第五章地应力资料重点
地应力系数
地应力系数
（原创版）
目录
1.地应力系数的定义和重要性
2.地应力系数的计算方法和影响因素
3.地应力系数在工程中的应用
4.地应力系数的测量技术和发展趋势
正文
地应力系数是地壳内应力场的一个重要参数，它反映了地壳内部应力分布的特点和规律。
地应力系数的大小和分布对于地质灾害的预测、预防和治理具有重要的意义。
地应力系数的计算方法是通过测量岩石的应变和应力来确定的。
在实际计算中，需要考虑到岩石的弹性模量、泊松比、密度等因素的影响。
此外，地应力系数还受到地壳构造、地貌、地震活动等因素的影响。
地应力系数在工程中应用广泛，例如在地震预测、地下工程设计、岩石力学研究等方面都有重要的应用。
通过测量地应力系数，可以了解地壳内部的应力分布情况，从而为工程设计提供重要的依据。
随着科技的发展，地应力系数的测量技术也在不断进步。
目前，已经发展了多种测量方法，例如地震法、钻孔法、地面法等。
这些方法各有优缺点，需要根据实际情况选择合适的方法。
总的来说，地应力系数是研究地壳内部应力分布的重要参数，它在地质灾害预测、地下工程设计等方面具有重要的应用。
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地应力计算公式
地应力计算公式地应力计算是地球物理学中的一个重要内容，它是研究地球内部构造和地球动力学过程的基础。
地应力是指地球内部岩石受到的力的作用，它对于岩石的形变和破裂过程具有重要影响。
地应力的计算可以通过多种方法进行，其中最常用的是根据地壳中岩石密度、地层厚度和重力加速度等参数进行计算。
下面将详细介绍地应力计算的相关参考内容。
1. 地球内部构造模型：地应力的计算需要基于地球的内部构造模型，其中包括地壳、地幔和地核等层次。
在计算地应力时，需要对于不同层次的岩石性质和物理参数进行估算，如岩石密度、岩石单轴抗压强度和剪切模量等。
这些参数的估算可以通过实验室试验、孔隙弹性介质理论和地质观测等方法进行。
2. 重力加速度：地应力的计算中需要考虑地球的重力场对于岩石的影响。
重力加速度是一个重要参数，它可以通过地球的形状和质量分布进行计算。
对于地球形状的估算可以利用椭球体模型进行，而地球质量分布可以通过重力观测和反演方法进行估算。
3. 地层厚度：地应力的计算还需要考虑地层厚度对于地壳中岩石受力的影响。
地层厚度可以通过地震波传播速度的测量和地质勘探等方法进行估算。
此外，还需要考虑地质构造对于地层厚度的影响，如断裂、褶皱和岩浆活动等。
4. 应力场分布：地应力的计算还需要考虑地球内部的应力场分布。
地应力场是指地壳中岩石受到的应力分布，在计算中可以根据地球动力学模拟和地震应力触发等方法进行估算。
地应力场的估算对于地震危险性评估和岩石工程设计具有重要意义。
5. 数值模拟方法：地应力的计算可以通过数值模拟方法进行，其中最常用的是有限元法和边界元法等。
这些方法可以考虑地球内部的复杂几何形状和岩石性质差异对于地应力的影响，从而提高计算的精度和可靠性。
在数值模拟中，还需要考虑岩石的本构关系和应变软化效应等。
综上所述，地应力的计算涉及到地球内部构造模型、重力加速度、地层厚度、应力场分布和数值模拟方法等多个方面的内容。
这些参数和方法的选择和估算对于地应力的计算具有重要影响。
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。
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。
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。
石油工程岩石力学-地应力知识讲解
Kaiser效应试验结果的解释
σV σαPpKPc
σH
σ0σ 2
σ0σ90 2
1
1tg22 2
αPpKPc
σh
σ0σ90 2
σ0σ90 2
1
1tg22 2
HMAX hmin
v >> HMAX > hmin
hmin
Drill within a 60°cone (±30°) from the most favored direction
v HMAX ~ v
>> hmin
HMAX
v HMAX
In highly differential stress fields, the proper choice of an inclined hole facilitates drilling
AE Counts
Kaiser effect point
Load
室内岩心试验法：
MTS岩石力学 实验装置
SAMOS多通 道声发射装置
中国石油大学 （北京）岩石 力学室拥有美 国进口的先进 仪器设备，能 够完成凯塞尔 效应、单轴/三 轴抗压试验、 水力压裂室内 试验等多项实 验。
室内岩心试验法：
声
z
2
1 x
Principal stresses
p 3
Coordinates parallel to earth’s surface
Principal stresses are usually parallel and normal to the surface.
Drilling Direction and Stress
走滑断层（拗断层）与地应力
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。
5.1 岩体中的地应力
因岩体视为各向同性的弹性体，由于岩体单元在各个方向都 受到与其相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即：
x y 0
考虑广义虎克定律，则有：
x
1 E
x
( y
z)
0
y
1 E
y
( z
x)
0
由此可得：
x
y
1
要点：
1、安置三个应变计，读初始读数
槽
2、挖槽，应力被解除，应变计有变化
3、扁千斤顶装于槽中加压，直到应变
岩
计恢复，
应
体
变
片
4、这时扁千斤顶的压力为槽壁上原
有的应力
z
1
z
若令：
K0
1
则：
x y K0 z K0z
K0－－岩石的静止侧压力系数，其定义为某点的水平应
力与该点垂直应力的比值。
一般在试验室条件下：
K0 0.25 ~ 0.4
若岩体由多层不同重力密度的岩层所组成，如图：
则第n层底面岩体的自重应 力为：
侧压比： h,av v
h,av
h,max
h,min
2
变化范围： 100 0.3 1500 0.5
H
H
H为深度，单位为m
二、自重应力与海姆假说
（一）自重应力
假定岩体为均匀、连续且各向同性 的弹性体，将岩体视为半无限体， 则岩体中某点的自重应力为：
世界各国垂直应力σ v与随深度H的变化规律图
v H
该图是霍克（E.Hoek）和布朗（E.T.Brown）总结出的
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NNW
图 水层
涠洲12-1油田北块6井~B5井油藏剖面图
6井
B5井
F5
F81
W
Ⅳ 2
12mm 日产油:175m3 日产气:3039m3
W
Ⅴ 2
19mm
日产油:675m3
F3
日产气:52722m3
10mm 日产油:211m3 日产气:28187m3
WⅥ
F4
W2Ⅵ W3Ⅲ
F11
Φ508mm ×150 m
Φ339.73mm ×1650m
Φ244.48mm ×3180m
Φ140mm ×3500m
N2d：582 N1t:1182 N1s:1612
E2-3a:3127 E1-2z:3500
-
2 管理上 0 0 3 1 技术上 5 0
全日制日费监督制
旋转导向垂直钻 井 – PowerV
E2-3a:2858m E1-2z:3484m
倾角:1700-1820m，60° 倾角:1820-1980m,50-55°
倾角:1980-2240m,50° 倾角:2240-2390m,40° 倾角:2390m以下,30-40°
中完位置2442m
N2d:200m N1t:720m N1s:1398m E2-3a:2837m E1-2z:3876m K2d:4200m
地应力测量技术及分布规律
有关地应力的内容
地应力的概念 地应力的来源 地应力的测量方法 地应力区域分布规律的数值模拟 地应力纵向分布规律
地应力的概念:
地应力：地下某深度处岩石受到的周围岩体对它的 挤压力。
一般在深度H处和岩体所受到的地应力可用三个主地 应力来表示，一个为垂直向主地应力；另二个为相 互垂直的二个水平主地应力。大多数情况下三个主 地应力值是不相等的。
裂缝闭合压力（PFcp）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小井底压力， 它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力，即最小水平主地应力。
瞬时停泵压力（PISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般大于PFcp，两 者之间的差别一般在0.1～7MPa之间变化，它取决压裂工艺及岩石性质。 在低渗透性地层，两者近似相等。
1、现场水力压裂试验法； 2、室内凯塞尔效应法 3、岩芯差应变试验法；
典型的水力压裂试验曲线
破裂漏失
井 口
出现剪切 裂缝
停泵
压
力
裂缝重张
裂缝闭合
时间
利用水力压裂试验数据计算地应力：
P
H min
FCP
H max 3 H min Pp Pf St
St Pf Pr
地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力 裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底压力
水力压裂法测定地应力
裂缝闭合点（B点）确定方法： 利用裂缝闭合前后压力降低速度不同来确 定。主要确定方法为：作出曲线的切线， 其交点即为裂缝的开始闭合点。此外还 有其它方法。
如：（1）最大曲率点法 （2）P---Log（t）图 （3）Log（P）----Log（t）图
声发射数
凯塞尔效应法测定地应力的原理图
本井1490米以上测量段，地层倾角因井眼等影响因素造成 5401490米 层段,基本为空白点， 370-540米段也仅有极零星资料点 （倾角60度/南倾180度），且可信度很低。
1530-1632m，倾角55 ゜，倾向南偏东5゜ 1632-1642m，倾角54↘4゜，倾向南偏东5 ゜ 1676-1900m，倾角56-58 ゜，倾向南偏东4 ゜
最大水平主地应力方向平 行断层延伸方向
上覆地层压力v >最大水 平主地应力H> 最小水平 主地应力h
h
v
最大地应力方向
H
成像测井测定地应力方向
椭圆形井眼的长轴方向即为最小水平主地应力方向
最小水平主 地应力方向
最大水平主地应力方向
井眼坍塌破坏形状
σh
σH
σH
σh
地应力测定方法
上覆岩层压力由密度测井曲线经积 分求出。 水平主地应力测定方法主要有：
NDS-PERFORM钻井 系统
地应力测定方法
❖ 应用构造地质力学方法研究地应力的相对大 小及大致方位
❖ 应用成像测井确定地应力的方位 ❖ 应用水力压裂资料确定地应力大小 ❖ Kaiser 效应试验测定地应力大小
根据断层特点及走向确定地应力的大小及方向
根据断层特点确定地应力 分布规律及地应力方向：
W3Ⅲ
W3Ⅲ (TVD:2812.57m)
(TVD:3120.00m)
例
？
0
500
1000 m
T
干 层 可能油层
正断层
剖面位置示意图
T′
6
B5
5
海拔（m）
-2200 F4
-2300
-2400
-2500
W2Ⅵ
-2600
涠洲12-1油田北块B5井~5井油藏剖面图
凯塞尔效应点
压应力
凯塞尔效应测定地应力取芯方法
45 度 45 度
岩样尺寸 2550 mm
试验装置及试验步骤
微机
Locan AT 声发射仪
声发射探头
MTS 伺服 增压器
压力 排量 伺服控制
MTS 控制器
供液 反馈
MTS 液压源
海拔（m）
-2100
F10
-2200 -2300 -2400 -2500 -2600 -2700 -2800 -2900 -3000 -3100
1900-2350m，倾角56 ゜，倾向南 2350-2444m，倾角18-20 ゜，倾向南偏东45 ゜ 2444-2500m，倾角40 ゜，南偏东25 ゜
2500-2849m，倾角6-8 ゜，南偏东25 ゜
断点位置：1632m、2350m、2444m
N2d:506m N1t:1250m N1s:1812m
不同构造区域、不同性质地层地应力大小不同。
地应力大小表示方法
H
v
hmin
地表
hmax
地应力的来源：
❖ 上覆岩体的自重； ❖ 地质构造运动产生的构造应力； ❖地温梯度的不均匀性和地层中的水压梯
度。
N2d:502m N1t:1136m N1s:1820m
倾角测井界面1:1960-1980m 倾角测井界面2:2240-2290m
E2-3a:3067m E1-2z:4128m
K2d:4360m
506-1854m倾角52-55゜，南倾
1854-2170m倾角50-60゜，南倾 2170-2200m倾角40゜，南偏北 2200-2440m倾角40-50゜，南倾 2440-2470m倾角50-60゜，南倾 2470-2636m倾角50-60゜，南倾