第七章地应力测量原理与技术 87.1.0基本授念 (1)地应力： §7.1岩体中的自重应力与构造应力 §7.2地应力分布的基本规律 英语名称：virgin stress of rock((rock mass) initial stress of rock (rock mass) §7.3地应力的直接测量法 指存在于地层中的未受工程扰动的天然应力 §7.4地应力的间接测量法 也称原岩应力、初始应力。 S7.1.0蒸本摄念 57.1.0基本摄念 (2)原岩： (4)自重应力： 英文名称：virgin/initial rock 英文名称：gravit ystress 指未受采掘影响的天然岩体： 指由于上覆岩层重力引起的应力 (3)原岩应力场： 也称岩重应力。 英文名称：virgin/initial stress field of roek 指原岩应力在岩体内的分布。 57.1.0基本根念 地应力形成主要与地球的各种动力运动有关，包 括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、 (5)构造应力： 地心引力、地球旋转、岩浆侵入、地壳非均匀扩 英文名称：tectonie stress 容等。 指由于地壳构造运动在岩体中形成的应力。 温度不均匀、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化 学变化等也可引起相应的应力场 造应力和为应力是地应力的主要组成分
魏格纳大陆漂移说(1910) b 图 中国板块主应力迹绒图 图一1岩块所在位置及其应力状态 S7.11自应力 67.1.1自重应力 (1)垂直自重应力： 可1=yH 自重应力的特点： (2)水平自重应力 (1)普遍存在： 金尼克假说： (2)与埋藏深度成正比关系： (3)与上覆岩层容重成正比关系。 海姆假说（静水应力状态假说）： 91=02=3=y.H
7,1,2构应力 97.1.2构造应力 ：7巴8 水平地 尖测地点 侧力系款 人 0 。下a (e) 51,1,2构造应力 57.12构造应力 构造应力的特点： (1)以水平压应力为主： 构造应力的判别方法： (2)分布不均匀： (1)静水应力场与非静水应力场判别： (3)具有明显方向性 (2)最大构造主应力作用方向的判别： (4)可am>gm>gy (5)在坚硬岩层中出现较普遍 看巷道顶底、或不同方向巷道的破坏情况 S7.2,1地应力分布的基本规律 之一：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。 直地应力变化规律 (E.Hoek.E.T.Brown) 之二：垂直地应力基本等于上覆岩层的重量
在世界多数地区并不存在真正的垂直 中国：6,1yH=0.8~1.2占5% 应力，即没有一个主应力的方向完全与地 表垂直。但在绝大多数测点都发现确有 g,/yH1.2占79%. 到其它因素的影响。 $7,21地应力分布的基本规律 ).21她应力分布的基本规律 之三：水平地应力普遍大于垂直地应力。 之四：平均水平应力与垂直应力的比值随深度增 表子2业界格平均水平士应力，与布自宝应力的关格 口n0 加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相 0.80,8-1,2>1.2 同。 100 4102 +0.3s4@≤1500 +0.5 H 87,之，1地应力分布的基本规律 图74世界各国平 之五：最大水平主应力和最小水平主应力也随深 度呈线性增长关系。 直应力的比值随深 度变化的规律图 Stephansson方程： 最大水平主应力： C=0.0444H+6.7 最小水平主应力： 0k=0.0329H+0.8
$7,21地应力分布的基本规律 37,2.1地应力分布的基本规律 之六：最大水平主应力和最小水平主应力之值 之七：地应力的上述分布规律还会受到地形、地 般相差较大，显示出很强的方向性。 表剥蚀、风化、岩体结构持征、岩体力学性质、 表3世界部分地区南个水平主应力的佰表 温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断 实地点 h/a,6) 层的扰动影响最大。 2 S7,22高地应力区的若干特征 S7.22高地应力区的若干特日 (1)岩芯饼化与地应力差有关 (3)隧洞、巷道、钻孔的缩径现象 饼状岩芯即钻探时取得的岩芯呈烧饼状，一 隧道、巷道、钻孔的缩径现象，即严重变形现象 片片地破坏。 是软岩流变或柔性剪切破坏的结果。 (2)地下峒室施工过程中出现岩爆、剥离 我国最大的煤与瓦斯突出：1975年发生在重 (4)边坡上出现错动台阶 庆天府三汇坝一矿，突出煤岩12780t,瓦斯1400 万m3。 7,2.2高地应力区的若干特征 图7-5基坑边坡回弹错动 (5)原位变形曲线的变化 的 开挖线 离故条作下岩 图7-6基坑回弹变形 图38变形尚战结构与地应力关系
$1,23她应力测量的基本原则和方法 37,2,3地应力测量的基本原则和方法 ■基本原则： ■主要方法： (1)宜接测量法： 由仪器直接测量和记录各种应力量，如 (1)点测量原则： 补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩 (2)尽量少扰动原则： 应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程 理量 相互换算，不需要知道岩石的物 (3)测点数量充足原则。 肩干斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法 是实际测量中较为广泛应用的四种直接测量法。 S7,2.3地应力测量的基本原则和方法 ).2,3她应力测量的基本原则和方法 ■主要方法： ■地应力测量技术发展概况 和记录 1932年，美国劳伦斯(RS.Lieurace)在胡佛 、吸水性、 水坝下一个隧道中首次成功进行地应力的测量， 由突的弯化 20世纪60年代中期出现三维地应力测量技术， 得的间接物理量的变化，适过已知的公式计算出岩体中的 代表成果 南 三轴孔壁应变计、澳大利亚三轴 应力值。 空心包体应变计、美国水压裂法。 首先 目前地应力测量的最大深度已经超过5000血。 S7,2.3地应力测量的基本原则和方法 7.3,1扁千斤顶法 口地应力测量技术发展概况 中国：1964年武汉岩土力学研究所在湖北大治进 行首次地应力测量；1966年在河北上尧县建立第一个 地应力观测站：1980年在河北易县首次进行水压致裂 应力测量。地应力测量最多的是地展、水利水电、 采 部门。 图一-9扁千斤顶应力测量原理示意团
$7,3,1扁千斤顶法 57.3.1扁千斤顶法 口测量步骤： 口特点： 1、准备测面，安装二个测量柱，并用微米表 （1)一维测量方法： 测其距离： (2)只能在井巷开挖表面进行， 测量的非原 2、开挖扁槽： 岩应力场，而是受采动扰动的再生应力场（采 3、装扁千斤顶 动应力)： 4、测平衡压力（补偿压力）。 (3)以完全线弹性理论为基础。 57,32刚性包体应力汁法 S7.3.2刚性包体应力计法 理论分布表明，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 皮变片连推机包头体报和 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系， 1 2 1+v+三（411-2w)三41+(+13-4w 图7-10 应力计(A.N.May,1958) 7,3.2刚性包体应力计 7.3,2刚性包体应力计法 性包件中心外喜 中心 -A -A 应变后粉临发材 图波获应力计(E.LJ.Pots,1954 威尔电阻应变片式应力计(A.H.Wis0m,1960
S7.3.3水压致法 87.3,3水压致型法 1、测量原理 非均匀分布应力场下圆孔周边应力分布： 0,=01+02-2(61-02Jc0s29 图7-11水压致裂应力原理 ,=0 7.33水压致裂法 S7,3.3水压致裂法 2、测量步骤： 图7-12水压致裂应力测 量系统示意图 A钻孔，封隔加压段： 1.记录仪：2高压泵： B多循环注水测压 3,流量计：4.压力计 收隔器即压。回撒 7.高压钢管：6.高压胶管 表：8泵： 男于 9,封膜：10.压裂 图7-13水压致裂试验压力时间、流量时间曲线图 87.3.3水压致裂法 7,3.4声发射 3、特点分析： 1、测量原理 (1)是一种二维应力测量方法，只能测垂直 于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大 邦酸经价餐带发型类你资的支能快 小和方向； (2)以岩石连续、均匀和各向同性假设为条 支品全的院资丽货获香水得数 件，适用于完整脆性岩石中 当府 到先前最大 (3)能够测量深部应力。 发射到 点，该 点对应的应力即为材料先前受到的最大应力
57,3.4声发射法 7,3,4声发射法 实验证明，岩石也具有Kaiser效应。 所以Kaiser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，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， m 即可找出每个试件以前所曾受到的最大应力，并进而 2 23 求出取样点的原始（历史）三维应力状态。 7,输入整别单 S7.3.4声发射法 97.3,4声发射法 2、测量步骤： (1)试件准备：测三维应力状态，须沿6个方 向制备试件，每个方向15~25块。 图15应力声发 事件试验曲线图 (2)声发射测试：加载速率恒定。 (3)计算地应力： 87,3.4声发射法 7.4,1套孔应力解除法 3、特点分析： 套孔应力解除法是发展时间最长，技术上比较 (1)最大历史应力与地应力： 成熟的一种地应力测量方法。 (2)不能测定比较软弱疏松岩体中的应力。 在测定原岩应力（绝对应力）的适用性和可靠性 方面，目前还没有哪种方法可以和应力解除法 相比
$1,4,1套孔应力解除法 活 0形 应摩诗程 更形计本体 图USBM孔径变形计 图7-16应力解除法测量步骤示意图 S74,1套孔应力解除法 USBM孔径变形计在良好岩石条件下，测量成 功率80%以上；而在极为破碎的岩石条件下， 成功率仅为5%。 USBM孔径变形计测量数量误差20~100%， 方向误差10~25%。 图垂直钻孔轴线的平面孔内的孔名 变形和应力状态示意图 「U,+U2+U)+ 60-@,-U,+心，-U,+,-U E 四+u,+)-盟 d0-vx,-U,}+心，-Ug+w-Ud tan3-U 4PrR2 2 2U,-U2-U, U(R2-r2)