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第三讲岩体的初始应力状态一、内容提要：本讲主要讲述岩体初始应力的基本概念、量测方法及岩体初始应力状态的分布规律；二、重点、难点：岩体初始应力场及其计算；岩体初始应力的影响因素；岩体初始应力的分布规律；对于岩体初始应力水压致裂法及应力解除法的基本原理作一般了解；三、内容讲解：一、岩体初始应力的基本概念(一)初始应力状态的概念与意义所谓岩体的初始应力，是指在天然状态下存在于岩体内部的应力。
在地质学中，通常又称它为地应力。
岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的。
显然，岩体的地质构造应力是与岩体的特性(例如岩体中的裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等)有密切关系，也与正在发生过程中的地质构造运动以及与历次构造运动所形成的各种地质构造现象(例如断层、褶皱等)有密切关系。
因此，岩体中每一单元的初始应力状态都是随该单元的位置不同而有所变化。
此外，影响岩体初始应力状态的因素还有地形、地震力、水压力、热应力等，但这些因素所产生的地应力，大都是次要的，只是在特定的情况下才需考虑。
因此，对于岩石工程来说，主要应考虑自重应力和地质构造应力。
【例题1】下列各项有关岩体初始应力的叙述，正确的选项为（）。
A. 岩体的初始应力是由岩体的自重和地质构造运动引起的；B. 地形、地震力、水压力、热应力等因素不会产生地应力；C. 岩体中每一单元的初始应力状态与该单元的位置无关；D. 对于岩石工程而言，主要应考虑自重和地质构造应力；答案: D【例题2】岩体的的初始应力主要由下列哪些因素引起（）。
A. 地震力B. 热应力C. 地形D. 构造运动答案: D地面和地下工程的稳定状态与岩体的初始应力状态密切相关。
岩体在开挖以后，改变了岩体的初始应力状态，使岩体应力重新分布，有可能使得岩体中某些部位形成应力集中，从而引起岩体的变形或破坏。
对于地下洞室工程来讲，我们把与洞室本身稳定性密切相关的岩体称为围岩。
洞室的开挖引起围岩的应力变化，这将影响洞室本身的稳定状态。
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。
一种基于应力解除法确定岩体三维初始地应力的方法说实话基于应力解除法确定岩体三维初始地应力这事儿，我一开始也是瞎摸索。
我试过好多种方式呢。
刚开始的时候，我就像没头的苍蝇一样乱撞。
我知道应力解除法大概的原理是要在岩体内进行一些操作来测量应力变化，可真到做的时候，完全不知道从哪儿下手。
我就先找了一处岩体，以为只要打几个孔，放进去测量仪器就可以了，结果可想而知，那完全就是在瞎搞，得到的数据乱七八糟的，根本没有任何参考价值。
后来我仔细研究理论知识才明白，这第一步钻孔就不是随随便便的。
你得准确确定钻孔的位置和方向，这就好比盖房子打地基，地基没打好，整座房子都会歪。
这个钻孔位置和方向那得考虑岩体的结构啊，像周围有没有断层啊，岩性分布是怎样的。
有一次我忽略了附近有小断层这个因素，钻完孔测量的数据就偏差特别大，这可是个很深刻的教训。
在钻孔这个环节，你还得注意钻孔的大小要精准，不能大一点小一点无所谓的态度。
这孔就像为测量仪器量身定制的小窝一样，要是不合适，仪器放进去也没法准确测量的。
这仪器放到孔里也有讲究的。
我一开始没把仪器固定好，在解除应力过程中仪器出现了晃动，这又导致测量数据乱套了。
就好比你在称东西的时候，你得把东西稳稳地放在秤上才称得准，这个仪器就得稳稳地在孔里才能得到准确数据。
然后就是应力解除的操作了。
解除的过程一定要缓慢而且是有控制的。
我试过解除得太快了，那仪器根本反应不过来，数据就跟疯了似的波动。
这就像是你要把一个东西从它的附着状态一点点分离，你总得慢慢来，毛手毛脚肯定不行。
说到这里我还不太确定对于不同岩性的岩体，应力解除的速度有没有更精准的范围。
这还有待我进一步研究呢。
要说建议的话，做这个确定岩体三维初始地应力工作之前，一定要尽可能多的搜集岩体的相关资料，比如岩性，结构等情报。
还有就是对仪器得熟悉，要像了解自己的手一样了解仪器各项功能以及如何操作。
在整个操作的工程中，每个步骤都要倍加小心。
还有那个数据处理，可别有了数据就瞎高兴，这数据得经过一系列复杂又科学的整理分析，这个过程要去除那些看起来就异常的数据点，就像把饭里的沙子挑出来一样重要。
岩体中的初始应力场围岩的物理力学性质、重力、温度、地形及构造等一些经常性因素对围岩的初始应力状态有很大影响；同时地下水的活动、地壳的运动、人类长期活动等局部性的或者暂时性的因素是第二个影响因素。
所以，初始应力场是由两种力系构成的，即一般说来，连续介质力学的分析方法是重力地应力场可以采用的办法。
其他的因素造成的初始应力场，主要的确定方法是用现场试验的方法。
在上面讲到的两种因素中，当前主要研究的方向是由围岩的重力形成的应力场，而其他的因素只认为是改变了由重力造成的初始地应力场。
1 构造应力场跟据已经发表的一些岩体应力测量数据显示：① 构造地应力场实际测量得到的水平应力普遍大于垂直应力，垂直应力基本上等于上覆岩层的重量，而且在不深的地方已经普遍存在。
② 残余的应力将对地下结构产生重大的影响，地质构造的变化不仅仅改变了自重应力场，除了以各种各样形式积蓄在岩体内，还以各种构造形态获得释放。
③ 构造地应力场的性质参数无论在时间上、空间上都是有1/ 3很大变化的，它是很不均匀的。
水平主应力具有很明显的各向异性，而且具有很强的方向性，一般来说很少有大、小主应力相等的情况，总是以一个方向的主应力占优势，而且最大主应力的方向与区域的地质构造有密切的联系。
尤其是构造地应力场的主应力轴的绝对值和方向有很大变化量。
人类直至今天仍未完全的认识和解决构造应力场——由于形成构造应力场的原因非常的繁杂。
构造应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，在三维空间的分布是极其不均匀的，而且它随时间的推移还不断的变化。
所以，当前初始应力场的作用只能通过某些量测数据实验加以分析，尝试找出一点规律性，还是很难用函数式表达出构造应力场的规律的。
在某些重要的工程当中，我们多采取实地测量的方法来判定主应力的大小、方向的变化规律性质。
而在理论分析当中，是常把初始应力场按照静水应力场来处理的。
由于力学形态上的、构造的、测量技术上的等一些原因，用数学分析方法来求解初始地应力场，经常会导致极大的误差。
岩体应力测试包括：孔壁应变法测试、孔径变形法测试、孔底应变法测试、表面应变法测试岩体应力是泛指岩体内部存在的应力。
在天然状态下，岩体内部存在的应力，称为岩体初始应力（或天然应力、原始应力）；在岩体被扰动后，扰动范围内重分布的应力，称为岩体二次应力。
岩体初始应力，不仅与岩体自重、地质构造运动有关；而且与成岩过程的物理化学变化、地形地貌、地温梯度、岩性特性等有着密切关系，是一种复杂的、综合性的应力状态。
为了了解岩体初始应力状态，最有效的方法就是在现场进行测试。
岩体应力的测试方法很多，且各有利弊。
常用的是套钻岩芯应变解除法。
岩体应力测试是以弹性理论为基础，假定岩体为均质、连续、各向同性的线弹性体基础上进行的。
（一）孔壁应变法测试孔壁应变法测试，是通过在钻孔套钻应力解除过程中，量测某点的孔壁应变，反算该点的三向应力大小和方向，据此计算岩体初始应力。
本测试方法适用于无水、完整或较完整岩体。
应力测试段内，岩件府均一、完整。
测点应选在应力扰动区外。
应力扰动区范围，一般为洞室直径的 2 倍。
测试前后应对试段、钻孔、岩芯及解除岩芯进行地质描述。
主要内容为：钻孔钻进情况、岩性、岩体结构面性状、测点应力现象等，并收集相关地质图。
1、测试孔主要要求用大孔径钻头钻至预定测试深度，并磨平孔底。
取出岩芯，进行描述。
用小孔径钻头钻测试孔，与大孔同轴，深 50cm。
取出岩芯并描述。
当孔壁不光滑时，应采用扩孔器扩孔。
清洗测试孔，并对孔壁进行干燥处理。
试前需进行应变计安装。
用安装器将应变计送入测试孔，就位定向，并施加一定的预压力，使应变计牢固地黏结在孔壁上，取出安装器，量测测点方位及深度。
2、测试要点向钻孔注水，每隔 10min 读数一次，连续 3 次读数相差不超过5με时，即认为稳定，并将此读数作为初始值。
按预定分级深度钻进，进行套钻解除，每级深度宜为 2cm。
每解除一级深度，停钻读数，连续读取 2 次。
套钻解除深度应超过孔底应力集中影响区。
岩体应力测试
岩体应力是泛指存在于岩体内部的应力，他包括岩体初始应力和围岩应力。
岩体初始应力是指天然状态下岩体内赋存的应力，又称为原岩应力，在地震领域又称为地应力。
它主要由上覆岩层重力形成的自重应力和由地壳运动所产生的构造应力（包括现今构造应力和残余构造应力）所组成。
围岩应力是指岩体被扰动后引起应力重分布的应力，又称二次应力，它是由于人工开挖等工程活动而形成的。
1、岩体应力测试方法
岩体应力测试方法有应力部分解除法、应力完全解除法、应力恢复法、破裂岩石法、地球物理法以及其它方法。
岩体应力测量方法分类表。
