《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μ

1−μ，即σv=γH，σℎ=μ

1−μ

γH

4. 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。

构造应力是由地质构造运动形成的。当前的构造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。构造应力主要表现为以水平应力为主，“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。”

7. 岩体原始应力状态与哪些因素有关？

答：地形地貌；岩体结构；岩石力学性质；地下水。

8. 简述地应力场的分布规律

答：1）地应力场的特性

（1）地应力场是一个以水平应力为主的三向不等压应力场

（2）地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场

2）垂直应力的分布规律

在深度为25~~2700m的范围内，σv呈线性增长，大致相当于按平均容量γγ等于273kN∙m−3⋅计算出来的重力γH。

3）水平应力的分布规律

（1）绝大多数情况下，水平主应力之一为最大主应力

（2）水平应力具有明显的各向异性

（3）水平应力随深度呈线性增长关系

4）水平应力与垂直应力的关系

（1）水平应力普遍大于垂直应力

（2）平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小

9. 什么是侧压系数？侧压系数能否大于1？从侧压系数值的大小如何说明岩体所处的应力状态？

答：侧压系数是水平应力与垂直应力的比值。

根据弹性力学理论，在计算自重应力场时，K=μ

1−μ

，泊松比极限值是0.5，原始应力超过一定的极限，岩体就会处于潜塑状态或塑性状态，因而从理论上K max= 1。

但实际上，由于构造应力场的影响，水平应力往往是大于垂直应力的。

10. 何谓高地应力？如何判别高地应力？

答：高地应力是一个相对的概念。高地应力是相对于围岩强度而言的。当围岩内部

的最大地应力σmax与围岩强度R b的比值

围岩强度比=σmax R b

达到某一水平时，才称为高地应力或极高地应力。

11. 有哪些高地应力现象？

答：（1）岩芯饼化现象

（2）岩爆

（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

（4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象

（5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高

12. 简述地应力测量的重要性。

答：（1）科学合理的开挖设计和施工的需要

（2）地应力是影响岩石开挖工程稳定性的重要因素

（3）地应力是岩石工程定量设计计算以及数值模拟分析的需要

（4）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都具有重要意义。

13. 地应力测量方法分哪两类？两类的主要区别在哪里？每类包括那些主要测量技术？

答：直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。

直接测量法主要包括扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法。

间接测量法不是直接测量应力量，而是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，如岩体中的变形或应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的理论公式或经验公式来计算岩体中的应力值。因此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量与应力的相互关系。

间接测量法又可以分为全应力解除法、局部应力解除法和地球物理方法等三类方法。

14. 简述套孔应力解除法的基本测量原理和主要测试步骤。