第五章地应力分析

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第五章地应力分析

500 m
W
Ⅲ 3
T
剖面位置示意图
6
B5
5
T′
2308000
2308000
2307000 20°51′
20°51′ 2307000
278000 108°52′
涠洲12-1油田区块划分位置图
280000 108°53′
108°54′
282000
108°55′
284000
10地应力
裂缝闭合点（B点）确定方法：利用裂缝闭合前后压力降低速度不同来确定。主要确定方法为：作出曲线的切线，其交点即为裂缝的开始闭合点。此外还有其它方法。
如：（1）最大曲率点法（2）P---Log（t）图（3）Log（P）----Log（t）图
声发射数
凯塞尔效应法测定地应力的原理图
凯塞尔效应点
压应力
凯塞尔效应测定地应力取芯方法
45 度 45 度
岩样尺寸 2550 mm
试验装置及试验步骤
微机
Locan AT 声发射仪
声发射探头
MTS 伺服增压器
压力排量伺服控制
MTS 控制器
供液反馈
MTS 液压源
海拔（m）
-2100
F10
-2200 -2300 -2400 -2500 -2600 -2700 -2800 -2900 -3000 -3100
Φ508mm ×150 m
Φ339.73mm ×1650m
Φ244.48mm ×3180m
Φ140mm ×3500m
N2d：582 N1t:1182 N1s:1612
E2-3a:3127 E1-2z:3500
-
2 管理上 0 0 3 1 技术上 5 0

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。
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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。

第5章-地应力及岩石强度

地应力和岩石强度
地应力是指存在于地壳岩体中的内应力。它是由地壳内部垂直运动和水平运动的力及其它因素的力引起的介质内部单位面积上的作用力。垂向应力最大水平主应力最小水平主应力
v
H1
H2
由于岩石的变形和破坏取决于其所受到的有效应力的大小，因此，常常也把地层孔隙压力作为地应力的一个重要组成部分。
（2）利用等效深度法预测地层孔隙压力等效深度法假定在不同深度但具有相同岩石物理性质的泥页岩的骨架所受到的有效应力相等，即：
( p Pp )1 ( p Pp )2
应用等效深度法首先必须建立正常压实趋势线，进而在正常压力趋势线上确定出与异常压力地层具有相同岩石物理性质的深度点，即等效深度点。
ES F/A L / L
岩石的切变弹性模量是岩石切变弹性强弱的标志。设剪切力 (F)平行作用于岩石表面后产生的切变角为Ψ，则静态切变弹性模量(Gs)就等于剪切应力(Ft/A)与剪应变或切变角（当切变角很小时）之比，即：
GS Ft / A

Ft / A l / d
五、利用测井资料预测岩石强度
原地最大水平主应力方向，因此，通过对这两种类型裂缝的研究可以确定地应力的方向。
一、成像测井资料研究地应力大小及方向
2、利用钻井诱导缝确定地应力方向
与天然裂缝相比，与应力相关的钻井诱导缝在成像图上具有如下显著特点：（ 1 ）呈 180 。对称出现，天然裂缝根据产状不同，在成像图上的表现特征不同，但出现方位不对称是天然裂缝最显著的特点。垂直的天然裂缝通常单个出现，而斜切井眼的天然裂缝在图像上一般为完整的正弦线，随裂缝倾角降低，正弦线逐渐变得平缓; （2）开度较稳定，缝面较平直；天然裂缝的开度不稳定，缝宽变化较大；（3）重泥浆压裂缝能够直接切穿不同岩石，在砾石层中可以直接切穿砾石；天然开启缝一般则绕砾石而过。（4）诱导缝的延伸都不大，深侧向电阻率值下降不很明显。

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。

5.1 岩体中的地应力

z z
因岩体视为各向同性的弹性体，由于岩体单元在各个方向都受到与其相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即：
x y 0
考虑广义虎克定律，则有：
x

1 E
x
( y
z)
0
y

1 E
y
( z
x)
0
由此可得：
x

y

1
要点：
1、安置三个应变计，读初始读数
槽
2、挖槽，应力被解除，应变计有变化
3、扁千斤顶装于槽中加压，直到应变
岩
计恢复，
应
体
变
片
4、这时扁千斤顶的压力为槽壁上原
有的应力
z

1
z
若令：
K0

1
则：
x y K0 z K0z
K0－－岩石的静止侧压力系数，其定义为某点的水平应
力与该点垂直应力的比值。
一般在试验室条件下：
K0 0.25 ~ 0.4
若岩体由多层不同重力密度的岩层所组成，如图：
则第n层底面岩体的自重应力为：
侧压比： h,av v
h,av
h,max
h,min
2
变化范围： 100 0.3 1500 0.5
H
H
H为深度，单位为m
二、自重应力与海姆假说
（一）自重应力
假定岩体为均匀、连续且各向同性的弹性体，将岩体视为半无限体，则岩体中某点的自重应力为：
世界各国垂直应力σ v与随深度H的变化规律图
v H
该图是霍克（E.Hoek）和布朗（E.T.Brown）总结出的

岩石力学第五讲、地应力

5、地温梯度3℃/100m--热膨胀、收缩– 压应力
6、地表剥蚀的影响：松弛的速度、封闭应力
←大陆板快的推挤中国板块的主应力迹线
地幔对流机制→ 上升流与下降流
第二节自重应力与构造应力
1、原岩应力的地位与重要性：力学研究的基本问题岩体的荷载与材料力学的荷载研究原岩应力的意义。 2、自重应力：上覆岩体的重力引起的应力。研究时将岩体视为半无限体的均匀、连续、各向同性的弹性体。垂直应力：σz = γH 水平应力：横向约束不变形，
第五节地应力实测方法2
三、三孔交汇实测方法为得到三维主应力的大小和方向，将三个孔的实测资料汇总在一起。 1、孔径变形法：测量应力解除后钻孔直径的变化量，在完整岩体内适用。按弹性力学平面问题，圆孔孔径的变化： △d = f（E，μ，P x，P y，P x y，θ）故至少应有三个不同方向的孔径变化才能计算出P x，P y，P x y，一般在钻孔变形计中安排4个孔径变化测头。一般不测量沿钻孔轴线方向的应变，而用三个孔的测量结果计算三维地应力
第三节
地应力的一般规律
一、重力应力场与构造应力场的分布特点： 1、重力应力场： ☆以垂直应力为主，垂直应力大于水平应力； ☆应力为压应力 ☆应力随深度增加而增加在构造不发育地区、第四纪冲积层、裂隙发育地区、岩性较软的塑性岩体地区，其应力场基本符合重力应力场的分布规律。 2、构造应力场： ☆应力有压应力，也可有拉应力 ☆以水平应力为主，水平应力大于垂直应力 ☆分布很不均匀，通常以地壳浅部为主。原岩应力基本由重力应力场和构造应力场叠加。构造应力是复杂多变的，难以有定量的规律。
一、应力解除法实测的基本原理 1、岩体内有原岩应力 2、原岩应力已使岩体产生变形 3、将岩块从岩体母体分离出来，原岩应力得到解除，变形将恢复 4、测量恢复的变形值，根据应力应变关系，计算引起变形的应力值。二、应力解除法的步骤： 1、钻大孔至测点，避开二次应力影响； 2、磨平孔底，钻同心小孔（测量孔），一次扰动； 3、在测量孔安装测应变和位移的元件； 4、大孔套取岩芯，二次扰动，测量本次扰动时应力解除后的应变。 5、用弹性力学中关于圆孔问题的解析解建立观测方程。

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。

地应力及其分布规律

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。

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

第五章：水力压裂技术

2．压裂施工泵注程序设计
油管注入
1）注入方式选择环空注入
油套混注和套管注入
2）加砂程序确定（见下表）
原则：在满足泵注参数前提下，在限压以下尽可能选择最简单的注入方式。
采用线性加砂程序，即砂液比是以一条直线式增加，可实现较理想的支撑剖面。采用线性加砂程序裂缝导流能力沿缝长分布更加合理。
3．其他参数确定 1）油层破裂压力的计算（理论计算、小型测试、经验估算）
说明最小周向应力发生在σx的方向上，而最大周向应力却在σy的方向上。
（3）随着r的增加，周向应力迅速降低，如图4—2(b)所示。大约在几个圆孔直径之外，即降为原地应力值。
结论：这种应力分布表明，由于圆孔的存在，产生了圆孔周围的应力集中，孔壁上的应力比远处的大得多，这就是地层破裂压力大于裂缝延伸压力的重要原因。
图4—7压裂前地层渗流示意图 1—地层，2—井眼，3—污染带
结论：
水力压裂前，由于各种阻力的影响，近井地带的渗透能力较差。
2．压裂后流体从地层流向井底的流动形态
1）拟径向流动阶段
2）地层线性流动阶段
3）双线性流动阶段
4）裂缝线性流动阶段
结论：水力压裂结果，改变了渗流区的渗流方式，获得了双线性流动
模式，提高了近井地带的渗透能力。
Δ P 破 ——破裂压力与压前地层压力之差，MPa。
B——原油体积系数，m3(地下)／m3(地面)。
o——地面原油的密度。
地面排量按 Q排 Q吸来确定。
3）地面泵压的计算
目的是为了在满足裂缝需要的压力和排量的基础上，充分发挥设备的能力，减少使用设备的台数。压裂时地面泵压可由下列公式估算：
P 泵压 P 井口 P 破 P 摩阻 P 局损 P 液柱

地应力计算公式讲解

地应力计算公式讲解地应力是指地层内各部分间的应力作用力，主要通过三个方向来表述：径向应力（垂直地层主应力方向）、切向应力（水平地层主应力方向）和垂直于层面的应力（法线应力）。

地应力的计算需要考虑多个因素，包括地层深度、地壳厚度、岩性、地震活动和地质构造等。

下面将详细介绍地应力的计算公式和各个参数的影响。

1.简化拟解析地应力计算公式在实际工程中，地应力计算一般采用简化拟解析地应力公式，其基本形式为：σz = ρgz + Pzσh = ρgh + Ph其中，σz为深度z处的地层径向应力，σh为切向应力，ρg为地层的平均密度，Pz和Ph分别为地层的重力应力和地壳厚度对应的应力。

这个公式的适用条件是地层的物理性质和应力分布在垂直、水平方向上都是均匀的。

2.地底应力测量公式地底应力的直接测量方法是通过向地下钻孔安装地下应力计进行测量。

通过测量得到的地应力数值可以用来反推地应力计算参数。

根据测量结果得到的公式如下：σz=(RO-RD)*C-Pzσh=(RO-RD)*C-Ph其中，RO为测量孔眼处的孔壁摩阻力，RD为孔底磨阻力，C为孔眼孔底间钢管阻力的比值。

3.理论公式σz = gz * z + ρgh * hσh = gh * h其中，gz为重力加速度，z为深度，ρg为地层的平均密度，gh为地壳比重，h为地壳厚度。

地应力的计算公式主要是通过考虑地层深度、地壳厚度、岩性、地震活动和地质构造等因素对地层内各部分间应力分布的影响，从而得出径向应力（垂直地层主应力方向）、切向应力（水平地层主应力方向）和垂直于层面的应力（法线应力）的数值。

在实际工程中，根据需要可以选择适合的地应力计算公式。

地应力及其测量

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.
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

工程地质学-第五章地壳岩体的天然应力状态-2-地壳应力状态复杂性

5.4 地壳表层岩体应力状态的复杂性
影响地应力的因素很多：岩体自重和构造作用力控制（主要的）；各种地质构造、地形、岩性、剥蚀作用、岩石的物理化学作用：人类工程活动等。多种因素的影响，使地壳表层地应力状态显得异常复杂。
5.4 地壳表层岩体应力状态的复杂性
5.4.1垂向卸荷
区域性的垂向剥蚀卸荷作用在增大岩体内的水平应力方面有着重要的作用。例如：对于未受明显构造扰动的侵入体内应力状态的形成，一般经历了两个阶段：首先是侵入阶段，由于岩体呈熔融状态侵入地下一定深处，故岩体中的应力呈静水应力式分布。假定图中AB为原始地面，则岩体内任一深度h0+h处P点的应为： σh= σv=γ(h0+h)
二次应力分布区 –
1方向与坡面近于平行； 3与坡面近于垂直； 2与坡面走向基本平行。在峡谷地区，河谷谷底往往也有明显的
应力集中区，形成囊状的“高应力包”。
河谷高边坡应力分布模式(据黄润秋，2001)
5.4 地壳表层岩体应力状态的源自杂性5.4.3地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
在近地表处的水平应力明显偏高地区，常见到一系列因应力释放而产生的岩体力学现象，这些现象可作为高地应力的地质、地貌标志。
铜街子水电站坝基岩体结构示意图
5.4 地壳表层岩体应力状态的复杂性
上述变形断裂结构不同于隆爆，是高地应力条件下宽阔河谷下切过程中垂直卸荷所导致的“应力释放型”浅生时效变形构造。
（1）量级较大的NWW向水平主应力和原始背斜构造，是这类时效变形构造生成的前提条件。
河谷形成前，岩体虽已处于较高的水平承载状态，因有足够大的竖向荷载与之相抗衡--保持总体稳定性。
与上述隆爆现象类似的浅生时效变形 -- 大渡河铜街子电站坝址区。坝基岩体 -- 二叠系峨嵋山玄武岩，两次喷溢旋回的间歇面上，堆积了一套火山碎屑，岩性软弱。构造 -- NNE向短轴背斜轴部，岩层被层间错动和缓倾角对冲断层（F3 及F6）切割。（1）层间错动带具有张扭性特征，错动方向指向河谷中部。（2）两条对冲断层均为逆断层，却表现出张性特征，断距及倾角都有由浅部向深部逐渐减小乃至尖灭及变平的趋势。（3）断裂形成于Q1，距今约 22~33万年的Q2中晚期已基本完成其发展过程。断层在河流深槽形成后仍有微量活动

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。

岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。

地应力分析技术及其应用

GNT International Inc.地应力分析技术及其应用阳光杰科科技责任有限公司何汉漪1.概述2.GMI地应力分析关键技术•地应力建模及模型检验•三压力剖面及优化设计•井筒稳定性定量分析•出砂分析•裂缝渗透性分析3.应用实例建立三压力剖面，优化泥浆比重和套管设计，井筒稳定性分析适用地区：•构造运动活动带钻井•深水区钻井•高度开发区钻井等发生产难题防止注水引起套损Sand freeSad producing射孔方向Drilled along S Hmaxhorizontal 15o 30o 45o 60o 75overtical适当的钻井方向和射孔方向防止出砂防止断层重新活动破坏油藏钻井方位、压裂效果预测、天然裂缝渗透性分析等裂缝渗透性与钻井方向地应力对压裂效果的影响Northeast USRockies / Canada FoothillsShmin<Sv<SHmaxBarnettShmin~SHmax<<SvCotton ValleyShmin<<SHmax~SvLow Stress…High Stress…SPE 2007RutledgeGMI ∙SFIB ™GMI ∙MohrFracs ™GMI ∙Imager ™成像测井交互分析软件，确定天然裂缝和断层的分布、方向和形态。

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第五章地应力分析

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