4、岩体地应力及其测量方法

4.1地应力成因组成及影响因素-1
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1、地应力基本概念
存在于岩体中的未受扰动的自然应力，或称原岩应力。工 程进行后应力受到影响而产生二次分布，重新分布后的应 力为二次应力或诱导应力。
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2、地应力的成因、组成影响因素
①地应力成因 1878年瑞典地质学家海姆提出静水压力概念； 1926年前苏联学者金尼克修正了海姆静水压力公式，提 出侧压力与正压力的关系为：
岩石力学
第四章：岩体地应力及其测量方法
4.1概述
岩体介质有别于其他任何介质的主要特征在于，岩体内部 应力和自重及地质构造运动有着密不可分的联系。受其影 响导致岩体内部初始应力场分布相当复杂。 在工程荷载作用下， 岩体内部应力重新分 布导致工程产生变形 和破坏，所以了解初 始应力场在岩体内分 布情况就显得非常重 要。
4.3高应力区特征-16
4.3高应力区特征-17
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2、岩爆及其防治措施
②岩爆类型、性质及特点 岩爆一般具有如下特征： 爆裂声有强有弱；弹射基本上是弱弹射到无弹射；爆落岩 石有体积较大的岩块和小体积的贝壳状岩片；爆落形成的 爆坑有直角、阶梯形和窝型；岩爆发生的部位有一次性的 也有重复性的；从岩爆声响到岩石爆落的时间间隔方面可 分为速爆型和滞后型；从岩爆坑沿洞轴方向连续分布情况 看有连续型、断续型和零星型。
4.4地应力测量方法-26
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2、水压致裂法
①测量原理 当大主应力方向上的切应力达到超过岩石的抗拉强度时， 钻孔周围岩石会被拉裂： 即：σ θ = (σ 1 + σ 2 ) − 2 (σ 1 − σ 2 ) cos 2ϕ − Pb ≤ −σ t 此时角度 ϕ 为0°或180°，上式可转化为：
3σ 2 − σ 1 − Pb + σ t = 0
4.1地应力成因组成及影响因素-3
4.1地应力成因组成及影响因素-4
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2、地应力的成因、组成影响因素
②自重应力和构造应力 地壳上部岩体由于受到地心引力作用而引起的应力称为 自重应力。研究自重引起的地应力时一般将岩体视为各向 同性的弹性体。 地下某深度处的岩体重力为： σz = γ H 若将此处岩体视作均匀弹性体，考虑广义胡克定律：
σh = µ γH 1− µ
4.1地应力成因组成及影响因素-2
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2、地应力的成因、组成影响因素
同期的学者同样研究的也是如何运用简单数学公式表达地 应力分布。 1958年瑞典工程师哈斯特首先在斯堪的纳维亚群岛进行应 力测试工作，表明水平应力为垂直应力的1-2倍，从根本上 动摇了地应力理论观点。 30年来的实测和理论研究表明：地应力形成主要与地球的 各种运动过程有关，其中板块应力、地幔热对流、地心重 力场、岩浆侵入应力场、地温应力场、地表剥蚀应力场。
当岩体由多层不同密度的岩层组成时，其中的自重应力可 用如下公式计算：
σ z = ∑ γ i hi
i =1
n
µn σ x = σ y = λnσ z = 1 − µn
∑γ h
i =1
n
i i
4.1地应力成因组成及影响因素-6
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2、地应力的成因、组成影响因素
地壳形成后经过漫长的地质年代，在历次构造运动下，在 岩体内部形成了构造应力的规律分布称为构造应力场。 构造应力主方向是多变的，不同深度其表现有所不同，其 随地层由浅至深呈现弱→ 强→弱的变化规律。
4.3高应力区特征-18
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2、岩爆及其防治措施
③岩爆产生的条件 岩体中开挖硐室为岩爆提供了能量释放的空间。在地下空 间开挖后，洞壁的弹性变形能逐渐增加，并以岩体破裂的 方式逐渐释放，产生小范围岩爆；随后围岩条件变差，导 致大规模的围岩破坏，大规模岩爆产生或静态破坏。 岩爆的产生还与岩体能量积累时间有关，应力集中速度 快，积累能量多，瞬间释放的能量也多，岩爆也就越强 烈。 岩爆产生条件可归纳如下：
4.3高应力区特征-20
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2、岩爆及其防治措施
④岩爆发生的判据 当 Rc σ max = 4 − 7 时，可能发生轻微岩爆或中等岩爆； 当 Rc σ max < 4 时，可能发生严重岩爆。 ⑤岩爆的防治 围岩加固：对已开挖硐室周边进行加固或在掌子面前方实 行超前加固。 改善应力条件：选择合理路线；设计合理断面；进行合理 施工；应力解除。 改善围岩性质：通过注水改善煤岩动力性质。 施工安全：岩爆发生时间多在爆破施工后1h内比较激烈。
4.4地应力测量方法-22
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1、地应力测量基本原理
③测量过程 建立坐标→进行测量→得到测量点→借助数值分析和数理 统计进行地应力场分布模拟
4.4地应力测量方法-23
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2、水压致裂法
①测量原理 水压致裂在上世纪50年代被用来提高石油产量，哈伯特 和威利斯在试验中发现了水压裂隙和原岩应力的关系，菲 尔赫斯特和海姆森将之应用于地应力测量。
4.3高应力区特征-14
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2、岩爆及其防治措施
①概述 围岩处于高应力条件下所产生的岩片飞射抛散，以及洞壁 片状剥落等现象。我国岩爆事故在煤矿及水电工程中都有 发生，特别是矿井工程中岩爆现象突出。 岩爆现象机理复杂，至今人们仍未形成统一认识。 ②岩爆类型、性质及特点 根据现场调查的岩爆特征，将其分为：破裂松脱型、爆裂 弹射型、爆炸抛射型。 破裂松脱型：围岩成块状、板状、鳞片状，弹射距离短， 岩壁上形成破裂坑。
4.4地应力测量方法-27
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2、水压致裂法
①测量原理
σ1
σ3
PS P s0
σ3 σ1
Pb 0 Ps 0
4.4地应力测量方法-28
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2、水压致裂法
②水压致裂法特点 设备简单：仅需普通钻机及液压止水设备即可； 操作方便：通过液压泵向钻孔内部注水，观察压裂过程； 测值直观：根据压裂时泵压等计算地应力值，直观； 测值代表性大：受试范围较大，代表性好； 适应性强：无需电子原件，有、无水条件下均可作业。 缺陷：无法准确定位最大主应力方向。
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4.3高应力区特征-11
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1、高应力区判别准则和高地应力现象
①高应力判别准则 高应力为一相对概念，埋深大不一定存在高应力问题，埋 深小可能存在高应力问题。当围岩内部最大应力与围岩强 度比值达到一定水平时，才能称为高应力，即：
Rb 围岩强度比 = σ max
极高地应力 法国隧道协会 <2 <4 >2 <2 高地应力 2-4 4-7 4-6 2-4 一般地应力 >4 >7 >6 >4
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3、水平应力普遍大于 垂直应力
根据地应力的实测结果，水 平应力与垂直应力之比一般 在0.5-5.0之间，大多数为0.81.5。
4.2地应力场的分布规律-9
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4、水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小
距离地表越深，水平应力越接近垂直应力。
σ h,av 1500 100 + 0.3 ≤ ≤ + 0.5 H H σv
4.4地应力测量方法-30
作用在钻孔壁上的拉应力最大，此时：
4.4地应力测量方法-25
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2、水压致裂法
①测量原理
σ ρ = Pb σ θ = (σ 1 + σ 2 ) − 2 (σ 1 − σ 2 ) cos 2ϕ − Pb
引起钻孔壁发生破裂的力为钻孔壁上的切向应力！ 切向应力最大处？切向应力最大值？ 可通过两种途径分析最大切向 应力方向!
4.3高应力区特征-15
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2、岩爆及其防治措施
②岩爆类型、性质及特点 爆裂弹射型：岩片岩粉喷射，爆裂声如同枪声，弹射距离 较远，岩块多呈中间厚周边薄的形态。 爆炸抛射型：岩爆发生巨石抛射，声如炮弹爆炸，抛射岩 块体积大，抛射距离远。 此外根据岩爆变形的不同，还可将岩爆分为应变型、屈服 型和岩块突出型；按岩爆规模大小可分为：小、中、大规 模的岩爆。
强度比
极高应力
<4
高应力
4-7
4.3高应力区特征-13
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1、高应力区判别准则和高地应力现象
②高应力区围岩开挖破坏现象 岩芯饼化现象：中等强度以下岩体在高应力作用下会产生 饼化现象，钻孔会产生缩径。 岩爆：坚硬完整岩体在强地应力作用下产生的能量突然以 岩块崩塌的形式释放的事件。 洞壁剥离：中等强度的岩体中开挖隧道，洞壁出现层层脱 离的现象。 基坑底部隆起：岩体开挖卸荷，出露岩石短期回弹。 原位参数增高：岩体中高应力的存在，使得岩体波速、弹 性模量增高。
4.4地应力测量方法-21
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1、地应力测量基本原理
①地应力的种类 岩体中的应力可分为原始应力和二次应力。岩体中一点的 三维应力状态可以用 (σ x , σ y , σ z ,τ xy ,τ yz ,τ zx ) 来表示，坐标系可 根据实际需要任意选择。 ②地应力测量方法 开挖硐室后，进入硐室测量； 在地表或硐室表面打洞进行测量； 直接测量法：测量值和原岩应力的相互关系，进行转换。 间接测量法：测量某些物理量通过间接物理计算。
4.4地应力测量方法-29
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3、应力解除法
①基本原理 人为将受试岩体处的岩块与周围岩体分离，此处应力得到 释放产生变形，运用仪器测得该变形，借助弹性力学相关 知识计算实际作用于岩体上的应力大小。 按照测试深度：表面应力解除、浅孔应力解除以及深孔应 力解除； 按照测试变形的不同：孔径变形测试、孔壁变形测试和孔 底应力解除。
4.2地应力场的分布规律-7
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1、地应力场是一个相对稳定的非稳定场
地应力场为时间和空间的函数，某些地震活跃带，地应力 的大小和方向随时间的变化是非常明显的。地震前应力不 断积累，地震后应力值大幅度降低。
4.2地应力场的分布规律-8
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2、实测垂直应力大致上等于上覆岩层的重量
对全世界实测的垂直应力的统计资料分析表明，在深度252700m的范围内，竖向应力线性增加，大致按照平均重力 密度等于27KN/m3。
1 εx = σ − µ σ + σ = 0 ( ) x y z µ E σz ⇒σx =σy = 1 1− µ εy = σ − µ σ + σ = 0 ( z x ) y E
4.1地应力成因组成及影响因素-5
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2、地应力的成因、组成影响因素
4.3高应力区特征-19
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2、岩爆及其防治措施
地下工程开挖，硐室空间的形成为岩爆产生的几何条件； 围岩应力重分布和集中导致大量弹性变形能产生、积累。 岩体承受极限应力产生初始破裂后剩余弹性变形能的集中 释放量，决定岩爆的弹射程度。 岩爆出现方式取决于围岩岩性、岩体结构和弹性变形能的 积累和释放时间。 ④岩爆发生的判据 我国工程岩体采取以下的判据： 当 Rc σ max > 7 时，无岩爆；
4.4地应力测量方法 根据弹性力学原理： 在外应力和内部水压力共同作用下，钻孔周围的应力分 布关系为：
σ 1 + σ 2 a 2 σ 1 − σ 2 a 2 a2 a2 σ ρ = 1 − 2 + 1 − 2 1 − 3 2 cos 2ϕ + Pb 2 2 r 2 r r r 2 4 2 σ = σ 1 + σ 2 1 + a − σ 1 − σ 2 1 + 3 a cos 2ϕ − P a b 2 2 4 θ 2 r 2 r r
我国工程岩体分级 日本新奥法指南 日本仲野分级
4.3高应力区特征-12
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1、高应力区判别准则和高地应力现象
②高应力区围岩开挖破坏现象
应力情况 主要现象 硬质岩：开挖过程有岩爆产生，有岩块弹出，硐室发 生剥离，新生裂缝多，成洞性差，基坑开挖有剥离现 象，成型性差。 软质岩：岩芯有饼化现象，开挖工程中洞壁岩体有剥 离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长。 不易成洞，基坑发生显著隆起或剥离，不易成形。 硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离 和掉块现象，新生裂纹增多，成洞性较差，基坑时有 剥离现象，成形性一般尚可。 软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖工程中洞壁岩体位 移显著，持续时间长，成洞性差。基坑时有隆起现 象，成形性较差。
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5、最大水平应力与最小水 平应力也随深度呈线性 增长关系
σ h,max = 6.7 + 0.0444 H σ h,min = 0.8 + 0.0329 H
4.2地应力场的分布规律-10
6、最大水平应力和最小水平应力之比一般相差较 大，显示了很强的方向性 p 7、地应力分布还受到地形、地表剥蚀、风化、岩 体结构特征、岩块力学性质、温度、水等多种因 素影响