第三章 地应力的工程地质研究
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地应力什么是地应力？地应力（Geostress）指的是地球内部的应力状态。
地应力影响着地下岩石的变形和破裂，对地下工程和地震活动有重要影响。
地应力的研究对于地质灾害的预测和工程设计具有重要意义。
地应力的成因地应力的形成和分布受多种因素影响，主要包括地壳运动、地质构造变形和岩石的物理性质。
地壳运动地壳运动是地应力形成的基础。
地壳运动引起了岩石的变形和应力的积累。
常见的地壳运动包括板块运动、地震和火山活动。
这些地壳运动导致了应力在岩石体内的传递和积累，形成了地应力。
地质构造变形地质构造变形是地应力形成的重要原因。
地球内部存在着各种各样的构造，如断裂带、褶皱带、剪切带等。
这些构造的形成和变形会导致地应力的分布和变化。
地质构造变形的程度和方式对地应力的大小和方向有着重要影响。
岩石的物理性质岩石的物理性质对地应力的形成和传递也有重要影响。
岩石的弹性模量、剪切模量和泊松比等物理参数决定了岩石的应力特性。
不同的岩石类型具有不同的物理性质，因此地应力的大小和方向也会有所不同。
地应力的测量方法为了研究地应力，科学家们发展了多种地应力测量方法。
下面介绍几种常见的地应力测量方法：岩石力学试验岩石力学试验是直接测定地应力的一种常用方法。
通过测定岩石样品在不同应力下的变形情况，可以推断出地应力的分布和大小。
这是一种比较准确的地应力测量方法，但需要进行大量的实验工作。
岩石应力释放法岩石应力释放法是通过测量岩石体内的应力释放情况来推断地应力的方法。
通过测量岩石样品在加载和卸载过程中的变形情况，可以推算出地应力的大小和方向。
这种方法适用于室内实验和野外观测。
地震测井法地震测井法使用地震波测量地下的地应力。
通过检测地震波在岩石体内的传播速度和方向变化，可以推断出地应力的分布和大小。
这种方法适用于地下深部地应力的研究。
地应力的应用地应力的研究对于地质灾害的预测和工程设计具有重要意义。
以下是地应力应用的几个方面：地下工程地下工程是地应力的主要应用领域之一。
地应力研究现状以及在工程应用中存在的问题
地应⼒研究现状以及在⼯程应⽤中存在的问题地应⼒研究现状以及在⼯程应⽤中存在的问题。
地应⼒存在於地壳中的应⼒。
⼴义上也指地球体内的应⼒。
它包括由地热﹑重⼒﹑地球⾃转速度变化及其他因素产⽣的应⼒。
地质⼒学认为﹐地壳内的应⼒活动是使地壳克服阻⼒﹑不断运动发展的原因﹔地壳各处发⽣的⼀切形变﹐如褶皱﹑断裂(见节理﹑断层)等都是地应⼒作⽤的结果。
通常﹐地壳内各点的应⼒状态不尽相同﹐并且应⼒随(地表以下)深度的增加⽽线性地增加。
由於所处的构造部位和地理位置不同﹐各处的应⼒增加的梯度也不相同。
地壳内各点的应⼒状态在空间分布的总合﹐称为地应⼒场。
与地质构造运动有关的地应⼒场﹐称为构造应⼒场。
通常指导致构造运\动的地应⼒场。
有⼈也将由於构造运动⽽产⽣的地应⼒场简称为构造应⼒场。
在地质⼒学中﹐构造应⼒场是指形成构造体系和构造型式的地应⼒场﹐包括构造体系和构造型式所展布的地区﹐连同它内部在形成这些构造体系和构造型式时的应⼒分布状况。
有多少类型的构造体系﹐就有多少种类的构造应⼒场。
⼀定型式的构造体系所代表的应变图像﹐反映了其构造应⼒场的特徵。
通过对构造应⼒场的分析研究﹐可以推演构造运\动的⽅式和⽅向﹐把各个⼤陆及地区运动的⽅式和⽅向综合起来﹐可以推断地壳运\动的⽅式和⽅向﹐进⽽探索地壳运动的起源。
存在於某⼀地质时期内的构造应⼒场称为古构造应⼒场。
现今存在的或正在活动的地应⼒场称为现今构造应⼒场。
现今构造应⼒场的研究﹐既要实地考察挽近地质时期﹐特别是第四纪以来﹐岩⽯﹑地层发⽣的构造变形以及地区的升降﹐也要⽤适当的仪器装置及其他⽅法﹐直接测量现今地应⼒的活动。
进⾏地应⼒测量时要根据活动的构造体系﹑活动的构造带(如地震带)和重⼤⼯程建设要求来布置测点﹐同时配合相应的地质⼯作。
地应⼒活动会产⽣或影响地质构造。
剧烈的地应⼒活动会引起地震。
地应⼒活动还可影响地壳内岩⽯﹑矿物的物理性质和化学性质。
因此﹐也可以利⽤这种物理和化学性质的改变来分析地应⼒的活动情况。
土木工程地质—地应力
浅谈地应力与地震的关系摘要:地应力测量是现今构造应力场研究的一个重要手段,可为地震成因和地震预报的研究提供重要的基础资料。
本文通过简单的概况和实例资料简要的阐述了地应力与地震的关系,初步分析震前地应力变化的特征,并提出地应力的测量方法以及地应力相对值测量结果在地震研究工作中的应用。
关键词：地应力异常；地应力变化特征；地应力的测量；地震预报一、概况及实例资料沈阳、锦州、大连站于1974年1月至1975年1月,各自形成250一300天的大幅度地应力趋势异常（图1）。
据华北地区各站地应力趋势异常主应力方向交汇,预测的震中区在营口一带或唐山及其沿海或邢台地区（图2）。
唐山站于1974年12月至1975年1月,出现大幅度地应力跳动异常（图3）。
海城地震前,地质力学研究所于1975年1月23日正式提出短临预报：“1975年1月30日或2月13日前后，在（图2）所示地区,可能发生5级左右地震。
”图 1 海城地震地应力趋势异常图图2 海城地震前地应力异常主应力方向交汇震中图图3 唐山站海域地震前地应力跳动异常曲线图二、震前地应力变化特征从电感法地应力相对值测量结果中,科学家发现地应力可以出现一个数年加强（电感测值的降低反映压应力的加大）到恢复的过程,此类变化称之为地应力长趋势异常。
例如北京市镇罗营台地应力电感曲线从1973年出现下降,并在地应力大幅波动（即地应力趋势异常）后发生了海城、唐山大震,震后，1977一1978年恢复到1973年的测值水平。
科学家还发现一些地应力的大幅波动,或在地应力长趋势异常变化背景上的一些附加地应力变化,是由于“震前震源应力场”的变化所引起,其表现形式及特征如下：1、震前震源应力场的两类表现一是地应力趋势（负、正）异常——在地应力电感曲线上,往往表现为“凹兜”或“鼓包”的形式。
异常持续时间可以从十几天、几个月到一年多。
地震多在异常完成后数天、半个月以至数月发生。
这类异常是1966年邢台地震之后,在李四光教授主持下总结出来的。
3地应力及测量
3.1 概论
一、 地应力测量的必要性
3.1 概论
一、 地应力测量的必要性
1. 地应力定义
原岩： 未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体。
原岩应力（亦称初始应力或地应力）：
定义一：原岩中存在的应力。 定义二：岩体在天然状态下所存在的内应力。
地应力: 指岩体在天然状态下所存在的内应力, 通常又称为原岩应 力、初始应力。
2. 研究地应力的重要性 地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是确定工程岩体 力学属性，进行围岩稳定性分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前 提条件。
地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核
废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有
重要意义。
（1）工程稳定性分析的原始参数。 （2）确定开挖方案与支护设计的必要参数。
同一类地区，其构造应力仍是不均匀分布，与小的地质构造运动（地 壳变形）有关，有的地段强、有的地段弱。
3.1 概论
四、 地应力测量的基本原理和方法
工程建设中，对工程岩体地应力的掌握，最可靠的方法就是进行原位 地应力测量。
尽管地应力有各种假说和理论对地壳的受力有一定规律性认识，但工 程岩体都会受到各种局部地质特征及其它因素的影响。
3. 地应力认识简史
1926年， 苏联学者金尼克修正了地应力静水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重 量，而侧向应力(水平应力）是泊松效应的结果，应乘以一个修正系数λ。即
v H
h
v
H 1
其中，λ为侧压系数
1
υ－上覆岩层泊松比
早在20世纪20年代，我国地质学家李四光就指出：“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的 情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。”
第三章 地应力及其测量
εx =εy = 0
µ
− (σ y + σ z ) = 0 由此可得： 由此可得： E E 岩石的弹性模量与泊松比。 式中 E 、µ －－岩石的弹性模量与泊松比。 －－岩石的弹性模量与泊松比
µ
σx
σ 因为， 因为， X = σY
µ 如令， 则有： 如令，K0 = 1− µ 则有：
1− µ 所以上式可以写成： 所以上式可以写成： µ σx = σ y = σz 1− µ K0 =
一、全应力解除法（套钻应力解除法）的步骤 全应力解除法（套钻应力解除法）
1、从岩体表面向岩体内部打大孔，直至需要测量 从岩体表面向岩体内部打大孔， 岩体应力的部位，直径为小孔的3倍以上。 岩体应力的部位，直径为小孔的3倍以上。 从大孔底打同心小孔，供安装探头， 2、从大孔底打同心小孔，供安装探头，深度一般 为直径的10倍左右。打完后放水冲洗。 10倍左右 为直径的10倍左右。打完后放水冲洗。 将测量探头安装到小孔中央部位。 3、将测量探头安装到小孔中央部位。 用薄壁钻头延深大孔， 4、用薄壁钻头延深大孔，使小孔周围岩芯应力解 除。由于应力解除所引起的小孔变形或应变被记 录下来， 录下来，根据测得的小孔变形或应变通过有关公 式即可求出小孔周围原岩应力状态。 式即可求出小孔周围原岩应力状态。
3.1 岩体的初始应力
1、自重应力
对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层，其中的应 对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层， 力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力值。 力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力值。对于表面 为水平的半无限体， 为水平的半无限体，在深度为z处的垂直应力可按下式计 算：
µ
σ x = σ y = K0σ z
µ K0 = 1− µ
2 地应力的工程地质研究
1>K>0和 K>1较常见。 考虑到地应力三个主应力的作用及其在地壳中的效应，将天 然应力划分为两类状态。 第一类：最大主应力为倾斜的。其所产生的两组剪力面，一 是穿切地壳接近铅直的面，另一是穿切地壳接近水平的面。 第二类：主应力有两个近于水平，另一近于铅直。 中间主应力近于铅直； 最小主应力轴σ3近于铅直； 最大主应力轴σ1近于铅直。
σv = A +γ h
（γ大体相当于岩体的平均容重，A为常数） 地表表层岩体内的垂直应力主要由上覆岩层自重所 引起，即随深度而线性增大，且其增长率相当于岩体 的平均容重；
布朗-霍克方程
海姆森方程
哈盖特方程
垂直应力大致分布于平均密度 为2.7g/cm3的覆盖层重量引起的 应力梯度直线周围。我国垂直应 力与上覆岩层自重应力的比值可 在0.43-19.8的范围内变动，分散 性很大。
⑵垂直应力为主的观点 基于弹性理论提出的，认为岩体内的应力主要是重力场作 用下形成的自重应力。
σ z＝γ h
在地质历史上未遭遇构造变动且现代无明显新构造运动的沉 积岩地区。
⑶水平应力为主的观点 上世纪20年代由李四光提出，50年代瑞典的N.哈斯特在矿岩 石应力测量和大地测量中，直接认识了地应力的存在和变 化，并被广泛承认。其认为地壳上部的地应力具有三个特 点： •普遍存在水平压应力，在所有深度上水平应力都大大超过由 于覆盖层重量引起的铅直应力； •水平应力具有高度的方向性，即两个水平应力的大小不等； •应力处于动态平衡状态。
影响水平初始地应力因素： •沉积物横向约束造成的、与重力有关的横向应力分量； •裂缝引起的应力调整； •地形引起的应力调整； •构造起源的纯应力； •侵蚀作用和地壳运动引起的剥蚀作用而造成的残余水平应力； •沉积作用、冰川或火山活动产生的荷载引起的应力调整； •岩石受湿膨胀引起的应力。
地应力及地应力测量方法计划简介
地应力与地应力丈量方法简介地应力，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年月里，因为地质结构运动等原由产生的。
在一准时间和必定地域内，地壳中的应力状态是各样发源应力的总和。
主要由重力应力、结构应力、孔隙压力、热应力和节余应力等耦合而成 ,重力应力和结构应力是地应力的主要根源。
地应力的形成主要与地球的各样动力运动过程相关，此中包含：板块界限受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非平均扩容等。
此外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其余物理化学变化等也可惹起相应的应力场。
而重力作用和结构运动是惹起地应力的主要原由，此中尤以水平方向的结构运动对地应力的形成影响最大。
地应力丈量，就是确立拟开挖岩体及其四周地区的未受扰动的三维应力状态，这种丈量往常是经过多个点的量测来达成的。
地应力丈量是确立工程岩体力学属性、进行围岩稳固性剖析、实现岩土工程开挖设计和决议科学化的前提。
地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是目前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上很多国家均展开了地应力的丈量及应用研究工作 ,获得了众多的成就。
跟着矿区开采现代化进度的不停提升和开采深度的不停增添，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。
查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产供给更为精美靠谱的地质资料和数据，以便采纳有效技术手段和举措，防备和减少灾祸的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。
地应力是惹起采矿工程围岩、支架变形和损坏、产生矿井动力现象的根本作使劲，在诸多的影响采矿工程稳固性要素中，地应力是最重要和最根本的要素之一。
正确的地应力资料是确立工程岩体力学属性，进行围岩稳固性剖析和计算，矿井动力现象地区展望，实现采矿决议和设计科学化的必需前提条件。
采矿规模的不停扩大和开采深度的纵深展开，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工常常造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌损坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，以致矿井生产没法进行，并常常惹起严重的事故，造成人员伤亡和财富的重要损失。
第三章 地应力的工
主要内容： 第一节 地应力的种类 第二节 地应力场的分布和变化规律 第三节 地应力研究的工程意义 第四节 地应力工程地质研究的内容和方法
第一节 地应力的种类
1、基本概念 地壳岩体内的天然应力状态，是指未经人为扰动的，主 要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的 物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态， 常称为天然应力或初始应力。
由于泊松效应（即侧向膨胀）造成水平正应力σ h ，相当于三向应力 中的最小应力： ②构造应力
地壳运动在岩体内形成的应力称为构造应力。构造应力又可称为活动 构造应力和剩余构造应力。
活动构造应力，即狭义的地应力，是地壳内现在正在积累的能够导 致岩石变形和破裂的应力。
剩余的构造应力是古构造运动残留下来的应力。
或某些具有高塑性的沉积岩层，N=1，静水应力分布；
h 3
直，N>1或<1 （地壳深部）；
3、最大主压应力方向
各地最大主应力的发育呈明显的规律性。 各地的σ 1方向均与由各该点向我国的察隅和巴基斯 坦的伊斯兰堡联线所构成的夹角等分线方向相吻合或相
近似，仅在两侧边缘地带略有偏转，即东侧向顺时针偏
转，西侧向逆时针偏转。Fra bibliotek第三节 地应力研究的工程意义
地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极 大，它不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且往往对 各类建筑物的设计和施工造成直接的影响。实践表明， 在高应力区，地表、地下工程施工期间所进行的岩体开 挖工作，往往能在岩体内引起一系列与卸荷回弹和应力 释放相联系的变形和破坏现象，其结果是不仅会恶化地 基或边坡岩体的工程地质条件，而且作用的本身有时也 会对建筑物造成直接的危害。
《岩石力学》第三章 地应力及其测量
1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。
自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。
2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。
答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。
3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即σℎ=σv=γH金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。
他根据弹性力学理论，认为这个系数等于μ1−μ，即σv=γH，σℎ=μ1−μγH4. 地应力是如何形成的？答：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。
5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。
关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。
土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。
6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。
答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。
地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即σG=γH。
重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。
工程地质学-第三章地质构造
✓ 地球发展的时间段叫地质年代。 地质年代单位：代、纪、世、期、 时(从大到
小)
✓ 地层单位：一定地质时期所形成的地层的总 体的名称。 地层单位：界、系、统、阶、 群(从大到小)
地层单位
A台易产生 顺层滑动
B台位于断层 带上
C台较为有利
5、断层的识别
地层界限不连续或岩层中断
岩层不对称重复或缺失
断层破碎带及构造岩 牵引构造及伴生节理
擦痕
地貌标志
【增加内容】
活断层
活断层：第四纪以来仍
在活动的断层。
注：2002年《岩土工 程勘察规范》指全新地 质时期（1～1.1万年） 以来活动着的断层，且 在今后100年可能继续 活动。
水平构造和单斜构造
水平构造
单斜构造
3.3 褶皱构造
组成地壳的岩层，受构造运动的强烈作 用，使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失 连续性的构造叫-。是地壳表层广泛发育的 基本构造之一。昆仑山、祁连山、泰岭都 是复杂的褶皱构造山脉。
褶皱构造 (fold)
(a)
(b)
(c)
图 4-5 褶曲的力学成因 (a)水平挤压力；(b)垂直作用力；(c)力偶作用
2、裂隙发育程度分级
表3—3 裂隙发育程度分级
裂隙发育程度等级 基本特征
附注
不发育
裂隙1-2组，规则，构造型， 对基础工程无间距1米以上，多为Fra bibliotek闭裂 影响，对岩体
隙，少有充填物，岩体被切 稳定性影响不
割成巨块状
大
较发育
裂隙2-3组，较规则，以构 对基础工程无
地应力知识
地应力知识简介地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。
一地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。
30多年来的实测和理论分析表明，地应力形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。
1大陆板块边界受压引起的应力场以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。
在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。
2地幔热对流引起的应力场由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动。
地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽。
3由地心引力引起的应力场（也称为重力场）重力场，是各种应力场中唯一能够计算的应力场。
重力应力为垂直方向应力，是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。
4岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。
熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。
岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。
地应力的工程地质研究
（1）西部地区主要是受南北方向的挤压作用；
Hale Waihona Puke （2）东部地区以近东西方向的挤压作用为主；
（3）在东西部的交界带情况比较复杂； （4）原始测量表明，一般都是压应力。
三、地应力研究的工程意义
1、基坑地部的隆起、破坏； 2、基坑边坡的剪切滑移； 3、边坡的倾倒变形； 4、引起岩爆； 5、对坝型选择的影响；
边开槽解除岩体中的应力时，测量元件读数便发生变化。
再把平面扁千斤顶放人槽内加压，使测量元件恢复到原来状 态，此时千斤顶的应力就是垂直槽壁方向的应力。
2、应力解除法
（1)孔壁应变法 （2)孔径变形法 （3)孔底应变法
3、水压致裂法
水压致裂法：是在钻孔内用两个可膨胀的橡胶封隔器将钻 孔的试验段隔离开来施加水压，通过测量岩石的裂隙产生传播、
第三章
地应力的工程地质研究
地应力是指地壳岩体处在未经人为扰动的天然状
态下所具有的内应力，或称初始应力、天然应力。 （1）自重应力
（2）构造应力
由构造运动引起的地应力活动的。
（3）剩余应力 （4）变异应力
岩体的物理状态、化学性质或赋存条件变化而引起的。
一、地应力测量方法
1、应力恢复法
在岩体表面或地下洞室围岩表面预先布置测量元件，当其旁
保持和重新开裂所需的水压力来确定垂直于钻孔平面最大、最
小主应力的方法。
二、地应力场的分布和变化规律
1、垂直应力有随深度线性增加的变化关系； 2、水平应力随深度的变化关系比较复杂，一般在地壳 的浅部，特别是构造活动区，大多数情况下，水平应力大 于垂直应力，而在深部则相反。 3、最大主压应力的方向 主要取决于所处地区的 地质历史和构造运动的方向 方式，有明显的区域性特点。
第三章__煤矿深部地应力场研究
第三章 煤矿深部地应力场研究3.1深部原岩应力场的特点自然界中的地壳是由多种岩层和岩体结合而成。
在漫长的地质年代里地壳始终处于运动和变化之中，由此常使岩层和岩体产生褶皱、断裂、和错动，这些现象的出现都是岩层和岩体受力的结果，表明在人类活动之前，岩体中就存在一个天然的地应力场。
所谓地应力，是指地壳岩体在天然状态下所存在的内在应力，在工程上通常称作初始应力。
它是指在没有进行任何地下或地面工程之前，在岩体中各个位置及各个方向所存在的应力的空间分布状态。
它是不取决于人类活动的自然应力场。
初始地应力是相对于施工开挖后造成的应力重分布（二次应力）而言，是指开挖前某一特定时间的地应力场。
从地质年代看，地应力是随空间、时间而变化的非稳定场。
对于工程建设，初始地应力场可视为忽略时间因素的相对稳定应力场。
初始地应力是岩体中实际蕴藏的内力，在岩体中进行开挖以后，改变了岩体的初始地应力状态，使岩体应力重新分布，原先处于弹性状态的岩体可能因应力重分布而进入塑性状态，原先低应力状态的岩体可处于高应力状态，甚至发生脆性破坏。
还可能使得岩体与工程相关的那些部位形成应力集中，从而引起岩体的变形或破坏。
对于地下工程来讲，工程的开挖引起围岩的应力和变形，这不仅会影响洞室本身的稳定状态，而且为了维持围岩的稳定，必须进行人工支护。
而在建造一定的支护结构或衬砌、合理地设计支护结构、确定经济合理的支护尺寸时，必须知道岩体的初始地应力。
由此可见，地下工程的稳定状态与岩体的初始地应力状态紧密相关。
因此，初始地应力场的可靠性是各种地下建筑分析研究方法能否反映工程实际情况的决定因素之一。
随着地壳浅部资源的逐渐枯竭，越来越多的开发将在高山深谷中进行，因此，认清深部地应力场的特点是一项迫在眉睫的工作。
由于地应力的非均匀性，以及地质、地形、构造和岩石力学性质等方面的影响，使得我们在概括地应力状态及其变化规律方面，遇到了很大困难。
不过从目前现有实测资料来看，深部地应力场的变化规律，大致可归纳为如下几点：1、地应力场是个相对稳定的非稳定应力场岩体中的地应力除地壳深层以外，绝大部分是以水平应力为主的三向不等压的三维应力场。
地应力的研究与分析
壳上层一定深度的情况下 ， 水平应力分量重要性远远超 过垂直应力分量 ， 还是哈斯特通过对纳维亚半岛的地应
力测量后发现的地壳上部的最 主要应力几乎处处是水 平或接近水平的， 后期学者的研究在根本上动摇 了前期
学者的探究 。 而后来的进一步的研究表明， 重力作用和构造运动 是引起地应力的主要原因， 以水平方向的构造运动对 尤 地应力的形成影响最大。 综合性的结果 说 明， 地应 力的成 因与板块边 界受 压 、 幔 热对流 、 地 地球 内应 力 、 心引 力 、 旋 转 、 地 地球 岩浆 侵人和地壳非均匀扩容等产生的相应 的应力场有关 。
的地质 学家李 四光 指 出 的在构 造 应 力 的作 用仅 影 响 地
根据直观分析 ， 尖劈 内任何一点的应力应正 比于力 Ｆ ， 并 与量 ａｐ、 和 有关 。由于 Ｆ的量纲 为 ＭＴ一 ， 、 ｐ Ｐ的
量纲 为 Ｉ，、 ａｐ和 无 量纲 ， 因此 ， 个 应力 分 量 中表达 各
式只能取｛Ｎ的 Ｐ 形式。 这里的Ｎ为ａｐ 组成的无 、和
量纲 的量 。这表明， 各应 力分量中， 只能出现负一次 Ｐ 幂。由艾里应力函数 的极坐标形式所表示 的各应力分 量表达式 ， 如式（）可知应力函数中 Ｐ １， 的幂次要 比各应
力分量 中的 ｐ 的幂次高两次。因此 ， 假定艾里应力函数
随着科技的不断进步 ， 小规模 的开挖活动 ， 即接近 地表的深度上的开挖活动 ， 运用的效果较显著的经验类 比法 ， 较深层 次 的开挖 活 动 就 显 的不 是 很 准 确 ， 此 在 而 时 对深层地 应力 的研究 就显 得 十分 的迫切 。 从以前 的定性分析到现在 的定性和定量分析的结
￣ｆ２ ，
Ｉ ｐ ｎ ｄ ＋Ｆｉ 一０ ａｓ ｓ ｉ ｎ
岩石力学第三章 地应力测量
1926年，苏联学者金尼克修正了海姆的静水
压力假设，认为地壳中各点的垂直应力等于
上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应力)是
泊松效应的结果，其值应为γH乘以一个修
正系数λ（侧压力系数）。他根据弹性力学
理论，认为：
vH,hH11 H
9
岩石力学
二、地应力认识的历史
朗金假设
朗金认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩
36
岩石力学
二、刚性包体应力计法
当E′／E>5时，σx′／σx的比值将趋向于 常数1.5。即当刚性包体的弹性模量超过岩体 的弹性模量5倍之后，在岩体中任何方位的应 力变化会在包体中相同方位引起1.5倍的应力， 因此只要测量出刚性包体中的应力变化就可知 道岩体中的应力变化。
为了保证刚性包体应力计能有效工作，包体 材料的弹性模量要尽可能大，至少要超过岩体 弹性模量的5倍。
37
岩石力学
二、刚性包体应力计法
刚性包体应力计具有很高的稳定 性，因而可用于对现场应力变化进 行长期监测，然而通常只能测量垂 直于钻孔平面的单向或双向应力变 化情况，而不能用于测量原岩应力。
38
岩石力学
三、水压致裂法
水压致裂法在20世纪 50年代被广泛应用于油 田钻井中制造人工裂隙 来提高石油的产量。
2
O
41
岩石力学
三、水压致裂法
钻孔周边（r=R)的应力：
(12)2(12)cos2 r 0
钻孔周边应力的最小值（θ＝0°时）：
,min 321
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岩石力学
三、水压致裂法
水压致裂 系统是将 钻孔某段 封隔起来， 并向该段 钻孔注入 高压水。
43
岩石力学
三、水压致裂法
3地应力及其测量原理解析
3地应力及其测量原理解析地应力是指地球内部岩石受到的力。
地应力是大地构造活动的重要因素，它对岩石变形、断裂产生重要影响。
了解地应力的分布及其大小对地质灾害预测和地下工程设计具有重要意义。
本文将探讨地应力及其测量原理。
地球内部的岩石受到的力主要有三个方向的应力，即水平应力、垂直应力和剪切应力。
水平应力是指岩石受到的平行于地表面的力，可以分为水平主应力和水平次应力。
垂直应力是指岩石受到的垂直于地表面的力，也称为垂向应力或竖向应力。
剪切应力是指岩石受到的平行于地表面的剪切力，它是水平主应力和水平次应力的合成力。
测量地应力的方法有很多种，常见的方法有直接法、间接法和综合法。
直接法是指在地下开展实地观测和实验，测量地应力的大小和分布。
这种方法需要精密的仪器设备和专业的人员，成本较高。
直接法主要有压力封、应力计和杨氏圆及其变形规律三类。
压力封是将传感器封装在地下岩石中，通过监测传感器的变形来获得地应力信息。
应力计是一种用于测量地应力的仪器，它通过应用压力给传感器的晶体，在晶体上产生电压信号来测量地应力的大小。
杨氏圆及其变形规律是一种通过岩石的弹性性质和材料参数来推导地应力的方法，它主要通过岩石的横向应变和纵向应变的关系来计算地应力的大小。
间接法是指通过间接测量来推断地应力的大小和分布。
这种方法通过测量岩石的应力释放和地震活动来判断地应力的情况。
间接法主要有岩层位移法、地震法和微观破裂法。
岩层位移法是通过测量岩层的位移来推断地应力，它主要通过岩石剪切带和断层的破碎及位移来判断地应力的大小。
地震法是通过测量地震波的传播速度和波峰时间来推断地应力的情况，它主要通过地震波在地下传播的路径和速度来判断地应力的方向和大小。
微观破裂法是通过观察岩石微观裂纹和破碎情况来推断地应力的大小和方向，它主要通过观测岩石的细微结构和断口来判断地应力的情况。
综合法是指将直接法和间接法相结合来测量地应力。
这种方法利用不同的测量技术和方法相互补充，可以提高地应力的准确性和可靠性。
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3.1.4 研究历史
（1）世界上 1878年海姆提出天然应力； l932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次
成功地测定了岩体中的天然应力； 到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个
测点。大部分是浅部，最深5108米（美国密执安 水压致裂法）。 （2）中国 20世纪50年代末开始天然应力量测，有几万 个测点，最深的有3958米（天津大港）。
北东方向推进，这样一种巨大而持续的板块间的相互作用
•西南： 印度板块向NNE挤压 （5cm/a） •东： 太平洋板块向W俯冲 （1cm/a） •南： 菲律宾板块向N俯冲 •北： 西伯利亚板块阻挡
我国大部分地区最大主应力方向和量值的上述变化规
律，完全是由印度板块与欧亚板块的碰撞、挤压所导致的。
一般认为，白垩纪末印度板块从西南向北北东方向推移， 并在始新世中期末，即大约距今3800万年前与欧亚板块相 碰撞（对接）。此后印度板块仍以每年约5cm的速度向北
3.2 我国地应力场的空间分布特点及变化规律
3.2.1 地应力场的空间分布及其与板块运动的关系
1、我国地应力场的空间分布特点
以东经100～105o为界分东西两区。 强度上：西强东弱（西高东低） 方向上：西： NNE-SSW为主，东：近E-W。
2、 地应力场的形成与板块运动的关系
中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤压，形成 了中国大陆岩体中的天然应力。
③.最小主应力轴σ3近于垂直，最大主应力与中间 主应力轴近于水平。喜马拉雅的前缘地区属于这种 类型。在此种应力状态下发生的破坏，是逆断型 的，即沿走向与最大主应力垂直的剖面X裂面产生 逆断活动，故可称为潜在逆断型。
上述为三种典型情况，大多数地区接近其中某 一种，有些地区应力状态属主应力轴倾斜的过度类 型。总之大量实测资料表明，世界上大多数地区岩 体内的天然应力状态是以水平应力为主。
σx=σy=λσz
（λ称为岩体的侧压力系数。）
λ=v/(1-v) ， v为泊松比，λ=0.25~0.43， v=0.2~0.3 , 砼λ=1/6 ， 深部淤泥v=0.5 ，λ=1
特点：
①随h的增大而增大； ②σz＞σx ，σy；
③普遍存在。
2.构造应力
岩石圈运动在岩体内形成的应力称为构造应力。 构造应力又可称为活动构造应力和剩余构造应力。
⑵垂直应力为主的观点
基于弹性理论提出的，认为岩体内的应力主要是 重力场作用下形成的自重应力。
⑶水平应力为主的观点
近年来，大量的震源机制资料和应力实测资料清 楚地揭示出地壳岩体内的应力状态存在着不同的类 型1垂直，其余两主应 力水平分布。在地处大洋中脊轴部地带的冰岛地区 测得的三向应力状态就是这种类型。此应力状态下 发生的破坏（或再活动），是沿走向与最小主应力 轴相垂直的面，发生正断性质的活动，故可称为潜 在正断型。
3.1 地应力的种类
3.1.1 岩体应力的分类
按成因，可分为： 天然应力和初始应力（virginal stress）
自重应力（gravitational stress）
构造应力 （tectonic stress）
活动的（active tectonic stress）
剩余的（residual tectonic stress）
残余应力：承载岩体遭受卸荷或部分卸荷时， 岩体中某些组分的膨胀回弹趋势部分地受到其他组 分的约束，于是就在岩体结构内形成残余的拉、压 应力自相平衡的应力系统，此即残余应力。
3.1.3 岩体天然应力状态类型
目前有三种观点：
⑴由瑞士地质学家海姆于1905-1912年提出的，他以岩 体具有蠕变的性能为依据，认为地壳岩体任一类的应 力都是各向相等的，均等于上覆岩层的自重，即： σx=σy=σv=rh，称为“静水应力式”分布观点。
第三章 地应力的工程地质研究
川藏公路二郎山隧道 ----我国目前地应力最大、埋深最深的隧道
岩爆造成损害细部
岩块嵌入水管表面 电缆被高速抛出的岩块割断 ( 实验结果表明：岩石弹射速度>50m/s)
本章主要内容：
3.1 3.2 3.3 3.4
地应力的种类； 我国地应力场的空间分布特点及变化规律； 地应力研究的工程意义； 地应力工程地质研究的内容和方法。
人类从事工程活动，在岩体天然应力场内，因
挖除部分岩体或增加结构面而引起的应力，称为感
生应力。
1.自重应力：
由岩体自重产生的应力为自重应力。
在地表近水平的情况下，重力场在岩体内的某一任
意类形成相当于上覆岩层重量的垂直正应力σz。
σz=γh
（r为岩石的容重；h为该点的埋深.）
由于泊松效应（即侧向膨胀）造成水平正应力
活动构造应力，即狭义的地应力，是地壳内现在 正在积累的能够导致岩石变形和破裂的应力。
剩余的构造应力是古构造运动残留下来的应力。 无理论计算方法，仅依靠实测（现状） ： 应力恢复法、应力解除法、水压致裂法。
3.变异及残余应力
变异应力：岩体的物理、化学变化及岩浆的侵 入等引起的应力。具体来说是岩体的物理状态、化 学性质或赋存条件的变化引起的，通常只具有局部 意义，可统称为变异应力。
②.中间主应力近于垂直，最大主应力σ1和最小主 应力σ3近于水平，我国的大多数地区如邢台、新 丰江、丹江口以及西南南北向构造均属这种类型。 在这种应力状态下，如果发生破坏（或再活动）是 沿走向与最大主压应力成约30°～40°左右交角的 陡立面产生走向滑动性的断裂活动，此类三向应力 状态称为潜在走向滑动型。
变异及残余应力（altered and residual stress）
感生应力（induced stress）
3.1.2 岩体应力的一些基本概念
地壳岩体内的天然应力状态，是指未经人为扰 动的，主要是在重力场和构造应力场的综合作用 下，有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等 的作用下所形成的应力状态，常称为天然应力或初 始应力。