《岩石力学》 地应力及其测量
第6章地应力及其测量
1原岩应力基础知识2概述地应力场的分布规律地应力测量方法3概述次生应力诱发应力受工程扰动之后的天然应力受工程扰动之后的天然应力状态状态J.HudsonJ.Hudson应力重分布应力重分布原岩原岩应力初始应力地应力4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。
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。
一、概述研究地应力的重要性1工程稳定性分析的原始参数。
2确定开挖方案与支护设计的必要参数。
5一、概述地应力的成因1912年瑞士地质学家海姆A.Heim在大型越岭隧道施工过程中通过观测和分析首次提出了地应力概念并假定地应力是静水应力状态。
σh水平应力σv垂直应力γ上覆岩层重量H深度Hvh1926年苏联学者金尼克修正了地应力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应乘以一个修正系数λ。
即HvHvh1其中λ为侧压系数1υ上覆岩层泊松比垂直应力为主侧压系数16在20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。
”1958年瑞典工程师哈斯特NHast 在斯堪的纳维亚半岛进行地应力测量工作时发现在地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的最大水平主应力一般为垂直应力的1—2倍以上在某些地表处测得的最大水平应力高达7MPa从根本上动摇了静水压力理论和以垂直应力为主的观点。
一、概述地应力的成因7后来的研究进一步表明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因而只有通过对某点进行地应力实测才能了解该地的地应力状态。
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》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-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。
第5章 地应力及其测量
四、研究原岩应力的意义 在岩体内或在岩基上修造建筑物时，由于施工开挖，改变 了岩体的边界条件，从而引起岩体应力的重分布，形成新 的应力状态，这会产生岩体的变形或破坏。在岩体应力重 分布的新情况下，再加上建筑物的各种荷载（如自重、水 压力等），岩体内各质点的应力必然会随之而发生变化， 这会导致新的破坏因素的出现。因此在工程实践中，进行 岩体工程稳定性分析时，原岩应力是必需的基本资料。 原岩应力是客观存在的，问题在于工程设计中如何正确地 认识它、适应它、甚至利用它，从而使工程达到既安全又 经济的效果。
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。当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就 分为二股方向相反的平流，经一定流程直到与另一对流圈 的反向平流相遇，一起转为下降流，回到地球深处，形成 一个封闭的循环体系 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，它是一个有 拉伸特点的带状区 我国从西昌、攀枝花到昆明的裂谷正位于这一地区，该裂 谷区有一个以西藏中部为中心的上升流的大对流环。在华 北—山西地堑有一个下降流，由于地幔物质的下降，引起 很大的水平挤压应力
坚硬完整的岩体，如果天然应力很高，聚集着大量的能量。在地下 洞室开挖过程中，围岩应力较大的部位被挤压到超过岩石的弹性限 度，积聚的能量会突然释放出来，先是撕裂声，随即就是爆炸声， 石片飞散，体积大者就地坠落，体积小者，则弹射出来，这就是岩 爆现象。强大的原岩应力是构成岩爆现象的决定性因素，因此，埋 深较大的地下洞室，在设计和施工中应慎重对待，并采取一些防治 措施。例如，注意导坑和洞室的断面形状，以避免强烈的应力集中 区；衬砌以采用混凝土为宜，而不用砌石圬工和装配式结构；加强 临时支护和危石的清理，认真观察围岩动态，如发现撕裂声，应立 即撤离人员与机具，目前已有一些工程采用声发射仪进行探测。岩 爆地段在开挖完成后，应立即进行衬砌浇筑，围岩不宜暴露时间过 长，并尽可能采用早强混凝土和适当延迟拆模。 （二）原岩应力对地面工程的影响 在岩基上修筑大坝，由于基坑开挖的减荷作用，将会引起坑底岩体 发生回弹隆起或坑壁岩层移动。这种岩体变形，在水平主应力较大， 岩体中存在着接近于水平产状的软弱面时特别显著。这不仅使岩体 的工程性质恶化，而且还会影响未来建筑物的受力状态和稳定。
5地应力及其测量
间接测量法中，测量和统计岩体中某些与应力有关旳间接物理量旳变化， 经过已知旳公式计算岩体中旳应力值。套孔应力解除法和其他旳应力或应 变解除措施以及地球物理措施等是间接法中较常用旳，其中套孔应力解除 法是目前国内外最普遍采用旳发展较为成熟旳一种地应力测量措施。
地应力测量措施一览表
应力恢复法
应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小旳一种测试措施，目前此法仅 用于岩体表层，当已知某岩体中旳主应力方向时，采用本措施较为以便 。
7、原岩应力旳分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、 岩体构造特征、岩体力学性质、温度、地下水等原因旳 影响，尤其是地形和断层旳扰动影响最大。
地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或 河床中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致 与坡面平行；
断层和构造面附近是应力降低区，断层端部、拐角 处应力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。
z--深度/m。
温度应力是同深度旳垂直应力旳1/9，并呈静水压力状态。
3、天然应力旳研究历史与研究意义 (1)研究历史
①世界上 :
1878年海姆提出天然应力
1932年，在美国胡佛水坝下旳隧道中，首次成 功地测定了岩体中旳天然应力
到目前天然应力测点遍及全球，有几十万个测 点。大部分是浅部，最深5108米（美国密执安 水压致裂法）。
4）岩体自重应力场
垂直应力： z H
侧压力： x y z
—平均密度，KN/m3
—侧压力系数
H—总深度（m）
图 岩体自重垂直应力
5)地质构造应力
6）地形、地表剥蚀对地应力影响
7）水压力、热应力
a.孔隙水压力、流动水压力(影响小)、静水压力（悬浮作用）
b.一般地温梯度： 3 C /100m 岩体旳体膨胀系 数： 10-，5 岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起旳温度应力 约为： T zE 0.03 105 104 zMPa 0.003zMPa
第三章 地应力及其测量
εx =εy = 0
µ
− (σ y + σ z ) = 0 由此可得： 由此可得： E E 岩石的弹性模量与泊松比。 式中 E 、µ －－岩石的弹性模量与泊松比。 －－岩石的弹性模量与泊松比
µ
σx
σ 因为， 因为， X = σY
µ 如令， 则有： 如令，K0 = 1− µ 则有：
1− µ 所以上式可以写成： 所以上式可以写成： µ σx = σ y = σz 1− µ K0 =
一、全应力解除法（套钻应力解除法）的步骤 全应力解除法（套钻应力解除法）
1、从岩体表面向岩体内部打大孔，直至需要测量 从岩体表面向岩体内部打大孔， 岩体应力的部位，直径为小孔的3倍以上。 岩体应力的部位，直径为小孔的3倍以上。 从大孔底打同心小孔，供安装探头， 2、从大孔底打同心小孔，供安装探头，深度一般 为直径的10倍左右。打完后放水冲洗。 10倍左右 为直径的10倍左右。打完后放水冲洗。 将测量探头安装到小孔中央部位。 3、将测量探头安装到小孔中央部位。 用薄壁钻头延深大孔， 4、用薄壁钻头延深大孔，使小孔周围岩芯应力解 除。由于应力解除所引起的小孔变形或应变被记 录下来， 录下来，根据测得的小孔变形或应变通过有关公 式即可求出小孔周围原岩应力状态。 式即可求出小孔周围原岩应力状态。
3.1 岩体的初始应力
1、自重应力
对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层，其中的应 对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层， 力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力值。 力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力值。对于表面 为水平的半无限体， 为水平的半无限体，在深度为z处的垂直应力可按下式计 算：
µ
σ x = σ y = K0σ z
µ K0 = 1− µ
第4章_岩体地应力及其测量方法-hyr2015
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。
●
4.2地应力场的分布规律
4.2.4影响地应力场分布的主要因素
地形对地应力的影响
一般来说，谷底是应力集中的部位，越靠近谷底 应力集中越明显。 最大主应力在谷底或河床中心近于水平，而在两 岸岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面相平 行。
●霍克和布朗根据各国实测资料，总结出如下规律：
h,av 1500 100 0.3≤ ≤ 0.5 H v H
(4-8)
式中：H——深度（m）。
4.2地应力场的分布规律
4.2.4影响地应力场分布的主要因素
4.2.4影响地应力场分布的主要因素
地应力的分布规律受以下因素影响而发生变化：
影响因素：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。 ●特别是地形和断层的扰动影响最大。
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）
H v 为上覆岩层的柏松比。 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。
v H ， h
• 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
岩石力学第三章 地应力测量
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：
vH,hH11 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
36
岩石力学
二、刚性包体应力计法
当E′／E>5时，σx′／σx的比值将趋向于 常数1.5。即当刚性包体的弹性模量超过岩体 的弹性模量5倍之后，在岩体中任何方位的应 力变化会在包体中相同方位引起1.5倍的应力， 因此只要测量出刚性包体中的应力变化就可知 道岩体中的应力变化。
为了保证刚性包体应力计能有效工作，包体 材料的弹性模量要尽可能大，至少要超过岩体 弹性模量的5倍。
37
岩石力学
二、刚性包体应力计法
刚性包体应力计具有很高的稳定 性，因而可用于对现场应力变化进 行长期监测，然而通常只能测量垂 直于钻孔平面的单向或双向应力变 化情况，而不能用于测量原岩应力。
38
岩石力学
三、水压致裂法
水压致裂法在20世纪 50年代被广泛应用于油 田钻井中制造人工裂隙 来提高石油的产量。
2
O
41
岩石力学
三、水压致裂法
钻孔周边（r=R)的应力：
(12)2(12)cos2 r 0
钻孔周边应力的最小值（θ＝0°时）：
,min 321
42
岩石力学
三、水压致裂法
水压致裂 系统是将 钻孔某段 封隔起来， 并向该段 钻孔注入 高压水。
43
岩石力学
三、水压致裂法
第3章地应力及其测试
锦屏河谷下切后最大主应力分布
58 锦屏河谷下切后剪应力分布图
——
下 蚀 作 用 的 结 果
峡
谷
地
貌
虎跳峡
三峡
59
3.3 高地应力区特征
研究高地应力问题的必要性 • 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。
60
高地应力判别准则和高地应力现象
53
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
平均水平应力 K 垂直应力
K 1500 0.5 Z
K 100 0.3 Z
54
• 5）最大和最小水平主应力也随深度呈线性 增长关系
55
6）最大水平主应力与最小水平主应力之差随深度 增加而增大,一般差别很大。
56
世界部分国家和地区两个水平主应力的比 值表
1. 高地应力判别准则
（1）目前国际国内无统一的标准。
（2）国内一般岩体工程以初始地应力在20-30MPa为高地应力(大于800米
深)。
（3）由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储R能c性能也不同。按《工程岩体
分级标准》（GB50218-2014）：
称为极高初始地应力，
度；
为高地应力。 其中： 为岩石单轴饱和抗压强
•近代地质力学的观点认为，在全球范围内构造应力的总 规律是以水平应力为主。
•我国地质学家李四光认为，因地球自转角度的变化而产
生地壳水平方向的运动是造成构造应力是水平应力为主的
重要原因。
14
15
地应力分布理论：
• 海姆假设： （首次提出了地应力的概念，静水压力假设）
岩体力学理论第六章地应力与其测量方法
v ，H h v1为上H覆岩层的柏松比。
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。
▪ 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”。
其值应为 乘以H 一个修正系数。
▪ 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），
▪
认为这个测压系数等于
1
，即：
v H,h 1H
▪ 式中： —上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊
松比的常值范围为0.15~0.30。
▪ 此时，当 0.5 时，hv H ，即海姆假说域的地 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。
▪ 应用领域： ▪ 地应力在地震预报、区域地壳稳定性评价、 ▪ 油田油井的稳定性、核废料存储、 ▪ 岩爆、瓦斯突出及地球动力学研究等最基础
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。
▪ 6 地应力及其测量 ▪ 6.1概述 ▪ 6.1.1 基本概念 ▪ 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。
▪ 一、 地应力测量的必要性
的原始资料。
▪ 综上所述，地应力的特点及其重要性如下： ▪ 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
《岩石力学》第三章 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ppt课件第4章 地应力及其测量
(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：
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。”
3地应力及其测量
2015-3-3
水压致裂法原理
Pi=3σ2-σ1+T PS=σ2 Pr=3σ2-σ1 若有裂隙水压P0则在式中减去 该项
Pi—初始开裂压力 Ps—关闭压力 Pr—裂隙重开时的压力
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5 高地应力问题
岩体中的应力积累达到单轴强度时，就是高 地应力。高地应力表现特征，首先是地震， 在工程上有以下特征： ①岩爆、剥离
由于高地应力的存在，在地下洞室开挖中，会出
现岩石的脆性破裂，积聚在岩石中的应变能由于 突然释放而产生岩爆或剥离。 对较高，当开挖后，侧向应力减小至零，而岩石 中的应力积累已超过岩石单轴强度，则当应力超 过值较小时，出现岩石剥离，应力大时出现岩爆。
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6 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。 一般为0.2～0.8，多数情况下为0.4～0.8。
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7地应力分布受多种因素影响特别是地层和断 层的影响最大。
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4 地应力的确定方法
1 地应力场实测 ①量测围岩的绝对应力值，包括大小和方向； ②量测围岩应力在开挖过程中的相对变化。 2 量测方法： 直接法：扁千斤顶法，水压致裂法等 间接法 ：应力解除法—孔底法、孔壁和孔径法； 应力恢复法。 2 地质力学分析 ⑴确定围岩初始应力场的方向； ⑵初始应力场量值的计算； ⑶水平和垂直应力比值的评价。
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在开挖前，岩石处于三向应力状态，岩石强度相
五 高地应力问题
②岩坡错动：边坡开挖中，由于高地应力 卸荷后，发生岩坡错动。有两种形式：
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。
体力学-第4讲-岩体地应力及其测量方法
以围岩强度比为指标的地应力分级基准
法国隧道协会 我国工程岩体分级基准 日本新奥法指南（1996 年） 日本仲野分级
极高地应力 < 2 < 4 > 2 < 2
地应力 2～4 4～7 4～6 2～4
一般地应力 > 4 > 7 > 6 > 4
高地应力现象
•
•
岩芯饼化现象
在中等强度以下的岩体中进行勘探时，常可 见到岩芯饼化现象。美国 L.Obert和 D.E.Stophenson（1965年）用实验验证的方法 同样获得了饼状岩芯，由此认定饼状岩芯是 高地应力产物。从岩石力学破裂成因来分析， 岩芯饼化是剪张破裂产物。 除此以外，还能发现钻孔缩径现象。
1
H
• 1958年，瑞典，N.Hast的纳维亚半岛实测
• 最大主应力几乎处处是水平或接近水平的 • 最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍以上
地应力的成因
•
•
大陆板块边界受压引起的应力场
构造地应力有明显方向性
中国板块主应力迹线图
地应力的成因
• 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。 • 当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就分为 二股方向相反的平流，经一定流程直到与另一 对流圈的反向平流相遇，一起转为下降流，回 到地球深处，形成一个封闭的循环体系。 • 地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力。
主要内容
地应力的基本概念 地应力场分布规律 高地应力区特征 地应力测量方法
地应力场分布规律
•
• • •
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。 就某个地区整体而言，地应力的变化是不大 的。 在某些地震活动活跃的地区，地应力的大小 和方向随时间的变化是很明显的。
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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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。
答：1)基本原理：当需要测定岩体中某点的应力状态时，先钻一大孔至该点，然后钻一同心小孔（测量孔）；再通过套钻方式将该处的岩体单元与周围岩体分离，此时岩体单元上所受的应力将被解除并导致该单元体的几何尺寸产生弹性恢复；应用一定的仪器，测定这种弹性恢复引起的测量孔的孔径变形值；如果假定岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，则根据孔径变形值就可以借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。
2)试验步骤
①钻一个大孔至需要测量岩体应力的部位；
②在大孔底部钻一个同心小孔（测量孔）；
③将探头（测试元件）安装到测量孔中；
④用外径与大孔直径相同的薄壁钻头（岩芯钻）继续延深大孔，从而使测量孔周围的岩芯实现应力解除；
⑤用包括测试探头在内的量测系统测定和记录岩芯由于应力解除引起的测量孔变形或应变；
⑥计算测量点的应力数值和方向。
15. 根据测试元件的不同，套孔应力解除法可分为哪几种方法？
答：孔径变形法；孔底应变法；孔壁应变法；空心包体应变法；实心包体变形法。
16. 简述水压致裂法的基本测量原理。
答：采用水压致裂系统将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水，当水压超过σθ=3σ2−σ1与抗拉强度R t之和后，在θ=0o处，也即σ1所在方位发生孔壁开裂，然后将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记压力为p r，则p r=3σ2−σ1−p0。
继续向封隔段注入高压水，使裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，记压力为p s，则p s=σ2。
由p r=3σ2−σ1−p
和p s=σ2即可求得σ2,σ1。
17. 对水压致裂法的主要优缺点作出评价。
答：优点：设备简单；操作方便；测值直观；测值
代表性大；适应性强。
不足：是主应力方向定得不准。
另外，这种方
法认为初始开裂在垂直于最小主应力的方向发生，
可是如果岩石本来就有层理、节理等弱面存在，那么初始裂隙就由可能沿着弱面发生。
因此这种方法只能用于比较完整的岩石中。
18. 简述应力解除法的基本原理。
答：应力解除法的基本原理如图所示。
岩体中某点的岩石（图中单元体）处于三向压缩状态，假定它呈线弹性变形，并且加卸载曲线重合。
如果用某种方法使其脱离母岩，则其所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。
用仪器测得恢复应变，则为：εx=Δx
x ,εy=Δy
y
,εz=Δz
z。
然后，利用弹性力学公
式则可计算岩体初始应力。
19. 简述声发射法的主要测试原理。
答：如果从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行加载声发射试验，测定凯泽点（从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点），即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始三维应力状态。
20. 哪些地应力测量方法是国际岩石力学学会建议采用的方法？
答：①表面应力测量采用应力恢复法；
②深孔应力测量采用水压致裂法；
③浅孔应力测量采用基于“USBM型钻孔孔径变形计”的钻孔孔径变形测量法；
④基于“CSIR（或CSIRO）型钻孔三轴应变计”的孔壁应变测量法。