地應(yīng)力概述課件

*巖石力學(xué)與工程

地應(yīng)力概述q*4.1概述4.1.1地應(yīng)力的概念地應(yīng)力：是存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天

然應(yīng)力，也稱(chēng)巖體初始應(yīng)力、絕對(duì)應(yīng)力或原巖應(yīng)力。*4.1.2地應(yīng)力測(cè)量的必要性及意義a)它是引起各種地下或露天巖石開(kāi)挖工程變形和破壞的根本作用力。區(qū)別于結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)其他力學(xué)。b)傳統(tǒng)的巖石工程的開(kāi)挖設(shè)計(jì)和施工的經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法有局限性。

小規(guī)模和地表的巖石工程，經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比的方法往往是有效的。

大規(guī)模和深部的巖石工程，經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法有不足。*c)是巖石工程數(shù)值分析方法計(jì)算分析的必要

前提條件。d)地應(yīng)力應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。對(duì)地震預(yù)報(bào)、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、油田油井的穩(wěn)定性、核廢料儲(chǔ)存、巖爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球動(dòng)力學(xué)的研究等也具有重要意義。

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20世紀(jì)50年代N.Hast實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)存在于地殼上部的最大主應(yīng)力方向接近水平的，而且最大水平主應(yīng)力一般為垂直應(yīng)力的1～2倍，甚至更多。e)對(duì)地應(yīng)力的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)有誤。

1912年A.Heim1926年A.H.Динник

*4.1.3地應(yīng)力的成因1）地幔熱對(duì)流*4.1.3地應(yīng)力的成因地幔熱對(duì)流－－（碰撞、俯沖、海岸）*4.1.3地應(yīng)力的成因2）板塊邊界受壓*4.1.3地應(yīng)力的成因中國(guó)地震帶分布*4.1.3地應(yīng)力的成因3）巖漿侵入*4.1.3地應(yīng)力的成因垂直應(yīng)力：—平均密度，KN/m3側(cè)壓力：H—總深度（m）—側(cè)壓力系數(shù)

圖

巖體自重垂直應(yīng)力4）巖體自重應(yīng)力場(chǎng)*（1）巖體假定處于彈性狀態(tài)

由推出得：的取值有4種可能：*巖體由多層不同性質(zhì)巖層組成時(shí)第j層底面應(yīng)力：第n層底面應(yīng)力：*（2）Heim假設(shè)（塑性狀態(tài)）

當(dāng)原始應(yīng)力超過(guò)一定的極限，巖體就會(huì)處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)。（相當(dāng)于）*（3）巖體為理想松散介質(zhì)

（c=0,風(fēng)化帶、斷層帶）

由極限平衡理得*（4）當(dāng)松散介質(zhì)有一定粘聚力時(shí)(c>0)側(cè)壓力為：*注：當(dāng)

說(shuō)明無(wú)側(cè)壓力

無(wú)側(cè)壓力深度

*5)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力*5)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力Fujianshanghang，某地應(yīng)力場(chǎng)受斷層影響情況*5)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力Hebeihandan，某旋轉(zhuǎn)地應(yīng)力場(chǎng)受旋鈕構(gòu)造影響。*圖

地形對(duì)初應(yīng)力的影響6）地形、地表剝蝕對(duì)地應(yīng)力影響*7）水壓力、熱應(yīng)力

a.孔隙水壓力、流動(dòng)水壓力(影響小)、靜水壓力（懸浮作用）

b.一般地溫梯度：巖體的體膨脹系數(shù)：，巖體彈模E=104MPa；地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為：

z--深度/m。溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的1/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。*4.1.4地殼淺部（3000m以?xún)?nèi)）地應(yīng)力分布的主要規(guī)律

1）地應(yīng)力是一個(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)。*4.1.4地殼淺部（3000m以?xún)?nèi)）地應(yīng)力分布的主要規(guī)律

垂直應(yīng)力隨深度線性增加。平均密度約為27KN/m32）垂直應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律*4.1.4地殼淺部（3000m以?xún)?nèi)）地應(yīng)力分布的主要規(guī)律

3）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力；4）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨深度增加而減小，且趨近于1*4.1.4地殼淺部（3000m以?xún)?nèi)）地應(yīng)力分布的主要規(guī)律

5）最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力隨深度增加線性增長(zhǎng)6）最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之差隨深度增加而增大Hebeitangshan，某地應(yīng)力與深度關(guān)系*圖

地形對(duì)地應(yīng)力的影響7）地形、地表剝蝕對(duì)地應(yīng)力影響*4.2地應(yīng)力測(cè)量方法4.2.1地應(yīng)力測(cè)量概述a.一點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)()來(lái)表示*b.方法分類(lèi)*4.2.2水壓致裂法水壓致裂法的假設(shè)前提：（1）有2個(gè)（、）主應(yīng)力為水平方向，另1個(gè)為豎直方向,且（2）線性、均質(zhì)、各向同性（3）滲透符合達(dá)西定律*1）水壓致裂法步驟（1）鉆孔（地質(zhì)勘探）、選段（完整）、

封隔（氣或液）；直徑：38、51、76、110、130；*P0PbPsPs0P0Pb0Ps圖壓裂過(guò)程泵壓變化及特征壓力PbPsPsPs0Pb0P0（2）加液壓將孔壁壓裂與重開(kāi)①P0-孔隙水壓力或地下水壓力②Pb-初始?jí)毫褖毫Β跴s-穩(wěn)定開(kāi)裂壓力④Ps0-關(guān)閉壓力⑤Pb0-重張壓力*P0PbPsPs0P0Pb0Ps圖壓裂過(guò)程泵壓變化及特征壓力PbPsPsPs0Pb0P0（2）加液壓將孔壁壓裂與重開(kāi)①P0-孔隙水壓力或地下水壓力②Pb-初始?jí)毫褖毫Β跴s-穩(wěn)定開(kāi)裂壓力④Ps0-關(guān)閉壓力⑤Pb0-重張壓力*各特征壓力的物理意義①P0-巖體內(nèi)孔隙水壓力或地下水壓力②Pb-注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始?jí)毫褖毫Β跴s-液體進(jìn)入巖體內(nèi)連續(xù)的將巖體劈裂的液壓，稱(chēng)為穩(wěn)定開(kāi)裂壓力④Ps0-關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱(chēng)為關(guān)閉壓力。如圍巖滲透性大，該壓力將逐漸衰減⑤Pb0-停泵后重新開(kāi)泵將裂縫壓開(kāi)的壓力，稱(chēng)為開(kāi)啟壓力*（3）卸壓、提設(shè)備、測(cè)定開(kāi)裂方位；

然后根據(jù)測(cè)得的壓裂過(guò)程中泵壓表的讀數(shù)，計(jì)算地應(yīng)力

*2）基本理論和計(jì)算公式當(dāng)孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時(shí)，設(shè)孔周邊兩個(gè)水平地應(yīng)力分別為和，孔壁還受有水壓Pb.如圖。圖孔壁開(kāi)裂力學(xué)模型a*鉆孔周?chē)鷰r體內(nèi)應(yīng)力

(Kirsch.G-基爾斯解)*在孔壁上r=a，有：當(dāng)時(shí)有最大拉應(yīng)力：按最大拉應(yīng)力理論，有(4-1)(4-2)將(4-1)代入(4-2)得孔壁開(kāi)裂應(yīng)力條件(4-3)即孔壁開(kāi)裂在與垂直,的面上式中：T0-巖體的抗強(qiáng)度*若巖體中有孔隙水壓力Pw，（4-3）式變成：(4-4)由圖知水泵重新加壓使裂縫重新開(kāi)裂的壓力Pb0，則上式變成：(4-5)(4-5)和(4-6)兩式對(duì)比得：Pb–Pb0=T0(4-6)在關(guān)閉壓力Ps0點(diǎn)上，孔壁已經(jīng)開(kāi)裂，則T0=0,穩(wěn)定開(kāi)裂壓力由Ps下降到Ps0。此時(shí)，ps0等于與裂縫垂直的應(yīng)力，即：*求得主應(yīng)力及巖體抗拉強(qiáng)度3）根據(jù)水壓致裂法試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算地應(yīng)力（1）一般來(lái)講作為地主應(yīng)力之一。我們可以將與作比較，若，則可以肯定此時(shí)為最小主應(yīng)力；進(jìn)一步將與作比較，也就可以以此確定地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力。*因?yàn)殚_(kāi)裂點(diǎn)方位或開(kāi)裂裂縫方向可以確定的方位或的方向，所以三個(gè)地主應(yīng)力的方位也就可以相應(yīng)確定。（2）如果，并且孔壁開(kāi)裂后孔內(nèi)巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時(shí)為最小地應(yīng)力，與各為中間主應(yīng)力及最大地主應(yīng)力，垂直開(kāi)裂方向即為最大地應(yīng)力方向。4）水壓致裂法的特點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便測(cè)值直觀適應(yīng)性強(qiáng)

受到重視和推廣缺陷：主應(yīng)力方向不準(zhǔn)*4.2.3應(yīng)力解除法

1)基本原理：當(dāng)需要測(cè)定巖體中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，人為的將該處巖體單元和周?chē)膸r體分離，此時(shí)，巖體單元上所受的拉力將被解除。同時(shí)，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測(cè)定彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，并且認(rèn)為巖體時(shí)連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答計(jì)算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。切斷聯(lián)系解除應(yīng)力應(yīng)變恢復(fù)測(cè)試應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力流程要點(diǎn)*2)應(yīng)力解除法分類(lèi)

按測(cè)試應(yīng)變或變形孔徑變形測(cè)試孔壁應(yīng)變測(cè)試孔底應(yīng)力解除法孔壁應(yīng)力解除法測(cè)1個(gè)平面3個(gè)方向上的應(yīng)變1平面3方向上的徑位移3平面9個(gè)方向應(yīng)變*4.2.4）空心包體應(yīng)變計(jì)測(cè)量地應(yīng)力圓筒空腔鉆孔柱塞應(yīng)變片粘結(jié)方式a.探頭結(jié)構(gòu)*空心包體應(yīng)變計(jì)安裝、采集數(shù)據(jù)示意*b.主要特點(diǎn)：1)測(cè)量有操作簡(jiǎn)便2)測(cè)量技術(shù)和計(jì)算理論比較成熟3)精度相對(duì)較高的地應(yīng)力4)目前使用最為廣泛是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦使用的地應(yīng)力測(cè)量方法

*鉆孔的深度必須超過(guò)開(kāi)挖