1、岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学辽宁科技大学辽宁科技大学Rock Rock MechanicsMechanics岩石力学岩石力学第三章 地应力及其测量岩石力学岩石力学3.1 地应力成因及基本规律岩石力学岩石力学基本概念基本概念地应力：地应力：存在于地层中的存在于地层中的未受工未受工程扰动程扰动的的天然应力天然应力。也称岩体初始。也称岩体初始应力、应力、原岩应力原岩应力或绝对应力。或绝对应力。岩石力学岩石力学一、地应力测量的必要性一、地应力测量的必要性1 1、地应力是引起各种地下或露天岩石开挖工、地应力是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的程变形和破坏的根本作用力根本作用力。 区别于区别于
2、结构力学、材料力学其他力学。结构力学、材料力学其他力学。2 2、传统的岩石工程的开挖设计和施工的、传统的岩石工程的开挖设计和施工的经验经验类比法有局限性类比法有局限性。 小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法往往是有效的。往往是有效的。 大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不足。足。岩石力学岩石力学一、地应力测量的必要性一、地应力测量的必要性3 3、地应力是岩石工程数值分析与计算的、地应力是岩石工程数值分析与计算的必要必要前提条件前提条件。4 4、地应力、地应力应用领域广泛应用领域广泛。 地震预报、区域地壳稳定性评价、
3、油田地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出等。斯突出等。岩石力学岩石力学一、地应力测量的必要性一、地应力测量的必要性 4 4、对地应力的传统认识有误、对地应力的传统认识有误。 5 5、地应力的大小和方向不可能通过数学、地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得。计算或模型分析的方法来获得。重力作用和构造运动是引起地应力的主要重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，地应力的状态复杂多变。原因，地应力的状态复杂多变。因此，非常有必要进行地应力测量。因此，非常有必要进行地应力测量。岩石力学岩石力学二、地应
4、力认识的历史二、地应力认识的历史 人们认识地应力还只是近百年的事，人们认识地应力还只是近百年的事，19121912年瑞士地质学家年瑞士地质学家海姆海姆在大型越岭隧道的施工在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应过程中，通过观察和分析，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。均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量。hvH海姆假设海姆假设岩石力学岩石力学二、地应力认识的历史二、地应力认识的历史19261926年，苏联学者
5、年，苏联学者金尼克金尼克修正了海姆的静修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力( (水平应水平应力力) )是泊松效应的结果，其值应为是泊松效应的结果，其值应为HH乘以乘以一个修正系数一个修正系数（侧压力系数）。他根据（侧压力系数）。他根据弹性力学理论，认为：弹性力学理论，认为：,1vhHHH1金尼克假设金尼克假设岩石力学岩石力学二、地应力认识的历史二、地应力认识的历史朗金认为地壳中各点的垂直应力等于上覆朗金认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力岩层的重量，而侧向应力( (水
6、平应力水平应力) ) 应为应为HH乘以一个修正系数乘以一个修正系数（侧压力系数）。（侧压力系数）。他根据松散介质理论，认为：他根据松散介质理论，认为：2,()42vhHHtgH2()42tg朗金假设朗金假设岩石力学岩石力学二、地应力认识的历史二、地应力认识的历史地质学家李四光地质学家李四光本世纪本世纪2020年代，我国地质学家李四光指出，年代，我国地质学家李四光指出，“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚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过垂直应力分量” ” 。岩石力学岩石力学二、地应力认识的历史二、地
7、应力认识的历史哈斯特地应力实测哈斯特地应力实测2020世纪世纪5050年代，哈斯特最先在斯堪的纳维年代，哈斯特最先在斯堪的纳维亚半岛开展了亚半岛开展了地应力测量地应力测量工作。工作。哈斯特发现存在于地壳上部的哈斯特发现存在于地壳上部的最大水平主最大水平主应力一般为垂直应力的应力一般为垂直应力的1 12 2倍，其至更多；倍，其至更多；在某些地表处测得的最大水平应力高达在某些地表处测得的最大水平应力高达7MPa7MPa，从根本上从根本上动摇动摇了了地应力是静水压力的理论和地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主以垂直应力为主的观点。的观点。岩石力学岩石力学三、地应力的成因三、地应力的成因(1)(1)
8、、大陆板块边界受压引起的应力场、大陆板块边界受压引起的应力场岩石力学岩石力学三、地应力的成因三、地应力的成因(2)(2)、地幔热对流引起的应力场、地幔热对流引起的应力场岩石力学岩石力学三、地应力的成因三、地应力的成因地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）岩石力学岩石力学三、地应力的成因三、地应力的成因(3)(3)、由地心引力引起的应力场、由地心引力引起的应力场(4)(4)、地温梯度引起的应力场、地温梯度引起的应力场岩石力学岩石力学三、地应力的成因三、地应力的成因(5)(5)、岩浆侵入引起的应力场、岩浆侵入引起的应力场岩石力学岩石力学三、地应力的成因三、地应力的成因(6)(
9、6)、地质构造产生的应力场、地质构造产生的应力场岩石力学岩石力学三、地应力的成因三、地应力的成因(7)(7)、地表剥蚀产生的应力场、地表剥蚀产生的应力场岩石力学岩石力学三、地应力分布的基本规律三、地应力分布的基本规律1 1、地应力是一个具有、地应力是一个具有相对稳定性的非稳定相对稳定性的非稳定应力场应力场，它是时间和空间的函数，它是时间和空间的函数 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场，三个主应力的大小和的三向不等压应力场，三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的。方向是随着空间和时间而变化的。整体而言整体而言，地应力的变化是不大的。
10、如我，地应力的变化是不大的。如我国的华北地区，地应力场的主导方向为北西国的华北地区，地应力场的主导方向为北西到近于东西的主压应力。到近于东西的主压应力。岩石力学岩石力学三、地应力分布的基本规律三、地应力分布的基本规律 2 2、实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量、实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量垂直应力垂直应力 随深度线随深度线性增加。性增加。平均密度平均密度约为约为27KN/m27KN/m3 3kPaHv27岩石力学岩石力学三、地应力分布的基本规律三、地应力分布的基本规律3 3、水平应力普遍大于垂直应力、水平应力普遍大于垂直应力, , h,maxh,max与与v v之比值一般为之比值一般为0
11、.50.55.55.5，在很多情况下比，在很多情况下比值大于值大于2 2。 4 4、平均水平应力与垂直应力的比值随深度、平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，且趋近于增加而减小，且趋近于1 1。 霍克和布朗回归统计结果：霍克和布朗回归统计结果：,10015000.30.5h avvHH岩石力学岩石力学在深度不大的情况下，在深度不大的情况下，h,avh,avv v的值相当的值相当分散随着深度分散随着深度增加，该值的增加，该值的变化范围逐步变化范围逐步缩小，并向缩小，并向1 1附近集中，这附近集中，这说明在说明在地壳深地壳深部有可能出现部有可能出现静水压力状态静水压力状态的情况。的情况。三
12、、地应力分布的基本规律三、地应力分布的基本规律岩石力学岩石力学三、地应力分布的基本规律三、地应力分布的基本规律5 5、最大水平主应力、最大水平主应力和最小水平主应力也随和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。深度呈线性增长关系。,max,min6.7 0.0444 ()0.8 0.0329 ()hhH MPaH MPa709011013015017019021023025003691215应 力 值 (MPa)深度 (m)最 大 水 平 主 应 力最 小 水 平 主 应 力6 6、最大水平主应力和最小水平主应力相差、最大水平主应力和最小水平主应力相差较大，显示出很强的方向。较大，显示出很强的方
13、向。岩石力学岩石力学三、地应力分布的基本规律三、地应力分布的基本规律7 7、地应力的分布规律还会受到地形、地、地应力的分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度，地下水等因素的影响，特别性质、温度，地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。是地形和断层的扰动影响最大。岩石力学岩石力学四、地应力测量的基本原理和方法四、地应力测量的基本原理和方法 O x z z x y y zx zy xz xy yx yz 岩体中一点原岩应力状态示意图岩体中一点原岩应力状态示意图 测量原始地应力就是确测量原始地应力就是确定存在于拟开挖岩体
14、及其定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通维应力状态，这种测量通常是通过一点一点的量测常是通过一点一点的量测来完成的。来完成的。岩体中一点的三维应力岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标系中的状态可由选定坐标系中的 六个分量六个分量 xzyzxyzyx,来表示。来表示。岩石力学岩石力学四、地应力测量的基本原理和方法四、地应力测量的基本原理和方法测量方法分类：测量方法分类：根据测量手段：构造法、变形法、电磁根据测量手段：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。法、地震法、放射性法。根据测量原理：应力恢复法、应力解除根据测量原理：应力恢复法、应力解
15、除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、法、声发射法、x x射线法、重力法。射线法、重力法。根据测量基本原理：直接测量法和间接根据测量基本原理：直接测量法和间接测量法两大类。测量法两大类。岩石力学岩石力学四、地应力测量的基本原理和方法四、地应力测量的基本原理和方法直接测量法直接测量法是由测量仪器直接测量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、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。互关系，通过计算获得原岩应力值。扁千斤顶
16、法、水压致裂法、刚性包体应力扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法，其中计法和声发射法均属直接测量法，其中水压水压致裂法致裂法目前的应用最为广泛，声发射法次之。目前的应用最为广泛，声发射法次之。岩石力学岩石力学四、地应力测量的基本原理和方法四、地应力测量的基本原理和方法间接测量法间接测量法是借助某些传感元件或某些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，如接物理量的变化，如岩体中的变形或应变、岩岩体中的变形或应变、岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容，弹体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容
17、，弹性波传播速度性波传播速度等，然后由测得的间接物理量的等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。套孔应力解除法套孔应力解除法是目前国内外应用最普遍、是目前国内外应用最普遍、发展较成熟的一种地应力间接测量方法。发展较成熟的一种地应力间接测量方法。岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学3.2 地应力的直接测量法岩石力学岩石力学一、扁千斤顶法一、扁千斤顶法1 1、安装二个测量柱、安装二个测量柱并测量距离；并测量距离；2 2、开挖扁槽；、开挖扁槽；3 3、安放扁千斤顶，、安放扁千斤顶，加压至测柱距离恢加压至测柱距离恢复，读数计算。复，读数计
18、算。岩石力学岩石力学一、扁千斤顶法一、扁千斤顶法从原理上来讲，扁千斤顶法只是一种从原理上来讲，扁千斤顶法只是一种一维应力测量方法一维应力测量方法，一个扁槽的测量只，一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的应能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的应力分量。力分量。若想确定该测点的六个应力分量就必若想确定该测点的六个应力分量就必须在该点沿不同方向切割六个扁槽，这须在该点沿不同方向切割六个扁槽，这是不可能实现的。是不可能实现的。测试方法特测试方法特点点岩石力学岩石力学一、扁千斤顶法一、扁千斤顶法1 1、测量只能在巷道、峒室或其他开挖体、测量只能在巷道、峒室或其他开挖体表面附近的岩体中进行，测量的是
19、一种受开表面附近的岩体中进行，测量的是一种受开挖扰动的次生应力场，而非原岩应力场。挖扰动的次生应力场，而非原岩应力场。2 2、测量原理是基于岩石为完全线弹性的、测量原理是基于岩石为完全线弹性的假设，对于非线性岩体，其加载和卸载路径假设，对于非线性岩体，其加载和卸载路径的应力应变关系是不同的，测得的平衡应力的应力应变关系是不同的，测得的平衡应力并不等于扁槽开挖前岩体中的应力；并不等于扁槽开挖前岩体中的应力；3 3、由于开挖的影响，各种开挖体表面的、由于开挖的影响，各种开挖体表面的岩体将会受到不同程度的损坏，这些都会造岩体将会受到不同程度的损坏，这些都会造成测量结果的误差。成测量结果的误差。测试方
20、法评测试方法评述述岩石力学岩石力学二、刚性包体应力计法二、刚性包体应力计法刚性包体应力计的主要组成部分是一个由钢、刚性包体应力计的主要组成部分是一个由钢、铜合金或其他硬质金属材料制成的空心圆柱，铜合金或其他硬质金属材料制成的空心圆柱，在其中心部位有一个压力传感元件。测量时首在其中心部位有一个压力传感元件。测量时首先在测点打一钻孔，然后将该圆柱挤压进钻孔先在测点打一钻孔，然后将该圆柱挤压进钻孔中，以使圆柱和钻孔壁保持紧密接触，就像焊中，以使圆柱和钻孔壁保持紧密接触，就像焊接在孔壁上。接在孔壁上。岩石力学岩石力学二、刚性包体应力计法二、刚性包体应力计法212(1)1(1)(1 2 ) (1)(3
21、4 )(1)xxEEEE 理论分析表明理论分析表明: :位于一个无限体中的刚性包体，当周围岩位于一个无限体中的刚性包体，当周围岩体中的应力发生变化时，在刚性包体中会产体中的应力发生变化时，在刚性包体中会产生一个均匀分布的应力场，该应力场的大小生一个均匀分布的应力场，该应力场的大小和岩体中的应力变化之间存在一定的比例关和岩体中的应力变化之间存在一定的比例关系。设在岩体中的系。设在岩体中的x x方向有一个应力变化方向有一个应力变化x x，那么在刚性包体中的那么在刚性包体中的x x方向会产生应力方向会产生应力x x：岩石力学岩石力学二、刚性包体应力计法二、刚性包体应力计法 当当E EE5E5时，时，
22、x xx x的比值将趋向于的比值将趋向于常数常数1.51.5。即当刚性包体的弹性模量超过岩体。即当刚性包体的弹性模量超过岩体的弹性模量的弹性模量5 5倍之后，在岩体中任何方位的应倍之后，在岩体中任何方位的应力变化会在包体中相同方位引起力变化会在包体中相同方位引起1.51.5倍的应力，倍的应力，因此只要测量出刚性包体中的应力变化就可知因此只要测量出刚性包体中的应力变化就可知道岩体中的应力变化。道岩体中的应力变化。 为了保证刚性包体应力计能有效工作，包体为了保证刚性包体应力计能有效工作，包体材料的弹性模量要尽可能大，至少要超过岩体材料的弹性模量要尽可能大，至少要超过岩体弹性模量的弹性模量的5 5倍
23、。倍。岩石力学岩石力学二、刚性包体应力计法二、刚性包体应力计法刚性包体应力计具有很高的稳定刚性包体应力计具有很高的稳定性，因而可用于对现场应力变化进性，因而可用于对现场应力变化进行长期监测，然而通常只能测量垂行长期监测，然而通常只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况，而不能用于测量原岩应力。化情况，而不能用于测量原岩应力。岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法水压致裂法在水压致裂法在2020世纪世纪5050年代被广泛应用于油年代被广泛应用于油田钻井中制造人工裂隙田钻井中制造人工裂隙来提高石油的产量。来提高石油的产量。哈伯特和威利斯在实哈伯特和威利斯在
24、实践中发现了岩体致裂水践中发现了岩体致裂水压和原岩应力之间的关压和原岩应力之间的关系，这一发现被费尔赫系，这一发现被费尔赫斯特和海姆森应用于地斯特和海姆森应用于地应力测量。应力测量。岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法一个位于无限体中的钻一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力孔受到无穷远处二维应力场场(1 1，2 2) )的作用，离的作用，离开钻孔端部一定距离的部开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态，钻位处于平面应变状态，钻孔周围岩体的应力可由弹孔周围岩体的应力可由弹性力学理论求得。性力学理论求得。2 21 1PRr2 21 1岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法212
25、2241224212241241()(1)21()(1 43)cos221()(1)21()(1 3)cos22rRrRRrrRrRr钻孔周围岩体内应力钻孔周围岩体内应力 (Kirsch.G-(Kirsch.G-基尔斯解基尔斯解) )12 2 1rr1O岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法1212()2() cos 20r,min213钻孔周边（钻孔周边（r=R)r=R)的应力：的应力：钻孔周边应力的最小值（钻孔周边应力的最小值（0 0时）：时）：岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法水压致裂水压致裂系统是将系统是将钻孔某段钻孔某段封隔起来，封隔起来，并向该段并向该段钻孔注入钻孔
26、注入高压水。高压水。岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法213itP水压超过水压超过332 21 1和岩石抗拉强度和岩石抗拉强度t t之之和后，在和后，在0 0处，也即处，也即l l所在方位将发所在方位将发生孔壁开裂，设钻孔壁发生初始开裂时的生孔壁开裂，设钻孔壁发生初始开裂时的水压为水压为P Pi i，则有，则有: :P3水压致裂应力测量原理岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法2sP如果继续向封闭段注入高压水，使裂隙如果继续向封闭段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到进一步扩展，当裂隙深度达到3 3倍钻孔直径倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，停止加压，时，此处已接近
27、原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记为保持压力恒定，将该恒定压力记为P Ps s，P Ps s应应和原岩应力和原岩应力2 2相平衡，即相平衡，即: :只要测出只要测出t t、P Pi i、PsPs，1 1和和2 2的大小和方的大小和方向即可全部确定向即可全部确定P3水压致裂应力测量原理岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法2103itPP2103rPP钻孔中存在裂隙水时，如封隔段处的裂隙钻孔中存在裂隙水时，如封隔段处的裂隙水压力为水压力为P P0 0，则，则: : 前式计算需知道封隔段岩石的抗拉强度，往前式计算需知道封隔段岩石的抗拉强度，往往很困难。为此在水压致裂试验中增
28、加一个往很困难。为此在水压致裂试验中增加一个环节，开始裂隙产生后，将水压卸除，使裂环节，开始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开时的压力为重新打开，记裂隙重开时的压力为PrPr，则有，则有: :岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法水压致裂应力水压致裂应力测量系统示意图测量系统示意图1 1记录仪；记录仪；2 2、高、高压泵；压泵；3 3流量计；流量计；4 4压力计；压力计；5 5高压高压钢管；钢管；6 6高压胶高压胶管；管；7 7压力表；压力表；8 8泵；泵；9 9封隔器；封隔器；1010压裂段压裂段
29、岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法测量步测量步骤骤 1 1、打钻孔到准备测量应力的部位，并将、打钻孔到准备测量应力的部位，并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔钻孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径与所选用的封隔器的直径相一致，有直径与所选用的封隔器的直径相一致，有38mm38mm，5lmm5lmm，76mm76mm，9lmm9lmm，110mm110mm，130mm130mm等几种等几种, ,封隔器一般是充压膨胀式的，充封隔器一般是充压膨胀式的，充压可用液体，也可用气体。压可用液体，也可用气体。岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法测量步测量步骤骤 2 2、向二个封隔器的
30、隔离段注射高压水，、向二个封隔器的隔离段注射高压水，不断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得不断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力初始开裂压力PiPi；然后继续施加水压以扩；然后继续施加水压以扩张裂隙，当裂隙扩张至张裂隙，当裂隙扩张至3 3倍直径深度时，倍直径深度时，关闭高水压系统，保持水压恒定，此时的关闭高水压系统，保持水压恒定，此时的应力称为关闭压力，记为应力称为关闭压力，记为PsPs；然后卸压使；然后卸压使裂隙闭合。裂隙闭合。岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法测量步测量步骤骤在整个加压过程中，同时记录压力在整个加压过程中，同时记录压力时间时间曲线图和流量曲线图和流量时间曲
31、线图。时间曲线图。使用适当的方使用适当的方法从压力法从压力时间时间曲线图可以确定曲线图可以确定PiPi、PsPs值；从流值；从流量量时间曲线图时间曲线图可以判断裂隙扩可以判断裂隙扩展的深度。展的深度。岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法测量步测量步骤骤3 3、重新向密封段注射高压水，使裂隙、重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力重新打开并记下裂隙重开时的压力PrPr和随和随后的恒定关闭压力后的恒定关闭压力PsPs。这种卸压。这种卸压重新加重新加压的过程重复压的过程重复2323次，以提高测试数据的次，以提高测试数据的准确性。准确性。PrPr和和PsPs同样由压力同样
32、由压力时间曲线和时间曲线和流量流量时间曲线确定。时间曲线确定。4 4、将封隔器完全卸压，连同加压管等、将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。全部设备从钻孔中取出。岩石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法测量步测量步骤骤5 5、测量水压致裂裂隙和钻孔试验段、测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小天然节理、裂隙的位置、方向和大小测量可以采用井下摄影机、井下电测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。前三视、井下光学望远镜或印模器。前三种方法代价昂贵，操作复杂。使用印种方法代价昂贵，操作复杂。使用印模器则比较简便，实用。模器则比较简便，实用。岩
33、石力学岩石力学三、水压致裂法三、水压致裂法测量方法评测量方法评述述 水压致裂法只能确定垂直于钻孔平面内水压致裂法只能确定垂直于钻孔平面内的最大和最小主应力的大小和方向，从原的最大和最小主应力的大小和方向，从原理上讲是一种二维应力测量方法。理上讲是一种二维应力测量方法。水压致裂法认为开裂发生在钻孔壁切向水压致裂法认为开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，即平行于最大主应力方应力最小的部位，即平行于最大主应力方向，这是基于岩石为连续、均质和各向同向，这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设，水压致裂法较为适用于性的假设，水压致裂法较为适用于完整的完整的脆性岩石脆性岩石中。中。岩石力学岩石力学三、水压
34、致裂法三、水压致裂法测量方法评测量方法评述述水压致裂法的突出优点是水压致裂法的突出优点是能测量深部应能测量深部应力力，已见报道的最大测深为，已见报道的最大测深为5000m5000m，这是，这是其他方法所不能做到的。因此这种方法可其他方法所不能做到的。因此这种方法可用来测量深部地壳的构造应力场。用来测量深部地壳的构造应力场。对于某些工程，如露天边坡工程，由于对于某些工程，如露天边坡工程，由于没有现成的地下井巷、隧道、峒室等可用没有现成的地下井巷、隧道、峒室等可用来接近应力测量点，或者在地下工程的前来接近应力测量点，或者在地下工程的前期阶段，需要估计该工程区域的地应力场，期阶段，需要估计该工程区域
35、的地应力场，也只有使用水压致裂法才是最经济实用的。也只有使用水压致裂法才是最经济实用的。岩石力学岩石力学四、声发射法四、声发射法材料在受到外荷载作用时，其内部贮存的材料在受到外荷载作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响，称应变能快速释放产生弹性波，发生声响，称为为声发射声发射。19501950年，德国人凯泽年，德国人凯泽(J(JKaiser)Kaiser)发现多晶发现多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历很少有声发射产生，而
36、当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象叫做象叫做凯泽效应凯泽效应。岩石力学岩石力学四、声发射法四、声发射法从很少产生声发射到大量产生声发射的从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为转折点称为凯泽点凯泽点，该点对应的应力即为，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。材料先前受到的最大应力。很多人通过试验证明，许多岩石如很多人通过试验证明，许多岩石如花岗花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、安山岩、辉岩、大理岩、石英岩、砂岩、安山岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰岩、长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰岩、砾岩砾岩等也具有显著的凯泽效应。等也
37、具有显著的凯泽效应。岩石力学岩石力学四、声发射法四、声发射法 凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取回定向的岩石试件，径，即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，即可找出每个试声发射试验，测定凯泽点，即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始的原始( (历史历史) )三维应力状态。三维应力状态。岩石力学岩石力学四、声发射法四、声发射法岩石力学岩石力学四、声发射法四、声发射法 根据凯泽效应定义，用声发
38、射法测得的是根据凯泽效应定义，用声发射法测得的是取样点的先存最大应力，而非现今地应力。取样点的先存最大应力，而非现今地应力。但也有一些人对此持相反意见，并提出了但也有一些人对此持相反意见，并提出了“视凯泽效应视凯泽效应”的概念，认为声发射可获得的概念，认为声发射可获得两个凯泽点，一个对应于引起岩石饱和残余两个凯泽点，一个对应于引起岩石饱和残余应变的应力，它与现今应力场一致，比历史应变的应力，它与现今应力场一致，比历史最高应力值低因此称为最高应力值低因此称为视凯泽点视凯泽点，在视凯，在视凯泽点之后，还可获得另一个真正的凯泽点，泽点之后，还可获得另一个真正的凯泽点，它对应于历史最高应力。它对应于历
39、史最高应力。岩石力学岩石力学四、声发射法四、声发射法由于声发射与弹性波传播有关，所以由于声发射与弹性波传播有关，所以高强高强度的脆性岩石度的脆性岩石有较明显的声发射凯泽效应出有较明显的声发射凯泽效应出现，而现，而多孔隙低强度及塑性岩体多孔隙低强度及塑性岩体的凯泽效应的凯泽效应不明显，所以不能用声发射法测定比较软弱不明显，所以不能用声发射法测定比较软弱疏松岩体中的应力。疏松岩体中的应力。岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学 3.3 3.3 地应力的间接测量法地应力的间接测量法岩石力学岩石力学一、全应力解除的技术要求一、全应力解除的技术要求全应力解除法是使测点岩体完全脱离地应全应力解除法是使测点岩体完
40、全脱离地应力作用的方法。力作用的方法。通常采用套钻的方法实现套孔岩芯的完全通常采用套钻的方法实现套孔岩芯的完全应力解除，因而也称应力解除，因而也称套孔应力解除法套孔应力解除法。套孔应力解除法有：套孔应力解除法有：孔径变形法、孔底应孔径变形法、孔底应变法和孔壁应变法（空心包体应变法）和变法和孔壁应变法（空心包体应变法）和实实心包体应变法心包体应变法等。等。岩石力学岩石力学 第一步：从岩体表面，一般是从地下巷道、第一步：从岩体表面，一般是从地下巷道、隧道、峒室或其他开挖体的表面向岩隧道、峒室或其他开挖体的表面向岩体内部打大孔，直至需要测量岩体应力的部体内部打大孔，直至需要测量岩体应力的部位。位。一
41、、全应力解除的技术要求一、全应力解除的技术要求岩石力学岩石力学 大孔直径为下一步即将打的用于安装探头大孔直径为下一步即将打的用于安装探头的小孔直径的的小孔直径的3 3倍以上，小孔直径一般为倍以上，小孔直径一般为363638mm38mm，因此大孔直径一般为，因此大孔直径一般为130130150mm150mm。大孔深度为巷道、隧道或已开挖峒室跨度大孔深度为巷道、隧道或已开挖峒室跨度的的2.52.5倍以上，从而保证测点是未受岩体开挖倍以上，从而保证测点是未受岩体开挖扰动的原岩应力区，峒室的跨度越大所需的扰动的原岩应力区，峒室的跨度越大所需的大孔深度也就越大。大孔深度也就越大。一、全应力解除的技术要求
42、一、全应力解除的技术要求岩石力学岩石力学测量应尽可能选择在跨度较小的开挖空间测量应尽可能选择在跨度较小的开挖空间中进行，避免将测点安排在叉道口或其他开中进行，避免将测点安排在叉道口或其他开挖扰动大的地点。挖扰动大的地点。 为便于安装测试探头，大孔要保持一定的同为便于安装测试探头，大孔要保持一定的同心度，在钻进过程中需有导向装置。心度，在钻进过程中需有导向装置。 大孔钻完后需将孔底磨乎，并打出锥形孔，大孔钻完后需将孔底磨乎，并打出锥形孔，以利下一步钻同心小孔，清洗钻孔和使探头以利下一步钻同心小孔，清洗钻孔和使探头顺利进入小孔。顺利进入小孔。一、全应力解除的技术要求一、全应力解除的技术要求岩石力学
43、岩石力学第二步：从大孔底打同心小孔，供安装探第二步：从大孔底打同心小孔，供安装探头用，小孔直径由所选用的探头直径决定，头用，小孔直径由所选用的探头直径决定，一般为一般为363638mm38mm，小孔深度一般为孔径的，小孔深度一般为孔径的1010倍左右，从而保证小孔中央部位处于平面应倍左右，从而保证小孔中央部位处于平面应变状态。小孔打完后变状态。小孔打完后需放水冲洗小孔，保需放水冲洗小孔，保证小孔中没有钻屑和证小孔中没有钻屑和其他杂物，为此，钻其他杂物，为此，钻孔需上倾孔需上倾1 13 3。一、全应力解除的技术要求一、全应力解除的技术要求岩石力学岩石力学第三步；用一套专用装置将测量探头，如第三步
44、；用一套专用装置将测量探头，如孔径变形计、孔壁应变计等安装孔径变形计、孔壁应变计等安装( (固定或胶结固定或胶结) )到小孔中央部位。到小孔中央部位。一、全应力解除的技术要求一、全应力解除的技术要求岩石力学岩石力学第四步：用第一步打大孔用的薄壁钻头继续第四步：用第一步打大孔用的薄壁钻头继续延深大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除，延深大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除，由于应力解除引起的小孔变形或应变由包括测由于应力解除引起的小孔变形或应变由包括测试探头在内的量测系统测定并通过记录仪器记试探头在内的量测系统测定并通过记录仪器记录下来，根录下来，根据测得的小孔变据测得的小孔变形或应变通过有形或
45、应变通过有关公式即可求出关公式即可求出小孔周围的原岩小孔周围的原岩应力状态。应力状态。一、全应力解除的技术要求一、全应力解除的技术要求岩石力学岩石力学测试地点打大孔测试地点打大孔 RQD统计统计一、全应力解除的技术要求一、全应力解除的技术要求岩石力学岩石力学从大孔底打同心小孔从大孔底打同心小孔小孔钻头，小孔钻头，直径直径37mm一、全应力解除的技术要求一、全应力解除的技术要求岩石力学岩石力学配胶配胶在小孔中央位置安装测量探头安装安装穿线穿线一、全应力解除的技术要求一、全应力解除的技术要求岩石力学岩石力学用薄壁钻头延伸大孔，使小孔周围岩芯实现应力解除现场监测现场监测一、全应力解除的技术要求一、全
46、应力解除的技术要求岩石力学岩石力学 将岩芯与探头一并取回，进行围压率定和温度标定试验。将岩芯与探头一并取回，进行围压率定和温度标定试验。 取芯取芯恒温箱恒温箱一、全应力解除的技术要求一、全应力解除的技术要求岩石力学岩石力学二、孔径变形法二、孔径变形法孔径变形法是通过测量应力解除过程孔径变形法是通过测量应力解除过程中钻孔直径的变化而计算出垂直于钻孔中钻孔直径的变化而计算出垂直于钻孔轴线的平面内的应力状态，并可通过三轴线的平面内的应力状态，并可通过三个互不平行钻孔的测量确定一点的三维个互不平行钻孔的测量确定一点的三维应力状态。应力状态。岩石力学岩石力学二、孔径变形法二、孔径变形法1 1、孔径变形和
47、二维应力分量之间的关系：、孔径变形和二维应力分量之间的关系：1234221222324(12cos2 )(1)(12cos2 )(1)4(1)sin 2xyzxyUffffdfdEdfdEdfEdfE 岩石力学岩石力学二、孔径变形法二、孔径变形法一个钻孔中只有三个孔径方向是独立的，一个钻孔中只有三个孔径方向是独立的，即一个钻孔测量只能得到三个独立方程，而即一个钻孔测量只能得到三个独立方程，而三个方程解六个未知数是不可能的，因此一三个方程解六个未知数是不可能的，因此一个钻孔的孔径变形测量不能确定一点的三维个钻孔的孔径变形测量不能确定一点的三维应力状态。应力状态。二个互不平行的钻孔测量也只能得到五
48、个二个互不平行的钻孔测量也只能得到五个独立的方程，故只有通过相交与一点的三个独立的方程，故只有通过相交与一点的三个互不平行钻孔的孔径变形测量才能求得一点互不平行钻孔的孔径变形测量才能求得一点的三维应力状态。的三维应力状态。岩石力学岩石力学二、孔径变形法二、孔径变形法2 2、垂直钻孔轴线平面的应力状态求解、垂直钻孔轴线平面的应力状态求解 若进行一个钻孔的孔径变形测量，则可求若进行一个钻孔的孔径变形测量，则可求得垂直于钻孔轴线平面的应力状态：得垂直于钻孔轴线平面的应力状态：岩石力学岩石力学二、孔径变形法二、孔径变形法2221123122331222221231223312231232()()()(
49、) 6 (1)22()()()() 6 (1)23()122EUUUUUUUUUdEUUUUUUUUUdUUarctgUUU假如钻孔轴线和一个主应力方向重合，且该方假如钻孔轴线和一个主应力方向重合，且该方向主应力值也已知，如假定自重应力是一个主向主应力值也已知，如假定自重应力是一个主应力，且钻孔为垂直方向，那么一个钻孔的孔应力，且钻孔为垂直方向，那么一个钻孔的孔径变形测量也就能确定该点的三维应力状态。径变形测量也就能确定该点的三维应力状态。岩石力学岩石力学二、孔径变形法二、孔径变形法3 3、测点岩石弹性模量和泊松比测试计算、测点岩石弹性模量和泊松比测试计算孔径变形值求原岩应力值，需知岩石的弹性
50、孔径变形值求原岩应力值，需知岩石的弹性模量和泊松比，一般取圆柱形试样进行压缩试模量和泊松比，一般取圆柱形试样进行压缩试验测定，而对于套孔应力解除试验，更好的方验测定，而对于套孔应力解除试验，更好的方法量通过对套孔岩芯加围压，并通过孔径变形法量通过对套孔岩芯加围压，并通过孔径变形计测量围压计测量围压孔径变形曲线，由此确定弹性模孔径变形曲线，由此确定弹性模量值这就保证了是真正测点的岩石弹性模量和量值这就保证了是真正测点的岩石弹性模量和泊松比值。泊松比值。岩石力学岩石力学二、孔径变形法二、孔径变形法4 4、USBMUSBM孔径变形计孔径变形计孔径测量变形最著名的是孔径测量变形最著名的是USBM(US
