假設(shè)）

，

v為上覆巖層的柏松比。修正了海姆的靜水壓力假設(shè)，認(rèn)為地殼中垂直應(yīng)力等于上覆巖層重量，而水平應(yīng)力是泊松效應(yīng)的結(jié)果。我國(guó)的地質(zhì)學(xué)家李四光：20年代指出“在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過垂直應(yīng)力分量”。50年代，哈斯特在測(cè)試地應(yīng)力時(shí)也發(fā)現(xiàn)地殼上部的最大主應(yīng)力幾乎處處是水平或接近水平的，而且最大水平應(yīng)力主應(yīng)力一般為垂直應(yīng)力的1～2倍。這樣就從根本上動(dòng)搖了地應(yīng)力是靜水壓應(yīng)力的理論和垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。3）李四光：在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過垂直應(yīng)力分量。4）哈斯特：地應(yīng)力測(cè)量發(fā)現(xiàn)存在于地殼上部的最大主應(yīng)力幾乎處處是水平或接近水平的，從根本上動(dòng)搖了地應(yīng)力是靜水壓力的理論和以垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。5）近期研究：重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要原因，其中尤以水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的形成影響最大。當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)主要由最近一次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所控制，但也與歷史上的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。c地應(yīng)力分布理論：因此，重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要原因，地應(yīng)力的大小和方向不可能通過數(shù)學(xué)計(jì)算或模型分析的方法來獲得，要了解一個(gè)地區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)，唯一的方法就是進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。因此，重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要原因，地應(yīng)力的大小和方向不可能通過數(shù)學(xué)計(jì)算或模型分析的方法來獲得，要了解一個(gè)地區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)，唯一的方法就是進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。6.2地應(yīng)力的成因產(chǎn)生地應(yīng)力的原因是十分復(fù)雜的，至今也不是十分清楚。近30多年來的實(shí)測(cè)和理論分析表明，地應(yīng)力的形成主要與地球的各種運(yùn)動(dòng)過程密切相關(guān)，研究意義三、地應(yīng)力場(chǎng)的組成地應(yīng)力場(chǎng)是下述各種應(yīng)力場(chǎng)的迭加，其中構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和自重應(yīng)力場(chǎng)是主要組成部分。（1）大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力；（2）地幔熱對(duì)流引起的應(yīng)力場(chǎng)；（3）由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng)自重應(yīng)力；（4）巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)局部應(yīng)力；（5）地溫梯度引起的應(yīng)力場(chǎng)溫差應(yīng)力；（6）地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)剝蝕應(yīng)力。組要組成部分4.1概述4.1.2地應(yīng)力的成因和影響因素四、巖體的自重應(yīng)力由巖體的自重引起的應(yīng)力稱為自重應(yīng)力。研究巖體的自重應(yīng)力時(shí)●一般將巖體視為均勻、連續(xù)且各向同性的彈性體；●用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理進(jìn)行分析；●將巖體視為半無限體，即上部以地表為界，下部及水平方向均無界限。4.1.2地應(yīng)力的成因和影響因素四、巖體的自重應(yīng)力1.巖體中某點(diǎn)的自重應(yīng)力的求取設(shè)距地表深度為H處取一單元體（圖4-2），并設(shè)其為各向同性的彈性體。垂直應(yīng)力即為該單元體上覆巖體的重量，即：

σz=γH

(4-2)

式中：γ——上覆巖體的平均重力密度（kN/m3）。由約束條件εx=εy=0和廣義虎克定律，可得到水平應(yīng)力，即：

側(cè)壓系數(shù)：某點(diǎn)的水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值稱為側(cè)壓系數(shù)，即：

4.1.2地應(yīng)力的成因和影響因素四、巖體的自重應(yīng)力2.多層巖體自重應(yīng)力的求取若巖體由多層不同重力密度的巖層所組成（圖4-3）：●各巖層的厚度為hi,重度為γi,泊松比為μi(i=1,2,…,n)?！駝t第n層底面巖體的自重初始應(yīng)力為：

4.1.2地應(yīng)力的成因和影響因素四、巖體的自重應(yīng)力關(guān)于側(cè)壓系數(shù)λ的討論一般巖體的泊松比μ=0.2～0.35，故λ=0.25～0.54●即在自重應(yīng)力場(chǎng)中，σz、σx、σy都是主應(yīng)力，且σx=σy=（0.25～0.54）σz

。巖體越軟，則μ越大，故λ越大。當(dāng)巖石處于塑性狀態(tài)時(shí)，即μ=0.5時(shí)，λ=1，此時(shí)

σx=σy=σz

?！袼硎編r體處于靜水應(yīng)力狀態(tài)，即海姆假說?！窈Ｄ氛J(rèn)為巖石長(zhǎng)期受重力作用產(chǎn)生塑性變形，甚至在深度不大時(shí)也會(huì)發(fā)展成各向應(yīng)力相等的隱塑性狀態(tài)?！竦貧ど钐帲捎诟邷馗邏?，堅(jiān)硬的脆性巖石也將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)。據(jù)估算，此深度應(yīng)在距地表10km以下。4.1.2地應(yīng)力的成因和影響因素四、巖體的自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力：由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)：由地球內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用，引起地殼變化，使巖層或巖體發(fā)生變形和變位的運(yùn)動(dòng)，稱為地殼運(yùn)動(dòng)，也常稱為構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。近代地質(zhì)力學(xué)的觀點(diǎn)認(rèn)為，在全球范圍內(nèi)，構(gòu)造應(yīng)力的總規(guī)律是以水平應(yīng)力為主。李四光認(rèn)為，因地球自轉(zhuǎn)角度的變化而產(chǎn)生地殼水平方向的運(yùn)動(dòng)是造成構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主的重要原因。4.1.2地應(yīng)力的成因和影響因素五、構(gòu)造應(yīng)力4.2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律自從哈斯特首開地應(yīng)力測(cè)量先河之后，各國(guó)巖石力學(xué)工作者也紛紛開展了地應(yīng)力測(cè)量工作，積累了豐富的實(shí)測(cè)資料?；艨撕筒祭实热藢?duì)這些資料進(jìn)行了分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)淺部地殼應(yīng)力分布具有一些基本規(guī)律。下面從以下四個(gè)方面介紹這些規(guī)律：

4.2.1地應(yīng)力場(chǎng)的宏觀表現(xiàn)

4.2.2地應(yīng)力場(chǎng)各分量之間的關(guān)系

4.2.3地應(yīng)力場(chǎng)隨深度的變化規(guī)律

4.2.4影響地應(yīng)力場(chǎng)分布的主要因素4.巖體地應(yīng)力及其測(cè)量方法4.2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律4.2.1地應(yīng)力場(chǎng)的宏觀表現(xiàn)地應(yīng)力場(chǎng)是一個(gè)具有相對(duì)穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，它是時(shí)間和空間的函數(shù)?！胺欠€(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)”表現(xiàn)在：●就空間而言，各處的應(yīng)力狀態(tài)（方向、大?。┦亲兓?；●就時(shí)間而言，因地震、巖漿侵入、地表剝蝕、人類活動(dòng)等作用，各處的應(yīng)力狀態(tài)也是變化的?！卣鹎?，應(yīng)力積累，應(yīng)力值不斷升高；▲地震后，應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力值大幅度下降；▲地震時(shí)主應(yīng)力方向會(huì)發(fā)生明顯變化，震后一段時(shí)間又會(huì)恢復(fù)到震前的狀態(tài)。4.2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律4.2.1地應(yīng)力場(chǎng)的宏觀表現(xiàn)“具有相對(duì)穩(wěn)定性”表現(xiàn)在：●就空間而言，在小范圍內(nèi)，應(yīng)力狀態(tài)的變化很明顯；但就整個(gè)地區(qū)整體而言，地應(yīng)力的變化是不大的。●就時(shí)間而言，應(yīng)力狀態(tài)的變化是緩慢的?！卣鹨鸬膽?yīng)力突然變化是短時(shí)的。4.2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律4.2.1地應(yīng)力場(chǎng)的宏觀表現(xiàn)4.2.2地應(yīng)力場(chǎng)各分量之間的關(guān)系（1）水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力的關(guān)系水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。●實(shí)測(cè)資料表明，在絕大多數(shù)地區(qū)均有兩個(gè)主應(yīng)力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，其與水平面的夾角一般不大于30°；●最大水平主應(yīng)力σh，max普遍大于垂直應(yīng)力σv，一般σh，max/σv=0.5～5.5，在很多情況下大于2。（見表4-1，P96）●平均水平應(yīng)力σh，av也普遍大于σv

，一般σh，av/σv=0.5～5.0，大多數(shù)為0.8～1.5（表4-1）。垂直應(yīng)力σv在多數(shù)情況下為σmin,少數(shù)情況下為σm,只在個(gè)別情況下為σmax。4.2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律4.2.2地應(yīng)力場(chǎng)各分量之間的關(guān)系(2)水平地應(yīng)力兩主應(yīng)力分量之間的關(guān)系最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性。

●σh,min/σh,max一般為0.2～0.8，多數(shù)為0.4～0.8，參見表4-2。4.2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律4.2.2地應(yīng)力場(chǎng)各分量之間的關(guān)系4.2.3地應(yīng)力場(chǎng)隨深度的變化規(guī)律（1）垂直應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力隨深度近似線性增長(zhǎng)，基本等于上覆巖層的重量?！駨膱D4-4看出，在25～2700m范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力σv呈線性增長(zhǎng)?！笾孪喈?dāng)于按γ=27kN/m3計(jì)算出來的重力γH。在某些地區(qū)的測(cè)量結(jié)果有一定幅度的偏差。引起偏差的原因：●測(cè)量引起的誤差；●板塊移動(dòng)、巖漿對(duì)流和侵入、擴(kuò)容、不均勻膨脹等。4.2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律4.2.3地應(yīng)力場(chǎng)隨深度的變化規(guī)律（2）水平應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系?！袼沟俜疑o出了某地區(qū)由實(shí)測(cè)結(jié)果總結(jié)的線性方程：

σh,max=6.7+0.0444H（MPa）

σh,min=0.8+0.0329H(MPa)●上兩式中常數(shù)項(xiàng)較大，反映了在某些地區(qū)近地表處仍存在顯著水平應(yīng)力的事實(shí)。4.2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律4.2.3地應(yīng)力場(chǎng)隨深度的變化規(guī)律4.2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律4.2.3地應(yīng)力場(chǎng)隨深度的變化規(guī)律（3）應(yīng)力比值深度的變化規(guī)律平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加而減小，但在不同地區(qū)，變化的速度很不相同?！窕艨撕筒祭矢鶕?jù)各國(guó)實(shí)測(cè)資料，總結(jié)出如下規(guī)律：式中：H——深度（m）。4.2.4影響地應(yīng)力場(chǎng)分布的主要因素地應(yīng)力的分布規(guī)律受以下因素影響而發(fā)生變化：●影響因素：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?！裉貏e是地形和斷層的擾動(dòng)影響最大。4.2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律4.2.4影響地應(yīng)力場(chǎng)分布的主要因素地形對(duì)地應(yīng)力的影響一般來說，谷底是應(yīng)力集中的部位，越靠近谷底應(yīng)力集中越明顯。最大主應(yīng)力在谷底或河床中心近于水平，而在兩岸岸坡則向谷底或河床傾斜，并大致與坡面相平行。4.2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律4.2.4影響地應(yīng)力場(chǎng)分布的主要因素錦屏河谷下切后最大主應(yīng)力分布錦屏河谷下切后剪應(yīng)力分布圖斷層和結(jié)構(gòu)面對(duì)地應(yīng)力的影響在斷層和結(jié)構(gòu)面附近，地應(yīng)力分布狀態(tài)將會(huì)受到明顯的擾動(dòng)?！駭鄬佣瞬?、拐角處及交匯處將出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象?！瞬康膽?yīng)力集中與斷層長(zhǎng)度有關(guān)，長(zhǎng)度越大，應(yīng)力集中越強(qiáng)烈；▲拐角處的應(yīng)力集中程度與拐角大小及其與地應(yīng)力的相互關(guān)系有關(guān)。由于斷層帶中的巖體一般都較軟弱和破碎，不能承受高的應(yīng)力和不利于能量積累，所以成為應(yīng)力降低帶，其最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力與周圍巖體相比均顯著減小。同時(shí)，斷層的性質(zhì)不同，對(duì)周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)的影響也不同。●壓性斷層中的應(yīng)力狀態(tài)與周圍巖體比較接近，僅是主應(yīng)力的大小比周圍巖體有所下降；●而張性斷層中的地應(yīng)力大小和方向與周圍巖體相比均發(fā)生顯著變化。4.2地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律4.2.4影響地應(yīng)力場(chǎng)分布的主要因素4.3高地應(yīng)力區(qū)特征4.3.1高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象一、高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則二、高地應(yīng)力現(xiàn)象4.3.2巖爆及其防治措施（略）4.巖體地應(yīng)力及其測(cè)量方法4.3高地應(yīng)力區(qū)特征一、高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則高地應(yīng)力是相對(duì)圍巖強(qiáng)度而言的。即應(yīng)以圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度（Rb）的比值（圍巖強(qiáng)度比=Rb/σmax）來判別是否是高地應(yīng)力。4.3高地應(yīng)力區(qū)特征4.3.1高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象一、高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則高地應(yīng)力是相對(duì)圍巖強(qiáng)度而言的。即應(yīng)以圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度（Rb）的比值（圍巖強(qiáng)度比=Rb/σmax）來判別是否是高地應(yīng)力。表4-3列出了一些以圍巖強(qiáng)度比為指標(biāo)劃分地應(yīng)力的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。其中我國(guó)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：●極高地應(yīng)力：Rb/σmax＜4；●高地應(yīng)力：Rb/σmax=4～7；●一般地應(yīng)力：Rb/σmax

＞7。目前，在地下工程的設(shè)計(jì)施工中，都把圍巖強(qiáng)度比作為判斷圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，有的還作為圍巖分級(jí)的重要指標(biāo)。4.3高地應(yīng)力區(qū)特征4.3.1高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象二、高地應(yīng)力現(xiàn)象巖芯餅化現(xiàn)象●巖芯被一系列垂直于巖芯軸線的平行斷裂面切割成餅狀的現(xiàn)象?！裨谥械葟?qiáng)度以下的巖體中鉆孔取芯時(shí)，?？梢姷竭@種現(xiàn)象。●從巖石力學(xué)破裂成因分析，巖芯餅化是剪張破裂產(chǎn)物?！诟叩貞?yīng)力區(qū)鉆孔，除巖芯餅化外，還能發(fā)現(xiàn)鉆孔縮徑現(xiàn)象。巖爆●在高地應(yīng)力地區(qū)的較堅(jiān)硬完整的巖石中開挖隧洞時(shí)，圍巖常發(fā)生巖片崩射或剝落的破壞現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為巖爆?！駧r爆是巖石被擠壓到彈性極限，巖體內(nèi)積聚的能量突然釋放所造成的。●巖爆是圍巖各種失穩(wěn)現(xiàn)象中反映最強(qiáng)烈的一種，是一種危險(xiǎn)的工程災(zāi)害。它的突發(fā)性給施工人員和設(shè)施的安全造成很大威脅。4.3高地應(yīng)力區(qū)特征4.3.1高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象二、高地應(yīng)力現(xiàn)象洞壁圍巖產(chǎn)生剝離現(xiàn)象和縮頸現(xiàn)象●在中等強(qiáng)度以下的巖體中開挖隧洞，洞壁巖體常產(chǎn)生剝離現(xiàn)象。●有時(shí)裂縫一直延伸到巖體淺層內(nèi)部，錘擊時(shí)有破啞聲?！裨谲涃|(zhì)巖體中洞體則產(chǎn)生較大的變形，位移顯著，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，洞徑明顯縮小。巖質(zhì)基坑底部隆起、剝離以及回彈錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。●在堅(jiān)硬巖體表面開挖基坑或槽，在開挖過程中會(huì)產(chǎn)生坑底突然隆起、斷裂，并伴有響聲；或在基坑底部產(chǎn)生隆起剝離。●在巖體中，如有軟弱夾層，則會(huì)在基坑斜坡上出現(xiàn)回彈錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象（如圖4-6）。4.3高地應(yīng)力區(qū)特征4.3.1高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象二、高地應(yīng)力現(xiàn)象野外原位測(cè)試測(cè)得的巖體物理力學(xué)指標(biāo)比實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊試驗(yàn)結(jié)果高?！裼捎诟叩貞?yīng)力的存在，致使巖體的聲波速度、彈性模量等參數(shù)增高，甚至比實(shí)驗(yàn)室無應(yīng)力狀態(tài)巖塊測(cè)得的參數(shù)高。●野外原位變形測(cè)試曲線的形狀也會(huì)變化，在σ軸上有截距（圖4-7）。4.3高地應(yīng)力區(qū)特征4.3.1高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象4.4地應(yīng)力測(cè)量方法

4.4.1地應(yīng)力測(cè)量的基本原理

4.4.2水壓致裂法√

4.4.3應(yīng)力解除法

4.4.4應(yīng)力恢復(fù)法√

4.4.5聲發(fā)射法√4.巖體地應(yīng)力及其測(cè)量方法4.4地應(yīng)力的測(cè)量方法測(cè)量方法：1）測(cè)量手段的不同劃分：構(gòu)造法、變形法、電磁法、地震法、放射性法。2）測(cè)量原理的不同劃分：應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)變解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、X射線法、重力法3）測(cè)量基本原理不同劃分：直接測(cè)量法：由測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量和記錄各種應(yīng)力量，并由這些應(yīng)力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值。

間接測(cè)量法：借助某些傳感元件或某些介質(zhì)，測(cè)量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，然后由測(cè)得的間接物理量的變化，通過已知的公式計(jì)算巖體中的應(yīng)力值。4.巖體地應(yīng)力及其測(cè)量方法4.4地應(yīng)力的測(cè)量方法直接測(cè)量法：由測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量和記錄各種應(yīng)力量，如補(bǔ)償應(yīng)力、平衡應(yīng)力，并由這些應(yīng)力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值的方法。在計(jì)算過程中并不涉及不同物理量的換算，不需要知道巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法等均屬此種測(cè)量法，其中，水壓致裂法是目前應(yīng)用最廣的方法，聲發(fā)射次之。4.巖體地應(yīng)力及其測(cè)量方法4.4地應(yīng)力的測(cè)量方法間接測(cè)量法：不直接測(cè)量應(yīng)力量，而是借助某些傳感器元件或某些介質(zhì)，測(cè)量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應(yīng)變、彈性波傳播速度變化等，然后由測(cè)得的間接物理量的變化，通過已知的公式計(jì)算巖體中的應(yīng)力值的方法。4.巖體地應(yīng)力及其測(cè)量方法4.4地應(yīng)力的測(cè)量方法間接測(cè)量法：因此，在間接測(cè)量法中，為了計(jì)算應(yīng)力值，首先必須確定巖體的某些物理力學(xué)性質(zhì)以及所測(cè)物理量和應(yīng)力的相互關(guān)系。其中，套孔應(yīng)力解除法是目前國(guó)內(nèi)外最普遍采用的，且發(fā)展較為成熟的一種間接測(cè)量地應(yīng)力的方法。4.巖體地應(yīng)力及其測(cè)量方法4.4地應(yīng)力的測(cè)量方法直接測(cè)量法1

水壓致裂法2

應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）3

聲發(fā)射法4.巖體地應(yīng)力及其測(cè)量方法4.4地應(yīng)力的測(cè)量方法間接測(cè)量法4

應(yīng)力解除法1）水壓致裂法水壓致裂法是石油行業(yè)為了提高石油產(chǎn)量，在鉆井中用水壓方法使鉆井產(chǎn)生人工裂隙而出現(xiàn)的一種方法，20世紀(jì)50年代被廣泛應(yīng)用于油田生產(chǎn)。哈伯特（M.K.Hubbert）和威利斯（D.G.Willis）發(fā)現(xiàn)了水壓致裂裂隙和原巖應(yīng)力之間的關(guān)系，后來又被費(fèi)爾赫斯特（C.Fairhurst）和海姆森（B.C.Haimson）應(yīng)用于地應(yīng)力測(cè)量。4.4地應(yīng)力測(cè)量方法4.4.2水壓致裂法直接測(cè)量法原理

從彈性力學(xué)理論可知，當(dāng)一個(gè)位于無限體中的鉆孔受到無窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場(chǎng)(，)的作用時(shí)，離開鉆孔端部一定距離的部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)。在這些部位，鉆孔周邊的應(yīng)力為式中，和分別為鉆孔周邊的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；為周邊一點(diǎn)與軸的夾角。

當(dāng)＝0o時(shí)，取得極小值，此時(shí)

1）水壓致裂法直接測(cè)量法原理如果采用圖所示的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來，并向該段鉆孔注入高壓水，當(dāng)水壓超過和巖石抗拉強(qiáng)度T之和后，在＝0o處，也即所在方位將發(fā)生孔壁開裂。設(shè)鉆孔壁發(fā)生初始開裂時(shí)的水壓為，則有1）水壓致裂法試驗(yàn)段封隔器水致裂裝置裂隙直接測(cè)量法原理如果繼續(xù)向封隔段注入高壓水，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂隙深度達(dá)到3倍鉆孔直徑時(shí)，此處已接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定，將該恒定壓力記為Ps,Ps應(yīng)和原巖應(yīng)力相平衡，即

1）水壓致裂法試驗(yàn)段封隔器水致裂裝置裂隙直接測(cè)量法原理在鉆孔中存在裂隙水的情況下，如封隔段處的裂隙水壓力為P0

,則在初始裂隙產(chǎn)生后，將水壓卸除，使裂隙閉合，然后再重新向封隔段加壓，使裂隙重新打開，記裂隙重開時(shí)的壓力為Pr，則有

1）水壓致裂法試驗(yàn)段封隔器水致裂裝置裂隙直接測(cè)量法原理由以上兩式求

和

就無須知道巖石的抗拉強(qiáng)度。因此，由水壓致裂法測(cè)量原巖應(yīng)力將不涉及巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，而完全由測(cè)量和記錄的壓力值來決定。

1）水壓致裂法試驗(yàn)段封隔器水致裂裝置裂隙直接測(cè)量法測(cè)量步驟1）打鉆孔到準(zhǔn)備測(cè)量應(yīng)力的部位，井將鉆孔中待加壓段用封隔器密封起來，鉆孔直徑與所選用的封隔器的直徑相一致。封隔器一般是充壓膨脹式的，充壓可用液體，也可用氣體。1）水壓致裂法直接測(cè)量法測(cè)量步驟2）向隔離段注射高壓水，加大水壓，直至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力Pi

；然后繼續(xù)施加水壓以擴(kuò)張裂隙，當(dāng)裂隙擴(kuò)張至3倍直徑深度時(shí)，關(guān)閉高水壓系統(tǒng)，保持水壓恒定，此時(shí)應(yīng)力為關(guān)閉壓力，記為Ps

；最后卸壓，使裂隙閉合。在整個(gè)加壓過程中，記錄壓力-時(shí)間曲線圖和流量-時(shí)間曲線圖，確定Pi

，Ps值。1）水壓致裂法直接測(cè)量法測(cè)量步驟3）重新向密封段注射高壓水，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。這種卸壓-重新加壓的過程重復(fù)2—3次，以提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。Pr和Ps同樣由壓力-時(shí)間曲線和流量-時(shí)間曲線確定。1）水壓致裂法直接測(cè)量法測(cè)量步驟4）將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設(shè)備從鉆孔中取出。5）測(cè)量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗(yàn)段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小，測(cè)量可以采用井下攝影機(jī)、井下電視、井下光學(xué)望遠(yuǎn)鏡或印模器。1）水壓致裂法直接測(cè)量法優(yōu)缺點(diǎn)水壓致裂測(cè)量結(jié)果只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的大小和方向，所以從原理上講，它是一種二維應(yīng)力測(cè)量方法。水壓致裂法認(rèn)為初始開裂發(fā)生在鉆孔壁切向應(yīng)力最小的部位，亦即平行于最大主應(yīng)力的方向，這是基于巖石為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的假設(shè)。水壓致裂法較為適用于完整的脆性巖石中。

1）水壓致裂法直接測(cè)量法優(yōu)缺點(diǎn)水壓致裂法的突出優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)量深部應(yīng)力，已見報(bào)道的最大測(cè)深為5000m，這是其它方法所不能做到的。因此這種方法可用來測(cè)量深部地殼的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。同時(shí)，對(duì)于某些工程，如露天邊坡工程，由于沒有現(xiàn)成的地下井巷、隧道、峒室等可用來接近應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)，或者在地下工程的前期階段，需要估計(jì)該工程區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)，也只有使用水壓致裂法才是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。1）水壓致裂法直接測(cè)量法水壓致裂法的特點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單。只需用普通鉆探方法打鉆孔，用雙止水裝置密封，用液壓泵通過壓裂裝置壓裂巖體，不需要復(fù)雜的電磁測(cè)量設(shè)備。操作方便。只通過液壓泵向鉆孔內(nèi)注液壓裂巖體，觀測(cè)壓裂過程中泵壓、液量即可。測(cè)值直觀。它可根據(jù)壓裂時(shí)泵壓(初始開裂泵壓、穩(wěn)定開裂泵壓、關(guān)閉壓力、開啟壓力)計(jì)算出地應(yīng)力值，不需要復(fù)雜的換算及輔助測(cè)試，同時(shí)還可求得巖體抗拉強(qiáng)度。直接測(cè)量法測(cè)值代表性大：所測(cè)得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強(qiáng)度是代表較大范圍內(nèi)的平均值，有較好的代表性。適應(yīng)性強(qiáng):這一方法不需要電磁測(cè)量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有水條件下作試驗(yàn)，不怕電磁干擾，不怕震動(dòng)。存在一些缺陷：一方面：它從原理上講，屬于二維應(yīng)力測(cè)量方法，主應(yīng)力方向不能準(zhǔn)確確定，另一方面：它的理論基礎(chǔ)是基于巖石為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的假設(shè)，因而，只適合于完整的脆性巖石中。2）應(yīng)力恢復(fù)法(扁千斤頂法)示意圖

步驟：1)在準(zhǔn)備測(cè)量地應(yīng)力的巖石表面，安裝兩個(gè)測(cè)量柱并測(cè)量?jī)芍g的距離.2)在與兩柱對(duì)稱的中間位置向巖體內(nèi)開挖一個(gè)垂直于測(cè)量柱連線的扁槽，并測(cè)量記錄開挖過程過程中兩測(cè)量柱之間距離的變化.直接測(cè)量法(扁千斤頂法)示意圖

3)將扁千斤頂放入槽內(nèi)并加壓，測(cè)量?jī)芍g的距離，直到恢復(fù)到扁槽開挖前的距離，記錄千斤頂壓力；這一壓力稱為“平衡壓力”或“補(bǔ)償應(yīng)力”直接測(cè)量法2）應(yīng)力恢復(fù)法2）扁千斤頂法扁千斤頂法又稱“壓力枕”，由兩塊薄鋼板沿周圍焊接而成。在周邊處有一個(gè)油壓入口和一個(gè)出氣閥。測(cè)量步驟如下：1、在準(zhǔn)備測(cè)量應(yīng)力的巖石表面，如巷道、峒室的表面，安裝兩個(gè)測(cè)量柱，并用微米表測(cè)量?jī)芍g的距離。直接測(cè)量法2、在與倆測(cè)量柱對(duì)稱的中間位置向巖體內(nèi)開挖一個(gè)垂直于測(cè)量柱連線的扁槽，槽的大小、形狀和厚度需和扁千斤頂相一致。由于扁槽的開挖，造成局部應(yīng)力釋放并引起測(cè)量柱之間距離的變化，測(cè)量并記錄這一變化值。3、將扁千斤頂完全塞入槽內(nèi)，必要時(shí)需注漿將扁千斤頂和巖石膠結(jié)在一起，然后用電動(dòng)或手動(dòng)液壓泵向其加壓。隨著壓力的增加，兩側(cè)柱之間的距離亦增加，當(dāng)兩測(cè)量柱之間的距離恢復(fù)到扁槽開挖前的大小時(shí)，停止加壓，并記錄此時(shí)扁千斤頂中的壓力。該壓力稱為“平衡應(yīng)力”或“補(bǔ)償應(yīng)力”，等于扁槽開挖前表面巖體中垂直于扁千斤頂方向且平行于兩測(cè)柱連線方向的應(yīng)力。評(píng)價(jià)：1、扁千斤頂法只是一種一維應(yīng)力測(cè)量法，不能在同一點(diǎn)上測(cè)量六個(gè)應(yīng)力分量；2、扁千斤頂法只能在巷道、峒室或其他開挖體表面附近進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果受開挖擾動(dòng)影響較大；3、扁千斤頂法的測(cè)量原理是基于巖石為完全線彈性的假設(shè)，對(duì)于非線性巖體，其加載和卸載路徑的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是不同的。優(yōu)缺點(diǎn)

3）聲發(fā)射法(1)測(cè)試原理材料在受到外載荷作用時(shí)，其內(nèi)部存儲(chǔ)的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)生聲響，稱為聲發(fā)射。直接測(cè)量法3）聲發(fā)射法(2)凱澤效應(yīng)1950年，德國(guó)人凱澤（J.Kaiser）發(fā)現(xiàn)多晶金屬的應(yīng)力從歷史最高水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到先前最大應(yīng)力值時(shí)，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過歷史最高應(yīng)力水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象叫凱澤效應(yīng)。從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為凱澤點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平即為材料先前受到的最大應(yīng)力。直接測(cè)量法后來，許多人通過試驗(yàn)驗(yàn)證，許多巖石也具有顯著的凱澤效應(yīng)。因此，凱澤效應(yīng)為測(cè)量巖石應(yīng)力提供了一個(gè)途徑，即如果從原巖中取回定向的巖石試件，通過對(duì)加工的不同方向的巖石試件進(jìn)行加載聲發(fā)射試驗(yàn)，測(cè)定凱澤點(diǎn)，即可找出每個(gè)試件以前所受的最大應(yīng)力，并進(jìn)而求出取樣點(diǎn)的原始三維應(yīng)力狀態(tài)。3）測(cè)量步驟（1）試件制備從現(xiàn)場(chǎng)鉆孔提取巖芯試樣，然后將試樣加工成圓柱試件，徑高比為1：2～1：3。為了確定測(cè)點(diǎn)三維壓力狀態(tài)，試樣在原環(huán)境狀態(tài)下的方向必須確定，因此，在該點(diǎn)的巖樣中沿六個(gè)不同方向制備試件，直接測(cè)量法3）測(cè)量步驟（1）試件制備假如該點(diǎn)的局部坐標(biāo)系為oxyz，則三個(gè)方向選定為坐標(biāo)軸方向，另三個(gè)方向選為oxy,oyz,ozx平面內(nèi)的軸角平分線方向。為了獲得測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，每個(gè)方向的試件數(shù)量需要15～25塊。直接測(cè)量法（2）聲發(fā)射測(cè)試將加工好的試件放在單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)上加壓，并同時(shí)監(jiān)測(cè)加壓過程中從試件中產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象。為了消除由于試件端部與壓力試驗(yàn)機(jī)上下壓頭之間摩擦所產(chǎn)生的噪