岩石力学第四章地应力及其检测.ppt

第四章地应力及其测量本章内容本章的重点难点：4.1概述为了保持岩体工程的稳定性，就必须研究次生应力，从而也就必须研究原岩应力。因此，原岩应力，是岩石工程中设计、稳定性分析计算的最基本的参数之一。人类从事岩石工程的时间虽然已经很长，注意到并研究原岩应力的时间却要短得多。20世纪初，瑞士地质学家海姆(Heim)首先提出了原岩应力的概念。他认为：分为垂直和水平分量，各个方向上均相等原岩应力为静水应力状态。苏联学者金尼克则提出：：垂直分量sv等于上覆岩层重量，水平分量等于sv与系数m/(1-m)的乘积。瑞典人N.Hast开展了岩体中原岩应力的实测。结果表明：分布是十分复杂包含了自重应力和构造应力两部分。自重应力由岩体的自重产生。构造应力则与地壳构造活动有关。全球板块分布图原岩应力的成因1、大陆板块受压，变形，产生水平压应力场。2、地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力场。3、地心引力产生的自重应力场，可测。4、岩浆侵入引起局部应力场。5、地温梯度引起膨胀，产生地层中正应力、微小。6、地表剥蚀产生水平应力。4.2自重应力Stressduetogravity人在水中会感觉到水的压力。这是由水的自重产生的。水的容重远大于空气，因此，它所产生的压力也远大于大气压力——水的深度每增加10米，其压力就增加1个大气压。岩石的容重大于水。因此，岩石也会因自重而产生压力。这就是岩石的自重应力。假设岩体为均质、连续、各向同性的弹性体。在据地表深度为H处取一个边长各为1的单元体，如图。显然，单元体上作用的应力sz是由上方岩体的自重产生的，其大小为sz＝1×1×H×g＝gH此处g为岩体容重。由于岩体各向同性，有sx＝sy又因周围岩体的阻碍，单元体在水平方向不能变形，即ex＝ey＝0于是根据广义虎克定律可以得出4.3构造应力Tectonicstress许多研究者分别在世界各地，如欧洲、美国、加拿大、澳大利亚、南非、前苏联等地，开展了原岩应力的测量。他们的测量结果表均表明：在全球许多地方，水平应力接近垂直应力，甚至大于垂直应力；水平应力接近或大于垂直应力，是普遍现象。上述测量结果表明，岩体中不仅由因而产生的自重应力场，还有因地球构造活动而产生的应力场。对构造应力场产生的原因，目前人类还不能完全清楚，认识也还不统一。构造运动的起因4.2影响原岩应力分布的因素除了地壳构造活动外，地形条件、地表剥蚀、风化岩体中的构造、岩体的力学性质、温度、地下水等因素，也会影响原岩应力的数值和分布情况。1.地形条件凹陷地形常引起应力集中，凸起地形易造成应力分散褶皱；河谷地区2.岩体构造断层、结构面应力受到扰动，所以在端部、交叉拐角处将出现应力集中。3.岩体力学性质强度高的岩体中，地应力的数值一般较大；软岩、塑性和流变性岩石，构造应力会因较大变形而释放，地应力的数值一般较小。4.水的影响：孔隙压力4.3原岩应力的一般规律迄今为止，在全球许多地方都开展了测量。主要结果如下（只针对地壳表层，即3000m以内）：1.原岩应力的分布规律复杂，不能用任何理论的方法计算出来，只能实测。2.地应力大多是以水平应力为主的三向不等压的空间应力场，是一个具有相对稳定性的非稳定应力场（是空间和时间的函数）。3.实测垂直应力等于平均容重为27kN/m3计算出的重量。（我国的实测结果，实测垂直应力sv大多大于上覆岩层重量gH（sv＞gH的测点数占69％））4、实测水平应力sh普遍大于垂直应力sv。5、侧压系数与深度的关系在浅部，比值sh/sv特别离散。随着深度的增加，sh/sv逐渐趋于1。本节的重点难点：一、地应力测量事例一、地应力测量事例一、地应力测量事例二、地应力测量意义（1）地应力是引起采矿工程围岩、支护变形和破坏现象的根本作用力。（2）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；（3）准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算，实现采矿设计和施工科学化的前提条件；（4）岩体工程数值分析方法计算分析的必要前提条件；（5）分析岩体的工程受力状态以及为支护及岩体加固提供依据；（6）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具。三、岩体应力现场量测方法1、岩体应力现场量测方法分类（1）按照测量原理分：应力（应变）恢复法、应力（应变）解除法、水压致裂法、声发射法等多种。（2）按直接法和间接法分：