4地应力及其测量解析

由极限平衡理得
sin ? ? ? z ? ? x ? x??z
?1? sin? ?? x ? ? z ?1? sin? ?
? ? ? ? y ? 1 ? sin ?
? z 1 ? sin ?
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（4）当松散介质有一定粘聚力时 (c>0 )
侧压力为：
?x?
?H 1 ? sin ? 1 ? sin ?
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。24
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e) 对地应力的传统认识有误。
1912年A.Heim ? h ? ? v ? ?H
1926年A.H.Динник
?
h
?
? 1? ?
?H
20世纪50年代N.Hast实测发现存在于地壳 上部的最大主应力方向接近水平的，而且 最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍， 甚至更多。
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4.1.3 地应力的成因
? x j ? ? y j ? ? j? z j
?j
?
?j 1? ?
j
第n层底面应力：
n
? ? z ? ?ihi ? x ? ? y ? ?n? z i?1
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（2）Heim假设（塑性状态） 当原始应力超过一定的极限，岩体就会处
于潜塑状态或塑性状态。
? ? 1 （相当于 ? ? 0.5 ）
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（3）岩体为理想松散介质 （c=0,风化带、断层带）
? ①台湾省及其附近海域；②西南 地区，主要是西藏、四川西部和 云南中西部；③西北地区，主要 在甘肃河西走廊、青海、宁夏、 天山南北麓；④华北地区，主要 在太行山两侧、汾渭河谷、阴山 燕山一带、山东中部和渤海湾； ⑤东南沿海的广东、福建等地。 中国的台湾省位于环太平洋地震 带上，西藏、新疆、云南、四川 、青海等省区位于喜马拉雅 -地中 海地震带上，其他省区处于相关 的地震带上。
? —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
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? 的取值有4种可能：
（1）岩体假定处于 弹性状态
? ? ?? 由
?x
?
?y
?
1 E
?
x?
?
?
y??
z
?0
推出 ? x ?1 ? ? ?? ?? z
得：
?? ? 1? ?
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岩体由多层不同性质岩层组成时
j
? 第j层底面应力：? z j ? ?ihi i?1
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本节主要内容
? 1概念 ? 2研究地应力的必要性 ? 3地应力的成因 ? 4地壳浅部地应力分布的一般规律
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4.1 概述 4.1.1地应力的概念 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。
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4.1.2 地应力测量Biblioteka Baidu必要性及意义
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。
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。 7
4.1.3 地应力的成因
地幔热对流－－（碰撞、俯冲、海岸）
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4.1.3 地应力的成因
2） ? 大陆板块受印度洋、太平洋
板 外部板块推挤（每年数厘米
块 边 界
），受西贝利亚、菲律宾板
块约束，板块发生变形，产 生水平应力场。
受 压
? 印度洋、太平洋板块的移动 促成中国山脉的形成，控制 我国地震的分布。
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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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
地中海、土耳其、伊朗、阿富汗 、巴基斯坦、印度北部、中国西 部和西南部边境、经过缅甸到印 度尼西亚，与环太平洋地震带相 接。 ? 洋脊地震带 ? 在全球洋脊的轴部，均为浅源地 震，震级一般较小。
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4.1.3 地应力的成因
? 中国位于世界两大地震带 ——环 太平洋地震带与欧亚地震带之间 ，受太平洋板块、印度板块和菲 律宾海板块的挤压，地震断裂带 十分发育。 20世纪以来，中国共 发生6级以上地震近 800次，遍布 除贵州、浙江两省和香港特别行 政区以外所有的省、自治区、直 辖市。
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。
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c) 是岩石工程数值分析方法计算分析的必要 前提条件 。
d)地应力应用领域广泛 。 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。
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6）地形、地表剥蚀对地应力影响
图 地形对初应力的影响
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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 岩体的体膨胀系 数：? ? 10 -5，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力
约为：
? T ? z?? E ? 0.03 ? 10 ? 5 ? 10 4 zMPa ? 0 .003 zMPa
? 喜马拉雅山现在是世界上海
拔最高的山脉，但在几十万
年、几百万年前，它的海拔
还是比较低的。同时，青藏
高原在200万年前～300万年
前，平均海拔只有1000米～
2000米，而现在的平均海拔
是4600米以上。
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4.1.3 地应力的成因
? 环太平洋火山地震带 ? 濒临太平洋的大陆边缘与岛屿 ? 地中海-印度尼西亚地震带 ? 西起大西洋亚速尔群岛，向东经
? 2c cos ? 1 ? sin ?
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注：当 ? x ? 0
说明无侧压力
?x?0
无侧压力深度
HO
?
2C cos ?
? ?1 ? sin ?
?
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5)地质构造应力
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5)地质构造应力
Fujianshanghang，
某地应力场
受断层影响情况
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5)地质构造应力
Hebeihandan， 某旋转地应力场 受旋钮构造影响。