地应力测量
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
4-地应力及其测量解析
e) 对地应力的传统认识有误。
1912年A.Heim h v H
1926年A.H.Динник
h
H 1
20世纪50年代N.Hast实测发现存在于地壳 上部的最大主应力方向接近水平的，而且 最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍， 甚至更多。
6
4.1.3 地应力的成因
1）地幔热对流
• 硅镁质组成的地幔因高温，上 下对流、蠕动，深部地幔上升 到顶部时变成2股方向相反的 平流：与反向平流相遇，转为 下降流进入深部，形成封闭的 循环体系。
Pb0 Pb0
Ps
Ps
Ps0
Ps
Ps0
Ps
P0
P0 ④Ps0-关闭压力
⑤Pb0-重张压力
图 压裂过程泵压变化及特征压力
36
• 各特征压力的物理意义 ①P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力 ②Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力 ③Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开
裂压力 ④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩
y 1 sin
z 1 sin
17
（4）当松散介质有一定粘聚力时 (c>0 )
侧压力为：
x
H
1 sin 1 sin
2c cos 1 sin
18
注：当 x 0
说明无侧压力
x 0
无侧压力深度
HO
2C cos
1 sin
19
5)地质构造应力
20
5)地质构造应力
Fujianshanghang，
平均水平应力 K 垂直应力
K 1500 0.5 Z
K 100 0.3 Z
4.4 高地应力地区的主要岩石力学问题
地应力测量方法
地应力测量方法1.水压至裂法水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流体，从而确定原位地应力的一种方法。
水压致裂法的2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生新裂隙或使原生裂隙重张。
常规水压致裂法(HF法)HF法是从射井方法移植而来，假定钻孔轴向为1个主应力方向，岩石均质、各向同性、连续、线弹性，采用抗拉破坏准则，在垂直于最小主应力方向出现对称裂缝，其仅能测得垂直于钻孔横截面上的二维应力。
在构造作用弱和地形平坦区，垂直孔所测结果可代表2个水平主应力，垂直应力约等于上覆岩体自重，裂缝方位为最大水平主应力方位。
HF法测试周期短，不需要岩石力学参数参与计算，适合工程初勘阶段，不需试验洞，可进行大深度测量，是目前惟一一种可直接进行深部地应力测定的方法。
通过对HF法的改进，德国大陆科学深钻计划(KTB)在主孔 6 000 m和9 000 m处已成功获得了地应力资料。
HF法是一种平面应力测量方法，为获得三维应力，YMizutaI和M KuriyagawaE提出3孔交汇地应力测量，我国长江科学院和地壳所也进行了大量的测试。
但研究表明，当钻孔轴向偏离主应力方向，其结果就有疑问，要精确获得三维地应力较困难。
为此，文献[7]基于最小主应力破坏准则，对3孔交汇HF法测试理论进行了完善，其有助于提高测量结果的计算精度，但还有待足够的测量数据来验证。
原生裂隙水压致裂法(HTPF法)HTPF法是HF法的发展，其要求在含有原生节理和裂隙的钻孔段进行裂隙重张试验以确定原位应力。
HTPF法假定裂隙面是平的，且面上应力一致。
对于深孔三维地应力直接测量，HTPF 法可进行大尺度的地壳地应力测试，很有发展前途。
HTPF法同HF法相比，假设少，不需考虑岩石破坏准则和孔隙水压力，在单孔中便可获得三维地应力。
但用HTPF法测试费时，且裂隙产状和位置的确定误差都可降低计算精度。
2.套钻孔应力解除法套钻孔应力解除法根据解除方式和传感器的安装部位分为探孔应力解除法、孔底应变解除法和孔壁切割解除法。
地应力的测量方法
地应力的测量原理目前地应力测量方法有很多种，根据测量原理可分为三大类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。
其中，应力解除法与水压致裂法得到比较广泛的应用，其他几种只能作为辅助方法。
1.应力解除法测试原理和技术1.1应力解除法测试原理具有初始应力的岩体，用人为的方法卸去其应力，在岩体恢复变形的过程中测试其应变，然后用弹性力学理论计算出地应力的大小，得出其方向、倾角。
目前国内外地应力测量普遍采用空心包体应变计测量技术。
KX一81型空心包体应变计由A、B、C 3组共12枚应变片嵌埋在1个壁厚约3 mm的空心环氧树脂圆筒中间，圆筒外表面与钻孔壁用专用环氧树脂胶黏结在一起，其是在澳大利亚CSIRO空心包体应变计的基础上研制出来的，是套钻孔应力解除法的一种，只需1个孔就能测量出某点的三维原岩应力，具有使用方便、安装操作简单、成本低、效率高等优点。
1.2完全温度补偿技术KX一81型空心包体应变计与其他许多应变测量仪器一样，均采用应变计作为敏感元件，并根据惠斯顿电桥的原理13J，将应变的变化转换成电压变化经放大后记录下来。
电阻应变计对温度变化是很敏感的，温度发生变化时应变计的电阻值将发生变化，从而产生虚假的附加应变值。
因此在现场测试中必须采取温度补偿措施。
惠斯顿电桥原理：平衡时，检流计所在支路电流为零，则有，（1）流过R1和R3的电流相同（记作I1），流过R2和R4的电流相同（记作I2）。
（2）B，D两点电位相等，即UB=UD。
因而有 I1R1=I2R2；个阻值已知，便可求得第四个电阻。
测量时，选择适当的电阻作为R1和R2，用一个可变电阻作为R3，令被测电阻充当R4，调节R3使电桥平衡，而且可利用高灵敏度的检流计来测零，故用电桥测电阻比用欧姆表精确。
岩石力学-地应力的测量 直接测量法
测量步骤
3.2直接测量法(水压致裂法)
优缺点
水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最 小主应力的大小和方向，所以从原理上讲，它是一种二维应力测量方 法。
原理
3.2直接测量法(水压致裂法)
从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受
到无穷远处二维应力场( 1 ， 2)的作用时，离开钻孔端部
一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周 边的应力为
1 2 2(1 2 ) cos 2 r 0
式中， 和 r分别为钻孔周边的切向应力和径向应力； 为周边一点与 1轴的夹角。
Pi 3 2 1 T
原理
3.2直接测量法(水压致裂法)
P
3
水压致裂应力测量原理
如果继续向封隔段注入高压
水，使裂隙进一步扩展，当
裂隙深度达到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，将该恒定压力记为Ps,Ps 应和原岩应力相平衡， 即
3.2直接测量法(水压致裂法)
1）打钻孔到准备测量应力的部位，井将钻 孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径 与所选用的封隔器的直径相一致。封隔器一 般是充压膨胀式的，充压可用液体，也可用 气体。
2）向二个封隔器的隔离段注射高压水，不 断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始 开裂压力；然后继续施加水压以扩张裂隙， 当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高水压 系统，保持水压恒定，此时的应力称为关闭 压力，记为；最后卸压，使裂隙闭合。在整 个加压过程中，同时记录压力-时间曲线图 和流量-时间曲线图，确定Pi，Ps值。
地应力及其测量原理
地应力及其测量原理地应力是指地壳内部的应力状态，即地表以下的岩石或土层受到的压力和张力合力。
地应力是地球自身重力和地壳活动引起的应力的综合体现，是岩石破坏和地质灾害形成的重要原因之一、测量地应力可以帮助我们了解地下构造和地壳活动的状态，对地质灾害的预测和防治提供科学依据。
地应力的测量原理主要包括以下几个方面：1.深度应力测量原理：深度应力测量是通过矿井、钻孔等地下工程设施进入地下，利用沉重的底板或放置在孔内的量力器来测定地层的垂直压力。
由于加油马达电机下的摩擦力和液流阻力在减小，切油泵的产流量随之增大，也就造成了地面泥齿泵的排泥量急剧下降，再乘以岩石的稳定振荡应力以及摩擦力，就可以得到单位面积处的挠度。
测量结果可用于判断地层的稳定性和地下工程的设计。
2.水平应力测量原理：水平应力测量主要使用部分应变计来测定地下岩石或土壤的水平应力。
部分应变计是一种能够测定岩石应力变化的仪器，通过装置在地下对象上的应变计测量岩石应力的各向异性。
根据测得的变形数据，可以计算出岩石中垂直和水平方向的应力分量。
3.地震波测量原理：地震波测量是通过记录地震波传播过程中的能量损失和传播速度变化来推算地下岩石或土壤的应力状态。
根据地震波的传播速度和能量衰减的规律，可以反演出地下岩石或土壤的应力状态。
4.岩石应力试验原理：岩石应力试验是通过应用压力加载设备施加不同的应力条件，然后记录岩石的变形和破坏过程，从而推算岩石的应力状态。
常用的岩石应力试验方法包括岩心压实试验、真三轴压缩试验等。
总结起来，地应力的测量原理主要有深度应力测量原理、水平应力测量原理、地震波测量原理和岩石应力试验原理。
这些原理可以通过不同的测量方法得到地应力的参数，从而帮助我们了解地下构造和地壳活动的状态，为地质灾害的预测和防治提供科学依据。
地应力的直接测量法
地应力的直接测量法
地应力的直接测量法包括下面几种方法：
1. 地应力测量仪器：使用地应力测量仪器直接测量地下的应力。
这些仪器通常是通过在地下钻孔中放置应变计或应力计来测量地应力。
这种方法可以提供准确的地应力数据，但需要进行钻孔操作，费用较高。
2. 爆炸法：通过在地下设置炸药并引爆，测量地表上的应力波传播速度和振动特征来推断地下的应力。
这种方法相对简单，但需要进行炸药操作，安全风险较高。
3. 岩石力学试验：通过进行岩石力学试验，测量岩石的弹性模量、抗拉强度、抗压强度等参数，从而间接推断地应力。
这种方法需要采集岩石样本进行实验室测试，适用于岩石层较浅的地区。
4. 岩石应变测量：通过在地下岩石体内放置应变计，测量岩石的应变变化来推断地应力。
这种方法需要进行钻孔操作，并需要考虑岩石体的应变计的选择和安装位置。
这些方法各有优缺点，选择合适的方法需要考虑实际情况和研究目的。
地应力测量的原理和应用
地应力测量的原理和应用概述地应力测量是地下工程设计和地震预测等领域中非常重要的技术手段。
本文将介绍地应力测量的原理和应用，并通过列点形式进行详细阐述。
原理1.地应力是介质内部或界面上由应力引起的正常力。
地应力的大小和方向对于地下工程的稳定性和岩体的破裂破坏具有重要影响。
2.地应力的测量原理主要基于力学原理，通过测量岩石或土壤中的应变变化来推测应力的大小和方向。
3.常用的地应力测量方法包括孔隙水压力计法、直接测定法、剪切试验法等。
应用1.地应力测量在地下工程设计中的应用：–地下隧道和地下室的设计中需要考虑地应力的大小和方向。
–地下开采工程中，地应力测量可以预测地下岩体的稳定性，减少事故发生的风险。
–桥梁和大型建筑物的地基设计中，地应力的测量可以为结构的稳定性提供依据。
2.地应力测量在地震预测中的应用：–地应力测量可以用于监测地壳中的应力变化，进而预测地震的发生概率和可能的破坏范围。
–地应力测量可以与地震监测技术相结合，提高地震预测的准确性和可靠性。
优势和挑战优势•地应力测量可以提供地下工程设计和地震预测所需的重要参数。
•地应力测量可以帮助减少地下工程事故的发生概率，保证工程的安全性。
•地应力测量可以提高地震预测的准确性，为地震灾害防治提供科学依据。
挑战•地应力测量需要准确的仪器设备和专业的技术人员进行操作，成本较高。
•地应力测量的技术研究和应用仍存在一定的局限性，需要进一步的研究和发展。
结论地应力测量是地下工程设计和地震预测中不可或缺的重要技术。
通过了解地应力测量的原理和应用，可以更好地理解地下岩体和土壤的力学行为，为工程和地震预测提供科学依据。
同时，我们也要认识到地应力测量的局限性和挑战，促进地应力测量技术的进一步研究和发展，提高其应用的准确性和可靠性。
地应力测量方法
地应力测量方法1.水压至裂法水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流体，从而确定原位地应力的一种方法。
水压致裂法的2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生新裂隙或使原生裂隙重张。
常规水压致裂法(HF法)HF法是从射井方法移植而来，假定钻孔轴向为1个主应力方向，岩石均质、各向同性、连续、线弹性，采用抗拉破坏准则，在垂直于最小主应力方向出现对称裂缝，其仅能测得垂直于钻孔横截面上的二维应力。
在构造作用弱和地形平坦区，垂直孔所测结果可代表2个水平主应力，垂直应力约等于上覆岩体自重，裂缝方位为最大水平主应力方位。
HF法测试周期短，不需要岩石力学参数参与计算，适合工程初勘阶段，不需试验洞，可进行大深度测量，是目前惟一一种可直接进行深部地应力测定的方法。
通过对HF法的改进，德国大陆科学深钻计划(KTB)在主孔6 000 m和9 000 m处已成功获得了地应力资料。
HF法是一种平面应力测量方法，为获得三维应力，YMizutaI和M KuriyagawaE提出3孔交汇地应力测量，我国长江科学院和地壳所也进行了大量的测试。
但研究表明，当钻孔轴向偏离主应力方向，其结果就有疑问，要精确获得三维地应力较困难。
为此，文献[7]基于最小主应力破坏准则，对3孔交汇HF法测试理论进行了完善，其有助于提高测量结果的计算精度，但还有待足够的测量数据来验证。
原生裂隙水压致裂法(HTPF法)HTPF法是HF法的发展，其要求在含有原生节理和裂隙的钻孔段进行裂隙重张试验以确定原位应力。
HTPF法假定裂隙面是平的，且面上应力一致。
对于深孔三维地应力直接测量，HTPF 法可进行大尺度的地壳地应力测试，很有发展前途。
HTPF法同HF法相比，假设少，不需考虑岩石破坏准则和孔隙水压力，在单孔中便可获得三维地应力。
但用HTPF法测试费时，且裂隙产状和位置的确定误差都可降低计算精度。
2.套钻孔应力解除法套钻孔应力解除法根据解除方式和传感器的安装部位分为探孔应力解除法、孔底应变解除法和孔壁切割解除法。
岩石力学课件第三章 地应力测量.ppt
11
岩石力学
二、地应力认识的历史
哈斯特地应力实测
20世纪50年代，哈斯特最先在斯堪的纳维 亚半岛开展了地应力测量工作。
哈斯特发现存在于地壳上部的最大水平主 应力一般为垂直应力的1～2倍，其至更多； 在某些地表处测得的最大水平应力高达7MPa， 从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和 以垂直应力为主的观点。
12
岩石力学
三、地应力的成因
(1)、大陆板块边界受压引起的应力场
13
岩石力学
三、地应力的成因
(2)、地成因
地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）
15
岩石力学
三、地应力的成因
(3)、由地心引力引起的应力场 (4)、地温梯度引起的应力场
16
岩石力学
三、地应力的成因
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：
1
v
H , h
H
1
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
岩层的重量，而侧向应力(水平应力) 应为
γH乘以一个修正系数λ（侧压力系数）。
他根据松散介质理论，认为：
tg 2 ( )
42
v
H , h
H
tg2 (
4
)
2
H
10
岩石力学
二、地应力认识的历史
地质学家李四光
本世纪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” 。
06地应力测量及计算
06地应力测量及计算地应力是指地壳内部的应力状态。
测量和计算地应力是地下工程设计、开采矿山和岩石力学研究的重要内容之一、本文将介绍地应力的测量方法和计算方法。
地应力测量方法主要有三种：地应力测量仪、孔隙压力测量仪和地关锚力计。
地应力测量仪是一种常用的测量地应力的方法。
它通过在地下埋设一根压力计，测量地应力的大小和方向。
常用的地应力测量仪有压力孔测量仪、普鲁茨钻杆测量仪和磁性差压计。
压力孔测量仪是一种通过安装于孔底的支撑杆和压力计来测量地应力的方法。
普鲁茨钻杆测量仪是一种通过在孔内装置一个强弹簧的测量仪器，通过测量弹簧的变形来推断地应力的大小和方向。
磁性差压计是一种通过测量磁场的变化来推断地应力的方法。
另一种常用的地应力测量方法是孔隙压力测量仪。
它是一种通过在井孔内测量孔隙压力变化来推断地应力的大小和方向的方法。
这种测量方法一般适用于石油地质勘探和地震地质研究。
它通过在井孔内安装一根测井电缆和压力传感器来测量孔隙压力变化，然后通过杨氏模量和泊松比等参数来计算地应力的大小和方向。
地关锚力计是一种通过测量地下锚杆的受力情况来推断地应力的大小和方向的方法。
它通过在地下锚杆上安装应变测量装置和载荷传感器来测量地区承受的力的大小和方向。
地关锚力计主要用于矿山、隧道和岩土工程领域。
地应力的计算方法有两种：经验计算法和数值计算法。
经验计算法是根据经验公式和经验数据来计算地应力的大小和方向。
常用的经验公式有Kirsch公式、帕斯卡公式和修正Bjerrum公式。
这些公式基于土岩力学理论和实际工程经验推导出来，可以快速计算地应力的大小和方向。
数值计算法是通过建立地应力的数值模型来计算地应力的大小和方向。
常用的数值计算方法有有限元法、有限差分法和边界元法。
这些方法可以利用计算机进行计算，通过建立地下的有限元网格或差分网格来模拟地下结构和地应力，从而计算地应力的大小和方向。
综上所述，地应力的测量和计算是地下工程设计、开采矿山和岩石力学研究的重要内容之一、地应力的测量方法主要包括地应力测量仪、孔隙压力测量仪和地关锚力计。
地应力测试方法范文
地应力测试方法范文一、直接测量法直接测量法是通过测量地层中的地应力来推断地应力状态的方法。
该方法的主要仪器是地应力仪器（如测斜仪、井下探测仪等），常用于孔隙压力、地下水动力学性质的研究。
1.测斜仪法测斜仪法是测定地层应力状态的常用方法之一、该方法通过测量孔眼中绕钻孔轴线的方向偏差，进而推算出应力状态。
测斜仪通常由测斜体、引线和显示零件组成，具有高精度、便携和易于实施的特点。
2.地下水压力测量法地下水压力测量法是通过测量地下水压力来推断地应力状态的方法。
该方法主要应用于地下水动力学性质的研究。
通过在钻孔中安装测水压设备并实时测量地下水压力，可以推算出地应力状态。
二、应变测量法应变测量法是通过测量地下岩体中的应变来推断地应力状态的方法。
其主要仪器为应变仪器（如应变计、压力计等）。
应变测量法的优点是能够较直接地获取地下岩层的力学性质，并能够推断地层中的高低应力区。
1.应变计测量法应变计测量法是通过测量地下岩体中的应变变化来推断地应力状态的方法。
常见的应变计包括电阻式应变计和光弹性应变计。
应变计分为直接应变计和间接应变计两类，具有灵敏度高、应变范围广等特点。
2.压力计测量法压力计测量法是通过测量地下岩石中的压力变化来推断地应力状态的方法。
常见的压力计有沉静孔隙水压力计、曲奇应变片动态压力计和碳电极蠕变应变计。
压力计法主要应用于岩石力学性质研究和地下工程中的监测。
三、地震法地震法是通过地震波的传播和反射特性来推断地层中的地应力状态的方法。
这种方法的优点是可广泛适用于大区域的应力研究，且可以进行三维或四维应力分析。
1.地震勘探法地震勘探法是通过地震波的传播和反射特性来推断地层中的地应力状态，使用地震仪器进行地面或井孔上的测量。
该方法主要用于地震工程中的应力分析和地下结构物的合理布置。
2.岩石应力应变试验法岩石应力应变试验法利用地震波的传播和反射特性测量地下岩石中的应力应变状态。
试验方法可以是动态试验或静态试验，包括斜拉试验、压缩试验和剪切试验等。
地应力的直接测量法
地应力的直接测量法
地应力的直接测量方法有以下几种：
1. 深孔测量法：通过在地下钻孔并在其中安装应变仪或者应变计进行测量。
这种方法可以测量较深处的地应力。
2. 水压法：在地下钻孔中注入一定压力的水，通过测量水压变化来推算地应力。
这种方法适用于较浅的地层和高渗透性的地质条件。
3. 张拉法：通过在地下钻孔中安装张拉装置，并测量装置受力变化推算地应力。
这种方法适用于某些特定类型的岩石或土壤。
4. 运动电阻法：利用地下运动体与地应力之间的关系，通过测量运动体的运动阻力来推算地应力。
这种方法适用于研究地震活动区域的地应力。
这些直接测量方法在地应力研究和地下工程中有着广泛的应用。
根据具体的地质条件和研究目的，选择合适的测量方法来进行地应力的直接测量。
岩石力学-地应力的测量
实测地点
斯勘的纳维亚等 地
统计数 目
51
h,min/h,max (%)
1.0~0.7 0.75~0.5 0.50~0.2 0.25~ 合
5
0
5
0计
14
67
13
6 100
北美
222
22
46
23
9 100
中国
25
12
56
24
8 100
中国华北地区
18
6
61
22
11 100
课堂习题
已知5000m深处某岩体侧压力系λ=0.8，泊 松比μ=0.25，在岩体被剥蚀2000m后，侧 压力系数为多少？
h v H
式中，为水平应力；为垂直应力；为上覆岩层容重；为深度。
3.1 概论
3.1.1 地应力测量的必要性
c 地应力分布理论：
金尼克假设：（弹性力学假设）
v H
h
H 1
式中， 为上覆岩层的柏松比。
3.1 概论
3.1.1 地应力测量的必要性
c 地应力分布理论： 李四光：在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情
b.一般地温梯度：
3 C
岩体的体膨胀系
/100m
数：
，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力
10-5
约为：
T zE 0.03105 104 zMPa 0.003zMPa
z--深度/m。 温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。
3.1 概论
况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力 分量。 哈斯特：地应力测量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，从根本上动摇了地 应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。
地应力测试方案
地应力测试方案山东科技大学1 地应力测试的目的与意义1.1 地应力测试的目的与意义1.2 地应力的成因与分布特点1.3 地应力测量方法2 空心包体应力计地应力测量原理与方法2.1 空心包体应力计的结构2.2 空心包体应力计地应力测量原理2.3 地应力分量与方向的计算3地应力测量工作计划3.1 空心包体应力计地应力测量现场施工方法3.2 地应力测量地点选择要求3.3地应力测量工作计划3.4 需要现场所做的配合工作1 地应力测试的目的与意义1.1 地应力测试的目的与意义地应力通常也称为原岩应力，是指岩土体内一点固有的应力状态。
地应力是引起矿山、水利水电、土木建筑、铁路、公路和各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力。
地应力是地壳地层力学状态最基础的原始数据，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定分析、岩土工程开挖设计和决策所必须的原始资料。
就采矿工程而言，地应力的大小和方向对井巷断面形态优化、方位的合理选择及巷道支护等都是重要的科学依据。
传统的岩石工程开挖设计和施工一般是根据经验进行的。
在开挖活动的规模和深度较小时，经验类比方法是有效的。
但是随着开挖规模的不断扩大和逐步向深部发展，特别是在大型矿山、大型水电站、大坝、大断面地下隧道、地下峒室以及高陡边坡等出现后，经验类比方法就逐渐失去了作用，单纯依据经验开挖施工，就不足以保障地下工程的稳定性。
地下岩体工程的稳定性，主要取决于围岩的强度、岩体的应力状态和支护体的支护能力。
为了保障地下岩体工程的稳定性，就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分的调查研究。
只有详细了解了这些工程影响因素，并通过定量计算和分析，才能做出既经济又安全的工程设计。
在诸多影响因素中，岩体的地应力状态是重要因素之一。
对矿山井巷工程而言，只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才能合理确定巷道的方向、最佳断面形状、尺寸、开挖步骤、支护形式和支护参数等。
由于各种岩体开挖的复杂性和多样性，利用解析理论方法进行工程稳定性分析和计算是十分困难的。
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地应力测量的国内外研究现状0 引言地应力（in-situ stress），又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。
在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。
主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。
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（雷化南，等译.1976）。
而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。
因此，岩石中的原地应力是由主动施加的力和积蓄的残余应变两者引起的。
地应力测量（In situ stress measurement），就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。
地应力测量是一项综合性的测试，可以说任何一种单一的方法都不能很好地完成，往往需要几种方法结合起来对比使用，才可以保证结果的可靠性。
即使如此，地应力测量中也往往会出现同一测点测量值分散的情况。
地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。
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，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。
1 地应力测量在国外发展概况及研究现状人们最初对地应力概念的认识以及地应力测量技术的发展都源于早期的矿山工程建设，最早的原位地应力测量起始于20世纪30年代。
1932年，美国人劳伦斯(Lieurace)在胡佛坝(HooverDam)下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量。
此后，地应力测试技术一直停留在岩体表面应力测量上，发展十分缓慢，在20世纪50年代，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，并于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(seandinavianPeninsula)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，且最大水平应力一般为垂直应力的1~2倍，从事实上否定了传统地应力理论的假设，引起了人们的关注。
此后，地应力测量工作在加拿大、美国、南非、澳大利亚等国得到较为广泛的开展。
如50年代初瑞典科学家哈斯特博士通过测量地应力发现：地下介质处于压应力状态，其应力值随深度线性增加。
地应力测量技术和仪器是随着工程的需要不断被革新和发展的。
20世纪60年代中期之前，地应力测量基本上处于平面应力测量水平，即通过一个单孔或一点的测量，只能确定该点某一剖面上的应力状态。
进入20世纪60年代中期之后，随着岩石力学、数值分析、工程测试技术等学科的诞生和发展，地应力测量理论和测试技术也得到了创新和发展，这时出现了三维地应力测量技术，即通过一个单孔的测量就可以求得岩体中某一点的三维地应力状态，使钻孔应力测量技术进入了快速发展阶段，其中以澳大利亚联邦科学和工业研究组织(CSIRO)研制的CSIRO型空心包体应变计应用最为广泛。
60年代末，美国人费尔赫斯特和海姆森提出了水压致裂法，成为和应力解除法并驾齐驱的两大地应力测量方法;水压致裂法的突出优点是能够测量地壳深部的地应力。
1977年美国人Haimson在深5.1km处进行了水力压裂地应力测量，并对此作了大量理论和实验研究。
20世纪80年代初，瑞典国家电力局(SSPB)研制成功了水下钻孔三向应变计，同时还开发了带有数据自动采集系统的井下三向应变计探头，使深钻孔应力测量技术达到了一个新的发展水平，其最大测量深度己达到510m。
到目前为止，地应力现场测量方法二十多种，主要分为直接法和间接法两大类：其中直接法主要包括扁千斤顶法、刚性包体应力计、之前提到的水压致裂法和声发射法等；间接法包括套孔应力解除法、局部应力解除法、松弛应变测量法和地球物理探测法等。
经过几十年的努力，人们对地壳浅层的地应力分布规律有了一些基本的认识，同时，各个国家的专家学者也对本国或本地区的地应力分布规律进行了总结。
根据实测资料，1980年Zoback等人绘制了美国大陆的地壳应力图；1986年StePhansson等人建立了斯堪的纳维亚大陆的地应力数据库，并描绘了该地区地应力随深度的变化规律；Klein和Ban分析了西欧的地应力分布规律；Herget分析了加拿大的地应力分布规律；李方全、刘光勋总结了我国现今的地应力状态;根据地应力测量资料和地震震源分析，格佐夫斯基编制了全苏联构造应力场图；1988年Hudson等人对英国的地应力分布规律进行了分析；高建理、丁健民等则总结了中国海区及其邻域的原地应力状态；Kugawara等则总结了日本的地应力测量资料，分析了日本的地应力分布规律。
通常在一个工程前期可以使用水压致裂法大致测出一个工程区域的地应力状态，而在施工过程中或者之后可以利用套孔应力解除比较准确的测量各点的地应力的大小和方向，而且经济上合理。
近年来澳大利亚利用水压致裂法在矿山等地下工程进行了大量的地应力测量，印度也将其应用到水电工程建设中去。
加拿大原子能机构利用套孔法进行了大量的测量，并对仪器和技术做了重大的改进；Sugawara，K.和Obara，Y.115提出了压实锥形孔底套孔解除法；Martin，C.D.和Lanyon，G.W.[l6]分别利用水压致裂法、CSIRO空心包体应变计和钻孔变形法在软岩中进行了地应力测量，并对结果进行了比较。
2 地应力测量在国内的发展概况及研究现状我国的地应力研究是在李四光教授的倡导下开展起来的。
20世纪40年代，他就把地应力作为地质力学的一部分进行了研究。
我国的地应力测量技术和设备的研制工作起步较晚，起始于20世纪50年代末期，而地应力实测工作从上个世纪60年代初开始，到目前为止已经取得了大量的测量数据。
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。
20世纪60年代以来，开始了地应力对地震预报的研究，1966年在河北省隆尧县建立了我国第一个地应力观测台站，1980年国家地震局首次进行了水力压裂地应力测量，从而迈出了我国深部应力测量的第一步。
20世纪80年代中期成功研制出了YG-81型压磁应力计，不仅缩短了在测量时所取完整岩心的长度，而且提高了测量的成功率和测量精度。
20世纪70年代以后，地应力测量技术获得了普遍发展和广泛应用，中国科学院武汉岩土力学研究所、中国科学院地质研究所、国家地震局地壳应力研究所、长江科学院等单位都进行了专门组织的地应力测量和研究工作。
这一时期，在我国普遍采用的地应力测量设备是压磁式钻孔应力计等。
进入20世纪80年代以后，空心包体应变计进入我国，随后地质力学研究所、长沙矿冶研究所和长江科学院等都研制了自己的空心包体应变计，例如KX-81，KX-2003，CKX-97，CKX-01型空心包体等在现场得到了广泛的应用。
中国矿业大学吴振业、李玉寿和王衍森等研制了YH3B-4型空心包体应变计，同时提出了空心包体应变测值的直接检验法和应变片的最佳布片方式，在实际工程测量中取得比较满意的结果;王衍森和吴振业还比较了空心包体应变计和ANZI应变计的功能特点，得出ANZI应变计更适合煤岩体的三维地应力测量。
北京科技大学的蔡美峰对CSIRO空心包体应变计做了重大改进，包括数据自动记录系统、减小温度效应和岩芯弹模和泊松比的计算等，使地应力现场测量结果更加准确。
辽宁工程技术大学张宏伟等利用KX-81空心包体在开滦矿区做了大量的测量工作。
同时，在这一期间水压致裂法由地壳应力所从美国引入我国，在我国石油工程领域做出了巨大的贡献，并在实际工程中不断的被发展和改进，煤科总院北京开采所在原有技术的基础上发明了小孔径水压致裂测量技术；目前出现了深孔和超深孔水压致裂法，获得了深度超过6000m的地壳应力数据(M.D.Zoback，1993)以及预存裂隙水压致裂法(et，1984，1989，1997)，该方法可以在含有原生节理的测段进行水压致裂法测量。
利用水压致裂法进行三维地应力测量，我国也作了许多工作(刘允芳，1991;高建理，1994)，取得了很好的测量结果。
随着水压致裂法和应力解除法在我国的发展和普及，地应力测量工作己经在地震、水利水电、采矿、油田、交通和土木工程领域广泛开展。
丰富的地应力现场测量资料不仅为工程设计提供了可靠的依据，而且加深了对我国地应力分布规律的认识。
80年代以后，地壳应力研究所率先在国内开展了水力压裂地应力测量的研究工作，并于1980年10月在河北易县首次成功进行了水力压裂法地应力测量，从而迈出了我国深钻孔地应力测量的第一步，目前我国的水力压裂地应力测量深度己经突破2000m大关(大港油田)。
1990年以来，北京科技大学不仅在地应力测试理论方面进行了系统的研究，而且还在实验室试验研究和现场实测的基础上，提出了一系列考虑岩体非线性、不连续性、非均质性和各向异性、正确进行温度补偿等大幅度提高应力解除法测量精度的技术和措施。
近年来提出了一种钻孔局部壁面应力全解除法(葛修润，侯名勋，2004)。
胡斌，章光等在套孔应力解除的基础上提出了一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计，提高了测量元件的分辨率(0.000lrnrn，精度达到0.2%)。
原位测量是目前取得工程需要的不同深度原岩应力可靠资料的唯一方法。
因为尽管原岩应力的各种假说和理论对认识地壳的受力规律有一定的参考价值，但对于工程而言，都或多或少、或大或小存在各种地质构造和影响原岩应力的大小和方向的错综复杂的因素，因而没有也不可能有任何一种理论可以完全取代实测方法而能给出工程需要的可靠的资料。
深部地应力状态和分布规律是进行深部开采设计与巷道支护设计的重要科学依据。
目前，我国煤炭系统的充州、淮南、大屯、潞安、开滦、邢台等矿区都进行了地应力测量，为后期深部资源开采作好了充分准备。
如为了掌握徐州矿区深部地应力分布规律，为深部巷道支护和煤层开采提供科学依据，在徐州矿区进行了现场地应力测量，并通过地质力学分析方法，通过对徐州矿区大范围构造背景、构造体系格局及其演化规律分析，得出了徐州矿区现今构造应力场的分布特征（朱伟，2004）。