地应力及其测量原理
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
p
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。
p
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
p
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
p
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
岩体力学05-地应力及其测量讲述
ub
uc
1 2
(ua
ub)2
(ub
uc)2
(uc
ua)2
tg2
2ua
3(ub uc） (ub uc）
③测量步骤： 选点、钻孔：130mm ，深
度一般小于30m ; 在孔底打一测量孔：36mm，
深度一般50cm，并洗干净； 安装应变计：并与应变仪连接，
h min
A
A
h max
假设：
天然应力为水平应力场，其铅直应力v=gz
假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中 的一
个小圆孔。作用应力为h,max、h,min，根据弹性理论 中的柯西解，未加水压力时，A点的应力为：
A=3h,min-h,max
在水压力作用下，孔壁产生拉裂破坏的条件为:
第六章 地应力及其测量
一、地应力的概念及研究意义 二、地应力成因及分布的一般规律 三、地应力测量的基本原理及方法
地应 力确 定方
法
自重应力理论
天然应力测量 大地水准测量
地变形量测
三角网测量
GPS测量 地震震源机制解
一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力 适用于：地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基 准面稳定
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。
3．实测垂直应力V基 本上等于上覆岩层的重 量
• 对全世界实测垂 直应力资料的统 计分析，在深度 25~2700m的范围 内，垂直应力呈 线性增长，大致 相当于按平均重 度27kN/m3计算 的应力值H。
第七章 地应力测量方法(113)
空芯包体地应力计结构
空芯包体应变计的主体是一个用环氧树脂制成的壁厚3mm的空芯圆筒，其 外径为36mm，内径为30mm。
在其中间部位，即直径35mm处沿同一圆周等间距（120o）嵌埋着三组电 阻应变花。每组应变花由四支应变片组成，相互间隔45o。制作时，该空芯圆 筒是分两步浇注出来的。
第一步，浇注直径为35mm的空芯圆筒，在规定位置贴好电阻应变花后， 再浇注外面一层，使其外径达到36mm。在应力计的顶部有一个补偿应变片， 以消除温度变化对测量结果的影响。
地应力分量与方向的计算
7.2 应力解除法
设地下某一点的应力为，主应力大小为，与大地坐标系XYZ关系用9个
方向余弦或9个夹角值可以完全确定。但在实测中，钻孔与岩层、与大地
坐标总会呈某一角度（仰角或俯角）。设xyz为钻孔坐标系，在该坐标系
下的地应力是实测地应力。由此，只要有了两套坐标系的相对关系和实测
两测点的间距缓缓地恢复到d0，观测扁千斤顶对岩壁施加的压力pc。
5、在巷道顶部再进行一次测量。 6、由两次测量的结果计算天然应力值。
7.2 应力解除法
一、基本原理
在钻孔中安装变形或应变测量元件，通过量测套芯应力解除前后，孔壁 表面应变变化值来确定原始应力的大小和方向。
所谓套心应力解除是用一个较测量孔径更大的岩芯钻，对测量孔进行同 心套钻，把安装有传感器元件的孔段岩体与周围岩体隔离开来，以解除其天 然受力状态。
三河尖煤矿-980南翼回风巷1#测点局部柱状图
柱状
厚度(m)
埋深(m)
岩性描述
2号测点
11.5 8.6
泥岩，局部含砂高，偶为细
33
砂泥岩
砂岩，致密性脆
张小楼井地应力测点局部柱状图
地应力及其测量原理PPT精品文档
❖在20世纪50年代，瑞典人哈斯特(Hast)采用应力解 除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量。 1958年首次公布了他于1952-1953年在瑞典拉伊斯瓦 尔(Laiswall)铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区的地 应力测量结果，首次测得近地表地层中的水平应力高 于垂直应力，引起了人们的关注。
3 地应力及其测量原理
3.1 概 述
3.1.1 地应力概念
a 地层未受到扰动时，存 在于地层内各点的应力称为 原岩应力，或称为原始应力， 或称为初始地应力（in situ stress）。它是地下工程围 岩变形、破坏、支护结构受 力的根本渊源。
1
b 当地层被开挖 后，存在于开挖空间 周围岩体中重新分布 的应力称为次生应力， 也叫诱发应力 （induced stress）。
而主要在0.25~0.43之间。
11
3.2.2 构造应力
1 古构造应力：是地质史上由于构造运动残 留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力。
2 新构造运动应力是现今正在形成某种构造 体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和 最新地壳变形的应力。
3 封闭应力是在各种地质因素长期作用下 残存于结构内部的应力。
❖地应力实测工作从上个世纪60年代初开始， 1962~1964年在三峡平善坝坝址获得了岩体表面应力 测量成果。
❖1964年，在陈宗基院士的带领下，中国科学院武汉
岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应力
解除测量，测量深度为80m。
5ห้องสมุดไป่ตู้
❖1966年开展了地应力对地震预报的研究，并在河北 省隆尧县建立了我国第一个地应力观测台站，
2
3.1.2 地应力研究国内外情况
1 国外发展情况
地应力及其测量原理
0 σθ1 = −σx + 3σ0 y 0 τ τ zθ1 = −2 yz 0 0 σz2 = 2µ(σx −σ0 ) +σz y
π
(
)
设第i个测点三个方向应变片读数分别 设第 个测点三个方向应变片读数分别 为：εAi、εBi、εCi
E εAi +εBi εAi −εBi σzi = + 2 1− µ 1+ µ
（ 4） 地质构造面与地应力方向关系 ， 一般在水平面 ） 地质构造面与地应力方向关系， 最大主应力的方向常垂直于构造线。 内，最大主应力的方向常垂直于构造线。 2 地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响 地形地貌对地应力的影响是复杂的。 地形地貌对地应力的影响是复杂的。
剥蚀可以造成巨大的水平应力。 剥蚀可以造成巨大的水平应力。由构造作用与由 剥蚀作用产生的水平应力的主要区别在于， 剥蚀作用产生的水平应力的主要区别在于，由构造作 用产生的水平应力具有明显的方向性； 用产生的水平应力具有明显的方向性；而由剥蚀产生 的水平应力，按海姆假设条件，不具方向性。 的水平应力，按海姆假设条件，不具方向性。
3.2 地应力的构成及影响因素
力 力 重 应 构 残 应 古 造 余 力 原 应 构 应 新 造 力 岩 力 造 力 构 应 封 应 闭 力 温 应 度 力
3.2.1 自重应力 由地壳岩层的重量引起。 由地壳岩层的重量引起。
x
γ 1 H1 γ 2H2
x
原岩应力与次生应力
1905-1912瑞士地质学者海姆（Heim） 瑞士地质学者海姆（ 瑞士地质学者海姆 ）
σx =σy =σz
1925-1926金尼克 金尼克
σx =σy = λσz
声发射测量地应力的原理及方法
声发射测量地应力的原理及方法一、声发射测量地应力的原理。
1.1 基本概念。
地应力呢，就是存在于地壳中的应力。
这就好比是大地内部有一股隐藏的力量，在默默地影响着周围的一切。
声发射呢，简单来说就是材料在受到应力作用时，内部会释放出弹性波的现象。
这就像是材料在压力下发出的“小抱怨”，不过这个“小抱怨”可是能被我们捕捉到的。
1.2 原理阐述。
当岩石等地质材料受到地应力的作用时，内部结构会发生变化，就像你用力挤压一个东西，它里面的结构会变形一样。
这种结构变化会导致声发射现象的产生。
而且呀，地应力越大，声发射的活动往往就越频繁、强度也可能越大。
这就好比人压力越大，可能抱怨得就越厉害。
我们就是通过检测声发射的这些特征，像频率啊、强度之类的，来反推地应力的大小和方向。
这就像是从一个人的抱怨声中判断他到底承受了多大的压力以及压力来自哪个方向。
二、声发射测量地应力的方法。
2.1 传感器布置。
首先得把声发射传感器布置好。
这就像在战场上布置侦察兵一样，要选择合适的位置。
传感器要放在能准确接收到声发射信号的地方。
不能随随便便乱放，要是放得不好，就像侦察兵站错了岗，那可就获取不到准确的情报了。
一般呢，会根据地质结构的特点、测量的目的等来确定传感器的布置方式。
有时候可能是在岩石表面均匀分布，有时候可能要针对某个特定的区域重点布置，这得具体情况具体分析，不能“一刀切”。
2.2 信号采集。
传感器布置好了之后，就要采集声发射信号了。
这个过程得小心翼翼的，就像在收集宝贝一样。
采集到的信号可能会有很多干扰因素，就像在嘈杂的市场里听人说话，得把那些杂音去掉，才能听到真正有用的信息。
这就需要采用一些滤波等技术手段，把那些无关的信号过滤掉，只留下与地应力相关的声发射信号。
2.3 数据分析。
采集到信号之后，就是数据分析了。
这可是个技术活，就像侦探分析线索一样。
要从采集到的声发射信号中分析出频率、强度、波形等特征。
然后根据这些特征，运用相关的理论和经验公式，来计算地应力的大小和方向。
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。
地应力基本概念及测量方法
地应力基本概念及测量方法应力等因素导致岩体具有初始地应力（或简称地应力）是最具有特色的性质之一。
就岩体工程而言，如不考虑岩体地应力这一要素，就难以进行合理的分析和得出符合实际的结论。
岩体应力天然应力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，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。
天然应力构成：岩体自重自重应力构造运动构造应力流体作用静水压力梯度，渗流应力其他（低温、地球化学作用）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。
比如，地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏。
这都是由于在具有初始地应力场的岩体中进行开挖所致，因为这种开挖荷载通常是地下工程问题中的重要荷载。
由此可见，如何测定和评估岩体的地应力，如何合理模拟工程区域的初始地应力场以及正确和合理地计算工程问题中的开挖荷载，是岩石力学与工程问题中不可回避的重要问题。
已有的研究和工程实践表明，浅部地壳应力分布主要有如下的一些基本规律：地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。
实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。
水平应力普遍大于垂直应力。
平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。
最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。
最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。
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。
高应力区实践表明，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。
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2 水压致裂法
σ
初始劈裂压力
开启压力
稳定开裂压力
关闭压力 σ
p
σ
σ3 －σ
σ
σ
0 3
在水压力为pb，原始应力
为σ1、σ3共同作用下，孔周 σ10
Pb
σ10
边岩体中切向应力：
σ
0 3
1 2
0 1
0 3
1
R02 r2
pb
R02 r2
1 2
0 1
3 地应力及其测量原理
3.1 概 述
概念：a 地层未受到扰动时，存在于地层 内各点的应力称为原岩应力，或称为原始应 力，或称为初始地应力（in situ stress）。它 是地下工程围岩变形、破坏、支护结构受力 的根本渊源。
b 当地层被开挖后，存在于开挖空间周 围岩体中重新分布的应力称为次生应力，也 叫诱发应力（induced stress）。
1 在地下工程中
1）围岩稳定与支护结构设计； 2）地下洞室走向选择； 3）地下洞室断面几何形状； 4）坚硬脆性岩体中的岩爆；
2 在地上工程中
主要是基坑开挖后，底部岩体在原岩应 力作用下出现底鼓而影响上部结构稳定。
3.3 地壳浅部地应力的变化规律
3.3.1 地应力是个非稳定应力场
3.3.2 实测垂直应力 z 基本等于上覆岩
2） 孔壁应变法
只需在一个钻孔内进行量测，即可确定六个空间 应力分量。
z
20 xFra bibliotek0 y
cos
2
4
0 xy
sin
2
0 z
0 x
0 y
2
0 x
0 y
cos
2
4
0 xy
sin
2
z
2
0 yz
cos
2
0 zx
sin
3.2 地应力的构成及影响因素
重力应力
原岩应力构造应力新古构构造造应残力余应力
封闭应力
温度应力
3.2.1 自重应力 由地壳岩层的重量引起。
x
x
1H1
2H2
y
z
z
x
y
z nHn
x
z
(a)单一地层
(b)多层地层
图5-2 垂直应力计算方法
垂直方向
z H
试件制备，在同一位置按6个不同方向取样，要 记录下每个试件所代表的方向，每个方向作15～25 块。加载采用小吨位单轴压力机，加载速率恒定。
试件
AE接收传 感器
AE总计数 Kaiser点
时间/s
3.4.2 间接法
1 应力解除法原理
它的基本原理是：当需要测定岩体中某点的应 力状态时，人为地将该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将被解除。该单元 体将产生弹性恢复的应变值或变形值，用传感器测 量这一应变和位移，再根据应力和应变或位移之间 的关系计算原岩应力。
——上覆岩层平均容重。
n
z i Hi i 1
i ——上覆各层岩体容重；
水平方向
x y z
——侧压系数。
假定水平方向应变为零，根据胡克定 律可导出下式
x
1 E
x
y
z
0
y
1 E
y
x
取 分别为：
1
2
2
3
7
4
得到一下九个方程：
1
z1 1
2
0 x
0 x
3
0 y
0 y
0 z
z 1
2
0 yz
2
2
z
2 2
2 3
0 x
0 x
0 y
0 y
1 地质构造对地应力的影响
地质构造主要影响地应力的分布和传递：
（1）在静应力场中，断裂构造对地应力大小和方 向的影响是局部的。
（2）在同一构造单元体内地应力大小和方向均较 一致，而靠近断裂或其他分离面附近大小和方向才 有较大变化。
（3）在活动断层附近和地震地区，地应力大小和 方向都有较大变化。
（4）地质构造面与地应力方向关系，一般在水平面 内，最大主应力的方向常垂直于构造线。
3.2.2 构造应力
1 古构造应力：是地质史上由于构造运动残 留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力。
2 新构造运动应力是现今正在形成某种构造 体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和 最新地壳变形的应力。
3 封闭应力是在各种地质因素长期作用下 残存于结构内部的应力。
3.2.3 地应力的影响因素
层重量 H
在深度为25~2700m范围内，垂直应力呈线性增 长，大致相当于按平均容重0.027MN/m3计算出来。
3.3.3 水平应力普遍大于垂直应力
上限： 1500 0.5
z
下限： 100 0.3
z
3.4 原岩应力的现场实测方法
初始地应力对工程设计是不可缺少的基础资料 之一。由于原岩应力不易计算，最好的办法就是通 过现场量测获得。
0 3
1
3R04 r4
cos 2
r R0 时孔壁切向应力
0 1
0 3
pb
2
0 1
0 3
cos 2
0 时, 最小切向应力为：
3
0 3
0 1
pb
t 时，孔壁发生拉裂，得：
0 1
3
0 3
pb
岩体应力的现场量测包括岩体原岩应力测试和 洞室围岩二次应力测试。
地应力测试方法分为直接法和间接法：直接法常 用的有扁千斤顶法、水压致裂法、声发射法；间接 法有应力解除法（按测量手段不同主要有孔径变形 法和孔壁应变法）。
3.4.1 直接法
1 扁千斤顶法
测量方法：岩壁切槽两侧固定立柱间距离变化； 岩壁切槽附近应变的变化。
空心包体式三轴应变计。
l一应变计电缆；2一安装杆；3一连接销：4，l3一密封 圈；5一环氧树脂筒；6一空腔、内装粘结剂；7一电阻应变 花；8一固定销；9一应变计与空壁之间的空隙；l0一活塞；
ll一岩石钻孔壁；l2一出胶径向孔；l4一导向头
3.5.2 实测地应力的坐标变换
z Z
N
β
σ
N
隧道轴线方向
y
1
Ai Bi 1
i
E 2
Ai Bi 1
Bi Ai 1
zi
E 2
2 Ci
Ai Bi
1
0 x
1 8
3 2 1
0 y
岩体温度对地应力的影响表现在两个方 面：地温梯度和岩体局部温度的影响。
地温梯度一般为３℃／100ｍ
岩体的体膨胀系数约为 105
而岩体的弹性摸量一般为10GPa
温度应力 T 0.01HE 0.003H(MPa)
温度应力一般是静水压力
T x
T y
T z
T
3.2.4 研究原岩应力的意义
E α
大地坐标系
x
计算坐标系
li
、mi
、ni
分别为E、N、Z轴与主应力空间
1
、
2、
轴之
3
间夹角的方向余弦, 则有以下关系式
li cosi sin i mi cosi cos i ni sini
则坐标转换矩阵
l1 m1 n1
T l2
m2
n2
l3 m3 n3
d
0 x
0 y
2
0 x
0 y
cos
2
4
0 xy
sin
2
取三个不同θi，可得到三个不同方向的直径 变化Δd i，形成以下的三元一次方程组
d1
1 2
E
d
0 x
0 y
2
0 x
0 y
cos
21
4
0 xy
sin
21
d2
1 2
E
d
0 x
0 y
2
0 x
0 y
cos
2 2
4
0 xy
sin
2 2
d3
1 2
E
d
0 x
0 y
2
0 x
0 y
cos
2 3
4
0 xy
sin
2 3