中矿岩石力学-第四章

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1、第四章地应力及其测量基本要求1．掌握初始应力的概念，了解构造应力的概念，掌握自重应力的计算方法；2．了解原岩应力的一般规律及影响原岩应力分布的因素；3．了解地应力的实测方法。第四章地应力及其测量§4.1概述地应力:指岩体在天然状态下所存在的内应力,通常又称为原岩应力、初始应力。与此相对应，受井巷开挖、矿产资源开采等工程影响，在影响范围(3-5R0)以内的原岩应力平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。这一转换过程称为应力重分布。1.地应力定义2.研究地应力的重要性地应力是各种岩石工程变形和

2、破坏的根本作用力；是影响岩石开挖工程稳定性的最重要最根本的因素之一；是进行大规模科学计算分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。同时，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具有重要意义。3.地应力认识简史1912年瑞士地质学家海姆（A.Heim），根据大量实际施工观测和分析，首次提出地应力概念，并假定地应力是一种静水应力状态。σh－水平应力；σv－垂直应力；γ－上覆岩层重量；H－深度1926年，苏联学者金尼克

3、修正了地应力静水压力架设，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(水平应力）是泊松效应的结果，应乘以一个修正系数λ。即其中，λ为侧压系数υ－上覆岩层泊松比早在20世纪20年代，我国地质学家李四光就指出：“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。”1958年，瑞典工程师哈斯特(N．Hast)在斯堪的纳维亚半岛进行地应力测量工作时发现：在地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，最大水平主应力一般为垂直应力的1—2倍以上；在某些

4、地表处，测得的最大水平应力高达7MPa，从根本上动摇了静水压力理论和以垂直应力为主的观点。后期研究进一步表明：重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。地应力场还受到其他多种因素的影响，造成地应力状态的复杂性和多变性，因而，只有通过对某点进行地应力实测才能了解该地的地应力状态。§4.2地应力的成因(1)大陆板块边界受压引起的应力场(2)由地心引力引起的应力场(3)地幔热对

5、流引起的应力场(4)岩浆侵入引起的应力场(5)地温梯度引起的应力场(6)地表剥蚀产生的应力场地应力主要成分：自重应力和构造应力(1)自重应力场竖直方向、普遍存在，可以计量(与深度成线性关系)在25~2700m范围内：v=H(H/m，平均容重≈27kN/m3)(2)构造应力场1)成因（有增有减）：地球公转和自转引起大陆板块东西和南北向挤压；2)特点：水平为主，局部存在，分布无规律最大水平应力系数浅部普遍>1，平均水平应力系数多为0.8~1.5，深部趋近1。地应力主要成分§4.3地应力的分布规

6、律1．地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。2．实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。3．水平应力普遍大于垂直应力。4．平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。5．最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长关系（实测）。6．最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。7.地应力的上述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。

7、§4.4地应力的测量方法直接测量法间接测量法直接测量法：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。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。间接测量法：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，然后通过已知的换算公式计算岩体中的应力值。因此，在计算应力时，必须首先确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。套孔应力解除法和其他的应力或应变

8、解除方法以及地球物理方法等都是常用的间接测量法，其中套孔应力解除法应用最为普遍且发展较为成熟。1水压致裂法（1）测量原理由弹性力学可知：无限体中的一个圆形钻孔受到无穷远处二维应力场(σ1，σ2)，其钻孔周边的切向应力σθ和径向应力σr为：周边一点与σ1轴的夹角当θ＝0°时，σθ取得极小值，σθ＝3σ2－σ1当水压达到孔壁发生初始开裂当继续注水使裂隙深度扩展至3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态停止加压，保持压力恒定，记此时压力为Ps(A)无限体——圆形钻孔平面应变受力状态32-1+T-p0