原巖應(yīng)力及其測量

礦山巖石力學(xué)1整理課件4原巖應(yīng)力及其測量〔2~3學(xué)時〕1巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的概念與意義〔掌握概念，了解意義〕2巖體自重應(yīng)力〔掌握概念、特點與計算〕3巖體構(gòu)造應(yīng)力〔掌握概念、特點與方向判定〕4巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的主要分布規(guī)律〔重點和難點，理解主要分布規(guī)律〕5影響原巖應(yīng)力分布的因素〔了解〕6巖體初始應(yīng)力的幾種測定方法〔了解水壓致裂法和孔底應(yīng)力解除法，一般知道其它方法〕2整理課件

原巖：未經(jīng)工程開挖擾動仍處于自然平衡狀態(tài)的巖體

原巖應(yīng)力：存在于原巖中的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或地應(yīng)力

圍巖：受工程開挖影響應(yīng)力發(fā)生重新分布的巖體

圍巖應(yīng)力：洞室開挖后，周圍巖體失去原來的平衡，引起洞周一定范圍內(nèi)巖體應(yīng)力改變，重新調(diào)整形成新的應(yīng)力

二次應(yīng)力：巖體開挖擾動了原巖自然平衡狀態(tài)，使一定范圍內(nèi)的原巖應(yīng)力發(fā)生變化，變化后的應(yīng)力稱為次生應(yīng)力或二次應(yīng)力，如圍巖應(yīng)力

4.1概述3整理課件原巖應(yīng)力場：原巖應(yīng)力在巖體空間中的分布狀態(tài)原巖應(yīng)力≈自重應(yīng)力＋構(gòu)造應(yīng)力？？研究原巖應(yīng)力的意義：1〕次生應(yīng)力直接影響巖體工程的穩(wěn)定性，然而，次生應(yīng)力是在原巖應(yīng)力的根底上產(chǎn)生的；2〕小規(guī)模的巖石工程的開挖設(shè)計和施工可根據(jù)經(jīng)驗，大規(guī)模那么非經(jīng)驗?zāi)芙鉀Q，必須理論研究與計算，按最大主應(yīng)力的方向決定工程走向，應(yīng)力大小決定工程形態(tài)，并現(xiàn)場監(jiān)測反響；3〕巖石的開挖效應(yīng)不僅取決于當(dāng)時的應(yīng)力狀態(tài)，也取決于歷史上的全部應(yīng)力狀態(tài)4.1概述4整理課件地應(yīng)力的成因：1〕大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場2〕地幔熱對流引起應(yīng)力場3〕地心引力引起的應(yīng)力場4〕巖漿侵入引起的應(yīng)力場5〕地溫梯度引起的應(yīng)力場溫度梯度引起地層中不同深度具有不相同的膨脹6〕地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場應(yīng)力松弛趕不上剝蝕引起的巖體顆粒結(jié)構(gòu)變化4.1概述5整理課件

自重應(yīng)力：地殼上部各種巖體由于受到地心引力作用而產(chǎn)生的應(yīng)力，也叫重力應(yīng)力。它是由巖體自重引起的。

重力應(yīng)力場：由地心引力引起的應(yīng)力場分布特點為：

1)水平應(yīng)力σx、σy小于垂直應(yīng)力σz；2)σx、σy、σz均為壓應(yīng)力；3)σz只與巖體密度和深度有關(guān)，而σx、σy還同時與巖體彈性常數(shù)E、μ有關(guān)；4)結(jié)構(gòu)面影響巖體自重應(yīng)力分布

4.2重力應(yīng)力場6整理課件一、均勻巖體中的根本公式在均勻巖體中，巖體的自重初始應(yīng)力狀態(tài)

其中λ為側(cè)壓力系數(shù)。對于成層巖體

4.2重力應(yīng)力場zzyxlssmmss=-==10===zxyzxytttz7整理課件在地殼淺部，可認(rèn)為巖體處于彈性狀態(tài)，μ=0.20~0.30；在深部巖體轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)，μ=0.50，λ＝1，那么有σx=σy=σz，各向等壓的應(yīng)力狀態(tài)，又稱為靜水壓力狀態(tài)，海姆。4.2重力應(yīng)力場8整理課件二、各向異性巖體中的根本公式對于各向異性巖體，例如薄層狀沉積巖：當(dāng)巖層水平時那么有：4.2重力應(yīng)力場9整理課件

對于各向異性體，例如薄層狀沉積巖：

當(dāng)巖層垂直時

聯(lián)立求解上式得：4.2重力應(yīng)力場10整理課件一、構(gòu)造應(yīng)力場的概念構(gòu)造應(yīng)力：由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力?；虻貧?nèi)長期存在著的一種促使構(gòu)造運動發(fā)生和開展的內(nèi)在力。巖體構(gòu)造應(yīng)力是構(gòu)造運動中積累或剩余的一種分布力。構(gòu)造應(yīng)力場：指構(gòu)造應(yīng)力在空間的分布狀態(tài)。是構(gòu)造運動中積累或剩余的一種應(yīng)力場，它是剩余應(yīng)力場。分三類：1〕與構(gòu)造行跡相聯(lián)系的原始構(gòu)造應(yīng)力；2〕剩余構(gòu)造應(yīng)力；3〕現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力。4.3構(gòu)造應(yīng)力場11整理課件二、構(gòu)造運動的起因〔最具代表性〕1、地質(zhì)力學(xué)學(xué)說認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)速度的變化產(chǎn)生兩種推動地殼運動的力：一種是經(jīng)向水平離心力；一種是緯向水平慣性力。這兩種力是引起地殼巖體中出現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力的根本原因。大量的實測資料說明巖體中水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，說明構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主。2、板塊構(gòu)造學(xué)說認(rèn)為板塊運動核心是海底擴張。海底擴張是由于地幔對流引起的。源于1915年德國魏根納提出大陸漂移學(xué)說，認(rèn)為1.5億年前，地球外表有一個統(tǒng)一的大陸－聯(lián)合古大陸，其周圍全是海洋。從侏羅紀(jì)開始，聯(lián)合古大陸分裂成6大板塊，它們覆在軟流圈上各自漂移，最終形成現(xiàn)今大陸和海洋的分布。4.3構(gòu)造應(yīng)力場12整理課件非洲4.3構(gòu)造應(yīng)力場13整理課件三、構(gòu)造應(yīng)力場分析1〕根據(jù)巖體變形破壞機理，利用構(gòu)造運動留下的遺跡〔構(gòu)造形跡〕分析、判斷構(gòu)造應(yīng)力的主應(yīng)力方向。4.3構(gòu)造應(yīng)力場

1(d)巖脈(e)褶皺14整理課件

2)構(gòu)造體系及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場

對一個區(qū)域而言，在一次構(gòu)造運動中，既有褶皺又有斷層和節(jié)理等。這些構(gòu)造形跡盡管形態(tài)各異、性質(zhì)不同、大小懸殊，但大都不是孤立出現(xiàn)，而是相伴而生，共同形成一個構(gòu)造體系。4.3構(gòu)造應(yīng)力場15整理課件四、原巖構(gòu)造應(yīng)力場的特點1〕應(yīng)力有壓應(yīng)力，亦可能有拉應(yīng)力；2〕以水平應(yīng)力為主時，一般水平應(yīng)力比垂直應(yīng)力大；3〕分布很不均勻，通常以地殼淺部為主；4〕褶皺、斷層和節(jié)理等各種構(gòu)造行跡是相伴而生，共同形成一個構(gòu)造體系4.3構(gòu)造應(yīng)力場16整理課件4.4淺部地殼地應(yīng)力分布的一般規(guī)律地應(yīng)力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場，它是時間和空間的函數(shù)〔就小范圍是變化的，包括大小與方向；就大區(qū)域是相對穩(wěn)定的〕實測垂直應(yīng)力(v)根本等于上覆巖層的重量(γH)17整理課件4.4淺部地殼地應(yīng)力分布的一般規(guī)律水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力〔分地區(qū)的〕最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度呈線性增長關(guān)系hmax=6.7+0.0444H，hmin=0.8+0.0329H(

h,av/

v)max18整理課件4.4淺部地殼地應(yīng)力分布的一般規(guī)律

h

=T+kH19整理課件4.4淺部地殼地應(yīng)力分布的一般規(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

最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性

h,av/

v100/H+0.3≤

h,av/v≤1500/H+0.520整理課件4.4淺部地殼地應(yīng)力分布的一般規(guī)律最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性

21整理課件4.5影響原巖應(yīng)力分布的因素

地形對原始地應(yīng)力的影響是十分復(fù)雜的負(fù)地形的峽谷或山區(qū)，地形的影響在侵蝕基準(zhǔn)面以上及其以下一定范圍內(nèi)表現(xiàn)特別明顯巖體結(jié)構(gòu)可能引起應(yīng)力集中、削弱或改變應(yīng)力方向斷層端部、拐角處及交匯處將出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。由于斷層帶中的巖體一般都比較軟弱和破碎，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。巖體力學(xué)性質(zhì)影響地應(yīng)力累積鞏固整體性好的彈性巖體，有利于應(yīng)力積累為高應(yīng)力古巖體應(yīng)力比現(xiàn)有地層厚度所引起的重力應(yīng)力要大剝蝕可造成較大的水平應(yīng)力22整理課件一、地應(yīng)力測量方法—直接測量法和間接測量法直接測量法是由測量儀器直接測量和記錄各種應(yīng)力量，如補償應(yīng)力、恢復(fù)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，通過計算獲得原巖應(yīng)力值。如扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計法和聲發(fā)射法；特點：不涉及不同物理量的換算。間接測量法是借助某些傳感元件或某些介質(zhì)，測量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量變化，如巖體變形或應(yīng)變，密度、滲透性、吸水性、電阻、電容，彈性波傳播速度等，然后由測得的間接物理量的變化，通過的公式計算巖體中的應(yīng)力值。如套孔應(yīng)力解除法、孔底應(yīng)力解除法。4.5地應(yīng)力測量

23整理課件地應(yīng)力測量方法分類4.5地應(yīng)力測量

24整理課件二、水壓致裂法1、根本原理對測試段鉆孔用特制封隔器密封起來，然后對密封段加高壓水直至孔壁巖石產(chǎn)生張裂隙。根據(jù)裂隙的方向及泵壓的大小，分析確定原巖的應(yīng)力狀態(tài)。2、根本假設(shè)：1〕一個主應(yīng)力方向是垂直的，其大小等于上覆巖層的自重應(yīng)力。而另外兩個主應(yīng)力是水平的，且破裂方向垂直于最小主應(yīng)力方向。2〕巖體是均質(zhì)、各向同性的線彈性體。4.5地應(yīng)力測量

25整理課件二、水壓致裂法

3、水壓致裂法測定系統(tǒng)

4.5地應(yīng)力測量

26整理課件二、水壓致裂法

4、水壓致裂測試原理

4.5地應(yīng)力測量

27整理課件二、水壓致裂法

4、水壓致裂試驗原理

4.5地應(yīng)力測量

28整理課件二、水壓致裂法4、水壓致裂試驗成果〔1〕試驗曲線只有一個關(guān)閉壓力ps破裂始終是沿孔軸方向。A、巖石抗拉強度：B、最大水平應(yīng)力：C、最小水平應(yīng)力：D、垂直應(yīng)力按巖體自重計算：4.5地應(yīng)力測量

21icictpp-=s29整理課件二、水壓致裂法4、水壓致裂試驗成果〔2〕試驗曲線有兩個關(guān)閉壓力ps1和ps2裂隙開始沿孔軸產(chǎn)生，隨后轉(zhuǎn)為水平方向。A、最小水平應(yīng)力：B、垂直應(yīng)力：C、最大水平應(yīng)力：4.5地應(yīng)力測量

30整理課件5測試步驟1〕見圖4.12，打鉆孔到準(zhǔn)備測量應(yīng)力的部位，并將鉆孔中待加壓段用封隔器密封起來。

2〕向二個封隔器的隔離段注射高壓水，不斷加大水壓，直至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力Pi；繼續(xù)施加水壓以擴張裂隙,當(dāng)裂隙擴張至3倍直徑深度時，關(guān)閉高水壓系統(tǒng)，保持水壓恒定，此時的應(yīng)力稱為關(guān)閉壓力，記為Ps；最后卸壓，使裂隙閉合。4.5地應(yīng)力測量

31整理課件3〕重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新翻開并記錄裂隙重開時的壓力Pr和隨后的恒定關(guān)閉壓力Ps。這種卸壓一重新加壓的過程重復(fù)2—3次，以提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。Pr和Pj同樣由壓力一時間曲線和流量一時間曲線確定。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〕測量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小，測量可以采用井下攝影機、井下電視、井下光學(xué)望遠(yuǎn)鏡或印模器。4.5地應(yīng)力測量

32整理課件三、應(yīng)力解除法一〕根本原理地下某點巖體處于三向壓縮狀態(tài)，如用人為方法解除其應(yīng)力，必然發(fā)生彈性恢復(fù)，測定其恢復(fù)應(yīng)變，利用彈性力學(xué)公式那么可算出巖體初始應(yīng)力。4.5地應(yīng)力測量

zzyyxxzyxD=D=D=eee,,33整理課件三、應(yīng)力解除法二〕孔底應(yīng)力解除法〔1〕打大孔至測點，磨平孔底?！?〕在孔底粘貼電阻應(yīng)變花探頭?！?〕解除應(yīng)力，測量其應(yīng)變?！?〕取出巖心，測其彈性參數(shù)?！?〕計算巖體應(yīng)力。4.5地應(yīng)力測量

步驟

：34整理課件三、應(yīng)力解除法二〕孔底應(yīng)力解除方法計算：對于等角應(yīng)變花，孔底平面內(nèi)的應(yīng)力按為4.5地應(yīng)力測量

35整理課件三、應(yīng)力解除法二〕孔底應(yīng)力解除方法計算：對于直角應(yīng)變花，孔底平面內(nèi)的應(yīng)力按為4.5地應(yīng)力測量

36整理課件三、應(yīng)力解除法二〕孔底應(yīng)力解除方法孔底平面位置處的原巖應(yīng)力按下式經(jīng)驗公式計算。對于深孔，按平面應(yīng)變問題處理：式中：σx，σy，σz為孔底的原巖應(yīng)力，CT，Cl為孔底橫向和軸向應(yīng)力集中系數(shù),大多采用Van.Heerden的結(jié)果：CT＝1.25，Cl＝－0.75〔0.645＋μ〕4.5地應(yīng)力測量

37整理課件三、應(yīng)力解除法二〕孔底應(yīng)力解除方法孔底平面位置處的原巖應(yīng)力按下式經(jīng)驗公式計算。對于淺孔，按平面應(yīng)力問題處理：

采用孔底應(yīng)力解除時，單孔不能確定巖體應(yīng)力的六個分量，必須進行三孔測定，才能確定巖體的原巖應(yīng)力。4.5地應(yīng)