第五章地应力分析

地应力及其分布规律1 、地应力的基本概念地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。

广义上也指地球体内的应力。

它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。

地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。

此外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。

2、地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，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、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。

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

其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。

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。

由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外，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，地应力成因之一：地幔热对流（图1、图2）地应力成因之一：板块边界受压（图3）地应力成因之一：岩浆浸入（图4）3、地应力的影响因素地壳深层岩体地应力分布复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响，但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。

1)岩体自重的影响岩体应力的大小等于其上覆岩体自重，研究表明：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。

但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑，在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动2)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，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。

地应力计算公式讲解地应力是指地层内各部分间的应力作用力，主要通过三个方向来表述：径向应力（垂直地层主应力方向）、切向应力（水平地层主应力方向）和垂直于层面的应力（法线应力）。

地应力的计算需要考虑多个因素，包括地层深度、地壳厚度、岩性、地震活动和地质构造等。

下面将详细介绍地应力的计算公式和各个参数的影响。

1.简化拟解析地应力计算公式在实际工程中，地应力计算一般采用简化拟解析地应力公式，其基本形式为：σz = ρgz + Pzσh = ρgh + Ph其中，σz为深度z处的地层径向应力，σh为切向应力，ρg为地层的平均密度，Pz和Ph分别为地层的重力应力和地壳厚度对应的应力。

这个公式的适用条件是地层的物理性质和应力分布在垂直、水平方向上都是均匀的。

2.地底应力测量公式地底应力的直接测量方法是通过向地下钻孔安装地下应力计进行测量。

通过测量得到的地应力数值可以用来反推地应力计算参数。

根据测量结果得到的公式如下：σz=(RO-RD)*C-Pzσh=(RO-RD)*C-Ph其中，RO为测量孔眼处的孔壁摩阻力，RD为孔底磨阻力，C为孔眼孔底间钢管阻力的比值。

3.理论公式σz = gz * z + ρgh * hσh = gh * h其中，gz为重力加速度，z为深度，ρg为地层的平均密度，gh为地壳比重，h为地壳厚度。

地应力的计算公式主要是通过考虑地层深度、地壳厚度、岩性、地震活动和地质构造等因素对地层内各部分间应力分布的影响，从而得出径向应力（垂直地层主应力方向）、切向应力（水平地层主应力方向）和垂直于层面的应力（法线应力）的数值。

在实际工程中，根据需要可以选择适合的地应力计算公式。

地应力知识简介地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。

随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。

一地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。

30多年来的实测和理论分析表明，地应力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、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。

1大陆板块边界受压引起的应力场以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。

在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。

2地幔热对流引起的应力场由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动。

地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽。

3由地心引力引起的应力场（也称为重力场）重力场，是各种应力场中唯一能够计算的应力场。

重力应力为垂直方向应力，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。

4岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。

熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。

岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。

GNT International Inc.地应力分析技术及其应用阳光杰科科技责任有限公司何汉漪1.概述2.GMI地应力分析关键技术•地应力建模及模型检验•三压力剖面及优化设计•井筒稳定性定量分析•出砂分析•裂缝渗透性分析3.应用实例建立三压力剖面，优化泥浆比重和套管设计，井筒稳定性分析适用地区：•构造运动活动带钻井•深水区钻井•高度开发区钻井等发生产难题防止注水引起套损Sand freeSad producing射孔方向Drilled along S Hmaxhorizontal 15o 30o 45o 60o 75overtical适当的钻井方向和射孔方向防止出砂防止断层重新活动破坏油藏钻井方位、压裂效果预测、天然裂缝渗透性分析等裂缝渗透性与钻井方向地应力对压裂效果的影响Northeast USRockies / Canada FoothillsShmin<Sv<SHmaxBarnettShmin~SHmax<<SvCotton ValleyShmin<<SHmax~SvLow Stress…High Stress…SPE 2007RutledgeGMI ∙SFIB ™GMI ∙MohrFracs ™GMI ∙Imager ™成像测井交互分析软件，确定天然裂缝和断层的分布、方向和形态。

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