4.1地应力测量概述.ppt

第四章 地应力及其测量;4.1概论;一、定义 1.地应力(天然应力、初始应力等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 2.重分布应力（二次分布应力、附加应力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。;二、地应力的组成及起源 1.组成： 岩体自重→自重应力 构造运动→构造应力 流体作用→渗流应力 其它（地温、地球化学作用等） 2.起源（主要指构造运动的起源）： 板块运动 地幔热对流 地球自转速度变化;a)它是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力。 区别于结构力学、材料力学其他力学。 b)传统的岩石工程的开挖设计和施工的经验类比法有局限性。小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法往往是有效的。大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不足。 c) 是岩石工程数值分析方法计算分析的必要前提条件。 d)地应力应用??域广泛。 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。;e) 对地应力的传统认识有误。 1912年，瑞士地质学家海姆首次提出了地应力的概念，静水压力假设 式中，σh为水平应力； σv为垂直应力；γ为上覆岩层容重；H为深度。 1926年，苏联学者金尼克修正海姆假设，根据弹性力学理论推出： 式中， v为上覆岩层的柏松比。 ; 20世纪50年代N.Hast实测发现存在于地壳上部的最大主应力方向接近水平的，而且最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍，甚至更多。 地应力测量发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。 ;4.1.3 地应力的成因;2）地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸） ;3）板块边界受压 ;4）岩浆侵入;5)地质构造应力;; a.孔隙水压力、流动水压力(影响小)、静水压力（悬浮作用） b.一般地温梯度： 岩体的体膨胀系数： ，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力约为： z--深度/m。 温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。 ;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。 ;4.1.4 地应力分布的一般规律;西南： 印度板块向NNE挤压（5mm/a） 东： 太平洋板块向W俯冲（1cm/a） 南： 菲律宾板块向N俯冲 北： 西伯利亚板块阻挡 ?1迹线：N-NE-SSE;上覆岩体自重 ?V多为压应力 ?V多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力;三、 水平应力（ ?h） 岩体中天然应力常以水平应力为主，即?h ?v，特别是 ?hmax ?v ,据统计资料： ?h/?v ≈0.8-3.0 ，说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制; 水平应力具有强烈的各向异性，即?h1≠ ?h2 ，我国华北?hmin/ ?hmax≈0.2-0.8，华南?hmin/ ?hmax≈0.3-0.75 。原 因a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性; 水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力为拉应力的现象。;六、高天然应力 标志 开挖洞室时，常产生岩爆、剥离； 收敛变形大，使开挖断面变小； 软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合； 饼状岩心； 水下开挖无水渗出。;四、天然应力比值系数(?) 随深度增加而减小。;五、主应力平面与水平面的关系 据主应力平面与水平面的关系，天然应力状态划分为： 水平应力场— 两个应力轴近水平，或与水平面夹角很小，另一应力轴近铅直，三个应力轴与空间坐标一致，我国大陆范围内属这种应力场; 非水平应力场—水平应力与水平面夹45°左右，另一轴与水平面夹0~45 °左右，分布于板块边缘。;七、影响天然应力的因素 1.地形起伏 a.水平应力向负地形集中，向正地形释放 b.在斜坡附近，应力方向发生偏转;2.结构面;岩体中一点原岩应力状态示意图 ;测量方法： 测量手段的不同划分： 构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。 测量原理的不同划分： 应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法