第7章 初始地应力场的生成及应用
abaqus初始地应力法
Abaqus初始地应力法1. 什么是初始地应力法？初始地应力法是一种通过在有限元分析中引入初始地应力来模拟复杂的地下工程问题的方法。
它主要用于研究岩土体在开挖、填筑、注浆等施工过程中的变形和破坏行为，以及对结构物产生的影响。
2. 初始地应力的来源初始地应力主要来自以下几个方面：•地壳运动：包括板块运动、构造活动等，会引起地层的水平和垂直变形，进而产生初始地应力。
•地震活动：地震引起的强烈振动会导致岩土体发生变形，从而产生初始地应力。
•自重压力：岩土体受到自身重量作用时，会产生垂直于重力方向的初始地应力。
•水压作用：水对岩土体施加的压力也会导致初始地应力。
3. 初始地应力法在Abaqus中的实现步骤步骤1：建立模型首先，在Abaqus中建立模型。
可以选择二维平面或三维立体模型，根据实际情况选择适当的模型尺寸和几何形状。
步骤2：定义材料属性在Abaqus中定义岩土体的材料属性，包括弹性模量、泊松比、密度等。
根据实际情况选择合适的材料模型，如线弹性、Mohr-Coulomb等。
步骤3：划分单元网格将模型划分为有限元网格。
可以选择不同类型的单元，如三角形、四边形、六面体等。
根据问题的复杂程度和准确性要求，确定合适的网格密度。
步骤4：施加边界条件在Abaqus中施加边界条件，包括约束和加载。
约束条件用于限制结构或岩土体的运动自由度，加载条件用于施加外部荷载或位移。
步骤5：设置初始地应力在Abaqus中设置初始地应力。
可以通过以下方法进行设置：•直接指定初始地应力值；•根据已知地层压缩模量和厚度计算得到；•根据现场实测数据进行反演得到。
步骤6：求解并分析结果在Abaqus中进行数值求解，并对结果进行分析。
可以观察岩土体的变形、应力分布等情况，评估结构物的稳定性和安全性。
4. 初始地应力法的应用领域初始地应力法广泛应用于以下领域：•地下工程：如隧道、地铁、基坑开挖等。
•岩土工程：如边坡稳定性分析、地基承载力计算等。
abaqus初始地应力法
Abaqus初始地应力法1. 引言Abaqus是一款强大的有限元分析软件，广泛应用于工程领域。
初始地应力法是Abaqus中常用的一种方法，用于模拟结构在施加载荷之前的初始应力状态。
本文将介绍Abaqus初始地应力法的原理、步骤和注意事项。
2. 原理在实际工程中，结构在施加外部载荷前通常已经存在一定的内部应力。
这些内部应力可以来自于材料的制造过程、组装过程或者其他预加载情况。
初始地应力法通过在模型中施加这些初始内部应力，来模拟真实结构在施加载荷之前的实际状态。
3. 步骤3.1 创建模型首先，在Abaqus中创建一个新模型，并定义材料属性、几何形状和边界条件等。
3.2 定义材料属性根据实际情况，在Abaqus中定义材料属性。
可以选择线性弹性材料或者非线性材料，具体根据需要进行选择。
3.3 定义几何形状根据实际情况，在Abaqus中定义结构的几何形状。
可以使用预定义的几何形状，也可以通过绘制几何图形来创建自定义的结构。
3.4 定义边界条件根据实际情况，在Abaqus中定义结构的边界条件。
边界条件包括约束和外载荷等。
在初始地应力法中，需要额外定义初始内部应力。
3.5 定义初始内部应力在Abaqus中，可以通过多种方法定义初始内部应力。
其中一种常用的方法是通过创建一个新的步骤，并在该步骤中施加相应的内部应力。
3.6 运行分析完成模型的定义后，可以运行分析并观察结果。
可以通过Abaqus提供的后处理工具来查看模型的应力、位移等结果。
4. 注意事项在使用Abaqus初始地应力法时，需要注意以下几点：•确保所定义的材料属性、几何形状和边界条件等与实际情况相符。
•在定义初始内部应力时，需要考虑其大小和方向，并确保其与实际情况一致。
•在运行分析之前，建议先进行预处理检查，确保模型设置正确且无误。
•在观察结果时，需要仔细分析并与实际情况进行对比，以验证模拟结果的准确性。
5. 结论初始地应力法是Abaqus中常用的一种方法，用于模拟结构在施加载荷之前的初始应力状态。
第七章 地应力测量方法(113)
空芯包体地应力计结构
空芯包体应变计的主体是一个用环氧树脂制成的壁厚3mm的空芯圆筒，其 外径为36mm，内径为30mm。
在其中间部位，即直径35mm处沿同一圆周等间距（120o）嵌埋着三组电 阻应变花。每组应变花由四支应变片组成，相互间隔45o。制作时，该空芯圆 筒是分两步浇注出来的。
第一步，浇注直径为35mm的空芯圆筒，在规定位置贴好电阻应变花后， 再浇注外面一层，使其外径达到36mm。在应力计的顶部有一个补偿应变片， 以消除温度变化对测量结果的影响。
地应力分量与方向的计算
7.2 应力解除法
设地下某一点的应力为，主应力大小为，与大地坐标系XYZ关系用9个
方向余弦或9个夹角值可以完全确定。但在实测中，钻孔与岩层、与大地
坐标总会呈某一角度（仰角或俯角）。设xyz为钻孔坐标系，在该坐标系
下的地应力是实测地应力。由此，只要有了两套坐标系的相对关系和实测
两测点的间距缓缓地恢复到d0，观测扁千斤顶对岩壁施加的压力pc。
5、在巷道顶部再进行一次测量。 6、由两次测量的结果计算天然应力值。
7.2 应力解除法
一、基本原理
在钻孔中安装变形或应变测量元件，通过量测套芯应力解除前后，孔壁 表面应变变化值来确定原始应力的大小和方向。
所谓套心应力解除是用一个较测量孔径更大的岩芯钻，对测量孔进行同 心套钻，把安装有传感器元件的孔段岩体与周围岩体隔离开来，以解除其天 然受力状态。
三河尖煤矿-980南翼回风巷1#测点局部柱状图
柱状
厚度(m)
埋深(m)
岩性描述
2号测点
11.5 8.6
泥岩，局部含砂高，偶为细
33
砂泥岩
砂岩，致密性脆
张小楼井地应力测点局部柱状图
煤矿开采中的地应力特点与运用分析
建材发展导向2018年第18期120人们都知道，地球的公转以及自传时时刻刻都在进行，同时在地球运动的过程中，还会产生很多天然的应力，这种应力在地层中的破坏力以及能量都比较大。
原岩应力属于潜藏在未受到地层干扰中的一种天然的应力。
人们在挖掘井下巷道时，就会被扰动，从而在巷道中出现一种新的应力。
此时的应力就被称之为次生应力。
煤矿在开采的过程中，需要做好巷道德掘进工作，同时，还需要对工作面进行回采处理，和其他的地下工程采矿工作一样，对该项工作进行研究具有非常重要的意义。
1 地应力概述所谓的地应力，又可以将其称为岩体的初始应力以及绝对应力，也就是潜藏在没有被干扰的地层中的天然应力。
地球的公转以及自传、地球内部应力、地幔热对流、地心引力、板块边界受压等地球的各种运动过程是产生地应力的主要原因。
在目前存在的这些地应力中，构造应力以及重力应力是其中的重要内容，人们在进行井下巷道挖掘工作时，就会干扰到原始的应力，并且在巷道中形成一种新的应力。
岩石所表现出的力学特征以及地应力场都能够直接影响到煤矿井下巷道围岩的矿压特征。
1.1 原岩应力原始岩石应力也称为绝对应力和初始应力。
它通常在采煤前留在岩体中。
应力的原因通常包括构造运动，岩体质量和地质构造应力。
1.2 开采中地应力地应力场的变化与工程有直接关系。
如果岩石受到压力损坏，将影响项目的正常运行。
因此，在设计矿山并支持设计时，必须准确掌握地应力的方向和大小。
重要信息，在开采煤矿的过程中，大多数挖掘工程都会影响周围的地面应力而不是岩石的强度。
在煤矿建设中，如果能够全面分析地应力，可以在很大程度上避免地应力。
岩石造成的破坏确保了道路的稳定性。
2 煤矿开采中地应力的特点分析随着社会经济的不断发展，科学技术也不断提高，人们对矿山工程地应力的认识也在不断提高。
人们对采矿工程中的地应力有一定的了解，并对项目可能的地应力进行了大量的检查，为研究煤的地应力特征提供了一定的技术依据。
ABAQUS软件在岩体力学参数和初始地应力场反演中的应用
一般认为地应力场的主要组成成分为自重应力场和地 质构造应力场[3],在 弹 塑 性 材 料 下 ,自 重 荷 载 和 构 造 荷 载 之 间 的作用相互耦合,即叠加原理不再适用[4]。此时 σ′≠f(G ,σ构1, σ构2,σ构3,…),而 是 σ′=Φ(G ,σ构1,σ构2,σ构3,…),更 一 般 的 则 认 为 σ′=Φ(x,y,z,E,μ,γ,c,φ,G ,σ构 1,σ构2,σ构3,… ),其 中 σ′为 初 始 应 力 的 拟 合 值 ;G 和 σ构i 分 别 为 自 重 作 用 和 边 界 假 定 构 造荷载作用;x,y,z为应力空间点 的 位 置 坐 标 ;E,μ,γ分 别 为 岩体的弹 性模量 , 泊 松 比 和 容 重 ;c,φ分 别 为 岩 体 的 凝 聚 力 和摩擦角;f,Φ分别为线性 函 数 和 非 线 性 函 数 。 由 于 神 经 网 络具有不需要建立分析对象的力学模型以及对未知系统具 有辨识和预测能力的优点, 因此可以在此引入神经网络模 型,利用它能够以任意精度逼近任何连 续函数的能力来表达 该函数关系。
方法①中的文件 FILENAM E.INP 获取方法 为 :首 先 将 已 知边界条件施加到模型上进行正演计算,然后 一般是将计算 得到的每个单元的应力外插到形心点处并导出 6 个应力分 量 (也 可 以 导 出 积 分 点 处 的 应 力 分 量 ,视 要 求 平 衡 的 精 确 程 度而定)。其所采用的几何模型可以考虑 地表起伏不平的情 况以及岩土材料极其不均匀的情况 ,适用范围广。但由于外 插 的 应 力 有 一 定 误 差 ,因 此 采 用 弹 塑 性 本 构 模 型 时 ,可 能 会 导致某些点的高斯点应力位于屈 服面以外,当大面积的高斯 点上的应力超出屈服面之后 ,应力转移要通过大量的迭代 才 能 完 成 ,而 且 有 可 能 出 现 解 不 收 敛 的 情 况 。 在 仅 考 虑 自 重 情 况下只能考虑受泊松比 的影响带来的侧压力系数效应 ,因此 平 衡 后 的 效 果 不 一 定 很 理 想 ,但 无 疑 其 适 用 性 很 强 。
地应力分析
108°56′
278000
280000
282000
284000
286000
108°55′
WZ12-1-6
WZ12-1-5
中块3井区
南 块
中块4井区
北
ILN2490
XLN1955
F2
F82
F4
F5
F1
F3
N3
N1
N
N2
F9
F81
F10
块
F11
F2A
FA
WZ12-1-B5
N1a
N1b
最大水平主地应力方向N100E左右
h
v
H
最大水平主地应力
WZ12-1-6井壁崩落椭圆长轴方位
WZ12－1北油田地应力方向分析
非均匀地应力作用下井壁坍塌将形成椭圆形井眼，椭圆井眼长轴为最小水平主地应力方向 双井径测井数据: WZ12-1-6井下部8.5"井 眼段(MD:2380～2980m) 井眼椭圆长轴方位 N120°E 是由非均匀地应力造成的井壁坍塌而形成的椭圆井眼吗？
该部分地应力在水平方向相同，为均匀分布的
地应力纵向分布规律计算模式
由构造运动产生的地应力，由于构造运动的方向性，使得在水平方向产生的地应力不同。假设构造运动可分解为沿相互垂直的两个主方向（H方向和h方向）的向前平推运动，在两个方向的构造运动变形量分别为εH、εh；并假设在构造运动过程中各地层保持连续（不产生相互错动），根据广义虎克定律有：
地应力相对大小： 最大水平地应力大致方位：N600-750E
BZ25-1-2井地应力方位频率图 最大水平主地应力方位N65-70E
N
E
最大水平主应力方位
石油工程岩石力学_地应力
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
++++++
天然应力
∧
→ ← ↓↑
重分布应力
概述
一般情况下主地应力表示方法
地表
H
垂直主应力σv
水平最小主应力σh
水平最大主应力σH
概述
地应力是场函数 地应力又称为地应力场 有大小和方向
水平最小大地应力 水平最大地应力
二、天然应力的构成及起源
1.构成：
• 岩体自重→自重应力 • 构造运动→构造应力 • 流体作用→渗流应力 • 其它（地温、地球化学作用等）
St Pf Pr
井壁崩落椭圆法确定主应力方向
构造应力场导致井壁崩落椭圆具有明显的长轴方位。在地 层倾角测井记录上，一条井径曲线比较平直或等于钻头直 径，而另一条井径曲线则比钻头直径大得多，而非应力孔 眼井径曲线上表现为，钻头孔截面没有明显的长轴方向。
第七章岩体中的天然应力
§7.2 岩体天然应力的分布特征
岩体中天然应力常以 水平应力为主，即h> v 水平应力具有强烈的 方向性和各向异性
水平天然应力以压应 力为主
§7.2 岩体天然应力的分布特征
四、天然应力 比值系数与深 度z 的关系
定义：天然水 平应力与铅直应 力的比值为天然 应力比值系数 ， 它 随深度增加而 减小。
(0.3 100) hav (0.5 1500)
z
z
§7.2 岩体天然应力的分布特征
五、应力轴与水平面的关系（天然应力状态）
据应力轴与水平面的关系，天然应力状态划分为：
cos(90 ) sin , cos(180 ) cos
ua R (1 3)2(1 3) cos 2 Em
∴
ub R (1 3) 2(1 3) sin 2
Em
uc R ( 1 3) 2( 1 3) cos 2
Em
§7.3 岩体天然应力的确定
用消元法解三元一次方程，得：
1
E 4R
ua
uc
1 2
3
E 4R
ua
uc
1 2
(ua
ub) 2
(ub
uc)2
(ua
ub) 2
(ub
uc)2
1
tg2 2ub ua uc
ua uc
应变计互为60°时，可按下列公式计算
3 uc ub
60°
θ
ua
1
x
1
E 6R
ua
ub
uc
FLAC3D中初始地应力的生成方法
FLAC3D中初始地应力的生成方法FLAC3D是一种基于离散元素法（DEM）的三维数值模拟软件，用于对岩土体的力学行为进行模拟和分析。
在模拟过程中，准确的初始地应力是非常重要的，它对模拟结果的准确性有着直接的影响。
以下将介绍在FLAC3D中生成初始地应力的方法。
1.预设应力法：预设应力法是最常用的一种生成初始地应力的方法。
通过已知的岩土力学参数和地质条件，可以根据布里奇曼公式或其他适用的地应力公式计算得到各个方向上的应力大小。
对于岩石等均质材料，应力大小是相同的；对于土壤等各向异性材料，应力大小在不同方向上可能存在差异。
首先，需要定义应用于模型上表面的边界条件，可以通过设置边界条件来代表各个方向上的固定边界、受力边界等。
然后，根据预设的应力大小和岩土体的应力状态，将应力应用到对应的边界上。
最后，在FLAC3D的模拟中，岩土体的初始应力大小和方向将根据这些预设的边界条件来确定。
2.参考场法：参考场法是另一种生成初始地应力的方法。
它基于实测的地应力数据，并尝试在模拟中对真实的地应力状态进行复现。
首先，需要收集实测的地应力数据，比如利用地应力计等设备对模拟区域内的地应力进行测量。
然后，根据实测数据，选择一个合适的参考场，将实测的地应力数据应用到参考场上。
最后，在FLAC3D的模拟中，通过在模型上进行缩放和转换，将参考场上的地应力数据应用到模拟模型上，从而生成初始地应力。
3.数值模拟方法：数值模拟方法是一种使用FLAC3D自身的模拟功能来生成初始地应力的方法。
在这种方法中，先对初始地应力进行预估，然后进行数值模拟，并根据模拟结果进行修正，直到满足预设的收敛条件。
具体步骤如下：a.定义模型和材料属性：首先，需要定义FLAC3D中的模型空间和材料属性，包括模拟区域的大小、形状和材料类型等。
b.设置边界条件：根据模拟需求，设置合适的边界条件，包括固定边界、受力边界等。
c.进行数值模拟：根据预估的初始地应力，在FLAC3D中进行数值模拟，并得到模拟结果。
地应力测量及应用-中石化江汉油田测录井公司
即，侧压力系数λ= σH/ σv＞1 侧压力系数λ=
原地应力的三个方向的主应力σ 原地应力的三个方向的主应力σv、 σH、σh均随深度的增加而增大。 均随深度的增加而增大。
主要内容
一、概述 二、原地应力分布的基本规律 三、原地应力的测量及计算 四、地应力研究在油田开发中的应用
中国石化江汉石油管理局测录井工程公司
Well Logging Engineering Company Jianghan Petroleum Administration SINOPEC
原地应力的分布基本规律
中国石化江汉石油管理局测录井工程公司
Well Logging Engineering Company Jianghan Petroleum Administr测录井工程公司
Well Logging Engineering Company Jianghan Petroleum Administration SINOPEC
Well Logging Engineering Company Jianghan Petroleum Administration SINOPEC
井壁崩落法
在不同地质时期形成的各种岩石，都具有一定的强度，根据脆性破裂理 在不同地质时期形成的各种岩石，都具有一定的强度， 论，当作用应力差超过该处岩石的破裂强度时，就会产生井壁崩落现象，形成 当作用应力差超过该处岩石的破裂强度时，就会产生井壁崩落现象， 井壁崩落椭圆，其长轴方向与最小水平主应力平行。 井壁崩落椭圆，其长轴方向与最小水平主应力平行。 确定井壁崩落的基本准则： 确定井壁崩落的基本准则： a）井眼崩落井段必须超过一定长度； ）井眼崩落井段必须超过一定长度； b）两条井径中，其中较小的井径数值必须接近钻井的钻头尺寸； ）两条井径中，其中较小的井径数值必须接近钻井的钻头尺寸； C）当井斜时，扩径的长轴方向不能与井眼的高边方位一致。 ）当井斜时，扩径的长轴方向不能与井眼的高边方位一致。
初始地应力名词解释
初始地应力名词解释初始地应力是指地球内部由于各种物理和地质作用而产生的初始应力状态。
这些应力状态会对地球表面的地质构造、地震、火山活动等产生重要影响。
本文将详细解释初始地应力的四种主要类型。
1.温度应力温度应力是由于地球内部温度变化导致的应力变化。
地球内部温度分布不均匀，导致岩石热胀缩，进而产生应力。
这种应力可以细分为两种类型：（1）热胀缩应力：当地球表面受到太阳辐射或其他热源作用时，地表和地球内部会产生热胀缩现象。
这种热胀缩现象会导致地表变形和内部应力的产生。
（2）压缩应力：地球内部的温度变化会导致岩石的体积变化。
当岩石受到高温作用时，其体积会增大，但同时会被周围岩石限制而无法自由膨胀，因此会产生压缩应力。
2.重力应力重力应力是由地球重力场导致的应力变化。
由于地球重力作用，地球内部的岩石和土壤受到不同程度的压力，产生应力。
这种应力可以细分为两种类型：（1）自由落体应力：地球内部的物体受到重力作用会向下加速运动，这种运动趋势会对周围物体产生压力，从而导致应力的产生。
（2）平行地球重力的应力：地球表面的物体受到重力作用会向下沉，这种沉重力会对地表下面一定深度的物体产生压力，从而导致应力的产生。
3.地球自转导致的科里奥利力产生的应力地球自转导致的科里奥利力是一种惯性力，它可以使地球内部的物体相对于地球表面产生偏移。
这种偏移会导致物体受到挤压或拉伸，从而产生应力。
这种应力可以细分为两种类型：（1）切向应力：地球自转导致地球表面上的物体产生偏移，物体受到的科里奥利力会产生切向分量，使物体与地球表面相切的方向产生压缩或拉伸应力。
（2）法向应力：地球自转导致地球表面上的物体产生偏移，物体受到的科里奥利力会产生法向分量，使物体相对于地球表面垂直的方向产生压缩或拉伸应力。
4.构造应力构造应力是地球历史中形成的应力，主要由于地壳运动、板块运动、地震等地质作用产生。
这些应力可以对地球表面的地质构造、岩石变形和破裂产生重要影响，细分为以下三种类型：（1）板块运动产生的应力：地球表面的地壳由多个大型板块组成，这些板块之间的相对运动会导致应力的产生。
煤矿开采中的地应力特点及其应用
煤矿开采中的地应力特点及其应用摘要：地应力会给岩土工程产生很大的影响，主要是造成其变形、破坏等，所以进行围岩力学分析就是为了掌握岩土工程设计特点，为开发顺利的进行奠定基础。
分析了解煤矿开采地应力特点和应用，目的就是让煤矿开采安全性和岩土工程质量得到提升。
本文对于煤矿开采地应力特点和应用，目的就是保证安全性和岩土工程质量。
关键词：煤矿开采；地应力特点；岩土工程我们都知道，地球时刻保持着自转与公转，在地球运动的过程中，会产生天然的应力，潜藏在地层结构内部，能量较大，给工程产生较大的破坏力。
原岩应力是潜藏在没有给工程产生干扰的天然应力，在人们下井开挖巷道围岩内，这就会产生新的应力，即次生应力。
煤矿开采环节，巷道掘进作业施工，工作面回采是重要的工作之一，与其他地下采矿是相同的，所以进行地应力研究有着极为重要的作用。
1地应力概述地应力是在底层内没有受到工程扰动的天然应力，也可以叫做是岩体的绝对应力与初始应力。
地应力的产生原因有很多，比如地球内部应力、不同板块之间的受压、地心引力等，其主要组合成了应力场、重力场等。
如果在地下空间进行巷道开挖施工，会给巷道周边的原始应力以及所在位置形成不同程度的影响，所以巷道周围会有新的应力产生，这就是次生地应力。
煤矿开采作业阶段，巷道围岩容易受到原始应力和次生应力的联合作用，所以要加强这一方面的分析。
1.1原岩应力原岩应力一般也可以被叫做绝对应力、初始应力，所以在煤矿开采作业前，就已经在岩体中存在，这一应力形成的原因包含地壳构造运动、自重、地质结构应力等方面。
1.2次生应力煤矿开采工作进行中，会让应力发生改变，达到新的平衡性状态，在之前岩体内部地应力是平衡性的状态，在煤矿开采进行中，原岩应力场会有不同程度的影响，这样就会形成次生应力。
开采活动不同，原油应力场产生的影响也是不同的。
开采环节所导致的次生应力会超过原岩应力，也可能会出现比原岩应力小的情况，对于煤矿开采工作来说，开采活动包含工作面回采与巷道掘进。
浅谈初始地应力在ABAQUS中的施加
浅谈初始地应力在ABAQUS中的应用李雪（西南交通大学土木工程学院，成都610031）摘要：根据自己对有限元ABAQUS的一些理解以及具体运用，总结出初始地应力在ABAQUS软件中施加的两种具体方法，并结合具体实例给与说明，为ABAQUS在土木工程建模中定义初始地应力写出了两种具体方法，以供参考。
关键词：ABAQUS 初始地应力应用The Application of The Initial ground stress in ABAQUSLI Xue(South West Jiao Tong University, Civil Engineering Department, Chengdu 610031)Abstract: In this paper, two methods to apply the initial ground stress in FEM software of ABAQUS are introduced during the period of my studying ABAQUS. Some example is given to prove the accurate of the methods in civil engineering. Some understandings are given in the paper and the experience is worthy to the referenced in the similar case.Key words: ABAQUS the initial ground stress apply引言在模拟基坑开挖、隧道开挖、铁路设计中的工后沉降、桩土复合地基、挡土墙等土木工程问题中，都需要平衡初始地应力。
定义初始地应力时需要满足下面两个条件：（1）平衡条件：由应力场形成的等效节点荷载要和外荷载相平衡，如果平衡条件得不到满足，将不能得到一个位移为零的初始状态，此时所对应的应力场也不再是所施加的初始应力场。
初始地应力场分析方法探讨_王大伟
ym 1m 2 + ym 1m 3 +
zn 1n 2 + zn 1n 3 +
l 1m 2 + l 2m 1) +
m 1 n 2+ m 2n 1 ) + m 1 n 3+ m 3n 1 ) +
zx ( zx (
n 1l 2 + n 2 l 1 ) = 0 n 1l 3 + n 3 l 1 ) = 0
3 2 3 3 2 2 2 2
( 7)
3=
a 0( x 4- y 4 + z 2 x 2 + y 2 z 2 - x 2 y 2) + c 1 ( x 3 y - y 3 x ) + c 2 ( y 3 z - 3x 2 yz ) + c 3 ( x 3 z - 3xy 2z ) + c 4 x 3 + c 5 y 3 + c 6x 2z + c 7 x 2 y + c 8 zy 2 + c 9 xy 2+
= 0 z2 = 0 ( 6)
根据文献[ 1] , 按有限元计算的需要截取一定的 范围, 并在两侧加上某种规律分布的水平荷载。对 边界荷载作逐步调整, 使得用有限元方法求得的应 力场在给定几个观测点位置等于或接近地应力的观 测值 , 则所求的应力场即可作为初始应力场。 因为边界荷载的调整没有可遵循的规律, 所以 该方法很难保证计算过程逐步收敛于所求值。 许多情况下 , 在有限元计算边界上 , 不仅作用有 水平方向力, 同时 还有垂直方向的 力即剪力作用。 以重力场作为基本荷载考虑地形的影响, 在这个基
( 9)
l 1m 3 + l 3m 1) + 取 n = 40, m = 6P 1 + 3P 2, 当 m = n 时, 方程有 确定解 ; 当 m > n 时, 为矛盾方程 , 可用最小二乘法 求出待定系数。 应力函数值通过趋势分析回算地应力场, 基本 上可以解决利用地应力观测资料分析地下洞室应力 的问题。但是也存在一些问题 , 比如四次应力函数 只能描述二次应力张量场。当地形起伏变化大、 地 质上有断层破碎带、 应力变化剧烈甚至不连续时就 不适用了 , 要用更高的应力函数。若岩性比较均一 , 用趋势方法分析很 简便。但若 研究域中有几 种介 质, 采用此法就应分区拟合, 并保证界面上连续。 2 6 岩体初始应力场的反演有限元法 根据文献 [ 3] , 参考地应力实测资料、 山体的地 形状况及岩体的地质构造、 岩体的力学性质等因素 , 建立大范围山体的计算区域, 对三维离散点的初始 地应力值是通过大区域网格下的计算所得。初始地 应力场的主要因素有岩体自重和地质构造运动等。 对于自重因素, 计算时采用岩体实测密度获得自重 应力场; 对于构造应力场 , 选取足够大的区域在边界 上加法向、 切向分布荷载来实现。
煤矿开采中的地应力特点及其应用
煤矿开采中的地应力特点及其应用摘要：现如今，随着时代的进步，煤矿行业也迅速发展起来。
本文对煤矿开采中地应力的特点进行了分析，结合煤矿开采实际情况对于原岩应力进行实地测量，通过巷道原岩应力实测结果分析得出，一些准备巷道设置的方向和最大水平主应力的方向相互垂直。
因此，在这些巷道两帮位置处均需进一步强化了锚网支护，确保煤矿开采的安全性。
关键词：煤矿开采；地应力；特点；应用引言众所周知，地球无时无刻不在自传与公转着，在地球各种运动的过程中便会产生多种天然的应力，这种应力潜藏于地层中，具有较大的能量以及工程破坏力。
原岩应力便是潜藏在没有受过工程干扰的地层之中的一种天热应力，当人们下井挖巷道的时候，原始的地应力就会受到干扰，从而形成一组新的应力在巷道围岩之中，这一新的应力就被称之为次生应力。
在煤矿开采的过程中，对巷道进行掘进，对工作面进行回采是其开采的主要活动形式，同其他的地下采矿工程一样，研究与应用地应力的意义已经越来越突出，越来要重要的。
1地应力概述地应力就是指在地层当中潜藏着，从来都没有被工程器械干扰的原岩应力，也叫做天然的应力，因此又被称为岩体的初始应力和绝对应力。
地应力主要来自于地球在自转与公转过程中、地幔热对流的产生以及地心引力和地球原有的内部应力等各种各样的地球运功。
在目前已经发现的地应力中，最主要的组成部分就是构造应力和重力应力。
在煤矿施工人员下井挖煤的时候，就会影响到原始的地应力，会产生一种新的应力，这就是所谓的次生应力。
煤矿井下巷道围岩的矿压特征是由岩石所表现出来的力学特性与所处的地应力场来决定的。
现如今，地应力在煤矿工程中的意义已经越来越明了，开挖前岩体中已存在的地应力场与井下巷道、硐室周围所分布的应力及相关的支护要求之间都存在一定的联系。
2煤矿开采中的地应力特点目前，随着人类对地应力认识的程度不断提升，大部分工程施工都会对地应力进行实地测量，这就为研究矿井原岩应力的特点和分布提供了技术基础。
abaqus初始地应力法
abaqus初始地应力法【原创实用版】目录1.Abaqus 初始地应力法概述2.Abaqus 初始地应力法的应用3.Abaqus 初始地应力法的步骤4.Abaqus 初始地应力法的优缺点5.总结正文一、Abaqus 初始地应力法概述Abaqus 初始地应力法是一种在 Abaqus 软件中应用的求解地应力场的方法，主要通过指定主应力方向、应力值以及边界条件，来计算地应力场中的应力分布。
此方法在岩土工程、地质工程等领域具有广泛的应用。
二、Abaqus 初始地应力法的应用Abaqus 初始地应力法可以用于求解许多工程问题，例如：地下洞室的开挖、隧道的开挖与支护、边坡稳定性分析等。
通过该方法，工程师可以预测工程施工过程中可能产生的应力变化，从而采取相应的措施确保工程安全。
三、Abaqus 初始地应力法的步骤1.准备模型：首先需要创建一个三维模型，包括地基、岩土体等部分。
2.指定边界条件：根据实际情况，设置模型的边界条件，如自由表面、滑动面、固定面等。
3.指定初始地应力：在模型中指定主应力方向、应力值，作为计算的起始条件。
4.分网格：将模型划分为有限元网格，以进行数值计算。
5.求解：运用 Abaqus 软件求解地应力场，得到应力分布。
6.后处理：对计算结果进行可视化和分析，提取感兴趣的应力参数。
四、Abaqus 初始地应力法的优缺点优点：1.适用于复杂的地质条件和工程环境。
2.可以考虑多种边界条件，模拟实际情况。
3.能够得到应力分布的三维图像，便于分析和观察。
缺点：1.计算过程较为繁琐，需要一定的技术水平。
2.对模型的精度和网格划分要求较高，否则可能影响计算结果的准确性。
五、总结Abaqus 初始地应力法是一种实用的地应力场分析方法，适用于多种工程场景。
地应力知识
地应力知识简介地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。
一地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。
30 多年来的实测和理论分析表明，地应力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、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。
1大陆板块边界受压引起的应力场以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。
在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。
2 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。
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。
3由地心引力引起的应力场（也称为重力场）重力场，是各种应力场中唯一能够计算的应力场。
重力应力为垂直方向应力，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。
4岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。
熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。
地应力及其分布规律
地应力及其分布规律————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:ﻩ地应力及其分布规律1 、地应力的基本概念地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
广义上也指地球体内的应力。
它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。
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。
此外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。
２、地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的,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、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。
另外,温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。
其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。
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,地应力成因之一:地幔热对流（图1、图２）地应力成因之一：板块边界受压（图3）地应力成因之一:岩浆浸入(图4)3、地应力的影响因素地壳深层岩体地应力分布复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响,但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。
1)岩体自重的影响岩体应力的大小等于其上覆岩体自重,研究表明：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。
但在初始地应力的研究中人们发现,岩体初始应力场的形成因素众多,剥蚀作用难以合理考虑,在常规的反演分析中,通常只考虑岩体自重和地质构造运动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,剥蚀作用对地应力也有显著的影响,剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。
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第7章初始地应力场的生成及应用在土木工程或采矿工程领域中，初始地应力场的存在和影响不容忽略，它既是影响岩体力学性质的重要控制因素，也是岩体所处环境条件下发生改变时引起变形和破坏的重要力源之一。
因此，要想较真实地进行工程模拟仿真，就必须保证初始地应力场的可靠性。
初始地应力场生成的主要目的是为了模拟所关注分析阶段之前岩、土体已存在的应力状态。
本章即介绍FLAC3D中初始地应力场的生成方法及应用。
本章重点：✓常用的初始地应力场生成方法✓常见工程初始地应力场的生成✓路基施工过程的模拟7.1 初始地应力场生成方法在FLAC3D中，初始应力场的生成办法较多，但通常用的是以下三种方法，即弹性求解法、改变参数的弹塑性求解法以及分阶段弹塑性求解法。
下面将以表7-1所述简单模型为例，介绍这三种生成初始地应力场的方法。
表7-1 模型尺寸、土体密度及变形参数1×1×2 1×1×2 2000 30 10 0.35 7.1.1 弹性求解法初始地应力的弹性求解法生成是指将材料的本构模型设置为弹性模型，并将体积模量与剪切模量设置为大值，然后求解生成初始地应力场。
例叙述的是采用该法生成上述简单模型的初始地应力场的过程。
例7.1弹性求解生成初始地应力场newgen zone brick size 1 1 2 model elasprop bulk 3e7 shear 1e7 fix z ran z 0fix x ran x 0fix x ran x 1fix y ran y 0fix y ran y 1 ;开始一个新的分析;生成网格模型;设置弹性本构模型;设置体积模量和剪切模量;固定z=0平面所有节点z向速度;固定x=0平面所有节点x向速度;固定x=1平面所有节点x向速度;固定y=0平面所有节点y向速度;固定y=1平面所有节点y向速度ini dens 2000 set grav 0 0 -10 solve;设置密度 ;设置重力加速度 ;按软件默认精度求解图 7-1为运行上述命令文件后得到的初始地应力场应力云图。
从图中可以看出，模型底部zz σ= 40 kPa ，xx σ=yy σ=21.54 kPa ，这与采用公式zz σ=gz ρ（z 为土层深度）、xx σ=yy σ=1zz v v σ-的计算结果基本一致。
此法常用于浅埋工程和地表工程数值模拟时的初始地应力场生成，因此类工程的初始地应力场主要是由岩、土体在自重作用下产生的。
此外，由于为弹性求解，在体系达到平衡时，岩、土体中并未有产生屈服的区域。
（a ） 竖向应力云图 （b ） 水平应力云图图 7-1 初始地应力场应力云图（step=162）7.1.2 更改强度参数的弹塑性求解法初始地应力的更改强度参数的弹塑性求解法生成是指求解过程中始终采用塑性模型，但为防止在计算过程中出现屈服区域，将粘聚力和抗拉强度设为大值，计算至平衡后，再将粘聚力和抗拉强度改为分析所采用的值计算至最终平衡状态。
例7.2叙述的是采用该方法成一个简单模型初始地应力场的过程。
计算条件中，除采用例7.1所列参数外，增加0所列土体强度参数。
表7-2 土体强度参数10 (107)15 0 0 (104)提示：粘聚力与抗拉强度栏中，括号内值为更改参数求解前的设定值。
例7.2 更改强度参数求解生成初始地应力场newgen zone brick size 1 1 2model mohrprop bulk 3e7 shear 1e7 coh 1e10 fri 15 ten 1e10 fix z ran z 0fix x ran x 0fix x ran x 1fix y ran y 0fix y ran y 1ini dens 2000set grav 0 0 -10solveprop bulk 3e7 shear 1e7 coh 10e3 fri 15 ten 0 solve ;开始一个新的分析;生成网格模型;设置摩尔-库仑模型;设置强度参数;固定z=0平面所有节点z向速度;固定x=0平面所有节点x向速度;固定x=1平面所有节点x向速度;固定y=0平面所有节点y向速度;固定y=1平面所有节点y向速度;设置密度;设置重力加速度;按软件默认精度求解;重新设置强度参数;按软件默认精度求解图7-2为运行上述命令文件后得到的初始地应力场竖向应力云图。
从图中可以看出，该竖向应力云图与图7-1（a）基本相同。
图 7-2初始地应力场竖向应力云图（step=163）此法与前述弹性求解方法的不同之处在于，计算达到最终平衡时，岩、土体中可能有产生屈服的区域。
相对而言，此法生成的初始地应力场要比弹性求解方法生成的要合理一些，因在实际工程中，即使是在初始地应力场作用下，岩、土体内部存在屈服区域也是有可能的。
但由于是弹塑性求解，其生成初始地应力场的时间要更长一些，特别是对于网格和节点数目较多的模型来说。
本例仅为说明该方法生成初始地应力场的过程，由于模型尺寸较小，在重力作用下，并未有屈服区域产生，读者可按此例自行设置节点和单元数较多的模型观察计算结果。
7.1.3 分阶段弹塑性求解法例7.3叙述的是分阶段弹塑性求解法生成一个简单模型初始地应力场的过程。
采用的计算条件与7.1.2节完全相同。
采用此法生成的初始地应力场竖向应力云图与图7-2相同，不在此列出。
例7.3分阶段弹塑性求解生成初始地应力场newgen zone brick size 1 1 2model mohrprop bulk 3e7 shear 1e7 coh 10e3 fri 15 ten 0 fix z ran z 0fix x ran x 0fix x ran x 1fix y ran y 0fix y ran y 1ini dens 2000set grav 0 0 -10solve elas ;开始一个新的分析;生成网格模型;设置摩尔-库仑模型;设置强度参数;固定z=0平面所有节点z向速度;固定x=0平面所有节点x向速度;固定x=1平面所有节点x向速度;固定y=0平面所有节点y向速度;固定y=1平面所有节点y向速度;设置密度;设置重力加速度;按软件设置步骤分阶段求解目前，在FLAC3D中，此法只适合计算模型采用摩尔－库仑模型的情况，此时，它与前述更改强度参数的弹塑性求解方法（采用摩尔－库仑模型时）是等效的。
若初始平衡计算时采用的是其它弹塑性本构模型，则需采用更改强度参数的弹塑性求解法来生成初始地应力场。
该求解过程中分为两个阶段进行：首先，程序自动将模型所有组成材料的粘聚力和抗拉强度分别设置为较大值，进行弹性求解，直至体系达到力平衡状态；接着将粘聚力和抗拉强度重置为初始设定值进行塑性阶段的求解，直至体系达到力平衡状态。
7.2 几个简单的例子本节将举例说明采用FLAC3D生成各类岩土工程的初始地应力场。
前三个算例描述的是地表工程或浅埋工程的初始地应力场生成，后一个算例描述的是深埋工程的初始地应力场生成。
7.2.1 设置初始应力的弹塑性求解例7.4叙述的是设置初始应力后，采用与例7.1相同的计算条件，通过弹塑性求解生成一个简单模型初始地应力场的过程。
例7.4 设置初始应力的初始地应力场生成newgen zone brick size 1 1 2model mohrprop bulk 3e7 shear 1e7 coh 10e3 fri 15 ten 0fix z ran z 0fix x ran x 0fix x ran x 1fix y ran y 0fix y ran y 1ini dens 2000ini szz -40e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 2ini syy -20e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2ini sxx -20e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2set grav 0 0 -10solve;开始一个新的分析;生成网格模型;设置摩尔-库仑模型;设置强度参数;固定z=0平面所有节点z向速度;固定x=0平面所有节点x向速度;固定x=1平面所有节点x向速度;固定y=0平面所有节点y向速度;固定y=1平面所有节点y向速度;设置密度;设置竖向初始应力;设置水平y向初始应力;设置水平x向初始应力;设置重力加速度;按软件默认精度求解图7-3为运行上述命令文件后得到的初始地应力场竖向应力云图，该竖向应力云图与图7-1（a）相同。
加入初始应力，其作用主要是是为了加速模型与重力平衡的时间，以缩短生成初始地应力场的时间（如本例，未进行计算，模型即已达到平衡）。
一般按K（水平应力与竖向应力之比，按弹性力学公式，1K v v-=，因此，本例取为0.5来设置初始应力，可最大程度上减少计算收敛时间。
注意：在浅埋工程和地表工程初始地应力场模拟中，通过测定K值，根据手算加入较为合理的初始应力值，可有效缩短计算时间；而在深埋工程中，若机械套用此法，则会造成较大的误差。
因深埋工程中，初始地应场主要由构造应力构成，重力所起作用相对较小，如在模拟中设置不恰当的初始应力值，计算求解得到的初始地应力场有可能只是众多平衡结论中的一个，并不能反映或接近真实的初始地应力场。
图 7-3初始地应力场竖向应力云图（step=0）7.2.2 存在静水压力的初始地应力场生成例7.5叙述的是设置初始应力和孔隙水压力后，通过弹塑性求解生成一个简单模型初始地应力场的过程。
土体孔隙率为0.5，水位线从模型底部起为1m ，计算中土体密度分水上和水下分别设置为饱和密度和天然密度，采用无渗流模式进行计算，其它计算条件与0相同。
采用此法生成的初始地应力场应力云图如图 7-4所示。
例7.5：存在孔隙水压力的初始地应力场生成newgen zone brick size 1 1 2 model mohrprop bulk 3e7 shear 1e7 coh 10e3 fri 15 ten 0 fix z ran z 0 fix x ran x 0 fix x ran x 1 fix y ran y 0 fix y ran y 1ini dens 2000 ran z 0 1 ini dens 1500 ran z 1 2ini szz -35e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 1 ini syy -17.5e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 1 ini sxx -17.5e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 1 ini szz -15e3 grad 0 0 15e3 ran z 1 2 ini syy -7.5e3 grad 0 0 7.5e3 ran z 1 2 ini sxx -7.5e3 grad 0 0 7.5e3 ran z 1 2 ini pp 10e3 grad 0 0 -10e3 ran z 0 1 set grav 0 0 -10 solve;开始一个新的分析 ;生成网格模型 ;设置摩尔-库仑模型 ;设置强度参数;固定z=0平面所有节点z 向速度 ;固定x=0平面所有节点x 向速度 ;固定x=1平面所有节点x 向速度 ;固定y=0平面所有节点y 向速度 ;固定y=1平面所有节点y 向速度 ;设置土体饱和密度（水位线以下） ;设置土体干密度（水位线以上） ;设置水下土体竖向初始应力 ;设置水下土体y 向初始应力 ;设置水下土体x 向初始应力 ;设置水上土体竖向初始应力 ;设置水上土体y 向初始应力 ;设置水上土体x 向初始应力 ;设置初始孔隙水压力 ;设置重力加速度 ;按软件默认精度求解（a ） 竖向应力云图 （b ） 水平应力云图图 7-4 初始地应力场应力云图（step=83）注意：本例需对水上和水下部分土体密度分别进行设置，饱和密度s ρ、干密度d ρ、孔隙率n 以及饱和度s 间关系式为：s d w ns ρρρ=+；初始应力也分为水上和水下分别设置。