3地应力及其测量PPT课件
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地应力及其测量解析PPT教案
a)它是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作 用力。 区别于结构力学、材料力学其他力学。
b)传统的岩石工程的开挖设计和施工的经验类比法有局限性。 小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法往往是有效的。 大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不足。
第3页/共74页
4
c) 是岩石工程数值分析方法计算分析的必要 前提条件。
第10页/共74页
4.1.3 地应力的成因
3）岩浆侵入
岩浆侵入、冷凝收 缩和成岩，均产生 应力场。
高温岩浆对周围岩 体施加均匀压力， 冷凝后收缩，并从 接触面逐渐向内部 发展。
产生局部应力场。
第11页/共74页
12
4.1.3 地应力的成因
4）岩体自重应力场
垂直应力： z H
侧压力： x y z
向接近水平的，而且最大水平 主应力一般第为5页/共垂74页直应力的1～2 倍，甚至更多。
6
4.1.3 地应力的成因
1）地幔热对流 硅镁质组成的地幔因高温，
上下对流、蠕动，深部地幔 上升到顶部时变成2股方向相 反的平流：与反向平流相遇， 转为下降流进入深部，形成 封闭的循环体系。 亚洲形成孟加拉湾延伸至贝 尔加湖的最低重力槽，是拉 伸的袋装区，西昌、攀枝花 到昆明的裂谷刚好处于这一 地区，形成以西藏为中心的 大对流环（上升），华北-山 西地堑有下降流。 产生很大的水平应力。
2)测量技术和计算理论 比 较成熟
3)精度相对较高的地应 力
4)目前使用最为广泛
是国际岩石力学学会推 荐使用的地应力测量方 法
第45页/共74页
46
c.测量要求与步骤
1)测量要求 钻孔的深 度必须超 过开挖 影响区， 才能测到 岩体内的 原始应力 ，否则测 出的是二 次应力。
b)传统的岩石工程的开挖设计和施工的经验类比法有局限性。 小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法往往是有效的。 大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不足。
第3页/共74页
4
c) 是岩石工程数值分析方法计算分析的必要 前提条件。
第10页/共74页
4.1.3 地应力的成因
3）岩浆侵入
岩浆侵入、冷凝收 缩和成岩，均产生 应力场。
高温岩浆对周围岩 体施加均匀压力， 冷凝后收缩，并从 接触面逐渐向内部 发展。
产生局部应力场。
第11页/共74页
12
4.1.3 地应力的成因
4）岩体自重应力场
垂直应力： z H
侧压力： x y z
向接近水平的，而且最大水平 主应力一般第为5页/共垂74页直应力的1～2 倍，甚至更多。
6
4.1.3 地应力的成因
1）地幔热对流 硅镁质组成的地幔因高温，
上下对流、蠕动，深部地幔 上升到顶部时变成2股方向相 反的平流：与反向平流相遇， 转为下降流进入深部，形成 封闭的循环体系。 亚洲形成孟加拉湾延伸至贝 尔加湖的最低重力槽，是拉 伸的袋装区，西昌、攀枝花 到昆明的裂谷刚好处于这一 地区，形成以西藏为中心的 大对流环（上升），华北-山 西地堑有下降流。 产生很大的水平应力。
2)测量技术和计算理论 比 较成熟
3)精度相对较高的地应 力
4)目前使用最为广泛
是国际岩石力学学会推 荐使用的地应力测量方 法
第45页/共74页
46
c.测量要求与步骤
1)测量要求 钻孔的深 度必须超 过开挖 影响区， 才能测到 岩体内的 原始应力 ，否则测 出的是二 次应力。
地下采矿课件第4章 地应力及其测量
σ3 =
E ( ε 3 + ε 1 ) 2 1
E
(1)
2、未知主应力方向的应力解除
由弹性原理： 由弹性原理：
§4-4 岩体初始应力场测定
ε α = ε x cos α + ε y sin α
2 2
γ xy
2
y
sin 2α
εα 3
α3 α1 α2
εα 2
式中： 轴成α 式中：εα为x轴成α角度方向的线应变 。
σ1
ε3 ε1
σ3
x
ε x = ε 3 = 0, ε y = ε 1 = 0
卸去外力，变形恢复，此时： 卸ห้องสมุดไป่ตู้外力，变形恢复，此时：
ε x = ε 3 , ε y = ε1
根据广义虎克定律： 根据广义虎克定律：ε 1 = 1 (σ 1 σ 3 )
E
ε3
1 (σ = E
3
σ 1 )
解得： 解得： σ 1 = 1 2 ( ε 1 + ε 3 )
§4-3 岩体构造应力
由地质特征推断构造应力方向
§4-3 岩体构造应力
由地质特征推断构造应力方向
§4-3 岩体构造应力
（二）构造体系及区域构造应力场
对一个区域而言，在一次 对一个区域而言， 构造运动中，既有褶皱又有断 构造运动中， 层和节理等。 层和节理等。 这些构造形迹尽管形态各 性质不同、大小悬殊， 异、性质不同、大小悬殊，但 大都不是孤立出现， 大都不是孤立出现，而是相伴 而生，共同形成一个构造体系 构造体系。 而生，共同形成一个构造体系。 例如米字型构造体系。 例如米字型构造体系。 扭性断层－－ －－张性断层 S1,S2’扭性断层－－张性断层
E //
E ( ε 3 + ε 1 ) 2 1
E
(1)
2、未知主应力方向的应力解除
由弹性原理： 由弹性原理：
§4-4 岩体初始应力场测定
ε α = ε x cos α + ε y sin α
2 2
γ xy
2
y
sin 2α
εα 3
α3 α1 α2
εα 2
式中： 轴成α 式中：εα为x轴成α角度方向的线应变 。
σ1
ε3 ε1
σ3
x
ε x = ε 3 = 0, ε y = ε 1 = 0
卸去外力，变形恢复，此时： 卸ห้องสมุดไป่ตู้外力，变形恢复，此时：
ε x = ε 3 , ε y = ε1
根据广义虎克定律： 根据广义虎克定律：ε 1 = 1 (σ 1 σ 3 )
E
ε3
1 (σ = E
3
σ 1 )
解得： 解得： σ 1 = 1 2 ( ε 1 + ε 3 )
§4-3 岩体构造应力
由地质特征推断构造应力方向
§4-3 岩体构造应力
由地质特征推断构造应力方向
§4-3 岩体构造应力
（二）构造体系及区域构造应力场
对一个区域而言，在一次 对一个区域而言， 构造运动中，既有褶皱又有断 构造运动中， 层和节理等。 层和节理等。 这些构造形迹尽管形态各 性质不同、大小悬殊， 异、性质不同、大小悬殊，但 大都不是孤立出现， 大都不是孤立出现，而是相伴 而生，共同形成一个构造体系 构造体系。 而生，共同形成一个构造体系。 例如米字型构造体系。 例如米字型构造体系。 扭性断层－－ －－张性断层 S1,S2’扭性断层－－张性断层
E //
地应力及其测量原理PPT精品文档
3
❖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
❖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
3地应力及测量
地应力的概念、成因、基本规律、测量的必要性
3.1 概论
一、 地应力测量的必要性
3.1 概论
一、 地应力测量的必要性
1. 地应力定义
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。
地应力: 指岩体在天然状态下所存在的内应力, 通常又称为原岩应 力、初始应力。
2. 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。
（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。
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。
3.1 概论
四、 地应力测量的基本原理和方法
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。
尽管地应力有各种假说和理论对地壳的受力有一定规律性认识，但工 程岩体都会受到各种局部地质特征及其它因素的影响。
3. 地应力认识简史
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
H 1
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。”
3.1 概论
一、 地应力测量的必要性
3.1 概论
一、 地应力测量的必要性
1. 地应力定义
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。
地应力: 指岩体在天然状态下所存在的内应力, 通常又称为原岩应 力、初始应力。
2. 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。
（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。
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。
3.1 概论
四、 地应力测量的基本原理和方法
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。
尽管地应力有各种假说和理论对地壳的受力有一定规律性认识，但工 程岩体都会受到各种局部地质特征及其它因素的影响。
3. 地应力认识简史
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
H 1
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。”
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” 。
第五章地应力分析 PPT
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 ゜
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
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
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： 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
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
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
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
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： 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
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
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
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
地应力及其原理PPT课件
层重量，而水平应力是泊松效应的结果。
第十九页，共110页。
▪ 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”。
第二十页，共110页。
▪ 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地 壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接 近水平的，而且最大水平应力主应力一般 为垂直应力的1～2倍。
第三十六页，共110页。
▪ 6.3 地应力的变化规律 ▪ 通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分
析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些 基本规律： ▪ （1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，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。三个主应力的大小和方向是随着时间和空间而 变化的，因而它是一个非稳定的应力场，
▪我国大陆板块发 生变形，产生水平 压应力场，其主应 力迹线如图4-1所 示。
第二十六页，共110页。
（2）地幔热对流引起的应力场 由硅镁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，就分为两股 方向相反的平流，经一定流程 直到与令一对流圈的反向平流 相遇，一起转为下降流回到地球 深处，形成封闭的循环体系。地 幔热对流引起地壳下面的水平
第二十三页，共110页。
▪ 6.2 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
的形成主要与地球的各种运动过程密切相关，
第二十四页，共110页。
▪ 6.2地应力的成因
▪ 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、岩浆侵入和地球非 均匀扩容等。
第十九页，共110页。
▪ 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”。
第二十页，共110页。
▪ 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地 壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接 近水平的，而且最大水平应力主应力一般 为垂直应力的1～2倍。
第三十六页，共110页。
▪ 6.3 地应力的变化规律 ▪ 通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分
析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些 基本规律： ▪ （1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，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。三个主应力的大小和方向是随着时间和空间而 变化的，因而它是一个非稳定的应力场，
▪我国大陆板块发 生变形，产生水平 压应力场，其主应 力迹线如图4-1所 示。
第二十六页，共110页。
（2）地幔热对流引起的应力场 由硅镁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，就分为两股 方向相反的平流，经一定流程 直到与令一对流圈的反向平流 相遇，一起转为下降流回到地球 深处，形成封闭的循环体系。地 幔热对流引起地壳下面的水平
第二十三页，共110页。
▪ 6.2 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
的形成主要与地球的各种运动过程密切相关，
第二十四页，共110页。
▪ 6.2地应力的成因
▪ 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、岩浆侵入和地球非 均匀扩容等。
3地应力及其测量
•评价：直接得到应力值，不受岩体应力－应变关系制约； •所测结果为二次应力，还原原岩应力需根据有关理论进行修正。
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
2015-3-3
2015-3-3
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。
2015-3-3
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。
2015-3-3
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。
2015-3-3
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。
2015-3-3
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：
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
2015-3-3
2015-3-3
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。
2015-3-3
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。
2015-3-3
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。
2015-3-3
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。
2015-3-3
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：
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1112次课 第6章 地应力及其测量PPT课件
原理
6.2直接测量法(三、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)的作2 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 )c2 o s
r 0
式中， 和 分r 别为钻孔周边的切向应力和径向应力；为
测量方法：
1）测量手段的不同划分： 构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。
2）测量原理的不同划分： 应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、 声发射法、X射线法、重力法
3）测量基本原理不同划分：
直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量，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。
储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等具有重 要意义。
一、 地应力测量的必要性
c 地应力分布理论： 1）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静水
压力假设）h v H
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）
周边一点与 轴 1的夹角。
当 ＝0º时， 取得极小值，此时
321
原理
6.2直接测量法(三、水压致裂法)
P
3
水压致裂应力测量原理
如果采用图所示的水压致裂 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 32 和1岩石抗
拉强度T之和后，在 ＝0º处，
也即所在方位将发生孔壁开 裂。设钻孔壁发生初始开裂 时的水压为 ，则P i 有
130
力
150
170
190
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最大水平主应力σhmax=6.7+0.0444H(MPa) 最小水平主应力σhmin=0.8+0.0329H(MPa)
式中H为深度，单位为m．
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。
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。
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。
3 地应力的分布规律
▪ 岩体中的天然应力状态：非常复杂。 ▪ 影响因素：地质构造、岩性、地形、地貌
等。 ▪ 岩体中的天然应力大小及分布规律的认识
仍是初步的。 ▪ 到目前为止，对天然应力还缺乏完整的系
统理论，还无法进行较完善的理论计算， 只能由实测来确定。 ▪ 这就给天然应力场的确定造成很大困难。
▪ 适合完整脆性岩石中使用 ▪ 缺点：只能确定垂直于钻孔面的2维应力；
精度不够
•孔底应力解除法实施步骤
•1 钻孔至测量深度 2 在孔底贴应变片 3 解除围岩应力。 评价：1 只能测得孔底平面的两个主应力，三维应力需三个孔测量；
2 由于孔底应力集中影响，所测应力较真实原岩应力要高些
•孔壁应力解除法实施步骤
构造应力、温度应力、渗流荷载。 ▪ 围岩的初始应力场：
由于岩体自重和地质构造作用,在开挖隧道前岩体中就 已经存在着一定的地应力场,称为围岩的初始应力场.
地应力测量必要性：
▪ 天然岩体是预应力体 ▪ 工程建设需要 ▪ 数值计算的必备参数 ▪ 分布复杂，要了解必所引起的应力称为 岩体的自重应力。
➢ 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。
➢ 在开挖前，岩石处于三向应力状态，岩石强度相 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。
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：
五 高地应力问题
▪ 2）构造应力：由地壳构造运动在岩体中所引起 的应力称为构造应力
▪ 3）温度应力：由岩体内地温梯度的影响而产生 的应力称温度应力。3°C/100m
▪ 4）成岩应力：岩石生成过程中在成岩作用下所 产生的应力。如结晶作用，变质作用，沉积作用， 固结作用，脱水作用等。
▪ 5）渗流荷载：地下水在岩体中运动所产生的荷 载。渗流荷载一般作为外荷载
▪ 水力压裂法适合于深部地应力测量（500m以 上）或石油钻孔等
▪ 地质力学法可以给出较大范围内原岩应力的定 性评价，若与实测资料结合，会对工程范围内 岩体的原岩应力作出较可靠的评价。
▪ 最近提出的试算法、多元回归分析法和位移反 分析法等尚有待完善。
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
扁千斤顶法－压力枕法
•应力恢复法测地应力
•其基本原理是事先在隧道的岩壁表面安装应变计，并记录下应变计的初读数，然 后在岩壁上掏一个狭长的槽口，这就解除了垂直于槽口的法向约束和平行于槽口 的切向约束，应变计读数将下降；最后将扁千斤顶放入槽口，固定后加压，使应 变计读数恢复到掏槽前的数值。此时，扁千斤顶显示的压力即为岩体中相应方向 的应力
•评价：直接得到应力值，不受岩体应力－应变关系制约；
•所测结果为二次应力，还原原岩应力需根据有关理论进行修正。
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
水压致裂法优缺点
▪ 优点：能测量深部应力，已见报道的测点 深5000m；不需预先开巷道；
▪ 6）施工应力：人为因素产生。
▪ 在天然应力中，成岩应力仅在岩石生成过程中起 作用，温度应力在地表浅部作用较小，所以，岩 体中天然应力主要是构造应力和自重应力，两者 构成了天然应力场的主要部分。
▪ 岩体在长期的地质作用过程中，已处于一种天然 的平衡状态，但在工程建设中，不仅会施加附加 应力，还会引起应力重分布，正是由于工程建筑， 岩体的天然稳定状态将随之改变。
3 地应力的分布规律
▪ 1、地应力是一个相对稳定的非稳定应力场， 是时间和空间的函数。 大部分地区为以水平应力为主的三向不等 压应力场。
2 实测垂直应力基本等上覆岩层的重量
3 水平应力普遍大于垂直应力
4 平均水平应 力和垂直应力 的比值随深度 增加而减小， 在不同地区变 化速度不同。
5 最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长 ▪ 斯蒂芬森(O．Stephansson)等人根据实测结果给 出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平主应力和最小水 平主应力随深度变化的线性方程： ·
•1 钻孔至测量深度 2 在孔底钻小孔并在孔壁贴应变片 3 解除围岩应力。 评价： 用一个钻孔就可测得围岩三维应力状态
应力解除法总结：
▪ 环境温度效应计补偿 ▪ 假设是：岩石线弹性、连续均质和各项同
性基础上计算而得 ▪ 新的更精确的方法有待建立
原岩应力场确定方法总结
▪ 应力解除和恢复法适用于埋深较浅的隧道或硐 室
第三章 地应力及其测量
▪ 一 概述 ▪ 二 地应力的成因及分类 ▪ 三 分布规律 ▪ 四 测量方法 ▪ 五 高地应力地区的岩石力学问题
1 概述
▪ 地应力 岩体中各种应力的总称（一般不包括渗流荷载）
▪ 应力场 应力在空间有规律的分布状态称为应力场。 如自重应力场，构造应力场。
▪ 天然应力（或初始应力） 指工程施工前就存在于岩体中的应力，如自重应力、
式中H为深度，单位为m．
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。
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。
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。
3 地应力的分布规律
▪ 岩体中的天然应力状态：非常复杂。 ▪ 影响因素：地质构造、岩性、地形、地貌
等。 ▪ 岩体中的天然应力大小及分布规律的认识
仍是初步的。 ▪ 到目前为止，对天然应力还缺乏完整的系
统理论，还无法进行较完善的理论计算， 只能由实测来确定。 ▪ 这就给天然应力场的确定造成很大困难。
▪ 适合完整脆性岩石中使用 ▪ 缺点：只能确定垂直于钻孔面的2维应力；
精度不够
•孔底应力解除法实施步骤
•1 钻孔至测量深度 2 在孔底贴应变片 3 解除围岩应力。 评价：1 只能测得孔底平面的两个主应力，三维应力需三个孔测量；
2 由于孔底应力集中影响，所测应力较真实原岩应力要高些
•孔壁应力解除法实施步骤
构造应力、温度应力、渗流荷载。 ▪ 围岩的初始应力场：
由于岩体自重和地质构造作用,在开挖隧道前岩体中就 已经存在着一定的地应力场,称为围岩的初始应力场.
地应力测量必要性：
▪ 天然岩体是预应力体 ▪ 工程建设需要 ▪ 数值计算的必备参数 ▪ 分布复杂，要了解必所引起的应力称为 岩体的自重应力。
➢ 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。
➢ 在开挖前，岩石处于三向应力状态，岩石强度相 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。
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：
五 高地应力问题
▪ 2）构造应力：由地壳构造运动在岩体中所引起 的应力称为构造应力
▪ 3）温度应力：由岩体内地温梯度的影响而产生 的应力称温度应力。3°C/100m
▪ 4）成岩应力：岩石生成过程中在成岩作用下所 产生的应力。如结晶作用，变质作用，沉积作用， 固结作用，脱水作用等。
▪ 5）渗流荷载：地下水在岩体中运动所产生的荷 载。渗流荷载一般作为外荷载
▪ 水力压裂法适合于深部地应力测量（500m以 上）或石油钻孔等
▪ 地质力学法可以给出较大范围内原岩应力的定 性评价，若与实测资料结合，会对工程范围内 岩体的原岩应力作出较可靠的评价。
▪ 最近提出的试算法、多元回归分析法和位移反 分析法等尚有待完善。
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
扁千斤顶法－压力枕法
•应力恢复法测地应力
•其基本原理是事先在隧道的岩壁表面安装应变计，并记录下应变计的初读数，然 后在岩壁上掏一个狭长的槽口，这就解除了垂直于槽口的法向约束和平行于槽口 的切向约束，应变计读数将下降；最后将扁千斤顶放入槽口，固定后加压，使应 变计读数恢复到掏槽前的数值。此时，扁千斤顶显示的压力即为岩体中相应方向 的应力
•评价：直接得到应力值，不受岩体应力－应变关系制约；
•所测结果为二次应力，还原原岩应力需根据有关理论进行修正。
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
水压致裂法优缺点
▪ 优点：能测量深部应力，已见报道的测点 深5000m；不需预先开巷道；
▪ 6）施工应力：人为因素产生。
▪ 在天然应力中，成岩应力仅在岩石生成过程中起 作用，温度应力在地表浅部作用较小，所以，岩 体中天然应力主要是构造应力和自重应力，两者 构成了天然应力场的主要部分。
▪ 岩体在长期的地质作用过程中，已处于一种天然 的平衡状态，但在工程建设中，不仅会施加附加 应力，还会引起应力重分布，正是由于工程建筑， 岩体的天然稳定状态将随之改变。
3 地应力的分布规律
▪ 1、地应力是一个相对稳定的非稳定应力场， 是时间和空间的函数。 大部分地区为以水平应力为主的三向不等 压应力场。
2 实测垂直应力基本等上覆岩层的重量
3 水平应力普遍大于垂直应力
4 平均水平应 力和垂直应力 的比值随深度 增加而减小， 在不同地区变 化速度不同。
5 最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长 ▪ 斯蒂芬森(O．Stephansson)等人根据实测结果给 出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平主应力和最小水 平主应力随深度变化的线性方程： ·
•1 钻孔至测量深度 2 在孔底钻小孔并在孔壁贴应变片 3 解除围岩应力。 评价： 用一个钻孔就可测得围岩三维应力状态
应力解除法总结：
▪ 环境温度效应计补偿 ▪ 假设是：岩石线弹性、连续均质和各项同
性基础上计算而得 ▪ 新的更精确的方法有待建立
原岩应力场确定方法总结
▪ 应力解除和恢复法适用于埋深较浅的隧道或硐 室
第三章 地应力及其测量
▪ 一 概述 ▪ 二 地应力的成因及分类 ▪ 三 分布规律 ▪ 四 测量方法 ▪ 五 高地应力地区的岩石力学问题
1 概述
▪ 地应力 岩体中各种应力的总称（一般不包括渗流荷载）
▪ 应力场 应力在空间有规律的分布状态称为应力场。 如自重应力场，构造应力场。
▪ 天然应力（或初始应力） 指工程施工前就存在于岩体中的应力，如自重应力、