第5章 地应力及其测量

地应力测量方法及其需要注意的问题地应力是指存在于地壳中的内应力。

主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。

地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。

地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用,近年来随着我国社会经济的持续快速发展,我国水电领域工程建设保持着较快增长势头,工程建设地点向江河源头、高山峡谷地带延伸,工程建设内容往往包含深埋长深隧道,大跨度、大尺度地下厂房等,在这种情况下,我国地应力测试事业也取得了长足的进步,各种试验手段、测试方法层出不穷,并取得一定的成果。

1地应力测量方法1.1 应力解除法应力解除法是以弹性理论为基础,它把一定范围内的岩体视为均质的、各向同性的完全弹性体。

这一测量方法的实质是在被测虚力场的岩体中选定测点,在测点位置安设测量元件,然后在所安装的测量元件周围掏槽或套孔,使安设有测量元件的岩石与周围岩体分离,也就是使这一部分岩石从被测应力场作用之下解脱出来。

此时,测点岩石将由于外力的消失而产生弹性恢复变形。

通过测量元件将这一变形记录下来,即可按弹性理论来确定被测应力场的3个主应力的大小、方向和倾角。

应力解除法测量地应力的方法有:孔底应变计、孔径应变计、孔壁应变计、空心包体应力计等方法,其中孔底应变计、孔径应变计只能测出二维应力,若用它测三维应力,则需要打交于一点互不平行的三个钻孔。

采用孔壁应变计和特殊制作的空心包体式孔壁的应力计只需要打1个钻孔就可测出三维应力。

1949年奥尔森(O.J.Olson)第一次将应力解除法用于岩石应力测试以来,套孔应力解除法发展为技术上比较成熟的一种原岩应力测量方法。

套孔应力解除法具有测量灵敏度高、测量结果可靠、可以在深孔中进行测量测点的三维应力状态(需要利用三孔交汇的方法)等特点。

因此,利用套孔应力解除法可以较为准确地测量矿山岩体的原岩应力。

地应力及其测试技术1、引言岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的因素。

在漫长的地质年代里，地壳始终处于不断运动、变化之中，由此引起构造应力。

引起岩体的应力除了构造应力，还有上覆岩体的自重应力、气温变化引起的温度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、固结作用、脱水作用所引起的应力等。

这些在人类工程活动之前存在于岩体中的应力，就称为地应力或天然应力。

由于岩体中的地应力分布是及其复杂的，特别是岩体遭受地质构造运动之后应力状态更为复杂，分布规律千变万化。

因此目前对于岩体中地应力的大小以及其分布规律的研究尚缺乏完整系统的理论成果。

尽管近年来很多学者对于地应力的现场测量和理论研究都做了大量的工作，并取得一定的进展。

但是，要达到能够确切掌握岩体中的初始应力大小及其分布规律，目前还有较大的距离。

虽然目前仍难以对岩体中地应力的大小及其分布规律达到确切的掌握，但是地应力状态与岩体稳定性的关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。

在高地应力区所进行的岩体开挖，常常会引起一系列与开挖卸载回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象。

在高地应力的脆性岩体开挖时，甚至能发生岩爆现象。

这些不利现象都极大程度上影响着施工和运营安全，因此，岩体地应力状态对工程建设有着重要的意义。

2、地应力的组成及其特点2.1 地应力的组成地应力的组成成分是地应力的来源，它主要来自五个方面，即岩体自重、地质构造运动、地形势、剥蚀作用和封闭应力。

自重应力是地心对岩体的引力。

地质构造运动引起的应力，包括古构造运动应力和新构造运动应力。

前者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；后者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。

地形势与剥蚀作用引起的应力仅限于局部的应力场受到影响，例如，高山峡谷或者深切河谷底部的应力往往比较集中；地表剥蚀会使该处地应力的铅垂应力分量降低较多，而水平应力基本保持不变等等。

地应力基本概念及测量方法应力等因素导致岩体具有初始地应力（或简称地应力）是最具有特色的性质之一。

就岩体工程而言，如不考虑岩体地应力这一要素，就难以进行合理的分析和得出符合实际的结论。

岩体应力天然应力是指未经人为扰动的，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。

天然应力构成：岩体自重自重应力构造运动构造应力流体作用静水压力梯度，渗流应力其他（低温、地球化学作用）地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极大，它不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且往往对各类建筑物的设计和施工造成直接的影响。

比如，地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏。

这都是由于在具有初始地应力场的岩体中进行开挖所致，因为这种开挖荷载通常是地下工程问题中的重要荷载。

由此可见，如何测定和评估岩体的地应力，如何合理模拟工程区域的初始地应力场以及正确和合理地计算工程问题中的开挖荷载，是岩石力学与工程问题中不可回避的重要问题。

已有的研究和工程实践表明，浅部地壳应力分布主要有如下的一些基本规律：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。

实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。

水平应力普遍大于垂直应力。

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。

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。

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。

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。

高应力区实践表明，在高应力区，地表、地下工程施工期间所进行的岩体开挖工作，往往能在岩体内引起一系列与卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，其结果是不仅会恶化地基或边坡岩体的工程地质条件，而且作用的本身有时也会对建筑物造成直接的危害。

1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。

自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。

2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。

答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。

3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆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，即σℎ=σv=γH金尼克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，其值应为乘以一个修正系数K。

他根据弹性力学理论，认为这个系数等于μ1−μ，即σv=γH，σℎ=μ1−μγH4. 地应力是如何形成的？答：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。

另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。

5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。

关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。

土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。

6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。

答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。

地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即σG=γH。

重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。

地应力与地应力丈量方法简介地应力，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年月里，因为地质结构运动等原由产生的。

在一准时间和必定地域内，地壳中的应力状态是各样发源应力的总和。

主要由重力应力、结构应力、孔隙压力、热应力和节余应力等耦合而成 ,重力应力和结构应力是地应力的主要根源。

地应力的形成主要与地球的各样动力运动过程相关，此中包含：板块界限受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非平均扩容等。

此外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其余物理化学变化等也可惹起相应的应力场。

而重力作用和结构运动是惹起地应力的主要原由，此中尤以水平方向的结构运动对地应力的形成影响最大。

地应力丈量，就是确立拟开挖岩体及其四周地区的未受扰动的三维应力状态，这种丈量往常是经过多个点的量测来达成的。

地应力丈量是确立工程岩体力学属性、进行围岩稳固性剖析、实现岩土工程开挖设计和决议科学化的前提。

地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是目前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上很多国家均展开了地应力的丈量及应用研究工作 ,获得了众多的成就。

跟着矿区开采现代化进度的不停提升和开采深度的不停增添，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。

查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产供给更为精美靠谱的地质资料和数据，以便采纳有效技术手段和举措，防备和减少灾祸的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。

地应力是惹起采矿工程围岩、支架变形和损坏、产生矿井动力现象的根本作使劲，在诸多的影响采矿工程稳固性要素中，地应力是最重要和最根本的要素之一。

正确的地应力资料是确立工程岩体力学属性，进行围岩稳固性剖析和计算，矿井动力现象地区展望，实现采矿决议和设计科学化的必需前提条件。

采矿规模的不停扩大和开采深度的纵深展开，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工常常造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌损坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，以致矿井生产没法进行，并常常惹起严重的事故，造成人员伤亡和财富的重要损失。

地应力的测量原理目前地应力测量方法有很多种，根据测量原理可分为三大类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。

其中，应力解除法与水压致裂法得到比较广泛的应用，其他几种只能作为辅助方法。

1.应力解除法测试原理和技术1.1应力解除法测试原理具有初始应力的岩体，用人为的方法卸去其应力，在岩体恢复变形的过程中测试其应变，然后用弹性力学理论计算出地应力的大小，得出其方向、倾角。

目前国内外地应力测量普遍采用空心包体应变计测量技术。

KX一81型空心包体应变计由A、B、C 3组共12枚应变片嵌埋在1个壁厚约3 mm的空心环氧树脂圆筒中间，圆筒外表面与钻孔壁用专用环氧树脂胶黏结在一起，其是在澳大利亚CSIRO空心包体应变计的基础上研制出来的，是套钻孔应力解除法的一种，只需1个孔就能测量出某点的三维原岩应力，具有使用方便、安装操作简单、成本低、效率高等优点。

1.2完全温度补偿技术KX一81型空心包体应变计与其他许多应变测量仪器一样，均采用应变计作为敏感元件，并根据惠斯顿电桥的原理13J，将应变的变化转换成电压变化经放大后记录下来。

电阻应变计对温度变化是很敏感的，温度发生变化时应变计的电阻值将发生变化，从而产生虚假的附加应变值。

因此在现场测试中必须采取温度补偿措施。

惠斯顿电桥原理：平衡时，检流计所在支路电流为零，则有，（1）流过R1和R3的电流相同（记作I1），流过R2和R4的电流相同（记作I2）。

（2）B，D两点电位相等，即UB=UD。

因而有 I1R1=I2R2；个阻值已知，便可求得第四个电阻。

测量时，选择适当的电阻作为R1和R2，用一个可变电阻作为R3，令被测电阻充当R4，调节R3使电桥平衡，而且可利用高灵敏度的检流计来测零，故用电桥测电阻比用欧姆表精确。