第4讲-岩石力学-油田地应力及其确定方法概要

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石油工程岩石力学-地应力

完整地层塌块小，井眼长轴在最小水
平地应力方位
地应力纵向分布规律计算
不同深度，不同性质的地层其地应力大小及非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而线性增大，对不同地层要分层计算地应力。
地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质构造运动产生的构造应力，用公式表示为：
H
H
H
T
地应力纵向分布规律计算
hmin
HMAX >> v > hmin
第二节地应力的测量方法
垂直主应力的求取：
垂直地应力是由重力作用产生的（岩石的重量）；在任意深度，垂直地应力等于上覆岩层压力：
v = gz （密度×重力加速度×深度）通常垂直地应力通过对密度测井数据积分获得；在海上钻井要包含泥线以上海水产生的压力；
B A
C
largely unfractured shale
static basal sheet
compression
四、进行地应力研究的意义：
是所有地质力学问题中重要的初始条件；是勘探、钻井及油藏等石油工程的重要参数；是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数；是采油工程中出砂防砂分析的重要参数；是油气层增产改造措施制定的重要参数；
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
r
H 2
(1
R2 r2 )
H 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
H 2
(1
R2 r2
)
H 2
(1
3R 4 r4
) cos2
r
H 2
(1
3R 4 r4
2R2 r2
) sin 2

简明石油工程岩石力学

简明石油工程岩石力学（讲义）金衍陈勉中国石油大学（北京）2007年8月目录绪论-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 第一章岩石的基本性质和变形特征----------------------------------------------------------------------5 §1.1 岩石力学性质室内试验-----------------------------------------------------------------------------6 §1.2 岩石的变形与强度-----------------------------------------------------------------------------------16 第二章弹性理论-----------------------------------------------------------------------------------------------25 §2.1 应力分析-----------------------------------------------------------------------------------------------25 §2.2 应变分析---------------------------------------------------------------------------------------------42 §2.3 弹性模型-----------------------------------------------------------------------------------------------49 第三章岩石中的流固耦合问题--------------------------------------------------------------------------51 §3.1 孔隙度和渗透率------------------------------------------------------------------------------------51 §3.2 通过孔隙介质流体的流动------------------------------------------------------------------------52 §3.3 体积变形---------------------------------------------------------------------------------------------54 §3.4 Biot静态孔隙弹性理论---------------------------------------------------------------------------54 §3.5 有效应力的概念------------------------------------------------------------------------------------58 第四章井壁围岩的应力状态-----------------------------------------------------------------------------60 §4.1 垂井井壁围岩应力分布---------------------------------------------------------------------------60 §4.2 大斜度井、水平井的井壁围岩应力分布------------------------------------------------------62 第五章油田地应力及确定方法--------------------------------------------------------------------------66 §5.1 地应力的概念---------------------------------------------------------------------------------------66 §5.2 水力压裂法测地应力-------------------------------------------------------------------------------68 §5.3 分层地应力解释方法------------------------------------------------------------------------------71 第六章钻井过程中的井壁稳定问题--------------------------------------------------------------------74 §6.1 井壁力学失稳的形式与原因---------------------------------------------------------------------74 §6.2 井壁坍塌剥落---------------------------------------------------------------------------------------75 §6.3 井壁破裂---------------------------------------------------------------------------------------------80 §6.4 安全钻井液密度窗口------------------------------------------------------------------------------81 第七章水力压裂--------------------------------------------------------------------------------------------83 §7.1 裂缝几何形状---------------------------------------------------------------------------------------83 §7.2 裂缝延伸模型---------------------------------------------------------------------------------------84 第八章出砂问题--------------------------------------------------------------------------------------------92 §8.1 固相产出---------------------------------------------------------------------------------------------92 §8.2 防砂方法的分类------------------------------------------------------------------------------------93 §8.3 预测出砂机理---------------------------------------------------------------------------------------95 §8.4 数学模型---------------------------------------------------------------------------------------------97 第九章油藏固结问题-------------------------------------------------------------------------------------101第十章岩石动力学与应用----------------------------------------------------------------------------111 §10.1 弹性介质中的纵、横波------------------------------------------------------------------------111 §10.2 利用声波测井确定岩石的弹性和强度参数------------------------------------------------112 §10.3 声波测井在石油工程中的应用---------------------------------------------------------------117 §10.4 地震资料的工程预测理论---------------------------------------------------------------------121绪论1绪论一、岩石力学及其发展历史岩石力学是力学的一个分支。

4、岩体地应力及其测量方法

p
4.3高应力区特征-11
p
1、高应力区判别准则和高地应力现象
①高应力判别准则高应力为一相对概念，埋深大不一定存在高应力问题，埋深小可能存在高应力问题。当围岩内部最大应力与围岩强度比值达到一定水平时，才能称为高应力，即：
Rb 围岩强度比 = σ max
极高地应力法国隧道协会 <2 <4 >2 <2 高地应力 2-4 4-7 4-6 2-4 一般地应力 >4 >7 >6 >4
4.4地应力测量方法-21
p
1、地应力测量基本原理
①地应力的种类岩体中的应力可分为原始应力和二次应力。岩体中一点的三维应力状态可以用 (σ x , σ y , σ z ,τ xy ,τ yz ,τ zx ) 来表示，坐标系可根据实际需要任意选择。 ②地应力测量方法开挖硐室后，进入硐室测量；在地表或硐室表面打洞进行测量；直接测量法：测量值和原岩应力的相互关系，进行转换。间接测量法：测量某些物理量通过间接物理计算。
4.1地应力成因组成及影响因素-1
p
1、地应力基本概念
存在于岩体中的未受扰动的自然应力，或称原岩应力。工程进行后应力受到影响而产生二次分布，重新分布后的应力为二次应力或诱导应力。
p
2、地应力的成因、组成影响因素
①地应力成因 1878年瑞典地质学家海姆提出静水压力概念； 1926年前苏联学者金尼克修正了海姆静水压力公式，提出侧压力与正压力的关系为：
4.3高应力区特征-14
p
2、岩爆及其防治措施
①概述围岩处于高应力条件下所产生的岩片飞射抛散，以及洞壁片状剥落等现象。我国岩爆事故在煤矿及水电工程中都有发生，特别是矿井工程中岩爆现象突出。岩爆现象机理复杂，至今人们仍未形成统一认识。 ②岩爆类型、性质及特点根据现场调查的岩爆特征，将其分为：破裂松脱型、爆裂弹射型、爆炸抛射型。破裂松脱型：围岩成块状、板状、鳞片状，弹射距离短，岩壁上形成破裂坑。

石油工程岩石力学-地应力知识讲解

线
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

第四章地应力及其原理(2016介绍

小结
地应力分布理论： 1）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静 h v H 水压力假设）
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）
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。
• 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。
4.2 地应力概论
• 一、地应力地应力分为自重应力场和构造应力场。自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力；构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的应力，地质作用残存的应力。
• （5）地温梯度引起的应力场
• • 地层的温度随着深度的增加而升高，一般的温度梯度为每百米3℃。由于温度梯度而引起地层中不同深度不同的膨胀，从
而引起地层中的局部压应力产生。
随埋深增加，地温增高，岩体性质改变产生附加应力。
3 C / 100m 岩体的体膨胀系一般地温梯度： 4MPa； -5 数：，岩体弹模 E=10 10 地温梯度引起的温度应力约为：
岩体力学
2018/10/21
1
第四章岩体地应力及其测量方法
学习指导：
Ø 主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，
初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。重点
• 岩体的初始应力概念
• 岩体初始应力的测量方法
• 4 岩体地应力及其测量方法
• 4.1概述 • 4.1.1 基本概念 • 地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一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。

地应力与地应力测量方法简介

地应力与地应力测量方法简介3.1 地应力与地应力测量方法简介地应力，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。

在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。

主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。

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。

而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。

地应力测量，就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。

地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。

地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。

随着矿区开采现代化进程的不断提高和开采深度的不断增加，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。

查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产提供更加精细可靠的地质资料和数据，以便采取有效技术手段和措施，避免和减少灾害的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。

地应力是引起采矿工程围岩、支架变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多的影响采矿工程稳定性因素中，地应力是最重要和最根本的因素之一。

准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算，矿井动力现象区域预测，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。

采矿规模的不断扩大和开采深度的纵深发展，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工往往造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌破坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，致使矿井生产无法进行，并经常引起严重的事故，造成人员伤亡和财产的重大损失。

4章地应力计算

4.5 地应力计算模式
1.以单轴应变为基础的最大和最小地应力金尼克公式
σH =σh =
µ
1− µ
σv
马特威耳-凯利等人计算式
µ (σ v − Pp ) σ H − Pp = σ h − Pp = 1− µ
2.考虑有效应力系数的最大和最小地应力
µ (σ v −αPp ) + σt σ H − αPp = σ h − αPp = 1− µ
4.4 地应力分布规律和我国的分区特点一、地壳浅部地应力分布的主要规律
1.地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场， 1.地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场时间和空间的函数。时间和空间的函数。 2.垂直应力随深度的变化规律 2.垂直应力随深度的变化规律
垂直应力随深度线性增加。平均密度约为 27KN/m3
4.4 地应力分布规律和我国的分区特点
3.水平应力普遍大于垂直应力 3.水平应力普遍大于垂直应力 4.平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小， 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 且趋近于1
4.2 原地应力应力状态及应力张量一、原地应力的基本构成
上覆岩层压力
σ v = ∫ ρb g (h)dh
0
H
构造应力
σ x = ωx ×σ v σ y = ωy ×σ v
温度产生的附加应力
σ
2 x、 v
1+ µ = 2G ⋅ α ⋅ (T − T0 ) 1 − 2µ
4.2 原地应力应力状态及应力张量二、地下岩石某点的应力状态和应力张量的分解
4.3地应力测量技术 4.3地应力测量技术

简明石油工程岩石力学

第4讲-岩石力学-油田地应力及其确定方法概要

超压产生机制
(10)水势面的不规则性在自流条件下或者由于浅层与较深的高压层间的有渗透通道
的存在，能使孔隙压力高于正常值。随着静水压头增加，地层孔隙压力增大。
潜水面这是静水（“正常”）压力吗？
超压产生机制
随着静水压头减小，地层孔隙压力降低。
超压产生机制
异常地层高压产生机制分类表
符合原始加载曲线符合卸载曲线
孔隙压力、地应力确定方法
卢运虎
学习目标
1.说明至少两种异常高压的成因。 2.利用标准趋势线方法，计算孔隙压力。 3.地应力的成因。 4.地应力的解释方法。
提纲
地层孔隙压力地应力及其确定方法
什么是孔隙压力
什么是孔隙压力
地下压力
பைடு நூலகம்
深
度
Pp
Pehmin Po
Pev Pf
Pex
Ph
Ph-静液压力； Pp-地层孔隙压力； Pf-裂缝传播压力； Po-上覆岩层压力 Pex-剩余压力； Pev-垂直有效应力； Pehmin-最小水平有效应力
(4)生烃作用在逐渐埋深期间，将有机物转化成烃的反应也产生流体体积
的增加，从而导致单个压力封存箱内的超压。许多研究表明与烃类生成有关的超压产生的破裂是烃类从源岩中运移出来进入多孔的、高渗透储集岩的机制，尤其是甲烷的生成在许多储集层中已被引为超压产生的原因。气体典型地同异常压力有联系，异常压力具有气体饱和的特点。当源岩中的有机质或进入储集层中的油转变成甲烷时，引起相当大的体积增加。在良好的封闭条件下，这些体积的增加能产生很强的超高压.
地下压力概念图示
什么是孔隙压力
静水压力与地表自由水位沟通
• 海上—海平面 • 陆上—潜水面

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。”

地应力概念与其测量方法

自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态称为自重应力场。
构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。
构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。
地应力概念和其测量方法
次生应力（二次应力）岩体开挖扰动了原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的应力称为次生应力或二次应力。
地应力概念和其测量方法
地应力概念和其测量方法
本章内容：
§5-1 概述 §5-2 地应力成因 §5-4 岩体初始应力分布状态 §5-5 岩体初始应力场测定
地应力概念和其测量方法
§5-1 概述
1 基本概念
原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡状态的岩体，称为原岩。
围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，称为围岩。
目前，原岩应力的实测深度达3000m。在这一深度内，原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：
一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场；
二、水平应力σH普遍大于垂直应力σv ,即侧压力系数λ＝σH/σv >1;
三、原岩应力三个主应力σHmax，σHmin，σv均随深度增加而增大； 1、平均水平应力σH与垂直应力σv 的比值随深度增加而减小。
断层和结构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。
地应力概念和其测量方法
5.4 岩体初始应力状态的现场量测方法一、岩体应力现场量测方法概述 1.目的：（1）了解岩体中存在的应力大小和方向（2）为分析岩体的工程受力状态以及为支护
及岩体加固提供依据（3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具

地应力及其确定方法综述

地应力及其确定方法综述【摘要】通过对比通过地应力测量方法、计算方法的分析和对比，为以后利用常规测井资料和成像测井资料计算地应力的多种方法奠定基础，进而从不同的角度对地应力进行了研究，不仅有助于提高地应力的计算准确率，而且可以多角度对地应力的形成过程进行因素分析。

【关键词】地应力；测量；水力压裂；凯瑟效应实验1.地应力地应力主要由垂力应力、构造应力、孔隙压力等组合而成。

在油田应力场研究中，孔隙压力对地应力的影响是非常重要的，实际上，由于地层岩石力学性质的非线性特征，地应力的各种成因分量间不是独立的，人们只是从其成因和研究分析问题的方便才对地应力进行分类的。

构造应力与上覆岩层压力构成了地应力，它作用于整个地质体上。

对于某一特定的地质体来说，将作用于其单位表面上的法向地应力定义为主应力。

在主应力方向上剪切应力为零，这样就可以把复杂的地应力归结为三个相互垂直的主应力，即三轴向应力（图1）。

通常其中一个基本上是垂直的，叫做垂向应力（Sv）；另外两个主应力基本上是水平的，称为最大、最小水平应力（SH、Sh）。

垂向应力由重力应力（上覆岩层压力）所构成，水平应力则主要由构造应力所构成。

在三个主应力中，垂向应力是比较容易确定的，其大小可由密度测井曲线确定，其方向是垂直的。

对于水平应力的方向，现在有许多方法，在油田中广泛采用井壁崩落法确定水平应力的方向，取得了良好的效果，测量水平应力大小的方法有水力压裂法、凯瑟效应实验、差应变法等。

2.地应力测量方法2.1水力压裂法用水力压裂法确定最小水平应力是目前进行深部绝对应力测量最精确的方法，在国内外都有着广泛的应用。

1989年3月30日测井公司在川西南界石场界19井进行了地应力测量试验，整个工艺是成功的，井口密封装置可以在68MPa高压下正常工作，仪器系统工作正常，记录到了类似于标准地应力曲线形状的压力曲线，但由于水泥环窜漏及施工时开压太快，未能反映出地层破裂压力，这口井的试验为今后进行地应力测试提供了宝贵的经验。

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。

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

第四章-地应力及其原理(2016

1 //

E // E
z
岩体自重应力的特点：（a）水平应力σx、σy小于垂直应力σz ；（b） σx、σy、σz均为压应力；（c） σz只与岩体容重和深度有关，而 σx、
σy还同时与岩体弹性常数E、μ有关；（d）结构面影响岩体自重应力分布。
• 4.4. 地应力的成因
• 产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不是十分清楚。 • 近30多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要
计算中最基础的原始资料。
• 4.3 地应力的成因 • 1）海姆假设： • 在前言中我们已经介绍过，人们认识地应力还只是近
百年的事，1878年瑞士的地质科学家海姆（A.Heim）在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察与分析，首次提出了地应力的概念，
• 1）海姆假设： • 假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各
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，即：
• 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。
1
v

H , h

1

H

• 此时，当 0.5 时，h v ，H即海姆假说只是金尼克假
说的一个特例。
• 同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公式来定量地计算地应力的大小，并且也都认为地应力只与重力有关，即以垂直应力为主，他们不同点只在于测压系数的不同。
由地心引力引起的应力场
垂直应力：
G H
—平均容重，KN/m3
H—总深度（m）
图岩体自重垂直应力
• （4）岩浆侵入引起的应力场 • 岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩过程，由于不同的

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