《岩石力学》第三章 地应力及其测量

1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？
答：地壳是变动的。

自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。

2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。

答：未受影响的应力称为初始应力
工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力
地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。

3. 何谓海姆假说和金尼克假说？
答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即σℎ=σv=γH
金尼克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，其值应为乘以一个修正系数K。

他根据弹性力学理论，认
为这个系数等于μ
1−μ，即σv=γH，σℎ=μ
1−μ
γH
4. 地应力是如何形成的？
答：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。

5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。

关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。

土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。

6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。

答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。

地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即σG=γH。

重力应力为垂直方向应力，它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。

构造应力是由地质构造运动形成的。

当前的构造应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。

构造应力主要表现为以水平应力为主，“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。

”
7. 岩体原始应力状态与哪些因素有关？
答：地形地貌；岩体结构；岩石力学性质；地下水。

8. 简述地应力场的分布规律
答：1）地应力场的特性
（1）地应力场是一个以水平应力为主的三向不等压应力场
（2）地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场
2）垂直应力的分布规律
在深度为25~~2700m的范围内，σv呈线性增长，大致相当于按平均容量γγ等于273kN∙m−3⋅计算出来的重力γH。

3）水平应力的分布规律
（1）绝大多数情况下，水平主应力之一为最大主应力
（2）水平应力具有明显的各向异性
（3）水平应力随深度呈线性增长关系
4）水平应力与垂直应力的关系
（1）水平应力普遍大于垂直应力
（2）平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小
9. 什么是侧压系数？侧压系数能否大于1？从侧压系数值的大小如何说明岩体所处的应力状态？
答：侧压系数是水平应力与垂直应力的比值。

根据弹性力学理论，在计算自重应力场时，K=μ
1−μ
，泊松比极限值是0.5，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，因而从理论上K max= 1。

但实际上，由于构造应力场的影响，水平应力往往是大于垂直应力的。

10. 何谓高地应力？如何判别高地应力？
答：高地应力是一个相对的概念。

高地应力是相对于围岩强度而言的。

当围岩内部
的最大地应力σmax与围岩强度R b的比值
围岩强度比=σmax R b
达到某一水平时，才称为高地应力或极高地应力。

11. 有哪些高地应力现象？
答：（1）岩芯饼化现象
（2）岩爆
（3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形
（4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象
（5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高
12. 简述地应力测量的重要性。

答：（1）科学合理的开挖设计和施工的需要
（2）地应力是影响岩石开挖工程稳定性的重要因素
（3）地应力是岩石工程定量设计计算以及数值模拟分析的需要
（4）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都具有重要意义。

13. 地应力测量方法分哪两类？两类的主要区别在哪里？每类包括那些主要测量技术？
答：直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，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。

在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。

直接测量法主要包括扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法。

间接测量法不是直接测量应力量，而是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，如岩体中的变形或应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的理论公式或经验公式来计算岩体中的应力值。

因此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量与应力的相互关系。

间接测量法又可以分为全应力解除法、局部应力解除法和地球物理方法等三类方法。

14. 简述套孔应力解除法的基本测量原理和主要测试步骤。

答：1)基本原理：当需要测定岩体中某点的应力状态时，先钻一大孔至该点，然后钻一同心小孔（测量孔）；再通过套钻方式将该处的岩体单元与周围岩体分离，此时岩体单元上所受的应力将被解除并导致该单元体的几何尺寸产生弹性恢复；应用一定的仪器，测定这种弹性恢复引起的测量孔的孔径变形值；如果假定岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，则根据孔径变形值就可以借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。

2)试验步骤
①钻一个大孔至需要测量岩体应力的部位；
②在大孔底部钻一个同心小孔（测量孔）；
③将探头（测试元件）安装到测量孔中；
④用外径与大孔直径相同的薄壁钻头（岩芯钻）继续延深大孔，从而使测量孔周围的岩芯实现应力解除；
⑤用包括测试探头在内的量测系统测定和记录岩芯由于应力解除引起的测量孔变形或应变；
⑥计算测量点的应力数值和方向。

15. 根据测试元件的不同，套孔应力解除法可分为哪几种方法？
答：孔径变形法；孔底应变法；孔壁应变法；空心包体应变法；实心包体变形法。

16. 简述水压致裂法的基本测量原理。

答：采用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σθ=3σ2−σ1与抗拉强度R t之和后，在θ=0o处，也即σ1所在方位发生孔壁开裂，然后将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记压力为p r，则p r=3σ2−σ1−p0。

继续向封隔段注入高压水，使裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，记压力为p s，则p s=σ2。

由p r=3σ2−σ1−p
和p s=σ2即可求得σ2,σ1。

17. 对水压致裂法的主要优缺点作出评价。

答：优点：设备简单；操作方便；测值直观；测值
代表性大；适应性强。

不足：是主应力方向定得不准。

另外，这种方
法认为初始开裂在垂直于最小主应力的方向发生，
可是如果岩石本来就有层理、节理等弱面存在，那么初始裂隙就由可能沿着弱面发生。

因此这种方法只能用于比较完整的岩石中。

18. 简述应力解除法的基本原理。

答：应力解除法的基本原理如图所示。

岩体中某点的岩石（图中单元体）处于三向压缩状态，假定它呈线弹性变形，并且加卸载曲线重合。

如果用某种方法使其脱离母岩，则其所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。

用仪器测得恢复应变，则为：εx=Δx
x ,εy=Δy
y
,εz=Δz
z。

然后，利用弹性力学公
式则可计算岩体初始应力。

19. 简述声发射法的主要测试原理。

答：如果从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行加载声发射试验，测定凯泽点（从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点），即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始三维应力状态。

20. 哪些地应力测量方法是国际岩石力学学会建议采用的方法？
答：①表面应力测量采用应力恢复法；
②深孔应力测量采用水压致裂法；
③浅孔应力测量采用基于“USBM型钻孔孔径变形计”的钻孔孔径变形测量法；
④基于“CSIR（或CSIRO）型钻孔三轴应变计”的孔壁应变测量法。