实验2-3从海带中提取碘

1原岩应力基础知识2概述地应力场的分布规律地应力测量方法3概述次生应力诱发应力受工程扰动之后的天然应力受工程扰动之后的天然应力状态状态
J.HudsonJ.Hudson应力重分布应力重分布原岩原岩应力初始应力地应力4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。

一、概述研究地应力的重要性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。

5一、概述地应力的成因1912年瑞士地质学家海姆A.Heim在大型越岭隧道施工过程中通过观测和分析首次提出了地应力概念并假定地应力是静水应力状态。

σh水平应力σv垂直应力γ上覆岩层重量H深度Hvh1926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HvHvh1其中λ为侧压系数1υ上覆岩层泊松比垂直应力为主侧压系数16在20世纪20年代我国地质学家李四光指出“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。

”1958年瑞典工程师哈斯特NHast 在斯堪的纳维亚半岛进行地应力测量工作时发现在地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的最大水平主应力一般为垂直应力的1—2倍以上在某些地表处测得的最大水平应力高达7MPa从根本上动摇了静水压力理论和以垂直应力为主的观点。

一、概述地应力的成因7后来的研究进一步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。

当前的地应力状态主要由最近的一次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造成地应力状态的复杂性和多变性因而只有通过对某点进行地应力实测才能了解该地的地应力状态。

----地应力测量一、概述地应力的成因8一、概述地应力的成因地应力场主要成分自重应力场和构造应力场1大陆板块边界受压引起的应力场2由地心引力引起的应力场3地幔热对流引起的应力场4岩浆侵入引起的应力场局部应力场5地温梯度引起的应力场6地表剥蚀产生的应力场印度洋板块太平洋板块9一、概述地应力的成因1自重应力场:地壳上部各种岩体由于受地应力作用而引起的应力竖直方向、普遍存在可以计量与深度成线性关系在252700m范围内z HH/m平均容重≈27kN/m3垂直应力—平均容重KN/m3侧压力H—总深度m—侧压力系数HzHAHAZZyX假定条件均匀连续且各向同性边界条件半无限体10一、概述地应力的成因zx1由推出1得??岩体由多层不同性质岩层组成时图4-3第j层应力jiiijzh1原始垂直应力和水平应力
01zyxyxEjzjjyjxjj1jxy11 1nnnziinziiiinhh11一、概述地应力的成因2 构造应力由岩石圈板块的相对位移引起的应力场1 成因有增有减地球公转和自转引起大陆板块东西和南北向挤压2 特点目前世界上测定地应力最深的测点已达5000m但多数测点的深度在1000m左右。

很不均匀有的点最大主应力在水平方向且垂直应力有的点垂直应力就是最大主应力有的点最大主应力方向与水平面形成一定倾角构造应力以水平应力为主121地应力是一个相对稳定性的非稳定应力场且是时间和空间的函数。

地应力在空间上的变化随时间的变化地震前地震时震后13二、地应力场的分布规律2实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量0.027vHE. Hoek和E.T. Brown总结出的实测垂直应
力随深度H变化的规律。

在深度为252700m范围内实测垂直应力呈线性增长。

在埋深小于1000m时测量值与预测值可能差别很大有的甚至相差达到5倍因此这个方程可
以很好地估算出所有应力测量值的均值但绝对不能用它来得到任一特定位置处的准确值因此最好是测量而不是估算来确定垂直应力分量。

偏差产生原因测量误差、板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等vrH14二、地应力场的分布规律3水平应力普遍大于垂直应力实测资料表明几乎所有地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内其与水平面的夹角一般不大于30度最大水平主应力普遍垂直应力两者之比一般为0.55.5在很大情况下都大于2。

总结目前全世界地应力实测结果得出
σhmax/σv之值一般为0.55.0大多数为0.81.5。

这说明垂直应力在多数情况下为最小主应力在少数情况下为中间主应力极个别情况下为最大主应力。

15二、地应力场的分布规律4平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小10015000.30.5KHHE. Hoek和E.T. Brown研究了世界各地116个现场地应力测量资料平均水平应力与垂直
应力的比值K16二、地应力场的分布规律5最大水平主应力与最小水平主应力也随深度呈线性增长关系0.027vHmax6.70.0444hHmin0.80.0329hH6最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大显示出很强的方向性0.20.80.40.8多数情况下为17二、地应力场的分布规律7地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响特别是地形和断层的扰动影响最大最大主应力在谷底或河床中心近于水平而在两岸岸坡则向谷底或河床倾斜并大致与坡面平行。

三、地应力测量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。

地应力测量的目的了解岩体中存在的应力大小和方向从而为分析岩体工程的受力状态以及支护及岩体加固提供依据同时还为预报岩体失稳破坏及预测岩爆发生提供依据。

19三、地应力测量方法岩体应力测量可以分为据测量基本原理不同直接测量测定应力由测量仪器直接测量和记录各种应力量如补偿应力、恢复应力、平衡应力并由这些应力量和原岩应力的相互关系通过计算获得原岩应力值。

扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法间接测量测定应变、密度、渗透性、吸水性、电阻/电容借助某些传感元件或某些介质测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化然后通过已知的换算公式计算岩体中的应力值。

因此在计算应力时必须首先确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。

套孔应力解除法和其它的应力或应变解除方法以及地球物理方法等都是常用的间接测量法其中套孔应力解除法应用最为普遍且发展较为成熟20三、地应力测量方法a 水压致裂法该方法于20世纪50年代用来提高石油开采产量的措施后在实践中由MK Hubbert等发现了水压致裂裂隙和原岩应力之间的关系这一发现又被BC Haimson用于地应力测量测量方法利用一对可膨胀的橡胶封隔器在钻孔中预定的测试深度封隔一段钻孔然后向封隔段内注入高压流体如水致使钻孔孔壁及其周围岩体在孔内径向压力下形成破裂根据压裂过程曲线的压力特征值而确定地应力的一种方法。

5高压钢管6高压胶管7压力表8泵9封隔器10压裂段1记录仪2高压泵3流量计4压力计21三、地应力测量方法a 水压致裂法2cos221210r由弹性力学可知 无限体中的一个圆形钻
孔受到无穷远处二维应力场σ1最大水平应力 σ2最小水平应力 其钻孔周边的切向应力σθ和径向应力σr为 周边一点与σ1轴的夹角当θ 0°时 σθ取得极小值
σθ 3 σ2 σ1当水压达到TPi123孔壁发生初始开裂当继续注水使裂隙深度扩展至3倍钻孔直径时 此处已接近原岩应力状态停止加压 保持压力恒定 记此时压力为Ps2sP无限体——圆形钻孔平面应变受力状态几点假定21322三、地应力测量方法a 水压致裂法假设钻孔中存在压力P0的裂隙水时则初始开裂压力Pi0123PTPi在初始裂隙产生后将水压卸除使裂隙闭合裂隙闭合然后重新注水加压使裂隙重新打开记裂隙重开的压力为Pr0123PPr2sP2sP不需要测试封隔段岩石的抗拉强度23三、地应力测量方法a 水压致裂法测量步骤1密封通过钻杆将两个可膨胀橡胶封隔器放置到钻孔选定测试段封隔形成承压段空间。

2注水加压液压泵对压裂段注水加压孔壁承受逐渐增大的径向液压力。

3孔壁岩石破裂在足够大的径向压力下孔壁岩石沿阻力最小的方向出现裂隙该裂隙在垂直孔轴的横截面上最小主应力平面内延伸。

此时相应的泵压为临界破裂压力Pi由于孔壁岩石破裂压力达Pi后随即急剧下降4关泵关闭液压泵泵压迅速下降然后随着水渗入到岩层泵压缓慢下降。

当压力降到使裂隙处于临界闭合状态的压力时即垂直于裂隙面的最小主应力与液压回路达到平衡时的压力称为瞬时关闭压力Ps水压致裂法地应力测试过程示意图假设钻孔中存在压力P0的裂隙水
0123PTPi2sP24三、地应力测量方法a 水压致裂法测量步骤5 卸压打开压力阀使裂隙完全闭合泵压记录降为初始压力P06 重张按25步骤连续进行多次加卸压循环取得
合理的压裂参数判断岩石破裂和裂隙延伸的过程7 解封压裂完毕后使封隔器收缩恢复原状即封隔器解封8 裂隙方位记录采用定向印模器通过扩张印模器外层的生橡胶和自动定向罗盘记录裂隙方位。

假设钻孔中存在压力P0的裂隙水0123PPr2sP水压致裂法地应力测试过程示意图25三、地应力测量方法a 水压致裂法的优点1设备简单用普通钻探方法打钻孔用双止水装置密封用液压泵通过压裂装置压裂岩体不需要复杂电磁测量设备。

2操作方便只通过液压泵向钻孔内注液以压裂岩体观测压裂过程中泵压、液量即可。

3测值直观可根据压裂时泵压初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力计算出地应力值不需要复杂的换算及辅助测试同时还可求得岩体抗拉强度。

4测值代表性大所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内平均值有较好的代表性。

5适应性强这一方法不需要电磁测量元件不怕潮湿可在干孔及孔中有水条件下作试验不怕电磁干扰不怕震动。

因此这一方法越来越受到重视和推广。

测量深部岩体应力测量深度达测量深部岩体应力测量深度达5000m5000m德国德国9000m9000m26三、地应力测量方法a 水压致裂法的缺点1 准确的说是一个二维地应力测量方法它是假定钻孔方向是一个主应力方向因为一般垂直地应力是一个主应力所以可以测另两个原岩主应力2 主应力方向定得不准适用于完整脆性岩体二维地应力测量27三、地应力测量方法b 应力恢复法Tincelin于1952年在法国用来直接测定岩体应力大小的方法。

1适用范围仅用于岩体表层当已知某岩体中的主应力方仅用于岩体表层当已知某岩体中的主应力方向时采用本方法较为方便。

向时采用本方法较为方便。

2基本原理在与所测应在与所测应力力σ1垂直方向上开应力解除槽垂直方向上开应力解除槽槽上下附近周围应力得到部分槽上下附近周围应力得到部分解除解除重新分布重新分布。

3测试步骤28三、地应力测量方法b 应力恢复法测试步骤1选定试验点在预开解除槽宽B 深B2 的中垂线上安装测量元件B3 。

测量元件可以是千分表、钢弦应变计或电阻应变片等。

2 记录量测元件——应变计的初始读数。

3 开凿解除槽记录应变计读数。

4埋设压力枕并用水泥砂浆充填空隙。

5达到一定强度以后连接油泵施压。

随着加压p的增加岩体变形逐步恢复。

逐点记录压力p与恢复变
形应变的关系6假设岩体为理想弹性体当应变计恢复到初始读数时此时施加的压力p 即为所求岩体的主应力。

29三、地应力测量方法b 应力恢复法应变计的初始读数应力恢复法简单示意图30三、地应力测量方法b 应力恢复法应力恢复法优点采用该方法可以不用岩体中的应力应变关系而直接得出岩体的应力。

存在缺点1若槽壁不是岩体主应力作用面则在挖槽前的槽壁上存在剪应力很显然这种剪应力的作用在应力恢复过程中没有考虑进去这会导致一定误差。

2应力恢复时岩体应力应变关系与应力解除前并不完全相同这也会影响量测的精度。

31三、地应力测量方法c 应力解除法基本原理人为地将需要测定岩体地应力状态处的岩体单元与周围岩体分离此时岩体单元上所受的应力被解除将产生弹性恢复。

应用一定的仪器测定弹性恢复的应变值或变形值根据连续、均质和各向同性的线弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。

岩体应力测量中应用较广的方法切断联系解除应力应变恢复测试应变计算应力流程要点32三、地应力测量方法c 应力解除法一孔底应力解除法按测试深度分表面、浅孔和深孔应力解除法按测试部位分孔底应力解除法孔底应变测试套孔应力解除法孔径变形测试和孔壁应变测试等向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔在孔底中心处粘贴应变传感器套孔钻出岩芯使孔底平面完全卸载应变传感器测得孔底平面中心恢复应变在室内测得岩石的弹性常数计算孔底中心处的平面应力状态。

33三、地应力测量方法c 应力解除法由于孔底应力解除法只需要钻进一段不长的岩芯所以对较破碎的岩体也能应用。

孔底应力解除法需要3个钻孔一个平面有3个独立的应力分量共面三钻孔法34三、地应力测量方法c 应力解除法1测量原理::进行岩体中某点应力量测时先向该点钻进一定深度的超前小孔在此小钻孔中埋设钻孔传感器再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除根据恢复应变及岩石的弹性常数即可求得该点的应力状态。

二套孔应力解除法二套孔应力解除法发展时间最长技术比较成熟在适用性和可靠性方面目前还没哪种方法可以和套孔套孔应力解除法相比。

2测量步骤如下套孔应力解除法孔径变形测试和孔壁应变测试测试套孔应力解除后的孔径变化测试套孔应力解除后的孔壁应变35三、地应力测量方法c 应力解除法1打大孔从岩体表面打大孔至测量部位磨平孔底清洗钻孔大孔直径一般为130150mm大孔深度为巷道跨度的2.5倍以上D35d2打小孔并放水冲洗钻孔小孔直径由选用探头直径决定一般为3638mm小孔深度一般为孔径10倍左右3安装测量探头至小孔中央部位4岩石打孔实现应力解除通过量测系统测量探头等测得的小孔变形或应变根据有关计算公式求出小孔周围原岩应力。

36三、地应力测量方法c 应力解除法孔径变形测试法共面三钻孔法P1116-7θ孔径变化的测量由美国矿务局首创后来武汉岩土所研制了同类仪器这种方法要求在能取得完整岩芯的岩体中进行。

xyzxyyzzx37三、地应力测量方法c 应力解除法只需在一个钻孔中通过对洞壁应变量测3组应变花9个应变片就可完全确定岩体的六个空间应力分量孔壁应变测试法应变花38三、地应力测量方法c 应力解除法因为该方法要求取出足够长的完整岩芯一方面是保障直径变化测量的可靠性确保处于弹性状态弹性理论才是适用的另一方面要用它测定岩石的弹性模量。

该方法要求在取得完整岩芯的岩体中进行一般至少要能取出达到大孔直径2倍长度的岩芯因此在破碎和弱面多的岩体中或在极高的原岩应力区岩芯发生“饼状”断裂的情况下不宜使用。

应力解除法的适用范围391测试原理材料在受到外荷载作用发生破坏时 其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波 从而发出声响 称为。

1950年 德国人凯泽J Kaiser发现多晶金属的应力从其历史最高水平释放后 再重新加载 当应力未
达到先前最大应力值时 很少有声发射产生 而当应力达到和超过历史最高水平后 则大量产生声发射 这一现象叫做。

从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为 该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。

后来国外许多学者证实了在岩石压缩试验中也存在凯泽效应 许多岩石如花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰岩、砾岩等也具有显著的凯泽效应 从而为应用这一技术测定岩体初始应力奠定了基础。

凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途径 即如果从原岩中取回定向的岩石试件 通过进行加载声发射试验 即可找出每个试件以前所受的最大应力 幵进而求出取样点的原始历史三维应力状态。

声发射凯泽效应凯泽点加工不同方向的岩石试件测定凯泽点三、地应力测量方法d 声发射法402测试步骤1试样制备现场钻孔提取岩样岩样在原环境中的方向必须确定。

将岩样加工成圆柱体试件高径比为21-31。

沿测点的六个不同方向制备试件。

为了获得测试数据的统计规律每个方向的试件为15-25块。

为讼 捎谑约 瞬坑胙沽κ匝榛 稀⑾卵雇分 淠Σ了 脑肷 褪约 瞬坑α 惺约 蕉丝山街 苫费跏髦 蚱渌 春材料制成的端帽。

2 声发射测试加压试件并同时监测产生的声发射现象。

附图421413计算地应力由每次试验得到的凯泽点可以确定该试件轴线方向先前受到的最大应力值。

1525个试件获得一个方向的统计结果六个方向的应力值即可确定取样点的历史最大三维应力大小和方向。

注意 高强度的脆性岩石具有较明显的声发射凯泽效应 而多孔隙低强度及塑性岩体的凯泽效应不明显 FelicityFelicity 效应效应 不能用声发射法测定比较软弱疏松岩体中的应力。