岩体初始应力-2
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1
6.2 初始应力测定与分布
2
p
1
2
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
（1）基本原理
6.2 初始应力测定与分布
借助于封隔器在垂直钻孔中测点处封隔一段，作为 压裂段，然后将压裂液送入压裂段，通过加压泵对 压裂段施加水压力，使孔壁岩石破裂，然后用印模 器印出压裂裂缝，或通过钻孔电视照相机照相，借 助于安装指南针测定压裂裂缝的方向，并根据压裂 时的水压力计算岩体初始应力。
深度Z（米）的变化图。
( H max H min ) / 2 / v
水平应力平均值与垂直应 力之比随深度而减小。
在 3000 米以内的地壳表层， 水平应力平均值与同深度处 铅垂应力分量的比在 0.5 至 3 之间，比值K随深度变 化的关系为：
100 0.30 500 0.50
6 岩体初始应力
6.2 初始应力测定与分布 6.2.1 应力解除法
（1）基本原理
假定地下处于初始三维应力状态的岩体为线弹性体，将岩体 脱离母岩，则所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。
用仪器测得恢复应变，则为：
然后，利用弹性力学公式则可 计算岩体初始应力 这个过程可以归结为： 破坏联系-解除应力-弹性恢复-测出变形-根据变
6 岩体初始应力
6.2 初始应力测定与分布
6.2.3 初始应力大小和方向随深度的变化
（1）我国测试结果
岩体初始应力三个主应力
σHmax、 σHmin 、 σV 均 随深度增加而增大。
σHHmmaaxx σH Hmmiinn
v 0.0265 H
σHHmmaaxx σHHmmiinn
6 岩体初始应力
（4）孔壁应变法 1）测定岩体应力的步骤
基本原理
测量步骤
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（4）孔壁应变法 1）测定岩体应力的步骤
基本原理
测量步骤
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（4）孔壁应变法
6.2 初始应力测定与分布
2）应力计算
岩体三维应力计算： 根据弹性力学，在9个应变片的情况下，孔壁应变与岩体应
6.2 初始应力测定与分布
6.2.3 初始应力大小和方向随深度的变化
（2）拉纳利(G.Ranalli)等人
a. 在地盾区及古生代褶皱带：
平均水平应力与铅垂应 力之比约为 2:1，平均 水平应力随深度变化的 近似关系为：
( H max H min ) / 2 9.31 0.05H
6 岩体初始应力
2）应力计算
假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩
体应力 σ1 的夹角分别为 θ1, θ2 和θ3，测
得的孔径变形分别为u1, u2, u3，孔壁径向位 移为其1/2，如图。 当θ1, θ2 和 θ3 之间隔为60º时，则按下式岩 体应力：
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
重复2至5步完成2~3压裂循环，以便取得合理的压裂参数及 正确地判断岩石破裂及裂隙延伸过程。
6.解除封孔，用印模栓塞记录破裂裂隙的方向。
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
（2）水压致裂试验
2）测试过程
6.2 初始应力测定与分布
图 破裂过程的压力-时间曲线 注：图的上部表示钻孔封堵段孔壁在试验过程中的状态。
பைடு நூலகம்
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
（2）水压致裂试验 1）测试设备
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
（2）水压致裂试验 2）测试过程
6.2 初始应力测定与分布
1.在已知应力分量方向(例如垂直应力分量的方向与重力方 向一致)的情况下，钻与之平行的孔。
2.选择岩芯完整无宏观节理的孔段作为试验的封堵段，然 后将封堵塞送入孔中，通入压力水使封堵器橡胶栓膨涨。
( H max H min ) / 2 2.50 0.013H
铅垂应力一般与上覆岩层重量计算的结果大体一致，即
v 0.0265H
6 岩体初始应力
6.2 初始应力测定与分布
6.2.3 初始应力大小和方向随深度的变化
（3）霍克和布朗
平均水平应力(σHmax + σHmin )/2 与铅垂应力（ σV）之比 λ 随
Z
Z
6 岩体初始应力
6.2 初始应力测定与分布
小论：
1. 原岩应力是自重应力和构造应力矢量和； 2. 自重应力可直接由公式计算； 3. 构造应力可由地质构造进行定性分析，并结
合原岩应力测量结果进行定量分析； 4. 原岩应力只能通过仪器测量得到； 5. 原岩应力由多种因素影响，需综合分析并谨
慎得出结论。
形，转求应力。
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（2）孔底应力解除法 1）测定岩体应力的步骤
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（2）孔底应力解除法 2）应变花
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（2）孔底应力解除法 3）计算公式
a.等角应变花情况
THANKS!
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（2）孔底应力解除法 3）计算公式
b.直角应变花情况
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（3）孔径变形法 1）测定岩体应力的步骤
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（3）孔径变形法
力的关系有9个方程式，在12个应变片的情况下，有12个方程 式。可根据9个或12个方程式采用最小二乘法求解岩体应力的6 个分量σx，σy，σz，txy，tyz，tzx 。
上述测量方法的计算公式的推导可参阅相关书籍 参见：蔡美峰《岩石力学与工程》
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
（1）基本原理
钻孔周边在孔内水压作 用下产生开裂，应用弹 性力学公式求解周边应 力。
3.经高压水管向封堵段注入压力水，使岩体发生破裂，此 时的水压称为临界破坏压力Pb，在压力表上表现为急剧下 降，最后停留在某一压力水平。
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
6.2 初始应力测定与分布
（2）水压致裂试验
2）测试过程 4.停止增压，关闭液压泵，压力迅速下降，裂隙停止扩展，并 趋于闭合，当压力降到使裂隙处于临界闭合状态时的平衡压力， 叫做关闭压力Ps。 5.放水卸压，裂隙完全闭合，泵压为零或初始孔隙压力水平， 然后再对封堵段加压使裂隙重新张开，此时所需压力为Pr。
6.2 初始应力测定与分布
6.2.3 初始应力大小和方向随深度的变化
（2）拉纳利(G.Ranalli)等人
b. 在地台中的沉积盖层，古生代褶 皱带的裂缝块状岩体以及断裂带：
平均水平应力小于覆盖层的压 力，平均水平应力与铅垂应力 之比约为1：2，平均水平应力 随深度变化的近似关系为（如 上图中DE线）：
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6.2 初始应力测定与分布
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6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
（1）基本原理
6.2 初始应力测定与分布
借助于封隔器在垂直钻孔中测点处封隔一段，作为 压裂段，然后将压裂液送入压裂段，通过加压泵对 压裂段施加水压力，使孔壁岩石破裂，然后用印模 器印出压裂裂缝，或通过钻孔电视照相机照相，借 助于安装指南针测定压裂裂缝的方向，并根据压裂 时的水压力计算岩体初始应力。
深度Z（米）的变化图。
( H max H min ) / 2 / v
水平应力平均值与垂直应 力之比随深度而减小。
在 3000 米以内的地壳表层， 水平应力平均值与同深度处 铅垂应力分量的比在 0.5 至 3 之间，比值K随深度变 化的关系为：
100 0.30 500 0.50
6 岩体初始应力
6.2 初始应力测定与分布 6.2.1 应力解除法
（1）基本原理
假定地下处于初始三维应力状态的岩体为线弹性体，将岩体 脱离母岩，则所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。
用仪器测得恢复应变，则为：
然后，利用弹性力学公式则可 计算岩体初始应力 这个过程可以归结为： 破坏联系-解除应力-弹性恢复-测出变形-根据变
6 岩体初始应力
6.2 初始应力测定与分布
6.2.3 初始应力大小和方向随深度的变化
（1）我国测试结果
岩体初始应力三个主应力
σHmax、 σHmin 、 σV 均 随深度增加而增大。
σHHmmaaxx σH Hmmiinn
v 0.0265 H
σHHmmaaxx σHHmmiinn
6 岩体初始应力
（4）孔壁应变法 1）测定岩体应力的步骤
基本原理
测量步骤
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（4）孔壁应变法 1）测定岩体应力的步骤
基本原理
测量步骤
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（4）孔壁应变法
6.2 初始应力测定与分布
2）应力计算
岩体三维应力计算： 根据弹性力学，在9个应变片的情况下，孔壁应变与岩体应
6.2 初始应力测定与分布
6.2.3 初始应力大小和方向随深度的变化
（2）拉纳利(G.Ranalli)等人
a. 在地盾区及古生代褶皱带：
平均水平应力与铅垂应 力之比约为 2:1，平均 水平应力随深度变化的 近似关系为：
( H max H min ) / 2 9.31 0.05H
6 岩体初始应力
2）应力计算
假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩
体应力 σ1 的夹角分别为 θ1, θ2 和θ3，测
得的孔径变形分别为u1, u2, u3，孔壁径向位 移为其1/2，如图。 当θ1, θ2 和 θ3 之间隔为60º时，则按下式岩 体应力：
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
重复2至5步完成2~3压裂循环，以便取得合理的压裂参数及 正确地判断岩石破裂及裂隙延伸过程。
6.解除封孔，用印模栓塞记录破裂裂隙的方向。
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
（2）水压致裂试验
2）测试过程
6.2 初始应力测定与分布
图 破裂过程的压力-时间曲线 注：图的上部表示钻孔封堵段孔壁在试验过程中的状态。
பைடு நூலகம்
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
（2）水压致裂试验 1）测试设备
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
（2）水压致裂试验 2）测试过程
6.2 初始应力测定与分布
1.在已知应力分量方向(例如垂直应力分量的方向与重力方 向一致)的情况下，钻与之平行的孔。
2.选择岩芯完整无宏观节理的孔段作为试验的封堵段，然 后将封堵塞送入孔中，通入压力水使封堵器橡胶栓膨涨。
( H max H min ) / 2 2.50 0.013H
铅垂应力一般与上覆岩层重量计算的结果大体一致，即
v 0.0265H
6 岩体初始应力
6.2 初始应力测定与分布
6.2.3 初始应力大小和方向随深度的变化
（3）霍克和布朗
平均水平应力(σHmax + σHmin )/2 与铅垂应力（ σV）之比 λ 随
Z
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6 岩体初始应力
6.2 初始应力测定与分布
小论：
1. 原岩应力是自重应力和构造应力矢量和； 2. 自重应力可直接由公式计算； 3. 构造应力可由地质构造进行定性分析，并结
合原岩应力测量结果进行定量分析； 4. 原岩应力只能通过仪器测量得到； 5. 原岩应力由多种因素影响，需综合分析并谨
慎得出结论。
形，转求应力。
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（2）孔底应力解除法 1）测定岩体应力的步骤
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（2）孔底应力解除法 2）应变花
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（2）孔底应力解除法 3）计算公式
a.等角应变花情况
THANKS!
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（2）孔底应力解除法 3）计算公式
b.直角应变花情况
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（3）孔径变形法 1）测定岩体应力的步骤
6.2 初始应力测定与分布
6 岩体初始应力
6.2.1 应力解除法
（3）孔径变形法
力的关系有9个方程式，在12个应变片的情况下，有12个方程 式。可根据9个或12个方程式采用最小二乘法求解岩体应力的6 个分量σx，σy，σz，txy，tyz，tzx 。
上述测量方法的计算公式的推导可参阅相关书籍 参见：蔡美峰《岩石力学与工程》
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
（1）基本原理
钻孔周边在孔内水压作 用下产生开裂，应用弹 性力学公式求解周边应 力。
3.经高压水管向封堵段注入压力水，使岩体发生破裂，此 时的水压称为临界破坏压力Pb，在压力表上表现为急剧下 降，最后停留在某一压力水平。
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
6.2 初始应力测定与分布
（2）水压致裂试验
2）测试过程 4.停止增压，关闭液压泵，压力迅速下降，裂隙停止扩展，并 趋于闭合，当压力降到使裂隙处于临界闭合状态时的平衡压力， 叫做关闭压力Ps。 5.放水卸压，裂隙完全闭合，泵压为零或初始孔隙压力水平， 然后再对封堵段加压使裂隙重新张开，此时所需压力为Pr。
6.2 初始应力测定与分布
6.2.3 初始应力大小和方向随深度的变化
（2）拉纳利(G.Ranalli)等人
b. 在地台中的沉积盖层，古生代褶 皱带的裂缝块状岩体以及断裂带：
平均水平应力小于覆盖层的压 力，平均水平应力与铅垂应力 之比约为1：2，平均水平应力 随深度变化的近似关系为（如 上图中DE线）：