[教育]巖石力學(xué)ppt課件第4章地應(yīng)力及其測量

1、第四章 地應(yīng)力及其測量,基本要求1．掌握初始應(yīng)力的概念，了解構(gòu)造應(yīng)力的概念，掌握自重應(yīng)力的計算方法；2．了解原巖應(yīng)力的一般規(guī)律及影響原巖應(yīng)力分布的因素；3．了解地應(yīng)力的實測方法。,第四章 地應(yīng)力及其測量,§4.1 概述,,地應(yīng)力: 指巖體在天然狀態(tài)下所存在的內(nèi)應(yīng)力, 通常又稱為原巖應(yīng)力、初始應(yīng)力。 與此相對應(yīng)，受井巷開挖、礦產(chǎn)資源開采等工程影響，在影響范圍(3-5R0)以內(nèi)的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞后的應(yīng)力稱為

2、次生應(yīng)力或誘發(fā)應(yīng)力。 這一轉(zhuǎn)換過程稱為應(yīng)力重分布。,1. 地應(yīng)力定義,2. 研究地應(yīng)力的重要性,地應(yīng)力是各種巖石工程變形和破壞的根本作用力； 是影響巖石開挖工程穩(wěn)定性的最重要最根本的因素之一；是進行大規(guī)模科學(xué)計算分析，實現(xiàn)開挖設(shè)計和決策科學(xué)化的必要前提條件。 同時，地應(yīng)力狀態(tài)對地震預(yù)報、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價、油田油井的穩(wěn)定性、核廢料儲存、巖爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球動力學(xué)的研究等也具有重要意義。,3. 地應(yīng)力認識簡史,19

3、12年瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆（A.Heim），根據(jù)大量實際施工觀測和分析，首次提出地應(yīng)力概念，并假定地應(yīng)力是一種靜水應(yīng)力狀態(tài)。σh－水平應(yīng)力； σv－垂直應(yīng)力；γ－上覆巖層重量；H－深度,,1926年， 蘇聯(lián)學(xué)者金尼克修正了地應(yīng)力靜水壓力架設(shè)，認為地殼中各點的垂直應(yīng)力等于上覆巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力(水平應(yīng)力）是泊松效應(yīng)的結(jié)果，應(yīng)乘以一個修正系數(shù)λ。即,其中，λ為側(cè)壓系數(shù),υ－上覆巖層泊松比,早在20世紀20年代，我國地質(zhì)學(xué)家李四光就指出：

4、“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)力分量的重要性遠遠超過垂直應(yīng)力分量。”,1958年，瑞典工程師哈斯特(N．Hast) 在斯堪的納維亞半島進行地應(yīng)力測量工作時發(fā)現(xiàn)：在地殼上部的最大主應(yīng)力幾乎處處是水平或接近水平的，最大水平主應(yīng)力一般為垂直應(yīng)力的1—2倍以上；在某些地表處，測得的最大水平應(yīng)力高達7MPa，從根本上動搖了靜水壓力理論和以垂直應(yīng)力為主的觀點。,后期研究進一步表明：重力作用和構(gòu)造運動是引起地應(yīng)力的主要原因，

5、其中尤以水平方向的構(gòu)造運動對地應(yīng)力的形成影響最大。 當前的地應(yīng)力狀態(tài)主要由最近的一次構(gòu)造運動所控制，但也與歷史上的構(gòu)造運動有關(guān)。 地應(yīng)力場還受到其他多種因素的影響，造成地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性，因而，只有通過對某點進行地應(yīng)力實測才能了解該地的地應(yīng)力狀態(tài)。,§4.2 地應(yīng)力的成因,(1)大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場 (2)由地心引力引起的應(yīng)力場(3)地幔熱對流引起的應(yīng)力場(4)巖漿侵入引起的應(yīng)力場(5)地

6、溫梯度引起的應(yīng)力場(6)地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場,,地應(yīng)力主要成分：自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力,,(1)自重應(yīng)力場 豎直方向、普遍存在，可以計量(與深度成線性關(guān)系) 在25~2700m范圍內(nèi)： ?v= ? H (H/m，平均容重? ≈27kN/m3)(2) 構(gòu)造應(yīng)力場 1) 成因（有增有減）： 地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)引起大陸板塊東西和南北向擠壓；

7、 2) 特點：水平為主，局部存在，分布無規(guī)律 最大水平應(yīng)力系數(shù)淺部普遍>1， 平均水平應(yīng)力系數(shù)多為0.8~1.5， 深部趨近1。,地應(yīng)力主要成分,,§4.3 地應(yīng)力的分布規(guī)律,1．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)。2．實測垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量。3．水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。4．平均水平

8、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。5．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（實測）。6． 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。7. 地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會受到地形、地表剝蝕、風化、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擾動影響最大。,,§4.4 地應(yīng)力的測量方法,,直接測量法間接測量法,直接測量法：

9、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。 扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計法和聲發(fā)射法均屬直接測量法。,間接測量法：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)的間接物理量的變化，然后通過已知的換算公式計算巖體中的應(yīng)力值。因此，在計算應(yīng)力時，必須首先確定巖體的某些物理力學(xué)性質(zhì)以及所測物理量和應(yīng)力的相互關(guān)系。 套孔應(yīng)

10、力解除法和其他的應(yīng)力或應(yīng)變解除方法以及地球物理方法等都是常用的間接測量法，其中套孔應(yīng)力解除法應(yīng)用最為普遍且發(fā)展較為成熟。,1 水壓致裂法,（1）測量原理,,由彈性力學(xué)可知：無限體中的一個圓形鉆孔受到無窮遠處二維應(yīng)力場(σ1， σ2) ，其鉆孔周邊的切向應(yīng)力σθ和徑向應(yīng)力σr為：,,周邊一點與σ1軸的夾角,,當θ＝0°時， σθ取得極小值， σθ＝3 σ2－ σ1,當水壓達到,,孔壁發(fā)生初始開裂,當繼續(xù)注水使裂隙深度擴展至3倍鉆

11、孔直徑時，此處已接近原巖應(yīng)力狀態(tài),停止加壓，保持壓力恒定，記此時壓力為Ps,(A),無限體——圓形鉆孔平面應(yīng)變受力狀態(tài),假設(shè)鉆孔中存在壓力P0的裂隙水時，則初始開裂壓力Pi,,在初始裂隙產(chǎn)生后，將水壓卸除，使裂隙閉合，然后重新注水加壓，使裂隙重新打開，記裂隙重開的壓力為 Pr,,(B),,(2) 測量步驟,1）打鉆孔到準備測量應(yīng)力的部位，用封閉器封閉待加壓段。2）向封閉段注水加壓，記錄初始開裂壓力Pi；繼續(xù)加壓注水，使裂隙擴張至3倍

12、鉆孔直徑，關(guān)閉高壓系統(tǒng)，保持水壓恒定，記錄此時關(guān)閉壓力Ps；最后卸壓，使裂隙閉合。3）重新向封閉段注水加壓，記錄裂隙重新打開的壓力Pr和隨后的恒定關(guān)閉壓力PS；重復(fù)此加壓－卸壓的過程2～3次。4）完全卸壓，取出全部設(shè)備。5）采用印模器等設(shè)備測量水壓致裂裂隙的位置、方向和大小。,點評（直接法）,優(yōu)點：(1)設(shè)備簡單。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)雜的電磁測量設(shè)備。(2)操作方

13、便 只通過液壓泵向鉆孔內(nèi)注液以壓裂巖體，觀測壓裂過程中泵壓、液量即可。(3)測值直觀。它可根據(jù)壓裂時泵壓(初始開裂泵壓、穩(wěn)定開裂泵壓、關(guān)閉壓力、開啟壓力)計算出地應(yīng)力值，不需要復(fù)雜的換算及輔助測試，同時還可求得巖體抗拉強度。(4)測值代表性大。所測得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強度是代表較大范圍內(nèi)的平均值，有較好的代表性。(5)適應(yīng)性強。這一方法不需要電磁測量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有水條件下作試驗，不怕電磁干擾，

14、不怕震動。 因此，這一方法越來越受到重視和推廣。缺點： (1) 準確的說，是一個二維地應(yīng)力測量方法，它是假定鉆孔方向是一個主應(yīng)力方向，因為一般垂直地應(yīng)力是一個主應(yīng)力，所以可以測另兩個（原巖）主應(yīng)力； (2) 主應(yīng)力方向定得不準，適用于完整脆性巖體二維地應(yīng)力測量（P145蔡）,（3）水壓致裂法的優(yōu)缺點,2 聲發(fā)射法,（1）測試原理,材料在受到外荷載作用發(fā)生破壞時，其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能快速釋

15、放產(chǎn)生彈性波，從而發(fā)出聲響，稱為 。1950年，德國人凱澤(J．Kaiser)發(fā)現(xiàn)多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，再重新加載，當應(yīng)力未達到先前最大應(yīng)力值時，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當應(yīng)力達到和超過歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象叫做 。從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點稱為 ，該點對應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。 后來國外許多學(xué)

16、者證實了在巖石壓縮試驗中也存在凱澤效應(yīng)，許多巖石如花崗巖、大理巖、石英巖、砂巖、輝長巖、閃長巖、片麻巖、輝綠巖、灰?guī)r、礫巖等也具有顯著的凱澤效應(yīng)，從而為應(yīng)用這一技術(shù)測定巖體初始應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。,凱澤效應(yīng)為測量巖石應(yīng)力提供了一個途徑，即如果從原巖中取回定向的巖石試件，通過 進行加載聲發(fā)射試驗， ，即可找出每

17、個試件以前所受的最大應(yīng)力，并進而求出取樣點的原始(歷史)三維應(yīng)力狀態(tài)。,聲發(fā)射,凱澤效應(yīng),凱澤點,加工不同方向的巖石試件,測定凱澤點,(2)測試步驟,1）試樣制備 現(xiàn)場鉆孔提取巖樣，巖樣在原環(huán)境中的方向必須確定。將巖樣加工成圓柱體試件，高徑比為2：1-3：1。沿測點的六個不同方向制備試件。為了獲得測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律，每個方向的試件為15-25塊。 為了消除由于試件端部與壓力試驗機上、下壓頭之間摩擦所產(chǎn)生的噪聲和試件端部應(yīng)

18、力集中，試件兩端可澆鑄由環(huán)氧樹脂或其他復(fù)合材料制成的端帽。,2) 聲發(fā)射測試加壓試件并同時監(jiān)測產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象。 附圖4－21,(3)計算地應(yīng)力 由每次試驗得到的凱澤點可以確定該試件軸線方向先前受到的最大應(yīng)力值。 15～25個試件獲得一個方向的統(tǒng)計結(jié)果，六個方向的應(yīng)力值即可確定取樣點的歷史最大三維應(yīng)力大小和方向。,注意： 高強度的脆性巖石具有較明顯的聲發(fā)射凱澤效應(yīng)，而多孔隙低強度及塑性巖體的凱澤效應(yīng)不明顯，不能用聲發(fā)射法測定比

19、較軟弱疏松巖體中的應(yīng)力。,基本原理：人為地將需要測定巖體地應(yīng)力狀態(tài)處的巖體單元與周圍巖體分離，此時巖體單元上所受的應(yīng)力被解除，將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器測定彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，根據(jù)連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的線彈性理論的解答來計算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。,3 應(yīng)力解除法,巖體應(yīng)力測量中應(yīng)用較廣的方法,適用條件：各種巖體條件，包括較為破碎的巖體。 其測量和計算都較復(fù)雜。（略）,(一）孔

20、底應(yīng)力解除法（自學(xué)，P109圖4-13）,(1)測量原理: 進行巖體中某點應(yīng)力量測時，先向該點鉆進一定深度的超前小孔，在此小鉆孔中埋設(shè)鉆孔傳感器，再通過鉆取一段同心的管狀巖芯而使應(yīng)力解除，根據(jù)恢復(fù)應(yīng)變及巖石的彈性常數(shù)，即可求得該點的應(yīng)力狀態(tài)。,（二）套孔應(yīng)力解除法,發(fā)展時間最長，技術(shù)比較成熟；在適用性和可靠性方面，目前還沒哪種方法可以和應(yīng)力解除法相比。,(2)測量步驟：附圖3-12 P149蔡,1）打大孔：從巖體表面打大孔至巖體應(yīng)

21、力測量部位，磨平孔底，清洗鉆孔； 大孔直徑一般為130～150mm，大孔深度為巷道跨度的2.5倍以上， 一定的同心度；2）打小孔并放水沖洗鉆孔： 小孔直徑由選用探頭直徑?jīng)Q定，一般為36～38mm，小孔深度一般 為孔徑的10倍左右。3）安裝測量探頭至小孔中央部位：4）巖石打孔，實現(xiàn)應(yīng)力解除： 通過量測系統(tǒng)（測量探頭等）測得的小孔變形或應(yīng)變

22、，根據(jù)有關(guān)計 算公式求出小孔周圍原巖應(yīng)力。,(3) 適用范圍：,因為該方法要求取出足夠長的完整巖芯，一方面是保障直徑變化測量的可靠性，確保處于彈性狀態(tài)，彈性理論才是適用的；另一方面要用它測定巖石的彈性模量。,該方法要求在取得完整巖芯的巖體中進行，一般至少要能取出達到大孔直徑2倍長度的巖芯，因此在破碎和弱面多的巖體中，或在極高的原巖應(yīng)力區(qū)巖芯發(fā)生“餅狀”斷裂的情況下不宜使用。,1）剛性測量探頭不適于應(yīng)力接觸測量，因為它對應(yīng)力解

23、除過程種的小孔變形或應(yīng)變有限制或約束，影響套孔巖芯種的應(yīng)力釋放。2）要得到巖體全應(yīng)力的六個獨立的應(yīng)力分量，需要有三個不用方向的鉆孔進行測量。,(4)注意：,4 應(yīng)力恢復(fù)法（直接法，與應(yīng)力解除法區(qū)別）,(1) 適用范圍：僅用于巖體表層，當已知某巖體中的主應(yīng)力方向時，采用本方法較為方便。,(2)基本原理：在與所測應(yīng)力σ1垂直方向上開應(yīng)力解除槽，槽上下附近周圍應(yīng)力得到部分解除，重新分布。若把槽看作一條縫，根據(jù)H.N穆斯海里什維理論，則槽中垂

24、線OA上的應(yīng)力狀態(tài)為：,?1x,?1y：OA線上某點B的應(yīng)力分量? ：B點離槽中心O距離的倒數(shù)。,在槽中埋設(shè)壓力枕，通過壓力枕對槽加壓，如施加壓力為p，則在OA直線上某點B的應(yīng)力分量為：,?x=?1x+?2x=?2?y=?1y+?2y=?1,當壓力枕所施加的力p=?1時，這時B點的總應(yīng)力分量為：,(3)測試步驟：,2) 記錄量測元件——應(yīng)變計的初始讀數(shù)。3) 開鑿解除槽，記錄應(yīng)變計讀數(shù)。4) 埋設(shè)壓力枕，并用水泥砂漿充填空隙。