北科大岩石力学课件-李长洪4.2地应力及其测量
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精品课程《岩石力学》ppt课件(全)
具体而言，研究岩石在荷载作用下的应力、变形和破坏 规律以及工程稳定性等问题。
上述定义是把“岩石”看成固体力学中的一种材料，然而
岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，它是
一种典型的“连续介质”，具有复杂的地质构造和赋
存条件的天然地质体。
.
11
三、岩石力学理论的发展简史
1. 初始阶段(19世纪末~20世纪初)
.
8
（2）60年代初意大利Vajont大坝水库高边坡的崩溃 意大利Vajont拱坝，坝高262m，
于1959年建成，是当时世界上 最高的拱坝。1963年10月9日 夜，由于大坝上游山体突然滑 坡，约2.5亿立方的山体瞬时涌 入水库，涌浪摧毁上游及下游 一个小镇与邻近几个村庄，造 成约2500人死亡，整个灾害的 持续时间仅仅5分钟。
.
3
一、引言
1. 人类活动与岩石工程（Rock Engineering）
岩石圈是人类赖以生存的主要载体，人类的大部分活动都 是在岩石圈上进行的：
远古
约4700年前 公元1600年
19世纪
石器，穴居 金字塔（146.5m) 火药采矿 铁路隧道技术
20世纪 大型水电工程
岩基、边坡，地下 洞室，隧道工程等
普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论．
围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于 冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分．
太沙基(K．Terzahi)理论 围岩塌落成矩形，而不是抛物线型．
优点与缺点
上述理论在一定历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用的， 但是围岩的塌落并不是形成围岩压力的惟一来源，也不是所有 的地下空间都存在塌落拱．围岩和支护之间并不完全是荷载和 结构的关系问题，在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载 系统，而且维持岩石工程的稳定最根本的还是要发挥围岩的作 用．
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。
岩石力学第2章岩石的基本物理力学性质PPT课件
格里菲斯强度理论
格里菲斯强度理论认为岩石的强度是由其内部微裂纹或弱面的能量释放率决定的。当这些 微裂纹或弱面受到外力作用时，它们会扩展并释放能量，当能量释放率达到一定值时，岩 石就会发生破裂。
岩石的破坏准则
最大应力准则
该准则认为当岩石受到的最大应力达到其单轴抗压强度时， 岩石就会发生破裂。该准则适用于脆性破坏和延性破坏。
表示岩石抵抗弹性变形的能力， 是衡量材料刚度的指标。
泊松比
表示岩石在单向受拉或受压时， 横向变形与纵向变形之比。
抗拉强度和抗压强度
抗拉强度
岩石在单向拉伸时所能承受的最大拉 应力。
抗压强度
岩石在单向压缩时所能承受的最大压 应力。
抗剪强度和摩擦角
抗剪强度
岩石在剪切力作用下所能承受的最大剪应力。
摩擦角
表示岩石在剪切力作用下，剪切面上的摩擦力与垂直剪切力之间的角度。
流变性质
蠕变
岩石在持续应力作用下发生的缓慢变形。
松弛
岩石在持续应变作用下，应力随时间逐渐减小的现象。
04
岩石的变形特性
弹性变形
02
01
03
弹性模量
表示岩石抵抗弹性变形的能力，是衡量岩石刚度的指 标。
泊松比
描述岩石横向变形的性质，与材料的弹性模量相关。
中区域形成并扩展导致的。
02
延性破坏
与脆性破坏不同，延性破坏是指岩石在受到外力作用时，会经历较大的
塑性变形，然后才发生破裂。这种破坏形式通常是由于岩石中的微裂纹
或弱面在应力作用下逐渐扩展和连接形成的。
03
疲劳破坏
疲劳破坏是指岩石在循环或反复加载过程中，由于应力水平的波动，导
致微裂纹的形成和扩展，最终导致岩石破裂。这种破坏形式通常发生在
格里菲斯强度理论认为岩石的强度是由其内部微裂纹或弱面的能量释放率决定的。当这些 微裂纹或弱面受到外力作用时，它们会扩展并释放能量，当能量释放率达到一定值时，岩 石就会发生破裂。
岩石的破坏准则
最大应力准则
该准则认为当岩石受到的最大应力达到其单轴抗压强度时， 岩石就会发生破裂。该准则适用于脆性破坏和延性破坏。
表示岩石抵抗弹性变形的能力， 是衡量材料刚度的指标。
泊松比
表示岩石在单向受拉或受压时， 横向变形与纵向变形之比。
抗拉强度和抗压强度
抗拉强度
岩石在单向拉伸时所能承受的最大拉 应力。
抗压强度
岩石在单向压缩时所能承受的最大压 应力。
抗剪强度和摩擦角
抗剪强度
岩石在剪切力作用下所能承受的最大剪应力。
摩擦角
表示岩石在剪切力作用下，剪切面上的摩擦力与垂直剪切力之间的角度。
流变性质
蠕变
岩石在持续应力作用下发生的缓慢变形。
松弛
岩石在持续应变作用下，应力随时间逐渐减小的现象。
04
岩石的变形特性
弹性变形
02
01
03
弹性模量
表示岩石抵抗弹性变形的能力，是衡量岩石刚度的指 标。
泊松比
描述岩石横向变形的性质，与材料的弹性模量相关。
中区域形成并扩展导致的。
02
延性破坏
与脆性破坏不同，延性破坏是指岩石在受到外力作用时，会经历较大的
塑性变形，然后才发生破裂。这种破坏形式通常是由于岩石中的微裂纹
或弱面在应力作用下逐渐扩展和连接形成的。
03
疲劳破坏
疲劳破坏是指岩石在循环或反复加载过程中，由于应力水平的波动，导
致微裂纹的形成和扩展，最终导致岩石破裂。这种破坏形式通常发生在
《岩石力学》 地应力及其测量
1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。
自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。
2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。
答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。
3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆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，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σℎ=σv=γH金尼克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，其值应为乘以一个修正系数K。
他根据弹性力学理论，认为这个系数等于μ1−μ，即σv=γH，σℎ=μ1−μγH4. 地应力是如何形成的？答：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。
5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。
关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。
土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。
6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。
答：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，即σG=γH。
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。
岩石力学课件第一章 岩石物理力学性质
42
三 、岩石的水理性质
岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的 水理性。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和 抗冻性。
1.含水量W 岩石孔隙中含水的质量与岩石总质
量之比的百分数
wm w/m %
m w :孔隙中含水的质量
43
三 、岩石的水理性质
含水率
岩石孔隙中含水的质量与固相质量 之比的百分数
V s :固相的体积 w :4℃水的密度
30
一、岩石的质量指标
试验方法:
比重瓶法
步骤: 粉碎
0.25mm 105-110 ℃
过筛 烘干
50g
称重
放入比重瓶
排气 读数(计算)
31
一、岩石的质量指标
比重瓶
32
一、岩石的质量指标
Gs
ms
m1 ms
m2
0
m1—瓶和装满的试液质量 ms—岩粉质量 m2—瓶、试液、岩粉质量 γ0—试验温度下试液的密度
岩石力学
三、岩石的地质成因分类
1、深成岩
岩
深成岩颗粒均匀，多为粗—中粒状结构，
致密坚硬，孔隙很少，力学强度高，透水性 浆 较弱，抗水性较强，所以深成岩体的工程地
岩
质性质一般比较好。花岗岩、闪长岩、花岗 闪长岩、石英闪长岩等均属常见的深成岩体，
常被选作大型建筑场地。如举世瞩目的长江
三峡大坝的坝基就是坐落在花岗闪长岩体之
岩石含：固相、液相、气相。 三相比例不同而密度不同。
29
一、岩石的质量指标
1.比重 G s
岩石的比重是岩石固体部分的质量和4℃时同 体积纯水质量的比值（颗粒密度：岩石固相的质量与
固相体积之比。它不包括孔隙在内，因此其大小仅取决 于组成岩石的矿物密度及其含量）
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” 。
北科大岩石力学课件-李长洪1.1 岩石的力学性质(qiangdu).ppt
a.试验者和时间：意大利人冯卡门(VonKarman) 试验者和时间： 试验者和时间 于1911年完成的。 b.试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石 试验岩石： 试验岩石 具有很细的颗粒并且是非常均质的。 c.试验发现： 试验发现： 试验发现 ①在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式 破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。 ②随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不 断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并 伴随工作硬化，试件也变成粗腰桶形的。 ③在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压 强度一半时，出现扩容 扩容，泊松比迅速增大。 扩容
5)水对单轴抗压强度的影响－软化系数 岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度σb与 干燥岩石抗压强度σc之比
η=σb/ σc≤1
1.2岩石单轴抗拉强度
1）定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到 ）定义： 破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的 破坏时所能承受的最大拉应力 单轴抗拉强度(Tensile strength) ,。 试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其 横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验 分直接试验和间接试验两类。
2)实验加载方式 实验加载方式： 实验加载方式
a. 真三轴加载 真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。 应力状态：σ1>σ2> σ3 这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁 板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意 义不大。故极少有人做这样的三轴试验。 b.假三轴试验 假三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25~150mm， 假三轴试验 长度与直径之比为2：1或3：1。加载方式如图所示，轴 向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同。 但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加载 时要轻微得多。 应力状态： σ1>σ2=σ3
5)水对单轴抗压强度的影响－软化系数 岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度σb与 干燥岩石抗压强度σc之比
η=σb/ σc≤1
1.2岩石单轴抗拉强度
1）定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到 ）定义： 破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的 破坏时所能承受的最大拉应力 单轴抗拉强度(Tensile strength) ,。 试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其 横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验 分直接试验和间接试验两类。
2)实验加载方式 实验加载方式： 实验加载方式
a. 真三轴加载 真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。 应力状态：σ1>σ2> σ3 这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁 板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意 义不大。故极少有人做这样的三轴试验。 b.假三轴试验 假三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25~150mm， 假三轴试验 长度与直径之比为2：1或3：1。加载方式如图所示，轴 向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同。 但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加载 时要轻微得多。 应力状态： σ1>σ2=σ3
岩石力学ppt课件第4章 地应力及其测量
向时，采用本方法较为方便。
(2)基本原理：在与所测应力σ1
垂直方向上开应力解除槽，槽上下 附近周围应力得到部分解除，重新 分布。若把槽看作一条缝，根据 H.N穆斯海里什维理论，则槽中垂 线OA上的应力状态为：
1x
21
4 42 1 ( 2 1)3
2
1y 1
2021/8/17
6
3 4 3 2 ( 2 1)3
(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（P145蔡）
2 声发射法
（1）测试原理
弹性材波料，在从受而到发外出荷声载响作，用称发为生破坏声时。发，1射9其50内年部，贮德存国的人应凯变泽能(J快．速Ka释ise放r)产发生现 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 最则声发大 大射应 量的力 产转值 生折时声点，发称很射为少，有这声 一发 现射 象，产叫该生做点，对而应当的应应。力力从达即很到为少和材凯产超料泽生凯过先点声泽历前发效史受射应最到到高的大水最量平大产后应生，力。
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。
间接测量法：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他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。
v H
h v 1 H
其中，λ为侧压系数
1
υ－上覆岩层泊松比
早在20世纪20年代，我国地质学家李四光就指出：“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。”
(2)基本原理：在与所测应力σ1
垂直方向上开应力解除槽，槽上下 附近周围应力得到部分解除，重新 分布。若把槽看作一条缝，根据 H.N穆斯海里什维理论，则槽中垂 线OA上的应力状态为：
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6
3 4 3 2 ( 2 1)3
(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（P145蔡）
2 声发射法
（1）测试原理
弹性材波料，在从受而到发外出荷声载响作，用称发为生破坏声时。发，1射9其50内年部，贮德存国的人应凯变泽能(J快．速Ka释ise放r)产发生现 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 最则声发大 大射应 量的力 产转值 生折时声点，发称很射为少，有这声 一发 现射 象，产叫该生做点，对而应当的应应。力力从达即很到为少和材凯产超料泽生凯过先点声泽历前发效史受射应最到到高的大水最量平大产后应生，力。
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。
间接测量法：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他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。
v H
h v 1 H
其中，λ为侧压系数
1
υ－上覆岩层泊松比
早在20世纪20年代，我国地质学家李四光就指出：“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。”
岩石力学地应力PPT课件
σ0 σ90 2
1 tan 2 2
1
2 αPp KPc
tan 2 σ0 σ90 2 σ45
σ0 σ90
四、现场水压致裂法测量地应力大小
根据多孔弹性介质力学理论，从井壁受力状态出发，通过测出地层破裂压力， 裂隙重张压力，裂隙闭合压力，可求出最大、最小水平主地应力。
水力压裂试验可以比较精确地测定最小水平主地应力。测量最大水平主地应力 的精度受地层孔隙度、渗透率、孔隙连通性影响较大。
岩石力学
Rock Mechanics
地应力
主要内容
第一节 概 述 第二节 地应力的测量方法 第三节 地应力纵横向分布的计算
第一节 概 述
一、天然应力的概念
1.天然应力：人类工程活动之前，天然状态下，岩体内部存在的应 力，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。
2.重布应力：人类进行工程建设将引起一定范围内岩体初始应力的 改变，工程建设扰动后的岩体应力称为重布应力或二次应力。
F82 N1b
F81
WZ12-1-B5
WZ12-1-6
N1a
F3
WZ12-1-5
F2
最大水平主应 力
FA
F2A
F1
南
块
2305000 20°50′
20°50′ 2305000
2304000
2304000
2303000 20°49′
20°49′ 2303000
2302000
2302000
108°52′ 278000
Principal stresses are
z
usually parallel and normal to the surface.
岩石力学及其工程应用讲义PPT51页
§1.3 岩石力学的研究方法
§1.4 现代岩石力学研究及发展趋势
一、应用岩石力学——环境安全和控制 1、环境保护（环境岩土工程）
2、存贮和弃置
§1.4 现代岩石力学研究及发展趋势
一、应用岩石力学——环境安全和控制 3、天然岩质边坡的稳定性岩体表面开挖
§1.4 现代岩石力学研究及发展趋势
一、应用岩石力学——环境安全和控制 4、隧道工程
§1.1岩石力学研究的对象及特点
Return
美国胡佛大坝 （Hoover Dam）
美国大古力Grand Coulee 电站
§1.1岩石力学研究的对象及特点
1.1.2 岩石力学的特点
2）研究对象的复杂性 a、组成 岩石——地质体（单独的力学性质+耦合效应）；岩块、结 构面→组合形成；块状结构、破碎结构、离散结构
§1.1岩石力学研究的对象及特点
1.1.2 岩石力学的特点
1）研究的广泛性 b、跨行业 水电——三峡、二滩、溪洛渡、锦屏、龙滩；（图示） 铁道——长隧道、大型桥梁、边坡； 公路——隧道、路堤等； 冶金——矿山开采； 建筑——大跨度地下商业中心，建筑物基础，城市地铁；
NEXT
§1.1岩石力学研究的对象及特点
对象：岩石—对象—岩石材料—地壳中坚硬的部分；
方法：力学的观点、理论、方法
综合：岩石力学就是用力学的理论，观点和方法去研究 岩石材料的力学行为及其工程应用的学科。（实际上也称 为“岩体力学”，是水利学科的一个重要分支学科）
作为力学的一个分支，岩石力学主要解决水利、土木工程等 建设中的岩石工程问题，它是一门新兴的,与有关学科相互交叉 的工程学科,需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土 力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互渗透。
北科大岩石力学岩石流变理论PPT课件
•
=
1
•
s
1
K1 2
s
得
•
=1
2
s0
积分
1 =
2
s 0t
0
初始条件 t=0 = s 0 0 = s 0
K1
K1
0
=
s0
K1
26
第26页/共39页
（2）马克斯威尔(M• =axw1ells)•体 1 s
K1
2
s
s
ks
s
蠕变方程:
=
1
2
s 0t
s0
K1
蠕变曲线
s0
等速蠕变，
0
且不稳定
o
t
o
t
(a)蠕变曲线
t
ln
C
=
k
t C, K1Ct 为积分常数
＝Ae 2 , (A = ec )
初始条件 t=t1，ε=ε1
= e K1 2
(t1
t
)
1
卸载方程
35
第35页/共39页
•
（3）开尔文（kelvins）=体K1 2 s
k s
s
s
卸载曲线
t , 0
0=s0k
蠕变曲线 卸载弹性后效曲线
o
t
弹性后效
11
第11页/共39页
2.1.1 流变的概念 三个概念：弹性变形
塑性变形
粘性流动
流变现象：材料应力-应变关系与时间因素有关的性质，称
为流变性。材料变形过程中具有时间效应的现
象，称为流变现象。
流变的种类：蠕变 松弛
加载或卸载时，弹性应 变滞后于应力的现象
弹性后效
岩石力学基本教程 教学PPT 第6章 地应力综述.资料
18
2．高地应力现象
（3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形，在 中等强度以下的岩体中开挖探洞或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈， 洞壁岩体产生剥离现象，有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有嘶哑 声。在软质岩体中洞体则产生较大的变形，位移显著，持续时间长、洞径明 显缩小。
（1）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时间和空间而变化的，因而它是一个非均匀的应力 场。
➢ 地应力在空间上的变化，从小范围来看，它在空间上的变化是比较明显的， 但就某个地区整体而言，其变化并不大。
相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即 x y 0 。而相邻岩体的阻 挡就相当于对单元体施加了侧向应力 x 及 y ，考虑广义虎克定律则有：
xE 1[x (yz)]0
（6.3a）
由此可得
yE 1[y (zx)]0 x y1 z1 H
（6.3b） （6.4）
式中，E为岩体的弹性模量， 为岩体的泊松比。令 (1) ，则有：
斯蒂芬森（O. Stephansson）等人根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平 主应力和最小水平主应力随深度变化的线性方程：
最大水平主应力
h ， m a x 6 .7 0 .0 4 4 4 H （ M P a ）
最小水平主应力
h ， m i n 0 .8 0 .0 3 2 9 H （ M P a ）
a.共性 ➢ h=（1/4-1/5）φ； ➢ 钻进过程差异卸荷回弹，破裂主要发生在一定高度的岩芯根部； ➢ 拉张和剪切复合机制； b.产生条件： ✓ 弹性高，储能条件好的岩性条件，如火成岩； ✓ 整体块状; ✓ 高地应力条件， max ≥ 30MPa。
2．高地应力现象
（3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形，在 中等强度以下的岩体中开挖探洞或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈， 洞壁岩体产生剥离现象，有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有嘶哑 声。在软质岩体中洞体则产生较大的变形，位移显著，持续时间长、洞径明 显缩小。
（1）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时间和空间而变化的，因而它是一个非均匀的应力 场。
➢ 地应力在空间上的变化，从小范围来看，它在空间上的变化是比较明显的， 但就某个地区整体而言，其变化并不大。
相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即 x y 0 。而相邻岩体的阻 挡就相当于对单元体施加了侧向应力 x 及 y ，考虑广义虎克定律则有：
xE 1[x (yz)]0
（6.3a）
由此可得
yE 1[y (zx)]0 x y1 z1 H
（6.3b） （6.4）
式中，E为岩体的弹性模量， 为岩体的泊松比。令 (1) ，则有：
斯蒂芬森（O. Stephansson）等人根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平 主应力和最小水平主应力随深度变化的线性方程：
最大水平主应力
h ， m a x 6 .7 0 .0 4 4 4 H （ M P a ）
最小水平主应力
h ， m i n 0 .8 0 .0 3 2 9 H （ M P a ）
a.共性 ➢ h=（1/4-1/5）φ； ➢ 钻进过程差异卸荷回弹，破裂主要发生在一定高度的岩芯根部； ➢ 拉张和剪切复合机制； b.产生条件： ✓ 弹性高，储能条件好的岩性条件，如火成岩； ✓ 整体块状; ✓ 高地应力条件， max ≥ 30MPa。
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按测试应变 或变形
孔壁应变测试
3平面9个方向应变
2012-8-20 岩石力学 18
4.2.4）空心包体应变计测量地应力
a.探头结构
2012-8-20
岩石力学
19
空心包体应变计安装、采集数据示意
2012-8-20
岩石力学
20
b. 主要特点： 1)测量有操作简便 2)测量技术和计算理论比 较成熟
3)精度相对较高的地应力
当孔壁出现 垂直裂缝 时，设孔 周边两个 水平地应 力分别为 1h 和 2 h ， 孔壁还受 有水压Pb. 如图。
图
2012-8-20 岩石力学
a
孔壁开裂力学模型
11
钻孔周围岩体内应力 (Kirsch.G-基尔斯解)
2012-8-20
岩石力学
12
在孔壁上 r=a， r Pb 有： ( ) P 2 ( ) cos 2 1h 2h b 1h 2h 当 0 时有最大拉应力：
Ps Ps
Pb0 Ps0 Ps0
P0
Ps
③Ps-稳定开裂压力
④Ps0-关闭压力 ⑤Pb0-重张压力
2012-8-20
P0
P0
图 压裂过程泵压变化及特征压力
岩石力学 7
（2）加液压将孔壁 压裂与重开 ①P0-孔隙水压力或 地下水压力 ②Pb-初始压裂压力 Pb Pb Pb0 Ps
Ps Ps
Pb0 Ps0 Ps0
3）根据水压致裂法试验结果计算地应力
（1）一般来讲 h 作为地主应力之一。我 们可以将 与 作比较，若 z 1 h ，则 可以肯定此时 为最小主应力；进一步将 与 z 1 h 作比较，也就可以以此确定地应力的 三个主应力。
z z
2h 2h
2012-8-20
•在关闭压力Ps0点上，孔壁已经开裂，则 T0=0,稳定开裂压力由Ps下降到Ps0。此时，ps0 等于与裂缝垂直的应力，即：
2 h Ps 0
2012-8-20 岩石力学 14
• 求得主应力及岩体抗拉强度 T 0
2h ps0
p b p b 0 T0 1 h 3 2 h p b T 0
(1)在测试地点打大孔
套芯小孔
套芯大孔
(a)
(c)
(a)
套芯小孔 安 大孔 套 芯孔 取 芯 套装 探 头
(2)从大孔底打同心小孔
(a) (3)在小孔中央位置安装测量探头
(b ) (c) (a)
(
套芯小孔 套孔取芯
(b )
套芯小孔
(4)用薄壁钻头延伸大孔，使小孔周围岩芯实现应力解除 （5）将岩芯与探头一并取回，进行围压率定和温度标定试验。
3 2 h 1 h Pb
(4-1)
•按最大拉应力理论，有 T 0 (4-2) 将(4-1)代入(4-2)得孔壁开裂应力条件
1 h 3 2 h Pb T 0
(4-3)
式中：T0-岩体的抗强度 即孔壁开裂在与 2 h 垂直, 0 的面上
岩石力学
29
2012-8-20
岩石力学
30
2012-8-20
岩石力学
31
2012-8-20
岩石力学
32
结束语
2012-8-20
岩石力学
33
2012-8-20 岩石力学 13
若岩体中有孔隙水压力Pw，（4-3）式变成：
1 h 3 2 h Pb T 0 Pw
(4-4)
由图知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力 Pb0，则上式变成：
1 h 3 2 h Pb 0 Pw
(4-5) (4-6)
(4-5)和(4-6)两式对比得： Pb –Pb0=T0
4)目前使用最为广泛 是国际岩石力学学会推荐 使用的地应力测量方法
2012-8-20 岩石力学 21
c.测量要求与步骤
1)测量要求 钻孔的深 度必须超 过开挖 影 响区，才 能测到岩 体内的原 始应力， 否则测出 的是二次 应力。
2012-8-20
岩石力学
22
套芯大孔
安装探头
套芯大孔
2) 测量步骤：
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
2012-8-20 岩石力学
9
（3）卸压、提设备、测定开裂方位；
然后根据测得的压裂过程中泵压表的读
数，计算地应力
2012-8-20
岩石力学
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2）基本理论和计算公式
(b )
(d )
(b(d ) )
(
（6）数据修正和处理，计算地应力值
2012-8-20 岩石力学 23
d.地应力计算原理
2012-8-20
岩石力学
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2012-8-20
岩石力学Hale Waihona Puke 252012-8-20
岩石力学
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岩石力学
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2012-8-20
岩石力学
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2012-8-20
1h
4）水压致裂法的特点
设备简单 操作方便 测值直观 受到重视和推广 缺陷：主应力方向不准
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适应性强
16
4.2.3 应力解除法
1) 基本原理： 当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为 的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时， 岩体单元上所受的拉力将被解除。同时，该单 元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定 的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并
2012-8-20
岩石力学
1
本节主要内容
• 1 地应力测量概述
• 2 水压致裂法的测量原理与步骤 • 3 应力解除法（空心包体应变计） 的测量原理与步骤
2012-8-20 岩石力学 2
4.2 地应力测量方法
z
4.2.1地应力测量概述
a.一点的三维应力状态 ( x , y , z , xy , yz , zx ) 来表示
h
（2）线性、均质、各向同性 （3）渗透符合达西定律 2012-8-20
岩石力学 5
1）水压致裂法步骤 （1）钻孔（地质勘探）、 选段（完整）、 封隔（气或液）；
直径：38、51、
76、110、 130；
2012-8-20
岩石力学
6
（2）加液压将孔壁 压裂与重开 ①P0-孔隙水压力或 地下水压力 ②Pb-初始压裂压力 Pb Pb Pb0 Ps
O yz y
zx zy y yx
z
x xy xz
x
2012-8-20
岩石力学
3
b. 方法分类
2012-8-20
岩石力学
4
4.2.2 水压致裂法
水压致裂法的假设前提： （1）有2个（ 1 h 、 2 h ） 主应力为水平方向， 另1个 v 为竖直方 向,且 v
岩石力学
15
因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定 2 h 的方位或 的方向，所以三个地主应力的 方位也就可以相应确定。 （2）如果 2 h h ，并且孔壁开裂后孔内 岩体出现水平裂缝，则此时 z h 为最小 地应力， 2 h 与 1 h 各为中间主应力及最大 地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。
流程 要点 切断联系
解除应力
应变恢复
测试应变
且认为岩体时连续、均质和各向同性的弹性 体，于是就可以借助弹性理论的解答计算岩体
2012-8-20 单元所受的应力状态。 岩石力学
计算应力
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2) 应力解除法分类
测1个平面 3个方向上 的应变
孔径变形测试 1平面3方向 上的径位移 孔底应力解除法 孔壁 应力解除法
P0
Ps
③Ps-稳定开裂压力
④Ps0-关闭压力 ⑤Pb0-重张压力
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P0
P0
图 压裂过程泵压变化及特征压力
岩石力学 8
• 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