岩石力学原岩应力及其测量

z H
x
y
H
源自文库
1
H
xy yz zx 0
当深度H内有多层岩石，且各层岩石容重不同时：
铅垂应力
n
z i Hi
水平应力
x
i1
y
1
i i
n
iHi
i 1
剪应力
xy yz zx 0
2、岩体构造应力场
构造应力：这种在地壳中促使地壳发生变动的力称为构造应力。
构造应力场：构造应力在空间的分布状态称为构造应力场。
2、扁千斤顶法特点
①、扁千斤顶法只能测量一维次生应力。 ②、扁千斤顶法假定岩石完全线弹性。
二、声发射法
声发射法测试步骤
①、试件制备。 ②、声发射测试。 ③、原岩应力计算。
三、刚性包体应力计法
刚性包体压力计由硬质金属材料制成的空心圆柱，其中心部 位有一个压力传感器。测量时首先在测点打一钻孔，然后将该 圆柱挤压进钻孔中。这就相当于位于无限体中的刚性包体，当 周围岩体应力发生变化，在刚性包体中产生一个均匀分布的应 力场，该应力场的大小与岩体中应力的变化存在一定的比例关 系。
四、水压致裂法
水压致裂法是通过 液压泵向钻孔内拟定 测量深度加液压将孔 壁压裂，测定压裂过 程中的各特征点压力 及开裂方位，以此计 算测点附近岩体中初 始应力大小和方向。
1、水压致裂法测试步骤
①、打孔到测量部位，并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来。
②、向密封隔离段注射高压水，不断加大水压，至孔壁出现开 裂，获得初始开裂压力Pi,然后继续加压直到裂隙扩张到3倍钻孔 直径。
（一）、孔底应力解除法
先打平底钻孔到需测应力的预定深度，再把电阻应变片 （或光弹性应变计）等测量应变的装置贴在孔底平面中部作 为应变传感器，然后用环形钻头延伸钻孔，使贴有应变花的 岩芯与基岩分离，实现应力解除。根据应力解除过程中的孔 底恢复应变，转求岩体应力，这种方法称为孔底应力解除法。
1、孔底应力解除测试步骤
构造应力场分布特点： 1、应力可能是压应力，也可能是拉应力。 2、以水平应力为主，一般水平应力大于垂直应力。 3、分布很不均与，以地壳浅部为主。
地壳浅部原岩应力分布的规律： 1、原岩应力场是一个相对稳定的非稳定的应力场。
2、实测铅垂应力基本上等于上覆岩层重量。
3、水平应力普遍大于铅垂应力。
4、平均水平应力与铅垂应力的比值随深度的增加而减小。
2、计算方法
1 3 21 3 cos 2
r 0
当 0
33 1 Pi 33 1 t Ps 3
当考虑水压力时
Pi 33 1 T P0
Pr 33 1 P0
五、应力解除法
将具有初始应力的岩体用人为的方法解除其应力，使岩体 变形恢复，再通过某种手段测出岩体恢复的变形（应变或位 移），然后按弹性理论求出岩体应力（主应力的大小和方 向）。
刚性包体应力计法
间接测量法
全应力解除法
局部应力解除法
孔底应力解除法
切槽解除法
孔径变形法
平行钻孔法
孔壁应变法
中心钻孔法
一、扁千斤顶法
一、扁千斤顶法
1、扁千斤顶法测试步骤
①、在准备测量岩石表面安装两个测量柱，并用微米表测量两 柱之间的距离。 ②、在于两测量柱对称的中间位置开挖一个垂直于测量柱连线 的扁槽，槽的大小、形状、厚度应与扁千斤顶一致。 ③、将扁千斤顶完全塞进槽内，必要时需注浆将扁千斤顶与岩 石胶结在一起。然后加压，待两测量柱之间距离恢复到开挖前 大小时，停止加压，记录下此时扁千斤顶中压力。
第三章 原岩应力及其测量
第一节 原岩应力构成及影响因素
一、基本概念
1、原岩：未经采掘而又不受采动影响仍处于自然平衡状态的 岩体称为原岩。 2、原岩应力：在原岩中天然存在的应力称为原岩应力，亦称 天然应力、初始应力或地应力。 3、次生应力：在岩体中进行开挖以后，扰动了原岩的自然平 衡状态，引起岩体中应力的重新分布，变化后的应力称为次 生应力或二次应力。
2、计算方法
由孔底应变计算孔底应力
基本条件
x
cos2
y
s in 2
xy 2
s in
2
0
1 E
' x
' y
90
1 E
' y
' x
'xy
21
E
' xy
' x
E 2
0
1
90
0
1
90
' y
③、停止增压，保持压力恒定，此时的压力称为关闭压力，记 为Ps。最后卸压，裂隙完全闭合。 ④、重新向密封段注水，使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的 压力Pr和随后的恒定关闭压力Ps。重复此过程2～3次，以提高 数据的准确性。 ⑤、将封隔器完全卸压，将全部设备从钻孔中取出。 ⑥、测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙位置、方 向和大小。
5、水平主应力随深度增加呈线性增长关系。 6、两个水平主应力一般相差较大，表现出较强的各向异性。 7、应力轴与水平面一般有一定的角度。
五、影响原岩应力分布的因素
1、地形 2、岩体的结构、裂隙面 3、岩体的力学性质 4、剥蚀作用 5、温度 6、水
第二节、原岩应力测量
扁千斤顶法
直接测量法
声发射法
水压致裂法
①、在测点处用φ76钻头打一平底钻孔至拟测深度。 ②、用磨平钻头将孔底磨平、打光，冲洗钻孔，并使之干燥。 ③、将环氧树脂粘结剂涂到孔底和应变传感器探头上，用安装 器将传感器粘贴在孔底，经20小时等粘接剂固化后，读取初始 应变读数，拆除安装工具。 ④、用环形钻头钻出环形间隙，深度为岩芯直径2倍，以便使贴 有电阻应变花的孔底岩芯与基岩分离，实现应力解除。 ⑤、测量解除后的应变值，它与初始读数之差即为恢复的应变 值。 ⑥、取出岩芯，在实验室测定岩芯弹性模量和泊松比。
构造应力种类
1、原始构造应力 2、残余构造应力 3、现代构造应力
四、原岩应力分布的规律
自重应力场分布特点： 1、以垂直应力为主，垂直应力大于水平应力。 2、应力均为压应力。 3、应力随深度增加而增加。
通常对于一些构造不发育、第四纪冲积层或岩体裂隙较发育， 岩性较软的地区，其原岩应力基本符合重力应力场的特点。
二、原岩应力的构成
岩体自重、地质构造运动、地形、地震力、水压力、热应力、 剥蚀作用。
三、岩体初始应力场
1、岩体自重应力场 将岩体视为均匀、连续且各向同性的弹性体
海姆理论
铅垂应力 水平应力
z H x y z H
金尼克理论
剪应力
xy yz zx 0
铅垂应力 水平应力 剪应力