水利工程岩土工程质量检测培训教材

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工程岩土工程质量检测
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第六章
岩体应力测试孔壁应变法测试孔底应变法测试孔径变形法测试水压致
裂法测试表面应变法测试岩体应力测试套钻孔应力解除法实测数据整理说
明
第一节第二节第三节第四节第五节第六节
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第六章
岩体应力测试
岩体应力泛指岩体内部存在的应力。

在天然状态下，岩体内部存在的
应力，称为岩体初始应力、天然应力或岩体原始应力，在地质学中通常都
称为地应力。

岩体被扰动后的应力称为二次应力或围岩应力(对地下洞室
而言)。

岩体初始应力不仅与岩体自重、地质构造运动有关，而且与地形地貌、成岩过程的物理化学变化、地温梯度、岩体特性等有着密切的关系，它随
着地壳岩体所处的位置和时间不同而变化，因此它是一种复杂的综合性的
应力状态。

岩体应力的成因大致有岩体自重、地质构造运动、地形地貌、
剥蚀作用和封闭应力等五个方面，其中主要成因为岩体自重应力和地质构
造应力。

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世界范围内地应力分布的一些基本规律性主要有以下几点：垂直应力σv/MPa
地表下深度H/m图6.0-1地应力与岩体埋藏深度关系曲线
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地表以下深度H/m图6.0-2侧压力系数与深度关系
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关于岩土工程地应力场：(1)自重应力。

假定岩体简化
为均质半无限弹性体，忽略地质构造和地形变化对岩体初始应力的影响，自重应力引起的应力场随深度的变化如图6.0-3所示，其量值为
σz'=γH,σ某'=σy'=λγH式中：λ为侧压系数，可根据半无限体侧向变形为零的条件求得：图6.0-3自重应力场的变化规律λ=μ/(1-μ)图6.0-3自重应力场的变化规律
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(2)构造应力。

按照板块运动(大陆漂移)学说，地质构造应力一般认为是水平向作用力。

假定地质构造应力S为沿水平轴某方向作用，即坐标轴某,y,z都与应力场的主方向一致，它随深度的变化如图7.0-4所示。

某
图6.0-4地质构造应力场的变化规律
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(3)岩体初始应力场。

一般情况下岩体初始应力场为岩体自重引起的
应力场与地质构造运动引起的应力场的叠加(忽略岩体初始应力场的次要
组成成分),取自重应力场的主轴与地质构造应力场的主轴一致，它随深度
变化如图6.0-5所示，规律如下：①岩体初始应力场的各应力分量，除靠
近地表以外，沿深度的变化均可用线性方程来概化，即沿深度呈直线变化；
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②在岩体初始应力场中，大主应力σ1在浅层为水平向，到达较大深
度后转变为铅垂向；中主应力σ2或小主应力σ3在浅层为铅垂向，到达
较大深度后转变为水平向。

它们由两个直线段组成，其转折点深度为临界
深度；
图6.0-5初始应力场变化规律
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③在临界深度以上岩体初始应力场是以地质构造应力场为主导，大主
应力为水平向，其量值随深度增加的幅度较小。

在临界深度以下，就转变
以自重应力场为主导，即大主应力为铅垂向，其量值随深度增加的幅度较大。

临界深度附近，存在一个主应力方向逐渐调整变化的过渡带。

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④河谷应力场，水电工程多建于河谷地区，其应力场分布有独特的规律，见图6.0-6。

图6.0-6河谷地区地应力场分布规律
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1912年瑞士地质学家海姆(A.
Heim)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(海姆假定),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，即自重应力。

金尼克和朗金(W.J.M.Rankine)分别
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自重应力，
而侧向应力(水平应力)应为自重应力乘以一个修正系数。

上世纪20年代，我国地质学家李四光就指出水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。

50年代，哈斯特(N.Hat)首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力测量工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最
大水平主应力一般为垂直应力的1-2倍，甚至更多。

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后来的进一步研究表明，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。

当前的应力
状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。

由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运
动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外，地应力场还受到其他
多种因素的影响，因而造成了地应力状态的复杂性和多变性。

即使在同一
工程区域，不同点地应力的状态也可能是很不相同的，因此，地应力的大
小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得。

要了解一个地区
的地应力状态，最有效的方法就是在现场进行岩体应力测试，包括岩体初
始应力测试和洞室围岩应力测试等。

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早期的地应力测量一般是在岩体的表面进行，分为表面应力恢复法和
表面应力解除法两种。

扁千斤顶法是表面应力恢复法的代表，而中心钻孔
法和平行钻孔法则为表面应力解除法的代表。

表面应力测量一般都在开挖洞室岩体表面进行，只能测量岩体表面的
一维或二维应力状态，而这种应力状态还受到开挖扰动影响，并非原岩应力。

因此这类方法不能正确确定测点处的原岩应力状态。

为了克服这类方
法的缺点，另一类方
法是从洞室表面向岩体中打小孔直至原岩应力区，这就保证了测量在
原岩应力区中进行。

这类方法称为“钻孔测量法”,目前普遍采用的应力
解除法和水压致裂法均属此类方法。

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岩体应力测试的方法很多，各有其适用范围。

就其测试的物理量来分，有直接法和间接法；就其测量部位来分，有孔内法和表面法；就其测试元
件来分，有机械式、电阻式、电感式等。

目前测量地应力的主要方法有：岩体表面地应力测量、套钻孔应力解
除法地应力测量、水压致裂法地应力测量和声发射(AE)地应力测量等几大类。

各大类又可细分出许多测量方法。

如岩体表面地应力测量又可分为岩
体表面应力解除法和岩体表面应力恢复法；套钻孔应力解除法地应力测量
可分为钻孔孔壁应变法、钻孔孔底应变法和钻孔孔径变形法。

随测试原理
和测试仪器不同还可分为二维地应力、三维地应力、浅孔地应力和深孔地
应力测量。

第一节一
孔壁应变法测试
钻孔套心应力解除技术
钻孔套心应力解除技术是岩体应力测试的基本方法。

孔壁应变法是套孔应力解除技术的一种应用，此外孔径变形法亦属此例。

钻孔套心过程就是围岩应力释放过程，测量套孔前后中心孔孔壁应变的变化量，计算出测点处岩体的应力状态。

套孔应力解除技术工法示意如图6.1-1。

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图6.1-1套孔应力解除过程示意图。