《高等岩石力学》课程教学资源（PPT课件）3 地应力及其测量原理

31地应力及其测量原理3.1概述3.1.1地应力概念1、地层未受到扰动时，存0X在于地层内各点的应力称为地表面原岩应力，或称为原始应力或称为初始地应力（in原岩应力situstress）。它是地下工程围岩变形、破坏、支护2结构受力的根本渊源

3 地应力及其测量原理 1、地层未受到扰动时，存 在于地层内各点的应力称为 原岩应力，或称为原始应力， 或称为初始地应力（in situ stress）。它是地下 工程围岩变形、破坏、支护 结构受力的根本渊源。 3.1 概 述 3.1.1 地应力概念

X2、当地层被开挖后地表面存在于开挖空间周围巷道影响圈岩体中重新分布的应原岩应力力称为次生应力，也Ro|巷道5Ro叫诱发应力次生应力2135（inducedstress)

2、当地层被开挖后， 存在于开挖空间周围 岩体中重新分布的应 力称为次生应力，也 叫诱发应力 （induced stress）

3.1.2地应力研究国内外情况1、国外发展情况1905-1912，瑞士地质学者海姆（Heim）假定0O71925-1926，金尼克假定u元 == = O1-μ1932年，美国人劳伦斯（Lieurace）在胡佛坝下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量

3.1.2 地应力研究国内外情况 ◆ 1905-1912，瑞士地质学者海姆（Heim）假定  x =  y =  z ◆ 1925-1926，金尼克假定  x =  y =   z    − = 1 ◆ 1932年，美国人劳伦斯(Lieurace)在胡佛坝下面 的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功 地进行了原岩应力的测量。 1、 国外发展情况

在20世纪50年代，瑞典人哈斯特(Hast)采用应力解除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量。1958年首次公布了他于1952-1953年在瑞典拉伊斯瓦尔(Laiswall)铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区的地应力测量结果，首次测得近地表地层中的水平应力高于垂直应力20世纪60年代中期之后，开创了三维地应力测量技术，其中以澳大利亚联邦科学和工业研究组织研制的CSIRO型空心包体应变计应用最为广泛。20世纪60年代末，美国人费尔赫斯特和海姆森提出了水压致裂法，其突出优点是能够测量地壳深部的地应力。20世纪80年代初，瑞典国家电力局（SSPB）研制成功了水下钻孔三向应变计

◆ 在20世纪50年代，瑞典人哈斯特(Hast)采用应力解除法 和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量。1958年 首次公布了他于1952-1953年在瑞典拉伊斯瓦尔 (Laiswall)铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区的地应力测 量结果，首次测得近地表地层中的水平应力高于垂直应力。 ◆ 20世纪60年代中期之后，开创了三维地应力测量技术，其 中以澳大利亚联邦科学和工业研究组织研制的CSIRO型空 心包体应变计应用最为广泛。 ◆ 20世纪60年代末，美国人费尔赫斯特和海姆森提出了水压 致裂法，其突出优点是能够测量地壳深部的地应力。 ◆ 20世纪80年代初，瑞典国家电力局(SSPB)研制成功了水 下钻孔三向应变计

20世界80年代后，Zoback、StePhansson、Klein和Ban、Herget、Hudson、Kugawara、格佐夫斯基等人绘制了美国大陆、斯堪的纳维亚半岛、西欧、加拿大、英国、日本、前苏联的地壳应力图。2、国内发展情况20世纪40年代，地质学家李四光把地应力作为地质力学的一部分进行了研究。地应力实测工作从上个世纪60年代初开始，1962~1964年在三峡平善坝坝址获得了岩体表面应力测量成果1964年，在陈宗基院士的带领下，中国科学院武汉岩土力学研究所在湖北大治铁矿进行了国内首次应力解除测量，测量深度为80m

◆ 20世界80年代后，Zoback、 StePhansson 、Klein和 Ban 、Herget、 Hudson 、Kugawara、格佐夫斯基等 人绘制了美国大陆、斯堪的纳维亚半岛、西欧、加拿大、 英国、日本、前苏联的地壳应力图。 2、国内发展情况 ◆ 20世纪40年代，地质学家李四光把地应力作为地质力学 的一部分进行了研究。 ◆ 地应力实测工作从上个世纪60年代初开始，1962~1964 年在三峡平善坝坝址获得了岩体表面应力测量成果。 ◆ 1964年，在陈宗基院士的带领下，中国科学院武汉岩土力 学研究所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应力解除测量， 测量深度为80m

1966年开展了地应力对地震预报的研究，并在河北省隆尧县建立了我国第一个地应力观测台站，1980年国家地震局首次进行了水力压裂地应力测量，从而迈出了我国深部应力测量的第一步。20世纪80年代以后，空心包体应变计进入我国，随后地质力学所、长冶院和长科院等研制了KX-81，KX-2003，CKX-97，CKX-01型空心包体。北京科技大学的蔡美峰对CSIRO空心包体应变计做了重大改进1991年刘允芳、1994年高建理，提出利用水压致裂法进行三维地应力测量，取得了很好的测量结果。2004年葛修润，侯名勋提出了一种钻孔局部壁面应力全解除法；胡斌，章光等在套孔应力解除的基础上提出了一次套钻确定三维地应力的新型钻孔变形计

◆ 1966年开展了地应力对地震预报的研究，并在河北省隆尧 县建立了我国第一个地应力观测台站， ◆ 1980年国家地震局首次进行了水力压裂地应力测量，从而 迈出了我国深部应力测量的第一步。 ◆ 20世纪80年代以后，空心包体应变计进入我国，随后地质 力学所、长冶院和长科院等研制了KX-81，KX-2003， CKX-97，CKX-01型空心包体。北京科技大学的蔡美峰对 CSIRO空心包体应变计做了重大改进。 ◆ 1991年刘允芳、 1994年高建理，提出利用水压致裂法进 行三维地应力测量，取得了很好的测量结果。 ◆ 2004年葛修润，侯名勋提出了一种钻孔局部壁面应力全解 除法；胡斌，章光等在套孔应力解除的基础上提出了一次套 钻确定三维地应力的新型钻孔变形计

3.2地应力的构成及影响因素重力应力古构造残余应力原岩应力构造应力新构造应力封闭应力温度应力

              温度应力 封闭应力 新构造应力 古构造残余应力 构造应力 重力应力 原岩应力 3.2 地应力的构成及影响因素

3.2.1重力应力由地壳岩层的重量引起Y,HXY22H(a)单一地层(b）多层地层垂直应力计算方法

3.2.1 重力应力 y x  x  y  z 1 H 1  2 H 2  nHn   x  z z x 垂直应力计算方法 (a)单一地层 (b)多层地层 由地壳岩层的重量引起

垂直方向9z=yH——上覆岩层平均容重。Zrllii=1Yi——上覆各层岩体容重；

H z  =  = = n i z i i H 1    i ——上覆各层岩体容重；  ——上覆岩层平均容重。 垂直方向

水平方向:d,=d0.T7X侧压系数。几一假定水平方向应变为零，根据胡克定律可导出下式 [o, - μ(a, + g, = 0CE[o, - μ(ox + a, ] = 0一E

水平方向  x =  y =   z  ——侧压系数。 假定水平方向应变为零，根据胡克定律可导 出下式  ( )  ( )        = − + = = − + = 0 1 0 1 y y x z x x y z E E          