第6章巖體初始應(yīng)力狀態(tài)

第六章

巖體初始應(yīng)力及其測(cè)量本章內(nèi)容：

§6-1基本概念§6-2巖體的自重應(yīng)力§6-3巖體構(gòu)造應(yīng)力§6-4巖體初始應(yīng)力分布狀態(tài)§6-5巖體初始應(yīng)力場(chǎng)測(cè)定§6-6巖爆1、巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的構(gòu)成；2、重力應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)；3、原巖應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)；4、應(yīng)力解除法的基本原理。關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)：原巖、原巖應(yīng)力、自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、應(yīng)力解除要求：1、了解原巖應(yīng)力分布狀態(tài)；2、了解影響原巖應(yīng)力分布的因素；3、熟悉幾種應(yīng)力解除法測(cè)試原巖應(yīng)力的方法和測(cè)試步驟。本章的重點(diǎn)難點(diǎn)§6-1基本概念原巖：未經(jīng)工程開(kāi)挖而又不受開(kāi)挖影響仍處于自然平衡狀態(tài)的巖體，稱(chēng)為原巖。圍巖：受工程開(kāi)挖影響應(yīng)力發(fā)生重新分布的巖體，稱(chēng)為圍巖。原巖應(yīng)力：原巖中天然賦存的應(yīng)力稱(chēng)為原巖應(yīng)力，又稱(chēng)為初始地應(yīng)力或地應(yīng)力。

原巖應(yīng)力場(chǎng)：原巖應(yīng)力在巖體空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱(chēng)為原巖應(yīng)力場(chǎng)，又稱(chēng)為初始地應(yīng)力場(chǎng)。即未經(jīng)采動(dòng)的巖體在天然狀態(tài)下所具有的應(yīng)力狀態(tài)。自重應(yīng)力：地殼上部各種巖體由于受到地心引力的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力。它是由巖體自重引起的。自重應(yīng)力場(chǎng)：自重應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱(chēng)為自重應(yīng)力場(chǎng)。構(gòu)造應(yīng)力：由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為構(gòu)造應(yīng)力?；虻貧ぶ虚L(zhǎng)期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)：構(gòu)造應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱(chēng)為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。§6-1基本概念次生應(yīng)力（二次應(yīng)力）巖體開(kāi)挖擾動(dòng)了原巖的自然平衡狀態(tài)，使一定范圍內(nèi)的原巖應(yīng)力發(fā)生變化，變化后的應(yīng)力稱(chēng)為次生應(yīng)力或二次應(yīng)力。原巖應(yīng)力≈自重應(yīng)力＋構(gòu)造應(yīng)力

迄今為止，對(duì)原巖應(yīng)力還無(wú)法進(jìn)行較完善的理論計(jì)算，而只能依靠實(shí)際測(cè)量來(lái)建立巖體中初始應(yīng)力狀態(tài)。

§6-1基本概念§6-2巖體的自重應(yīng)力一、基本公式在均勻巖體中，深度為z處的巖體的豎向自重應(yīng)力為：在半無(wú)限體中任一微元體上的正應(yīng)力均為主應(yīng)力，且有得：其中λ為巖體靜止側(cè)壓力系數(shù)。根據(jù)虎克定律：在均勻巖體中，巖體的自重初始應(yīng)力狀態(tài)為：對(duì)于均質(zhì)成層巖體：巖體自重應(yīng)力的特點(diǎn)：（1）水平應(yīng)力σx、σy小于垂直應(yīng)力σz；（2）σx、σy、σz均為壓應(yīng)力；（3）σz只與巖體密度和深度有關(guān)，而σx、σy還同時(shí)與巖體彈性常數(shù)E、μ有關(guān)；（4）結(jié)構(gòu)面影響巖體自重應(yīng)力分布。在地殼淺部，可認(rèn)為巖體處于彈性狀態(tài)，μ=0.20~0.30,在深部，巖體轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)，μ=0.50，λ＝1，則有：σx=σy=σz＝γz

各向等壓的應(yīng)力狀態(tài)，又稱(chēng)為靜水壓力狀態(tài)。著名的海姆假說(shuō)（瑞士地質(zhì)學(xué)家1871），也成為潛塑狀態(tài)?！?-3巖體構(gòu)造應(yīng)力

一、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的概念

構(gòu)造應(yīng)力：由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為構(gòu)造應(yīng)力。或地殼中長(zhǎng)期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。巖體構(gòu)造應(yīng)力是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中積累或剩余的一種分布力。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中積累或剩余的一種應(yīng)力場(chǎng)，相對(duì)于人類(lèi)活動(dòng)時(shí)期而言，除構(gòu)造活動(dòng)區(qū)外，它是剩余應(yīng)力場(chǎng)。二、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的起因地質(zhì)學(xué)家分析地球表層（包括地殼和地幔）結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和發(fā)展，提出了各種大地構(gòu)造學(xué)說(shuō)，最具代表的是地質(zhì)力學(xué)學(xué)說(shuō)和板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)。1、地質(zhì)力學(xué)學(xué)說(shuō)該學(xué)說(shuō)認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)速度的變化產(chǎn)生兩種推動(dòng)地殼運(yùn)動(dòng)的力：一種是經(jīng)向水平離心力；一種是緯向水平慣性力。這兩種力是引起地殼巖體中出現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力的根本原因。大量的實(shí)測(cè)資料說(shuō)明巖體中水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，說(shuō)明構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主。2、板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)該學(xué)說(shuō)認(rèn)為板塊運(yùn)動(dòng)的核心是海底擴(kuò)張。海底擴(kuò)張是由于地幔對(duì)流引起的。三、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析根據(jù)巖體變形破壞機(jī)理，對(duì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)留下的遺跡（構(gòu)造形跡）進(jìn)行分析，以判斷構(gòu)造應(yīng)力的主應(yīng)力方向。（一）構(gòu)造形跡的形成機(jī)理1、褶皺形成機(jī)理2、斷層和節(jié)理的形成機(jī)理斷層、節(jié)理形成機(jī)理有三種：張性的、扭性的、壓性的。（1）張性斷層是由于巖體中的張應(yīng)變超過(guò)極限而產(chǎn)生的。這種斷層層面不規(guī)則，斷層走向與最大主應(yīng)力方向平行。小的張性斷裂兩盤(pán)巖石不一定發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，稱(chēng)之為張性節(jié)理。（2）壓性斷層和扭性斷層都可用莫爾－庫(kù)倫理論來(lái)解釋。由

地

質(zhì)

特

征

推

斷

構(gòu)

造

應(yīng)

力

方

向由地質(zhì)特征推斷構(gòu)造應(yīng)力方向（二）地層剝蝕后側(cè)壓力系數(shù)變化四影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的因素1地形四影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的因素2地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)四影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的因素3巖體力學(xué)性質(zhì)

堅(jiān)硬完整巖體相對(duì)軟弱松散巖體具有更強(qiáng)的初始應(yīng)力。4水壓力水的浮力、水位升降及動(dòng)水壓力均會(huì)對(duì)初始應(yīng)力產(chǎn)生影響。5溫度§6-4巖體初始應(yīng)力（原巖應(yīng)力）分布狀態(tài)目前，原巖應(yīng)力的實(shí)測(cè)深度達(dá)3000m。在這一深度內(nèi)，原巖應(yīng)力變化規(guī)律大致可歸納為以下幾點(diǎn)：一、原巖應(yīng)力場(chǎng)是相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定場(chǎng)（時(shí)間和空間的函數(shù)）；二、水平應(yīng)力σH普遍大于垂直應(yīng)力σv,即側(cè)壓力系數(shù)λ＝σH/σv>1;三、平均水平應(yīng)力σH與垂直應(yīng)力σv的比值隨深度增加而減小。四、兩個(gè)水平應(yīng)力的關(guān)系一般有五、最大、最小水平主應(yīng)力隨深度線性增加：六、實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力σv基本上等于上覆巖層的重力在25~2700m深度內(nèi)，σv隨深度線性增加，大致相當(dāng)于按平均重度γ=27kN/m3計(jì)算出來(lái)的重力γH,即§6-5巖體初始應(yīng)力場(chǎng)測(cè)定

一、應(yīng)力解除法（一）基本原理地下某點(diǎn)的巖體處于三向壓縮狀態(tài)，如用人為的方法解除其應(yīng)力，必然發(fā)生彈性恢復(fù)，測(cè)定其恢復(fù)的應(yīng)變，利用彈性力學(xué)公式則可算出巖體初始應(yīng)力。

破壞聯(lián)系，解除應(yīng)力；彈性恢復(fù)，測(cè)出變形；根據(jù)變形，轉(zhuǎn)求應(yīng)力。1、已知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除

如圖示平板：在受力狀態(tài)下，貼上應(yīng)變片此時(shí)：卸去外力，變形恢復(fù)，此時(shí)：根據(jù)廣義虎克定律：解得：(1)由彈性原理：式中：εα為x軸成α角度方向的線應(yīng)變。由上式可解得εx,εy,γxy2、未知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除(2)解得εx,εy,γxy,可按下式求出主應(yīng)變?chǔ)?ε2和α0已知ε1,ε3,α0,即可按(1)式求出主應(yīng)變?chǔ)?,σ3。(3)3、應(yīng)變花種類(lèi)為計(jì)算方便，常把三個(gè)應(yīng)變片布置成如圖所示的形式。即：等角應(yīng)變花、直角應(yīng)變花A、直角應(yīng)變花α1＝00，α2＝450，α3＝900將εx,εy,γxy代入(3)式得：(4)將ε1,ε3,α0代入(1)式求出主應(yīng)變?chǔ)?,σ3：(5)B、等角應(yīng)變花α1＝00，α2＝600，α3＝1200由上式可解得εx,εy,γxy，并將其代入(3)式得：(7)(6)將（7）式

代入(1)式得：

注意：按上式方法計(jì)算得出的σ1，σ3是平面狀態(tài)下（鉆孔斷面內(nèi)）的次主應(yīng)力，而不是該點(diǎn)的主應(yīng)力。次主應(yīng)力：是某坐標(biāo)面內(nèi)兩個(gè)正應(yīng)力的極值，一般不等于主應(yīng)力；次主應(yīng)力面上仍有剪應(yīng)力；只有在三個(gè)正交的平面上的剪應(yīng)力都為零時(shí)，次主應(yīng)力才等于主應(yīng)力。(8)（二）應(yīng)力解除方法1、孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法測(cè)定巖體應(yīng)力的步驟：1、打大孔至測(cè)點(diǎn)，磨平孔底。2、在孔底粘貼電阻應(yīng)變花探頭。3、解除應(yīng)力，測(cè)量其應(yīng)變。4、取出巖心，測(cè)其彈性參數(shù)。5、計(jì)算巖體應(yīng)力?？椎讘?yīng)力解除法的評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)：解除巖心短，不需要打很長(zhǎng)的套孔巖心，適用于完整性差的巖體。

缺點(diǎn)：采用孔底應(yīng)力解除時(shí)，單孔不能確定巖體應(yīng)力的六個(gè)分量，必須進(jìn)行三孔測(cè)定，才能確定巖體的原巖應(yīng)力；無(wú)理論計(jì)算公式，只能用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算巖體的三維應(yīng)力。2、孔徑變形法孔徑變形法通過(guò)測(cè)定鉆孔孔徑變形求解巖體應(yīng)力，其應(yīng)力解除工序?yàn)椋?、打大孔至測(cè)點(diǎn)，磨平孔底。2、打同心小孔，安裝孔徑變形計(jì)探頭。3、延伸大鉆孔解除應(yīng)力，同時(shí)測(cè)量孔徑變形。4、取出巖心，測(cè)其彈性參數(shù)E、μ。5、計(jì)算巖體應(yīng)力。3、孔壁應(yīng)變法（1）測(cè)試工序孔壁應(yīng)變法是通過(guò)測(cè)定鉆孔孔壁的應(yīng)變求解巖體應(yīng)力的6個(gè)分量，其應(yīng)力解除工序與孔徑變形法相似：1、打大孔至測(cè)點(diǎn)，磨平孔底。2、打同心小孔，安裝應(yīng)變花探頭。3、套孔解除應(yīng)力，超過(guò)小孔底部5cm,同時(shí)測(cè)量孔壁應(yīng)變。4、取出巖心，測(cè)其彈性參數(shù)E、μ。5、計(jì)算巖體應(yīng)力。二、水壓致裂法1、基本原理對(duì)測(cè)試段鉆孔用特制封隔器密封起來(lái)，然后對(duì)密封段加高壓水直至孔壁巖石產(chǎn)生張裂隙。根據(jù)裂隙的方向及泵壓的大小分析確定原巖的應(yīng)力狀態(tài)。水壓致裂裝置封隔器鉆孔高壓水2、基本假設(shè)（1）一個(gè)主應(yīng)力方向是垂直的，其大小等于上覆巖層的自重應(yīng)力。而另外兩個(gè)主應(yīng)力是水平的，且破裂方向垂直于最小主應(yīng)力方向。即鉆孔方向?yàn)槟骋恢鲬?yīng)力方向。（2）巖體是均質(zhì)、各向同性的線彈性體。3、適用條件：完整性好的脆性巖體。水壓致裂法測(cè)定系統(tǒng)兩向受不相等的均布力σ1、σ2作用時(shí)的應(yīng)力分量：孔壁（r=ρ)應(yīng)力分量：式中：φ為周邊一點(diǎn)與σ1的夾角。當(dāng)φ＝0o時(shí)，σφ取極小值，此時(shí)（1）由彈性力學(xué)厚壁筒公式，在只受內(nèi)壓q1作用：若R→∞,得到具有圓孔的無(wú)限大薄板，或具有圓形孔道的無(wú)限大彈性體，其解答為：若r＝ρ,得到：根據(jù)巖體力學(xué)應(yīng)力符號(hào)規(guī)定，得孔壁切向應(yīng)力：（2）當(dāng)鉆孔受水壓力P作用,且受水平原巖應(yīng)力σ1、σ2作用，鉆孔壁的最小切向應(yīng)力為式（1）與（2）的疊加：巖體破裂條件：于是：式中pic1為孔壁發(fā)生初始裂縫時(shí)的水壓力，σt為封隔段巖石抗拉強(qiáng)度。可見(jiàn)，當(dāng)水壓力達(dá)到pic1時(shí)，孔壁將沿σ1的方位開(kāi)裂。如果鉆孔中有裂隙水，其水壓力為P0，則：（3）繼續(xù)注入高壓水，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂隙深度達(dá)到3倍鉆孔直徑時(shí)，此處接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定（PS),則有：如果測(cè)出封隔段巖石抗拉強(qiáng)度σt，即可由式（3）、（4）求出σ1和σ2（4）因此，在初始裂隙產(chǎn)生后，將水壓力卸除，使裂隙閉合，然后重新加壓，使裂隙重新打開(kāi)，這時(shí)水壓力為pic2，則有（5）由式（5）、（4）可求出σ1和σ2聯(lián)立解得：（4）（5）（3）

A、

巖石抗拉強(qiáng)度：

B、

最大水平應(yīng)力：

C、

最小水平應(yīng)力：可見(jiàn)，水壓致裂法只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大和最小主應(yīng)力，實(shí)際上是一種二維應(yīng)力測(cè)量方法。若要確定測(cè)點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)，必須打互不平行的交匯于一點(diǎn)的的三個(gè)鉆孔。這是非常困難的。4、水壓致裂試驗(yàn)成果孔隙水壓力Ps關(guān)閉壓力Pic2使裂縫重新張開(kāi)的壓力pic1孔壁巖石破裂壓力（a）裂縫沿軸向產(chǎn)生和延伸（b）裂縫沿軸向產(chǎn)生向水平方向延伸

A、

巖石抗拉強(qiáng)度：（1）試驗(yàn)曲線只有一個(gè)關(guān)閉壓力ps

B、

最大水平應(yīng)力：

C、

最小水平應(yīng)力：

D、

垂直應(yīng)力按巖體自重計(jì)算：（2）試驗(yàn)曲線有兩個(gè)關(guān)閉壓力ps1和ps2

A、

最小水平應(yīng)力：B、垂直應(yīng)力：C、

最大水平應(yīng)力：5、水壓致裂法評(píng)價(jià)

優(yōu)點(diǎn)：1、能測(cè)量深部巖體應(yīng)（5000m）；2、可以使用各種尺寸的勘探鉆孔，在勘探階段便可測(cè)定；3、不須對(duì)鉆孔進(jìn)行應(yīng)力解除，不須精密的儀器；4、不需要巖體彈性參數(shù)。缺點(diǎn)1、假定鉆孔方向?yàn)橹鲬?yīng)力方法，因此，實(shí)測(cè)的三維主應(yīng)力是近似的。2、設(shè)備笨重，鉆孔封隔加壓技術(shù)較復(fù)雜；三、聲發(fā)射法聲發(fā)射——巖石受外荷載作用，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的應(yīng)變能因微裂隙產(chǎn)生和發(fā)展而快速釋放，從而產(chǎn)生彈性波，發(fā)出聲響，稱(chēng)為聲發(fā)射。凱塞效應(yīng)——

1950年，德國(guó)人J.Kasiser發(fā)現(xiàn)多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高點(diǎn)水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到先前最大應(yīng)力值時(shí)，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到和超過(guò)歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象稱(chēng)為凱塞效應(yīng)。凱塞點(diǎn)——從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱(chēng)為凱塞點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大