第四章地应力及其原理(2016介绍
第4章 地应力及其测量
地心引力引起的应力场
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 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
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，其中， 构造应力场和重力应力场为现今地应力场的主要组 成部分
Байду номын сангаас
岩浆侵入引起的应力场
岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围地层中产生相 应的应力场，其过程也是相当复杂的 熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各 个方向相等的均匀压力，但是炽热的岩浆侵入后即逐渐冷 凝收缩，并从接触界面处逐渐向内部发展。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
2 地应力分布的若干规律
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
地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力 场，三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的， 因而它是个非稳定的应力场 地应力在空间上的变化，从小范围来看，其变化是很明显的， 从某一点到相距数十米外的另一点，地应力的大小和方向也 可能是不同的，但就某个地区整体而言，地应力的变化是不 大的。如我国的华北地区，地应力场的主导方向为北西到近 于东西的主压应力
地应力_精品文档
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。
地应力及其测量原理
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
地应力与地震科普
地应力与地震科普一、了解地应力1. 首先呢，咱们得知道啥是地应力呀。
简单说呢，地应力就是存在于地壳中的应力。
就好像咱们平时能感受到的压力一样，只不过它是在地壳里的哦。
这一步很基础，可千万不能跳过呀！我每次学习新东西的时候，都会把这种基础概念反复琢磨几遍，确保真正理解了。
你是不是觉得这个概念有点抽象呢？其实多想想生活中的压力，就能大概明白啦。
2. 然后呢，可以找些简单的例子来帮助自己理解地应力。
比如说，地下的岩石就像一群紧紧挨在一起的小伙伴，地应力就像是周围环境给它们施加的一种力量。
这个时候你就可以想象自己是那些岩石中的一块，去感受一下那种被挤压或者被拉伸的感觉。
我经常这么干，感觉还挺好玩的呢！这一步看起来可能有点幼稚，但真的有助于加深理解哦。
二、地应力与地震的关系1. 接下来就到了比较关键的部分啦，地应力和地震是啥关系呢？地应力如果发生了变化，就可能导致岩石变形或者断裂。
当这种变化积累到一定程度的时候，就有可能引发地震啦。
这就好比你一直给一个东西加力，加到某个程度，它就承受不住了，就会坏掉一样。
这里我要提醒一下哦，这个过程不是那么容易一下子就想通的，所以可以多花点时间思考思考。
2. 在这个环节，你可以试着自己画个简单的示意图，把地应力的变化、岩石的状态以及地震的产生画出来。
这一步虽然不是必须的，但我觉得这样做能够让整个关系更加直观。
我自己就特别喜欢画图来帮助理解复杂的东西，感觉思路一下就清晰了很多呢。
不过，要是你不擅长画画也没关系用文字描述给自己听也是可以的。
三、地震的监测与预防1. 那我们怎么知道地应力的变化可能会引发地震呢？这就涉及到地震的监测啦。
现在有好多仪器可以用来监测地应力的变化呢。
科学家们会把这些仪器放在合适的地方，然后时刻关注数据的变化。
咱们普通老百姓可能没有机会直接操作这些仪器，但是了解一下这个过程也是很有趣的。
这一步看起来离我们有点远，但其实跟我们的生活息息相关哦。
因为这些监测数据可以帮助我们预防地震呀。
地应力分析
108°56′
278000
280000
282000
284000
286000
108°55′
WZ12-1-6
WZ12-1-5
中块3井区
南 块
中块4井区
北
ILN2490
XLN1955
F2
F82
F4
F5
F1
F3
N3
N1
N
N2
F9
F81
F10
块
F11
F2A
FA
WZ12-1-B5
N1a
N1b
最大水平主地应力方向N100E左右
h
v
H
最大水平主地应力
WZ12-1-6井壁崩落椭圆长轴方位
WZ12－1北油田地应力方向分析
非均匀地应力作用下井壁坍塌将形成椭圆形井眼，椭圆井眼长轴为最小水平主地应力方向 双井径测井数据: WZ12-1-6井下部8.5"井 眼段(MD:2380～2980m) 井眼椭圆长轴方位 N120°E 是由非均匀地应力造成的井壁坍塌而形成的椭圆井眼吗？
该部分地应力在水平方向相同，为均匀分布的
地应力纵向分布规律计算模式
由构造运动产生的地应力，由于构造运动的方向性，使得在水平方向产生的地应力不同。假设构造运动可分解为沿相互垂直的两个主方向（H方向和h方向）的向前平推运动，在两个方向的构造运动变形量分别为εH、εh；并假设在构造运动过程中各地层保持连续（不产生相互错动），根据广义虎克定律有：
地应力相对大小： 最大水平地应力大致方位：N600-750E
BZ25-1-2井地应力方位频率图 最大水平主地应力方位N65-70E
N
E
最大水平主应力方位
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
第四章地应力及其原理(2016介绍
小结
地应力分布理论： 1）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静 h v H 水压力假设）
海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重 量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。
2）金尼克假设：（弹性力学假设）
1 修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上 覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。
• 次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力 平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。
• 应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。
4.2 地应力概论
• 一、 地应力 地应力分为自重应力场和构造应力场。 自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力； 构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活 动与变化的应力，地质作用残存的应力。
• （5）地温梯度引起的应力场
• • 地层的温度随着深度的增加而升高，一般的温度梯度 为每百米3℃。 由于温度梯度而引起地层中不同深度不同的膨胀，从
而引起地层中的局部压应力产生。
随埋深增加，地温增高，岩体性质改变产生附加应力。
3 C / 100m 岩体的体膨胀系 一般地温梯度： 4MPa； -5 数： ，岩体弹模 E=10 10 地温梯度引起的温度应力约为：
岩体力学
2018/10/21
1
第四章 岩体地应力及其测量方法
学习指导：
Ø 主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，
初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。 重 点
• 岩体的初始应力概念
• 岩体初始应力的测量方法
• 4 岩体地应力及其测量方法
• 4.1概述 • 4.1.1 基本概念 • 地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力 状态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力。
岩石力学---第4章 地应力及其测量
基本概念
次生应力（二次应力）岩体开挖扰动了原岩的
自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，
变化后的应力称为次生应力或二次应力。
原岩应力≈自重应力＋构造应力
迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计 算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状 态。
1. 地应力定义
地应力: 指岩体在天然状态下所存在的内应力,
第四章 地应力及其测量
基本要求
1．掌握初始应力的概念，了解构造应力的概 念，掌握自重应力的计算方法； 2．了解原岩应力的一般规律及影响原岩应力 分布的因素； 3．了解地应力的实测方法。
本章的重点难点：
1、岩体初始应力场的构成；
2、重力应力场和构造应力场的特点；
3、原岩应力场的分布状态； 4、应力解除法的基本原理。 关键术语：原岩、原岩应力、自重应力、构造应力、 应力解除 要求：1、掌握本课程重点难点内容； 2、了解原岩应力分布状态； 3、了解影响原岩应力分布的因素； 4、熟悉几种应力解除法测试原岩应力的 方法和测试步骤。
三、构造应力场分析
根据岩体变形破坏机理，对构造运动留下的遗 迹（构造形迹）进行分析，以判断构造应力的主应 力方向。 （一）构造形迹的形成机理 1、褶皱形成机理
2、断层和节理的形成机理 断层、节理形成机理有三种：张性的、扭性的、压性的。
（1）张性断层是由于岩体中的张应变超过极限而产生的。这 种断层层面不规则，断层走向与最大主应力方向平行。小的 张性断裂两盘岩石不一定发生错动，称之为张性节理。 （2）压性断层和扭性断层都可用莫尔－库伦理论来解释。
v H
其中，λ为侧压系数
h v
1
1
H
υ－上覆岩层泊松比
地应力及其分布规律
地应力及其分布规律1 、地应力的基本概念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。
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。
此外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。
2、地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，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、岩浆浸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变化等也可引起相应的应力场。
其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。
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，地应力成因之一：地幔热对流（图1、图2）地应力成因之一：板块边界受压（图3）地应力成因之一：岩浆浸入（图4）3、地应力的影响因素地壳深层岩体地应力分布复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响，但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。
1)岩体自重的影响岩体应力的大小等于其上覆岩体自重，研究表明：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。
但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑，在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动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，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。
第4章 地应力
2 地形地貌和剥蚀作用的影响
地形地貌的影响复杂 俄罗斯某河谷地区左右岸地应力完全不同， 而且从河谷斜坡表面到山体内部分为应力降低带、 应力升高带和应力平衡带 剥蚀作用的影响显著 由于剥蚀前存在一定数量的铅垂应力和水平 应力，在剥蚀后来不及释放，造成实际应力比现 有地层厚度引起的自重应力要大很多
4 水对地应力的影响
岩体中水的存在形成孔隙水压力，与岩石骨架 承受的应力共同组成岩体的的地应力。 三峡深孔压力测量结果表明孔隙压力大体相当 于静水压力。
5 温度对地应力的影响
温度对地应力的影响表现在两个方面： 地温梯度
σt = HαβE
岩体温度应力为静水压力场，温度应力随着 深度增加而增大。相同深度时，温度应力为铅垂 自重应力的1/9左右。 岩体局部受温度影响 岩体局部冷热不均，产生收缩和膨胀，导致 岩体内部产生应力。
4.4.1 水压致裂法地应力测量技术
水压致裂法是非套钻孔应力解除测量法， 是迄今深部地应力测量最有效的手段。优点： 测量深度很深，可达5km以上 不需要岩石弹性参数参与计算 岩壁受力范围广
现有地质勘探钻孔，无需套钻解除和精密仪 器，测试周期短
1、水压致裂法的基本原理
水压致裂法是利用一对可膨胀的橡胶分隔器，在预 定测量深度上下分隔一段钻孔，然后泵入液体对这 段钻孔施压直至压裂，根据压裂参数计算地应力。 测量原理建立在弹性力学平面问题的理论基础 上，以三个假设条件为前提： 围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体 围岩为多孔介质时，注入的液体按达西定律在岩石 孔隙中流动
（2）钻孔孔壁应变测量法 常用的钻孔孔壁应变计有两种： 一般的钻孔三向应变计 将测量元件电阻丝直接粘在钻孔壁上。 对被测岩体完整性要求高，测量成功率低。 空心包体式钻孔三向应变计 将测量元件电阻丝应变片粘在预制的环氧树脂薄筒 上，再浇注一层薄的环氧树脂层制成的应变计。 操作方便，适应性好，测量成功率高。
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。
4章 地应力计算
4.5 地应力计算模式
1.以单轴应变为基础的最大和最小地应力 金尼克公式
σH =σh =
µ
1− µ
σv
马特威耳-凯利 等人计算式
µ (σ v − Pp ) σ H − Pp = σ h − Pp = 1− µ
2.考虑有效应力系数的最大和最小地应力
µ (σ v −αPp ) + σt σ H − αPp = σ h − αPp = 1− µ
4.4 地应力分布规律和我国的分区特点 一、地壳浅部地应力分布的主要规律
1.地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场， 1.地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是 地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场 时间和空间的函数。 时间和空间的函数。 2.垂直应力随深度的变化规律 2.垂直应力随深度的变化规律
垂直应力 随深度线 性增加。 平均密度 约为 27KN/m3
4.4 地应力分布规律和我国的分区特点
3.水平应力普遍大于垂直应力 3.水平应力普遍大于垂直应力 4.平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小 平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小， 4.平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小， 且趋近于1 且趋近于1
4.2 原地应力应力状态及应力张量 一、原地应力的基本构成
上覆岩层压力
σ v = ∫ ρb g (h)dh
0
H
构造应力
σ x = ωx ×σ v σ y = ωy ×σ v
温度产生的附加应力
σ
2 x、 v
1+ µ = 2G ⋅ α ⋅ (T − T0 ) 1 − 2µ
4.2 原地应力应力状态及应力张量 二、地下岩石某点的应力状态和应力张量的分解
4.3地应力测量技术 4.3地应力测量技术
地应力测量的方法及原理
地应力测量的方法及原理嘿，咱今儿个就来聊聊地应力测量这档子事儿！你知道吗，这地应力就像是大地的“情绪”呢！那怎么才能知道大地的“情绪”是啥样呢？这就得靠各种测量方法啦。
先来说说水压致裂法吧。
这就好比给大地来个特殊的“按摩”，通过向钻孔里注入高压水，让岩石产生裂缝，然后就能根据压力啥的推算出地应力啦。
你说神奇不神奇？就好像我们能从一个人的表情和动作去猜他心里在想啥一样。
还有应力解除法，这就像是给大地“松松绑”。
先在岩石上安装各种测量仪器，然后把周围的岩石一点点去掉，这时候测量仪器的数据就会发生变化，根据这些变化就能知道地应力啦。
这多有意思呀，就像我们去掉身上的一些束缚后，会感觉轻松很多，而这种轻松的状态是可以被察觉到的。
那空心包体应变计法呢，就像是给大地戴上了一个特殊的“手环”，可以时刻监测它的“情绪波动”。
通过这个“手环”收集的数据，就能知道地应力的具体情况啦。
这些方法各有各的妙处，各有各的用处。
它们就像是探索大地秘密的钥匙，能让我们更了解我们脚下的这片土地。
你想想，如果我们不了解地应力，那在进行一些工程建设的时候，会不会就像闭着眼睛走路一样，容易出问题呀？所以说，地应力测量可太重要啦！就好比盖房子，如果不知道地下的情况，房子盖起来可能就不牢固，说不定哪天就出问题了呢。
而有了地应力测量，我们就能提前做好准备，让一切都稳稳当当的。
而且呀，这些测量方法可不是随随便便就能用的，得专业的人来操作呢！他们就像是大地的“医生”，通过各种手段来诊断大地的“健康状况”。
咱再回过头来想想，这大地的“情绪”还真是复杂呢，要想准确测量出来可不容易。
但人类的智慧就是这么厉害，总能想出各种办法来应对。
所以说呀，地应力测量这事儿，真的是既有趣又重要呢！咱可不能小瞧了它，它可是关系到很多大工程的安全和稳定呢！你说是不是？。
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。
地应力及其测量原理
地应力及其测量原理地应力是指地壳内部受到的力的情况，是地壳变形和破裂的重要因素。
地应力的测量原理主要有古应力法、浅层应力法、深部应力法和孔隙压力法等。
古应力法是通过分析岩石中保存的古代应力信息，推断出地下岩层的应力状态。
岩石中保存的古代应力信息主要有构造岩浆岩的变形特征、断层的形态及断层面上的应力痕迹等。
通过对这些古代应力信息的研究，可以了解地下岩层的应力分布特征和变化规律。
浅层应力法是通过测量地表上的地壳应变，进而推导出地下岩层的应力状态。
测量地壳应变的方法主要有测量地表沉降、测量地表水位变化和测量地震波的传播速度变化等。
通过测量这些地表变化的参数，可以计算出地下岩层的应力状态。
深部应力法是通过对地下岩层应力的直接测量，来了解地下岩层的应力状态。
深部应力测量常用的方法主要有测量地区应力差和测量钻井中的岩层应力等。
测量地区应力差的方法是通过分析地震波的传播路径和速度差异来推导地壳内应力的分布，从而计算出地下岩层的应力状态。
测量钻井中的岩层应力则是通过在钻井过程中使用测力器测量地下岩层的应力情况。
孔隙压力法是通过测量地下岩体中的孔隙压力来推导地下岩层的应力状态。
孔隙压力是指地下岩体内孔隙中的水或气体的压力，可以通过测量地下水位、测量浅孔压力和测量深孔压力等方法来获得。
通过计算这些孔隙压力的变化规律，可以推导出地下岩层的应力状态。
总的来说，地应力的测量主要有古应力法、浅层应力法、深部应力法和孔隙压力法等方法。
这些方法各有特点，可以通过综合运用来获得地下岩层应力状态的全面信息。
地应力的测量对于地下工程的设计和地震研究等具有重要的科学意义和工程价值。
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。
地应力测量方法PPT课件
4.2.3 水压致裂法
P
3
水压致裂应力测量原理
Ps 2
Pr 3 2 1 P0
由以上两式求σ1和σ2就无须 知道岩石的抗拉强度。因此， 由水压致裂法测量原岩应力 将不涉及岩石的物理力学性 质，而完全由测量和记录的 压力值来决定。
4.2.3 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。
裂压力 ④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩渗
透性大，该压力将逐渐衰减 ⑤Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力
4.2.3 水压致裂法
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。
水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位， 亦即平行于最大主应力的方向，这是基于岩石为连续、均质和各 向同性的假设。水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中。
4.3.1 应力解除法的基本原理
一、应力解除法
（一）基本原理
地下某点的岩体处于三向 压缩状态，如用人为的方法 解除其应力，必然发生弹性 恢复，测定其恢复的应变， 利用弹性力学公式则可算出 岩体初始应力。
破坏联系，解除应力； 弹性恢复，测出变形；
x
x x
, y
y y
,z
z z
根据变形，转求应力。
4.3.1 应力解除法的基本原理
4.3.1 应力解除法的基本原理
3、应变花种类
为计算方便，常把三个应变片布置成如图所示的 形式。 即：等角应变花、直角应变花
第四章岩体地应力及其测量方法_岩石力学
H
0.8 ~ 1.2
v 27H MPa
实测垂直应力随深度的变化
15
第4章 岩体地应力及其测量方法
•3.平均水平应力随深度而增加 水平应力普遍大于垂直应力。
16
第4章 岩体地应力及其测量方法 的比值随深度增加而减小
K
平均水平应力 垂直应力
K
1500 0.5 H
K
100 0 .3 H
• 研究高地应力本身就是岩石力学的基本任务。 • 岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地 应力大小的变化而变化。 • 随着采矿深度的增加，我国中西部的开发，尤其是水电工程建 设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题
提出了新课题。
28
第4章 岩体地应力及其测量方法
4.3.1 高地应力判别准则和高地应力现象
22
雅山形成示意图
第4章 岩体地应力及其测量方法
23
地形三级阶梯
第4章 岩体地应力及其测量方法
24
第4章 岩体地应力及其测量方法
我国可分为三类基本反映构造应力场状态的地区： （ 1 ）强烈构造应力区：包括台湾、西藏、新疆、甘肃、 青海、云南、宁夏、四川西部等； （ 2 ）中等构造应力区：包括河北、山西、陕西关中地区、 山东、辽宁南部、吉林延吉地区、安徽中部、福建、广东沿海 地区及广西等； （ 3 ）弱构造应力区：包括江苏、浙江、湖南、湖北、河 南、贵州、四川东部、黑龙江、吉林及内蒙的大部分。 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。
h
在斜坡附近，应力方向发生偏转
地形对初应力的影响： 山峰处地应力低 沟谷处地应力高
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• 认为这个测压系数等于
，即：
• 式中： —上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊松比的常值范围 1 为0.15~0.30。 v H , h H 1
•
h 0.5 时， 此时，当 说的一个特例。
v ，即海姆假说只是金尼克假 H
•
同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公 式来定量地计算地应力的大小，并且也都认为地应力只 与重力有关，即以垂直应力为主，他们不同点只在于测 压系数的不同。
小结
地应力分布理论： 1）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静 h v H 水压力假设）
海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重 量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。
2）金尼克假设：（弹性力学假设）
1 修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上 覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。
• 2）金尼克假设 • 1926年，原苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设， • 他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆盖岩层的重量， • 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。
H
• 2）金尼克假设
• 金尼克根据弹性理论（假定岩体是均匀的、连续的弹性介质 体，得出水平应力总归小于铅垂应力的结论），
• 1）海姆假设：
• 假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各 个方向上均相等，并且等于单位面积上覆盖岩层的重量，即： • 式中： —水平应力； —垂直应力； 重； —覆盖岩层的深度。 —覆盖岩层的容
h v H
v
H
h
• 海姆认为：
• （1）原岩应力各向等压，即静水压力状态。 • （2）上覆岩体的重量，历经漫长的地质年代后，由 于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导致 水平应力最终与铅重应力相均衡。 • 这一法则，仍被许多岩石力学家在认识深部地应力 状态时所接受。
• 次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力 平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。
• 应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。
4.2 地应力概论
• 一、 地应力 地应力分为自重应力场和构造应力场。 自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力； 构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活 动与变化的应力，地质作用残存的应力。
h
v
H ，
H
v 为上覆岩层的柏松比。
• 我国的地质学家李四光：
• 20 年代指出“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”。
• 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地壳上部的最大
主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最大水平应 力主应力一般为垂直应力的1～2倍。
x y,
x y 0
xy yz zx 0
根据虎克定律：
1 x y ( x ( y z ) E
• 这样就从根本上动摇了地应力是静水压应力的理论和垂
直应力为主的观点。
c 地应力分布理论：
3）李四光：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。
4）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。 5）近期研究：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。
•
因此，重力作用和构造运动是引起地应力的 主要原因， 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，唯一的方法就是进 行地应力测量。
自重应力和构造应力：
（1）岩体的自重应力 在均匀岩体中，深度为z处的岩体的竖向自重应力为：
z H
在半无限体中任一微元体上的正应 力均为主应力，且有
岩体力学
2018/10/21
1
第四章 岩体地应力及其测量方法
学习指导：
Ø 主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，
初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。 重 点
• 岩体的初始应力概念
• 岩体初始应力的测量方法
• 4 岩体地应力及其测量方法
• 4.1概述 • 4.1.1 基本概念 • 地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力 状态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力。
• 例如：对于矿山来说，只有掌握了具体工程区域 的地应力条件，才能合理确定矿山总体布置，确 定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸等。
• 在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状
态，最理想的走向是与最大主应力方向平行， • 当然，在实际工程中还要综合考虑工程需要和其 它影响因素。
• 综上所述，地应力的特点及其重要性如下：
• 二. 地应力的特点及其重要性
• 地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑和其他各种地下工程或露天岩来自开挖工程变形和破坏的原始动力，
• 是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩 石工程开挖设计和决策的必要前提条件。
• 2 地应力的特点及其重要性
• 为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工， 就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查， • 只有详细了解了这些工程影响因素，通过定量计算和分 析，才能做出既经济又安全实用的工程设计。
• 1、地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力；
• 2、地位相当于工程中习惯性理解的外荷载，但又与 材力、弹力中泛指的外荷载有所不同； • 3、地下工程是先受力，后开挖，并且地应力从开挖 前到最终一直对围岩起着作用；
• 4、地应力是涉及地壳问题、地下工程问题理论分析、 计算中最基础的原始资料。
• 4.3 地应力的成因 • 1）海姆假设： • 在前言中我们已经介绍过，人们认识地应力还只是近 百年的事，1878年瑞士的地质科学家海姆（A.Heim）在 大型越岭隧道的施工过程中，通过观察与分析，首次提 出了地应力的概念，