地应力及其测量
第4章 地应力及其测量(zhang)
4）完全卸压，取出全部设备。
32-1-p0 2
5）采用印模器等设备测量水压致裂裂隙的位置、方向和大小。
（3）水压致裂法的优缺点 优点：
(1)设备简单。
只需用普通钻探方法打钻孔，用双止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩 体，不需要复杂的电磁测量设备。
(2)操作方便
只通过液压泵向钻孔内注液以压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可。
v H
其中，λ为侧压系数
h v
1
1
H
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 要性进进超过垂直应力分量。” 1958年，瑞典工程师哈斯特(N．Hast) 在斯堪的纳维亚半岛迚行 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。
适用条件：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。
其测量和计算都较复杂。（略）
（二）套孔应力解除法
发展时间最长，技术比较成熟；在 适用性和可靠性方面，目前还没哪 种方法可以和应力解除法相比。
(1)测量原理:
进行岩体中某点应力量测时，先向该点钻进一定深度的超 前小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而 使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。
在25~2700m范围内：
v= H
(2) 构造应力场
(H/m，平均容重 ≈27kN/m3)
1) 成因（有增有减）：
5地应力及其测量
岩爆的弹射程度； （4）岩爆通过何种方式出现，这取决于围岩的岩性、岩体结构特征、弹性变
形能的积累和释放时间长短。
岩爆渐进破坏过程示意图
A、劈裂；B、剪断；C、弹射
我国工程岩体分类标准采用的岩爆发生判据如下： [1] 当 Rc / max >7 时，无岩爆； [2] 当 Rc / max =4～7 时，可能会发生轻微岩爆或中等岩爆； [3] 当 Rc / max <4 时，可能会发生严重岩爆。 式中，
h,av
h,max h,min
2
h,a 1500 100 0.3 0.5 H H
5、最大、最小水平主应力随深度线性增加：
σHmax＝6.7＋0.0444H(Mpa) σHmin＝0.8＋0.0329H(Mpa)
6、两个水平应力的关系一般有
H min 0.2 ~ 0.8 H max
§5.3 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。 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。
地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面 (1)均质各向同性岩体
V gz h1 h 2 1 V
z
A
·
h
(2)水平层状岩体
n V i gzi i 1 E|| h2 V h1 1 E
V gh h1 h 2 1 V
迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，而只
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
地应力及其测量原理
0 σθ1 = −σx + 3σ0 y 0 τ τ zθ1 = −2 yz 0 0 σz2 = 2µ(σx −σ0 ) +σz y
π
(
)
设第i个测点三个方向应变片读数分别 设第 个测点三个方向应变片读数分别 为：εAi、εBi、εCi
E εAi +εBi εAi −εBi σzi = + 2 1− µ 1+ µ
（ 4） 地质构造面与地应力方向关系 ， 一般在水平面 ） 地质构造面与地应力方向关系， 最大主应力的方向常垂直于构造线。 内，最大主应力的方向常垂直于构造线。 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。 地形地貌对地应力的影响是复杂的。
剥蚀可以造成巨大的水平应力。 剥蚀可以造成巨大的水平应力。由构造作用与由 剥蚀作用产生的水平应力的主要区别在于， 剥蚀作用产生的水平应力的主要区别在于，由构造作 用产生的水平应力具有明显的方向性； 用产生的水平应力具有明显的方向性；而由剥蚀产生 的水平应力，按海姆假设条件，不具方向性。 的水平应力，按海姆假设条件，不具方向性。
3.2 地应力的构成及影响因素
力 力 重 应 构 残 应 古 造 余 力 原 应 构 应 新 造 力 岩 力 造 力 构 应 封 应 闭 力 温 应 度 力
3.2.1 自重应力 由地壳岩层的重量引起。 由地壳岩层的重量引起。
x
γ 1 H1 γ 2H2
x
原岩应力与次生应力
1905-1912瑞士地质学者海姆（Heim） 瑞士地质学者海姆（ 瑞士地质学者海姆 ）
σx =σy =σz
1925-1926金尼克 金尼克
σx =σy = λσz
地应力的测量方法
地应力的测量原理目前地应力测量方法有很多种，根据测量原理可分为三大类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。
其中，应力解除法与水压致裂法得到比较广泛的应用，其他几种只能作为辅助方法。
1.应力解除法测试原理和技术1.1应力解除法测试原理具有初始应力的岩体，用人为的方法卸去其应力，在岩体恢复变形的过程中测试其应变，然后用弹性力学理论计算出地应力的大小，得出其方向、倾角。
目前国内外地应力测量普遍采用空心包体应变计测量技术。
KX一81型空心包体应变计由A、B、C 3组共12枚应变片嵌埋在1个壁厚约3 mm的空心环氧树脂圆筒中间，圆筒外表面与钻孔壁用专用环氧树脂胶黏结在一起，其是在澳大利亚CSIRO空心包体应变计的基础上研制出来的，是套钻孔应力解除法的一种，只需1个孔就能测量出某点的三维原岩应力，具有使用方便、安装操作简单、成本低、效率高等优点。
1.2完全温度补偿技术KX一81型空心包体应变计与其他许多应变测量仪器一样，均采用应变计作为敏感元件，并根据惠斯顿电桥的原理13J，将应变的变化转换成电压变化经放大后记录下来。
电阻应变计对温度变化是很敏感的，温度发生变化时应变计的电阻值将发生变化，从而产生虚假的附加应变值。
因此在现场测试中必须采取温度补偿措施。
惠斯顿电桥原理：平衡时，检流计所在支路电流为零，则有，（1）流过R1和R3的电流相同（记作I1），流过R2和R4的电流相同（记作I2）。
（2）B，D两点电位相等，即UB=UD。
因而有 I1R1=I2R2；个阻值已知，便可求得第四个电阻。
测量时，选择适当的电阻作为R1和R2，用一个可变电阻作为R3，令被测电阻充当R4，调节R3使电桥平衡，而且可利用高灵敏度的检流计来测零，故用电桥测电阻比用欧姆表精确。
3地应力及其测量原理解析
3地应力及其测量原理解析地应力是指地球内部岩石受到的力。
地应力是大地构造活动的重要因素，它对岩石变形、断裂产生重要影响。
了解地应力的分布及其大小对地质灾害预测和地下工程设计具有重要意义。
本文将探讨地应力及其测量原理。
地球内部的岩石受到的力主要有三个方向的应力，即水平应力、垂直应力和剪切应力。
水平应力是指岩石受到的平行于地表面的力，可以分为水平主应力和水平次应力。
垂直应力是指岩石受到的垂直于地表面的力，也称为垂向应力或竖向应力。
剪切应力是指岩石受到的平行于地表面的剪切力，它是水平主应力和水平次应力的合成力。
测量地应力的方法有很多种，常见的方法有直接法、间接法和综合法。
直接法是指在地下开展实地观测和实验，测量地应力的大小和分布。
这种方法需要精密的仪器设备和专业的人员，成本较高。
直接法主要有压力封、应力计和杨氏圆及其变形规律三类。
压力封是将传感器封装在地下岩石中，通过监测传感器的变形来获得地应力信息。
应力计是一种用于测量地应力的仪器，它通过应用压力给传感器的晶体，在晶体上产生电压信号来测量地应力的大小。
杨氏圆及其变形规律是一种通过岩石的弹性性质和材料参数来推导地应力的方法，它主要通过岩石的横向应变和纵向应变的关系来计算地应力的大小。
间接法是指通过间接测量来推断地应力的大小和分布。
这种方法通过测量岩石的应力释放和地震活动来判断地应力的情况。
间接法主要有岩层位移法、地震法和微观破裂法。
岩层位移法是通过测量岩层的位移来推断地应力，它主要通过岩石剪切带和断层的破碎及位移来判断地应力的大小。
地震法是通过测量地震波的传播速度和波峰时间来推断地应力的情况，它主要通过地震波在地下传播的路径和速度来判断地应力的方向和大小。
微观破裂法是通过观察岩石微观裂纹和破碎情况来推断地应力的大小和方向，它主要通过观测岩石的细微结构和断口来判断地应力的情况。
综合法是指将直接法和间接法相结合来测量地应力。
这种方法利用不同的测量技术和方法相互补充，可以提高地应力的准确性和可靠性。
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。
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
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。
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。
地应力及其测量
一、概述－研究地应力的重要性
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.
当θ＝0°时, σθ取得极小值, σθ＝3 σ2－ σ1
当水压达到 P i 32 1T 孔壁发生初始开裂
当继续注水使裂隙深度扩展至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,记此时压力为Ps
Ps 2
21
三、地应力测量方法－a 水压致裂法
假设钻孔中存在压力P0的裂隙水时,则初始开裂压力Pi
原岩应力基础知识
1
本章内容
概述 地应力场的分布规律 地应力测量方法
2
一、概述
原岩： 未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体. 原岩应力亦称初始应力或地应力：
定义一：原岩中存在的应力. 定义二：岩体在天然状态下所存在的内应力.
次生应力或诱发应力受工程扰动之后的天然应力状 态,J.Hudson:由于受井巷开挖、矿产资源开采等工 程影响,原岩应力平衡状态被破坏后的应力. 这一转换过程称为应力重分布.
无限体——圆形钻孔 平面应变受力状态
几点假定
三、地应力测量方法－a 水压致裂法
由弹性力学可知：无限体中的一个圆形钻孔受到无穷 远处二维应力场σ1最大水平应力, σ2最小水平应力 , 其钻孔周边的切向应力σθ和径向应力σr为：
1 2 2 1 2 c2 os
3 2 1
r 0
周边一点与σ1轴的夹角
6
一、概述－地应力的成因
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” 。
06地应力测量及计算
06地应力测量及计算地应力是指地壳内部的应力状态。
测量和计算地应力是地下工程设计、开采矿山和岩石力学研究的重要内容之一、本文将介绍地应力的测量方法和计算方法。
地应力测量方法主要有三种：地应力测量仪、孔隙压力测量仪和地关锚力计。
地应力测量仪是一种常用的测量地应力的方法。
它通过在地下埋设一根压力计，测量地应力的大小和方向。
常用的地应力测量仪有压力孔测量仪、普鲁茨钻杆测量仪和磁性差压计。
压力孔测量仪是一种通过安装于孔底的支撑杆和压力计来测量地应力的方法。
普鲁茨钻杆测量仪是一种通过在孔内装置一个强弹簧的测量仪器，通过测量弹簧的变形来推断地应力的大小和方向。
磁性差压计是一种通过测量磁场的变化来推断地应力的方法。
另一种常用的地应力测量方法是孔隙压力测量仪。
它是一种通过在井孔内测量孔隙压力变化来推断地应力的大小和方向的方法。
这种测量方法一般适用于石油地质勘探和地震地质研究。
它通过在井孔内安装一根测井电缆和压力传感器来测量孔隙压力变化，然后通过杨氏模量和泊松比等参数来计算地应力的大小和方向。
地关锚力计是一种通过测量地下锚杆的受力情况来推断地应力的大小和方向的方法。
它通过在地下锚杆上安装应变测量装置和载荷传感器来测量地区承受的力的大小和方向。
地关锚力计主要用于矿山、隧道和岩土工程领域。
地应力的计算方法有两种：经验计算法和数值计算法。
经验计算法是根据经验公式和经验数据来计算地应力的大小和方向。
常用的经验公式有Kirsch公式、帕斯卡公式和修正Bjerrum公式。
这些公式基于土岩力学理论和实际工程经验推导出来，可以快速计算地应力的大小和方向。
数值计算法是通过建立地应力的数值模型来计算地应力的大小和方向。
常用的数值计算方法有有限元法、有限差分法和边界元法。
这些方法可以利用计算机进行计算，通过建立地下的有限元网格或差分网格来模拟地下结构和地应力，从而计算地应力的大小和方向。
综上所述，地应力的测量和计算是地下工程设计、开采矿山和岩石力学研究的重要内容之一、地应力的测量方法主要包括地应力测量仪、孔隙压力测量仪和地关锚力计。
《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。
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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假设钻孔中 存在压力P0 的裂隙水
Ps 2
水压致裂法 地应力测试 过程示意图 23
三、地应力测量方法－a) 水压致裂法
测量步骤：
(5) 卸压：打开压力阀，使裂隙完全闭合，泵压记录降为初始压力P0； (6) 重张：按2~5步骤连续进行多次加卸压循环，取得合理的压裂参数，判断岩
12
二、地应力场的分布规律
2－实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量
E. Hoek和E.T. Brown总结出的实测垂直 应力随深度H变化的规律。 在深度为25~2700m范围内，实测垂直应 力呈线性增长。
在埋深小于1000m时，测量值与预测值可 能差别很大，有的甚至相差达到5倍，因 此这个方程可以很好地估算出所有应力测 量值的均值，但绝对不能用它来得到任一 特定位置处的准确值，因此最好是测量而 不是估算来确定垂直应力分量。
总结目前全世界地应力实测结果，得出σh,max/σv之值一 般为0.5~5.0，大多数为0.8~1.5。这说明，垂应力在多 数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力， 极个别情况下为最大主应力。
14
二、地应力场的分布规律
4－平均水平应力与垂直应力的比值随深度 增加而减小
E. Hoek和E.T. Brown研究 了世界各地116个现场地应 力测量资料，平均水平应 力与垂直应力的比值K，
2) 特点：目前世界上测定地应力最深的测点已达 5000m，但多数测点的深度在1000m左右。很不均匀
有的点最大主应力在水平方向，且＞垂直应力 有的点垂直应力就是最大主应力 有的点最大主应力方向与水平面形成一定倾角
构造应力以水平应力为主
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二、地应力场的分布规律
1－地应力是一个相对稳定性的非稳定应力场，且是时间 和空间的函数。
1958年，瑞典工程师哈斯特(N．Hast) 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。
6
一、概述－地应力的成因
测量方法：利用一对可膨胀 的橡胶封隔器，在钻孔中预
1－记录仪； 2－高压泵； 3－流量计；
定的测试深度封隔一段钻孔， 4－压力计
然后向封隔段内注入高压流
体(如水)致使钻孔孔壁及其周
围岩体在孔内径向压力下形
成破裂，根据压裂过程曲线
的压力特征值而确定地应力
的一种方法。
5－高压钢管； 6－高压胶管； 7－压力表； 8－泵； 9－封隔器； 10－压裂段 20
3
一、概述－研究地应力的重要性
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。
16
二、地应力场的分布规律
7－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
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 致与坡面平行。
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三、地应力测量方法
工程建设中，对工程岩体地应力的掌握，最可靠的方 法就是进行原位地应力测量。
（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。
4
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。
h v H
σh－水平应力； σv－垂直应力；γ－上覆岩层重量；H－深度 1926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
当θ＝0°时， σθ取得极小值， σθ＝3 σ2－ σ1
当水压达到 P i 32 1T 孔壁发生初始开裂
当继续注水使裂隙深度扩展至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，记此时压力为Ps Ps 2
21
三、地应力测量方法－a) 水压致裂法
假设钻孔中存在压力P0的裂隙水时，则初始开裂压力Pi
(1)设备简单：用普通钻探方法打钻孔，用双止水装置密封，用 液压泵通过压裂装置压裂岩体，不需要复杂电磁测量设备。
(2)操作方便：只通过液压泵向钻孔内注液以压裂岩体，观测压 裂过程中泵压、液量即可。
(3)测值直观：可根据压裂时泵压(初始开裂泵压、稳定开裂泵压、 关闭压力、开启压力)计算出地应力值，不需要复杂的换算及 辅助测试，同时还可求得岩体抗拉强度。
三个主应力的大小和方向是随着空间和时间变化的，因而 它是个非均匀的应力场。地应力在空间上的变化，从小范 围来看，其变化是很明显的；但就某个地区整体而言，变 化不大。如我国华北地区，北西到近于东西的主压应力
在某些地震活跃的地区，地应力大小和方向是随时间的变 化也是非常明显的，在地震前，处于应力积累阶段，应力 值不断升高，而地震时，集中的应力得到释放，应力值突 然大幅度下降。主应力方向在地震发生时会发生明显改变， 震后一段时间又恢复到震前状态。
无限体——圆形钻孔 平面应变受力状态
几点假定
三、地应力测量方法－a) 水压致裂法
由弹性力学可知：无限体中的一个圆形钻孔受到无穷 远处二维应力场(σ1最大水平应力， σ2最小水平应 力) ，其钻孔周边的切向应力σθ和径向应力σr为：
1 2 2 1 2 c2 os
3 2 1
r 0
周边一点与σ1轴的夹角
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
v H
h v 1 H
其中，λ为侧压系数
1
υ－上覆岩层泊松比
垂直应力为主， 侧压系数＜1
5
一、概述－地应力的成因
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。”
原岩应力基础知识
1
本章内容
概述 地应力场的分布规律 地应力测量方法
2
一、概述
原岩： 未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体。 原岩应力（亦称初始应力或地应力）：
定义一：原岩中存在的应力。 定义二：岩体在天然状态下所存在的内应力。
次生应力或诱发应力(受工程扰动之后的天然应力 状态,J.Hudson):由于受井巷开挖、矿产资源开采 等工程影响，原岩应力平衡状态被破坏后的应力。 这一转换过程称为应力重分布。
(2) 注水加压：液压泵对压裂段注水加压，孔壁承受逐渐增大的径向液压力。 (3) 孔壁岩石破裂：在足够大的径向压力下，孔壁岩石沿阻力最小的方向出现裂
隙，该裂隙在垂直孔轴的横截面上最小主应力平面内延伸。此时相应的泵压 为临界破裂压力Pi，由于孔壁岩石破裂，压力达Pi后随即急剧下降 (4) 关泵：关闭液压泵，泵压迅速下降，然后随着水渗入到岩层，泵压缓慢下降。 当压力降到使裂隙处于临界闭合状态的压力时，即垂直于裂隙面的最小主应 力与液压回路达到平衡时的压力，称为瞬时关闭压力Ps
(套孔应力解除法和其它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)
19
三、地应力测量方法－a) 水压致裂法
该方法于20世纪50年代用来提高石油开采产量的措施，后 在实践中由MK Hubbert等发现了水压致裂裂隙和原岩应力 之间的关系，这一发现又被BC Haimson用于地应力测量
由 xyE 1xyz0
推出
x1 z得：
1
•岩体由多层不同性质岩层组成时(图4-3)
j
第j层应力： z j ihi i1
xj yj jzj
原始垂直应力和水平应力：
n
z ih i
i 1
n
xynz1 nni 1 ih i
j
j 1
10
j
一、概述－地应力的成因
(2) 构造应力(由岩石圈板块的相对位移引起的应力)场 1) 成因（有增有减）： 地球公转和自转引起大陆板块东西和南北向挤压；
(4)测值代表性大：所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较 大范围内平均值，有较好的代表性。
(5)适应性强：这一方法不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在 干孔及孔中有水条件下作试验，不怕电磁干扰，不怕震动。 因此，这一方法越来越受到重视和推广。
直接测量－测定应力
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。
(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－测定应变、密度、渗透性、吸水性、电阻/电容
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。
1000.3K15000.5
H
H
15
二、地应力场的分布规律
5－最大水平主应力与最小水平主应力也随深度呈线性增
长关系
v 0.027H
h,m in0.80.0329H 0 .2 ~ 0 .8 ,多 数 情 况 下 为 0 .4 ~ 0 .8
h,m ax6.70.0444H
6－最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大， 显示出很强的方向性
石破裂和裂隙延伸的过程； (7) 解封：压裂完毕后，使封隔器收缩恢复原状，即封隔器解封； (8) 裂隙方位记录：采用定向印模器，通过扩张印模器外层的生橡胶和自动定向