1、13.1 概 述a地层未受到扰动时，存在于地层内各点的应力称为原岩应力，或称为原始应力，或称为初始地应力（in situ stress）。它是地下工程围岩变形、破坏、支护结构受力的根本渊源。3 地应力及其测量原理地应力及其测量原理 3.1.1 地应力概念2b当地层被开挖后，存在于开挖空间周围岩体中重新分布的应力称为次生应力，也叫诱发应力（induced stress）。33.1.2 地应力研究国内外情况地应力研究国内外情况?1905-1912，瑞士地质学者海姆（Heim）假定zyx?1925-1926，金尼克假定zyx? ?1?1932年，美国人劳伦斯(Lieurace)在胡佛坝下面的一个隧道
2、中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量。1 国外发展情况4?在20世纪50年代，瑞典人哈斯特(Hast)采用应力解除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量。1958年首次公布了他于1952-1953年在瑞典拉伊斯瓦尔(Laiswall)铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区的地应力测量结果，首次测得近地表地层中的水平应力高于垂直应力，引起了人们的关注。?20世纪60年代中期之后，开创了三维地应力测量技术，其中以澳大利亚联邦科学和工业研究组织研制的CSIRO型空心包体应变计应用最为广泛。?20世纪60年代末，美国人费尔赫斯特和海姆森提出了水压致裂法，其突出优点是能够测量地壳深部的地
3、应力。?20世纪80年代初，瑞典国家电力局(SSPB)研制成功了水下钻孔三向应变计5?20世界80年代后，Zoback、StePhansson 、Klein和Ban 、Herget、Hudson 、Kugawara、格佐夫斯基等人绘制了美国大陆、斯堪的纳维亚半岛、西欧、加拿大、英国、日本、前苏联的地壳应力图。2 国内发展情况?20世纪40年代，地质学家李四光把地应力作为地质力学的一部分进行了研究。?地应力实测工作从上个世纪60年代初开始，19621964年在三峡平善坝坝址获得了岩体表面应力测量成果。?1964年，在陈宗基院士的带领下，中国科学院武汉岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应力
4、解除测量，测量深度为80m。6?1966年开展了地应力对地震预报的研究，并在河北省隆尧县建立了我国第一个地应力观测台站，?1980年国家地震局首次进行了水力压裂地应力测量，从而迈出了我国深部应力测量的第一步。?20世纪80年代以后，空心包体应变计进入我国，随后地质力学所、长冶院和长科院等研制了KX-81，KX-2003，CKX-97，CKX-01型空心包体。北京科技大学的蔡美峰对CSIRO空心包体应变计做了重大改进。?1991年刘允芳、1994年高建理，提出利用水压致裂法进行三维地应力测量，取得了很好的测量结果。?2004年葛修润，侯名勋提出了一种钻孔局部壁面应力全解除法；胡斌，章光等在套孔应
5、力解除的基础上提出了一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计。7?温度应力封闭应力新构造应力古构造残余应力构造应力重力应力原岩应力3.2 地应力的构成及影响因素地应力的构成及影响因素83.2.1 自重应力自重应力yxx?y?z?11H?22H?nnH?x?z?zxz垂直应力计算方法(a)单一地层(b)多层地层由地壳岩层的重量引起。9Hz?niiizH1?上覆各层岩体容重；i?上覆岩层平均容重。垂直方向10水平方向zyx? ?侧压系数。假定水平方向应变为零，根据胡克定律可导出下式?0101zxyyzyxxEE?11Hzyx?11连立求解，得?1即当泊桑比值为0.5时，得到侧压系数为1.0 ，所以海
6、姆观点是金尼克公式的一个特例。岩石的泊桑比值通常在0.100.35之间。因此在自重应力场中侧压系数在0.100.54之间，而主要在0.250.43之间。123.2.2 构造应力1 古构造应力：是地质史上由于构造运动残留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力。2 新构造运动应力是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。3 封闭应力是在各种地质因素长期作用下残存于结构内部的应力。133.2.3 地应力的影响因素地应力的影响因素1 地质构造对地应力的影响地质构造主要影响地应力的分布和传递：（1）在静应力场中，断裂构造对地应力大小和方向的影响是局部的。（2）在同一
7、构造单元体内地应力大小和方向均较一致，而靠近断裂或其他分离面附近大小和方向才有较大变化。（3）在活动断层附近和地震地区，地应力大小和方向都有较大变化。（4）地质构造面与地应力方向关系，一般在水平面内，最大主应力的方向常垂直于构造线。142 地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响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。剥蚀可以造成巨大的水平应力。由构造作用与由剥蚀作用产生的水平应力的主要区别在于，由构造作用产生的水平应力具有明显的方向性；而由剥蚀产生的水平应力，不具方向性。15岩体地应力是能量积累与释放的结果。从能量的积累观点来看，岩体应力的上限必然要受到岩体强度的限制。 例如
8、，当50GPa以上的岩体，最大应力一般为1030MPa，而10GPa以下的岩体应力很少超过10MPa。这样，弹性模量较大的岩体有利于地应力积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位，而塑性岩体容易产生变形，不利于应力积累 。3 岩石力学性质对地应力的影响岩石力学性质对地应力的影响164 温度对地应力的影响温度对地应力的影响岩体温度对地应力的影响表现在两个方面：地温梯度和岩体局部温度的影响。地温梯度一般为3100510?岩体的体膨胀系数约为而岩体的弹性摸量一般为10GPa )(.MP0030010HEHT?温度应力TTzTyTx?温度应力一般是静水压力173.3 地壳浅部地应力的变化规律地壳浅部地应
9、力的变化规律3.3.1 地应力是个非稳定应力场3.3.2 实测垂直应力基本等于上覆岩层重量z?H?3.3.3 水平应力普遍大于垂直应力在深度为252700m范围内，垂直应力呈线性增长，大致相当于按平均容重0.027MN/m3计算出来。5 . 01500?z?3 . 0100?z?上限：下限：1819203.4 原岩应力的现场实测方法初始地应力对工程设计是不可缺少的基础资料之一。由于原岩应力不易计算，最好的办法就是通过现场量测获得。岩体应力的现场量测包括岩体原岩应力测试和洞室围岩二次应力测试。地应力测试方法分为直接法和间接法：直接法常用的有扁千斤顶法、水压致裂法、声发射法； 间接法有应力解除法（
10、按测量手段不同主要有孔径变形法和孔壁应变法）。213.4.1 直接法直接法1 扁千斤顶法测量方法：岩壁切槽两侧固定立柱间距离变化；岩壁切槽附近应变的变化。222 水压致裂法水压致裂法初始劈裂压力稳定开裂压力关闭压力开启压力p323?2312112144003012202200301cos?rRrRprRb?2203010301cos?bp时 0Rr?在水压力为pb，原始应力为1、3共同作用下，孔周边岩体中切向应力：bp?01033?最小切向应力为时 , 0?孔壁切向应力00003131bP24t?tbp?03013时，孔壁发生拉裂，得：考虑孔隙水压力P0tbpp?003013当第二次加压至裂隙
11、张开，此时水压力为Pb0, t=00003013ppb?250bbtpp ?1 测量深度不受限制、代表性好；2 操作方便；3 测值直观；4 适应性强。于是，得：而关闭水泵后，裂隙中保持的稳定压力正好与最小主应力相平衡，得：000301000333bstbbbtsPPPPPP?263 声发射法声发射法材料在受到外力作用时，其内部储存的应变能快速释放产生弹性波，发出声响，称为声发射。材料从其历史最高应力水平释放后，再重新加载，当应力没有达到历史最高应力值时，声发射很少，当应力超过历史最高应力值时，会有大量声发射产生，这一现象称为Kaiser效应。试件制备，在同一位置按6个不同方向取样，要记录下每个
12、试件所代表的方向，每个方向作1525块。加载采用小吨位单轴压力机，加载速率恒定。27AE总计数时间/sKaiser点试件AE接收传感器283.4.2 间接法间接法它的基本原理是：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为地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。该单元体将产生弹性恢复的应变值或变形值，用传感器测量这一应变和位移，再根据应力和应变或位移之间的关系计算原岩应力。1 应力解除法原理292 应力解除法的实施步骤应力解除法的实施步骤1） 套钻大孔（D=118mm）；2 ）取岩芯并将孔底磨平；3 ）套钻小孔（d=36mm）；4 ）取小孔岩芯；5 ）粘贴元件测初读数；6
13、 ）应力解除；7 ）取岩芯；8 ）测终读数303 应力解除法的测量方法应力解除法的测量方法1）孔径变形法测量应力解除前后钻孔直径的变化d，采用美国矿山局USBM孔径变形计或中科院武汉岩土所36-2型孔径变形计进行测量。USBM孔径变形计结构原理图31这种方法要求在能取得完整岩芯的岩体中进行，一般至少要能取出大孔直径2倍长度的岩芯。dyxyxxy应力解除前应力解除后00000d+d12d+d3d+d32孔径变化与所在断面上原始地应力关系为：?24221000002sincosxyyxyxdEd?取三个不同i，可得到三个不同方向的直径变化di，形成以下的三元一次方程组? ? ? ?30300002
14、32020000221010000212sin42cos212sin42cos212sin42cos21?xyyxyxxyyxyxxyyxyxdEddEddEd33要测定一点的其他三个应力分量，需要采用三孔交汇法。工作量比较大。2） 孔壁应变法只需在一个钻孔内进行量测，即可确定六个空间应力分量。34?00002422zxyyxz?sincos?242200000sicosxyyxyx?sincos0022zxyzz?122?473?取分别为：?35得到以下九个方程：得到以下九个方程：?010010001232yzzyxzyxz?020020002232zxzyxzyxz?00300030032
15、44zxyzzxyyxzxyz?122?473?36?112AiBiBiAiiE?122BiAiCiizE?112BiAiBiAiziE设第i个测点三个方向应变片读数分别为：Ai、Bi、Ci37?12102101202381381?zzyx?201032102121281?zzxzyzxy?38三轴应变计，国际岩石力学与工程学会制定的地应力测量建议方法中定名为CSIR型应变计。空心包体式三轴应变计。l一应变计电缆；2一安装杆；3一连接销：4，13一密封圈；5一环氧树脂筒；6一空腔、内装粘结剂；7一电阻应变花；8一固定销；9一应变计与空壁之间的空隙；l0一活塞；11一岩石钻孔壁；12一出胶径向孔
16、；14一导向头39实测地应力以压应力为正；、分别为最大、中间和最小主应力；、分别为三个主应力的方位角（沿顺时针与正北方向的夹角）；、分别为三个主应力作用方向的倾角（与水平面的夹角）。1?2?3?1?2?3?1?2?3?3.5 实测地应力在计算中的应用实测地应力在计算中的应用3.5.1 实测地应力的表达40? ?1?1?2 3测点编号12345测点位置DK66+580DK81+95 DK72+37DK76+156 DK74+610测点埋深(m)32027071010851640(MPa)10.6415.0721.0434.0584.16(MPa)9.1510.5712.2627.5528.22(
17、MPa)5.238.327.6414.9916.13()28333133230258()15241226143104()193629823510()1.00.327.074.065()59.014.028.07.023()31.076.049.015.0101?2?3?1?2?3?1?2?3?秦岭隧道实测地应力秦岭隧道实测地应力41ENZxyzN隧道轴线方向大地坐标系计算坐标系iiil?sincos?iiim?coscos?iin?sin?、分别为E、N、Z轴与主应力空间、 、 轴之间夹角的方向余弦, 则有以下关系式ilimin1?2?3?3.5.2 实测地应力的坐标变换实测地应力的坐标变换42?333222111nmlnmlnmlT?321123?ENZTTT?123则坐标转换矩阵将实测地应力转换到大地坐标同理，若计算坐标x、y、z相对大地坐标E、N、Z的方向余弦分别为il?im?in?43则计算坐标下的应力? ?333222111nmlnmlnmlT? ? ? ? ? ? ? ? ?TTTENZxyzTTTTTT?123?其中
