[教育]巖石力學(xué)ppt課件第4章地應(yīng)力及其測(cè)量

1、第四章 地應(yīng)力及其測(cè)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(jì)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(shí)測(cè)方法。,第四章 地應(yīng)力及其測(cè)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(chēng)為原巖應(yīng)力、初始應(yīng)力。 與此相對(duì)應(yīng)，受井巷開(kāi)挖、礦產(chǎn)資源開(kāi)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(chēng)為

2、次生應(yīng)力或誘發(fā)應(yīng)力。 這一轉(zhuǎn)換過(guò)程稱(chēng)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(kāi)挖工程穩(wěn)定性的最重要最根本的因素之一；是進(jìn)行大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提條件。 同時(shí)，地應(yīng)力狀態(tài)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。,3. 地應(yīng)力認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)史,19

3、12年瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆（A.Heim），根據(jù)大量實(shí)際施工觀測(cè)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(rèn)為地殼中各點(diǎn)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(gè)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(jì)20年代，我國(guó)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量工作時(shí)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(cè)得的最大水平應(yīng)力高達(dá)7MPa，從根本上動(dòng)搖了靜水壓力理論和以垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。,后期研究進(jìn)一步表明：重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的形成影響最大。 當(dāng)前的地應(yīng)力狀態(tài)主要由最近的一次構(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)。 地應(yīng)力場(chǎng)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(guò)對(duì)某點(diǎn)進(jìn)行地應(yīng)力實(shí)測(cè)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(chǎng) (2)由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng)(3)地幔熱對(duì)流引起的應(yīng)力場(chǎng)(4)巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)(5)地

6、溫梯度引起的應(yīng)力場(chǎng)(6)地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng),,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(chǎng) 豎直方向、普遍存在，可以計(jì)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(chǎng) 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(diǎn)：水平為主，局部存在，分布無(wú)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(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)。2．實(shí)測(cè)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(zhǎng)關(guān)系（實(shí)測(cè)）。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(qiáng)的方向性。7. 地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會(huì)受到地形、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擾動(dòng)影響最大。,,§4.4 地應(yīng)力的測(cè)量方法,,直接測(cè)量法間接測(cè)量法,直接測(cè)量法：

9、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、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(guò)計(jì)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(jì)法和聲發(fā)射法均屬直接測(cè)量法。,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，然后通過(guò)已知的換算公式計(jì)算巖體中的應(yīng)力值。因此，在計(jì)算應(yīng)力時(shí)，必須首先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。 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(cè)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(cè)量原理,,由彈性力學(xué)可知：無(wú)限體中的一個(gè)圓形鉆孔受到無(wú)窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場(chǎng)(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(diǎn)與σ1軸的夾角,,當(dāng)θ＝0°時(shí)， σθ取得極小值， σθ＝3 σ2－ σ1,當(dāng)水壓達(dá)到,,孔壁發(fā)生初始開(kāi)裂,當(dāng)繼續(xù)注水使裂隙深度擴(kuò)展至3倍鉆

11、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，記此時(shí)壓力為Ps,(A),無(wú)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(shí)，則初始開(kāi)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(kāi)，記裂隙重開(kāi)的壓力為 Pr,,(B),,(2) 測(cè)量步驟,1）打鉆孔到準(zhǔn)備測(cè)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(kāi)裂壓力Pi；繼續(xù)加壓注水，使裂隙擴(kuò)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(shí)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(kāi)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(guò)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(cè)量水壓致裂裂隙的位置、方向和大小。,點(diǎn)評(píng)（直接法）,優(yōu)點(diǎn)：(1)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(guò)壓裂裝置壓裂巖體，不需要復(fù)雜的電磁測(cè)量設(shè)備。(2)操作方

13、便 只通過(guò)液壓泵向鉆孔內(nèi)注液以壓裂巖體，觀測(cè)壓裂過(guò)程中泵壓、液量即可。(3)測(cè)值直觀。它可根據(jù)壓裂時(shí)泵壓(初始開(kāi)裂泵壓、穩(wěn)定開(kāi)裂泵壓、關(guān)閉壓力、開(kāi)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。(4)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。(5)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，

14、不怕震動(dòng)。 因此，這一方法越來(lái)越受到重視和推廣。缺點(diǎn)： (1) 準(zhǔn)確的說(shuō)，是一個(gè)二維地應(yīng)力測(cè)量方法，它是假定鉆孔方向是一個(gè)主應(yīng)力方向，因?yàn)橐话愦怪钡貞?yīng)力是一個(gè)主應(yīng)力，所以可以測(cè)另兩個(gè)（原巖）主應(yīng)力； (2) 主應(yīng)力方向定得不準(zhǔn)，適用于完整脆性巖體二維地應(yīng)力測(cè)量（P145蔡）,（3）水壓致裂法的優(yōu)缺點(diǎn),2 聲發(fā)射法,（1）測(cè)試原理,材料在受到外荷載作用發(fā)生破壞時(shí)，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(chēng)為 。1950年，德國(guó)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(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，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到和超過(guò)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(diǎn)稱(chēng)為 ，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。 后來(lái)國(guó)外許多學(xué)

16、者證實(shí)了在巖石壓縮試驗(yàn)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(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)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(cè)定巖體初始應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。,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(guò) 進(jìn)行加載聲發(fā)射試驗(yàn)， ，即可找出每

17、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(歷史)三維應(yīng)力狀態(tài)。,聲發(fā)射,凱澤效應(yīng),凱澤點(diǎn),加工不同方向的巖石試件,測(cè)定凱澤點(diǎn),(2)測(cè)試步驟,1）試樣制備 現(xiàn)場(chǎng)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(cè)點(diǎn)的六個(gè)不同方向制備試件。為了獲得測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，每個(gè)方向的試件為15-25塊。 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)生的噪聲和試件端部應(yīng)

18、力集中，試件兩端可澆鑄由環(huán)氧樹(shù)脂或其他復(fù)合材料制成的端帽。,2) 聲發(fā)射測(cè)試加壓試件并同時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象。 附圖4－21,(3)計(jì)算地應(yīng)力 由每次試驗(yàn)得到的凱澤點(diǎn)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(gè)試件獲得一個(gè)方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，六個(gè)方向的應(yīng)力值即可確定取樣點(diǎn)的歷史最大三維應(yīng)力大小和方向。,注意： 高強(qiáng)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(qiáng)度及塑性巖體的凱澤效應(yīng)不明顯，不能用聲發(fā)射法測(cè)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(cè)定巖體地應(yīng)力狀態(tài)處的巖體單元與周?chē)鷰r體分離，此時(shí)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(cè)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(lái)計(jì)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(cè)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(cè)量和計(jì)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(cè)量原理: 進(jìn)行巖體中某點(diǎn)應(yīng)力量測(cè)時(shí)，先向該點(diǎn)鉆進(jìn)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(guò)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(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。,（二）套孔應(yīng)力解除法,發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)比較成熟；在適用性和可靠性方面，目前還沒(méi)哪種方法可以和應(yīng)力解除法相比。,(2)測(cè)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(cè)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(cè)量探頭至小孔中央部位：4）巖石打孔，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力解除： 通過(guò)量測(cè)系統(tǒng)（測(cè)量探頭等）測(cè)得的小孔變形或應(yīng)變

22、，根據(jù)有關(guān)計(jì) 算公式求出小孔周?chē)瓗r應(yīng)力。,(3) 適用范圍：,因?yàn)樵摲椒ㄒ笕〕鲎銐蜷L(zhǎng)的完整巖芯，一方面是保障直徑變化測(cè)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(cè)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(jìn)行，一般至少要能取出達(dá)到大孔直徑2倍長(zhǎng)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(cè)量探頭不適于應(yīng)力接觸測(cè)量，因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)力解

23、除過(guò)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(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量，需要有三個(gè)不用方向的鉆孔進(jìn)行測(cè)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(dāng)已知某巖體中的主應(yīng)力方向時(shí)，采用本方法較為方便。,(2)基本原理：在與所測(cè)應(yīng)力σ1垂直方向上開(kāi)應(yīng)力解除槽，槽上下附近周?chē)鷳?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(diǎn)B的應(yīng)力分量? ：B點(diǎn)離槽中心O距離的倒數(shù)。,在槽中埋設(shè)壓力枕，通過(guò)壓力枕對(duì)槽加壓，如施加壓力為p，則在OA直線上某點(diǎn)B的應(yīng)力分量為：,?x=?1x+?2x=?2?y=?1y+?2y=?1,當(dāng)壓力枕所施加的力p=?1時(shí)，這時(shí)B點(diǎn)的總應(yīng)力分量為：,(3)測(cè)試步驟：,2) 記錄量測(cè)元件——應(yīng)變計(jì)的初始讀數(shù)。3) 開(kāi)鑿解除槽，記錄應(yīng)變計(jì)讀數(shù)。4) 埋設(shè)壓力枕，并用水泥砂漿充填空隙。