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6-1 地应力及其原理

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应力 及其 原理
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2016/12/4 1矿山岩体力学华北科技学院 安全工程学院6 地应力及其测量学习指导:主要介绍岩石的初始应力概念,包括自重应力和构造应力,初始应力的量测方法及原理,扁千斤顶法和应力解除法等。重 点 岩体的初始应力概念 岩体初始应力的测量方法6 地应力及其测量 本概念 地应力: 系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力状态,即未受人工开挖扰动的应力,称为地应力或原岩应力。 6 地应力及其测量 本概念 次生应力: 受开挖、手动影响,在影响范围以内的原岩应力平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。 应力重分布: 原岩应力到次生应力的转换过程。论 一、 地应力测量的必要性地应力分为 自重应力场 和 构造应力场。自重应力 :由上覆岩体的自重所引起的应力;构造应力 :地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的应力,地质作用残存的应力。b 重要性: 决定洞室布置的决定性因素之一。稳定性分析的重要参数。1)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 。2)传统开挖设计和施工的 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。b 重要性: 决定洞室布置的决定性因素之一。3) 岩石工程数值分析方法计算分析的必要前提条件4)地应力应用领域广泛。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。 应力的特点及其重要性 地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑和其他各种地下工程或露天岩石开挖工程变形和破坏的原始动力, 是确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析,实现岩石工程开挖设计和决策的必要前提条件。 应力的特点及其重要性 为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工,就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查, 只有详细了解了这些工程影响因素,通过定量计算和分析,才能做出既经济又安全实用的工程设计。 对于矿山来说 , 只有掌握了具体工程区域的地应力条件 , 才能合理确定矿山总体布置 , 确定巷道和采场的最佳断面形状 、 断面尺寸等 。 在确定巷道和采场走向时 , 也应考虑地应力的状态 , 最理想的走向是与最大主应力方向平行 , 当然 , 在实际工程中还要综合考虑工程需要和其它影响因素 。 应用领域: 地应力在地震预报 、 区域地壳稳定性评价 、 油田油井的稳定性 、 核废料存储 、 岩爆 、 瓦斯突出及地球动力学研究等最基础的原始资料 。 综上所述 , 地应力的特点及其重要性如下: 1、 地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力; 2、 地位相当于工程中习惯性理解的外荷载 , 但又与材力 、 弹力中泛指的外荷载有所不同; 3、 地下工程是先受力 , 后开挖 , 并且地应力从开挖前到最终一直对围岩起着作用; 4、 地应力是涉及地壳问题 、 地下工程问题理论分析 、 计算中最基础的原始资料 。 1、海姆假设: 在前言中我们已经介绍过,人们认识地应力还只是近百年的事, 1912年瑞士的地质科学家海姆( 大型越岭隧道的施工过程中,通过观察与分析,首次提出了地应力的概念, 1、海姆假设: 假设地应力是静水应力状态,即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等,并且等于单位面积上覆盖岩层的重量,即: 式中: — 水平应力; — 垂直应力; —覆盖岩层的容重; — 覆盖岩层的深度。  hv H 海姆认为: ( 1) 原岩应力各向等压 , 即静水压力状态 。 ( 2) 上覆岩体的重量 , 历经漫长的地质年代后 ,由于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件 , 导致水平应力最终与铅重应力相均衡 。 这一法则 , 仍为许多岩石力学家在认识深部地应力状态时所接受 。 2、 金尼克假设 1926年 , 原苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设 , 他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆盖岩层的重量 , 而侧向应力 ( 水平应力 ) 是泊松效应的结果 ,其值应为 乘以一个修正系数 。H 2、 金尼克假设 金尼克根据弹性理论 ( 假定岩体是均匀的 、连续的弹性介质体 , 得出水平应力总归小于铅垂应力的结论 ) , 认为这个 测压系数 等于 , 即: 式中: — 上覆盖岩层的泊松比 , 岩石的泊松比的常值范围为 , 1     此时 , 当 时 , , 即 海姆假说只是金尼克假说的一个特例 。 同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公式来定量地计算地应力的大小 ,并且也都认为地应力只与重力有关 , 即以垂直应力为主 , 他们不同点只在于测压系数的不同 。   小结c 地应力分布理论:1)海姆假设: ( 首次提出了地应力的概念,静水压力假设)海姆假说: 在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比,而水平应力大致与垂直应力相等。2)金尼克假设: ( 弹性力学假设), v 为上覆岩层的柏松比。修正了海姆的静水压力假设,认为地壳中垂直应力等于上覆岩层重量,而水平应力是泊松效应的结果。     1 我国的地质学家 李四光: 20年代指出 “ 在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下 , 水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量 ” 。 50年代 , 哈斯特 在测试地应力时也发现地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的 , 而且 最大水平应力主应力一般为垂直应力的 1~ 2倍 。 这样就从根本上动摇了地应力是静水压应力的理论和垂直应力为主的观点 。3)李四光: 在 构造应力的作用 仅影响地壳上层一定厚度的情况下,水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。4)哈斯特: 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。5)近期研究: 重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因,其中尤以 水平方向的构造运动 对地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要由 最近一次的构造运动 所控制,但也与历史上的构造运动有关。c 地应力分布理论: 因此 , 重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因 , 地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得 , 要了解一个地区的地应力状态 , 唯一的方法就是进行地应力测量 。 应力的成因 产生地应力的原因是十分复杂的 , 至今也不是十分清楚 。 近 30多年来的实测和理论分析表明 , 地应力的形成主要与地球的各种运动过程密切相关 , 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 、 岩浆侵入和地球非均匀扩容等 。 另外 , 温度不均 、 水压梯度 、 地表剥蚀或其他物理化学变化等也可以引起相应的应力场 。下面就几种主要成因进行分述: ( 1)大陆板块边界受压引起的应力场 中国大陆板块受到外部印度洋板块和太平洋板块两板块的挤压,推挤速度为每年数厘米,同时还受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束我国大陆板块发生变形,产生水平压应力场,其主应力迹线如图4 2)地幔热对流引起的应力场由硅镁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 。当地幔深处的上升流到达地幔顶部时,就分为两股方向 相反的平流 ,经一定流程直到与 令一对流圈 的反向平流相遇,一起 转为下降流 回到地球深处,形成 封闭的循环体系 。地幔热对流引起地壳下面的水平切向力 。 ( 3) 由地心引力引起的应力场 由地心引力引起的应力场称为重力应力场 , 重力应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 , 它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分 , 但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等 , 均会引起垂直方向应力的变化 。3)由地心引力引起的应力场由地心引力引起的应力场称为 重力应力场 。重力应力场是各种应力场中唯一 可以测量 的应力场。垂直应力 :— 平均容重, KN/总深度( m) 图 岩体自重垂直应力  ( 4) 岩浆侵入引起的应力场 岩浆侵入挤压 、 冷凝收缩和成岩过程 ,由于不同的热膨胀系数及热力学过程等 ,均会在周围地层中产生相应的应力场 ,但它是一种局部应力场 。4)岩浆侵入引起的应力场岩浆倾入 挤压、冷凝收缩和成岩 ,均在周围底层产生相应的应力场。与上述三种应力场不同,由岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。 ( 5) 地温梯度引起的应力场 地层的温度随着深度的增加而升高 , 一般的温度梯度为每百米 3℃ 。 由于温度梯度而引起地层中不同深度不同的膨胀 , 从而引起地层中的局部压应力产生 。5)地温梯度引起的应力随埋深增加,地温增高,岩体性质改变产生附加应力 。一般地温梯度: 岩体的体膨胀系数: ,岩体弹模 E=104温梯度引起的温度应力约为:z M P P 5  m。随埋深增加,地温增高,岩体性质改变而产生附加应力。温度应力是同深度的垂直应力的 1/9,并呈静水压力状态。100/3  ( 6) 地表剥蚀产生的应力场 地壳上升部分岩体因为风化 、 侵蚀和剥蚀作用 , 由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化 , 导致岩体内仍然存在着比由地层厚度所引起的自重应力还要大得多的水平应力 。地壳岩体因为风化、侵蚀、雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用,使得岩体内产生颗粒的结构变化和应力松弛产生水平应力场。区域初始应力场有一致性,而区域内局部地点的初始应力又有很大差别,主要是由地质因素造成的。孤立山体: 岩体自重起主导作用, σV > σ 底部出现应力集中,最大主应力与河谷轴近似垂直。如二滩水电站处于河谷地段的应力集中范围达 500m,深度 250残留较大构造应力。如云南鲁布革电站工程中岩体最大主应力与断层走向近似垂直,积聚于上盘岩体中。地壳表面剥蚀: 垂直应力减少,近地表处,σH >σ震活跃地区,初始应力大小和方向还随时间而变化。 应力的变化规律 通过理论 、 地质调查和大量的地应力测量资料的分析与研究 , 已初步认识到浅部地壳应力分布的一些基本规律: ( 1) 地应力是个相对稳定的非稳定应力场 , 它是时间和空间的函数 。 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场 。 三个主应力的大小和方向是随着时间和空间而变化的 , 因而它是一个非稳定的应力场 , 应力的变化规律 ( 1) 地应力是个相对稳定的非稳定应力场 , 它是时间和空间的函数 。 从小范围来看 , 它在空间上的变化是比较明显的 ,但就某个地区整体而言 , 其变化并不大 。 在某些地震活跃地区 , 地应力的大小和方向随时间的变化是很明显的 , 地震前 , 应力处于累积阶段 , 应力值不断升高 , 而地震时使集中应力得到释放 , 应力值大幅度下降 , 要过一段时间后才能恢复到震前状态 。 ( 2) 实测铅垂应力基本等于上覆岩层重量 对全世界实测统计资料的分析表明 , 在深度为 25~2700 垂直应力呈线性增长 , 大致符合海姆的假设规律 , 但在某些地区的测量结果有一定的偏差 , 这些偏差除测量误差外 , 板块移动 、 岩浆运动和不均匀膨胀 、扩容等都会产生垂直应力异常 。 图 4 和布朗 ( 总结出来的世界各国值随深度 2)实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量 世界各国垂直应力随深度变化的规律垂直应力随深度线性增加。平均容重约为27KN/ 7 ( 3) 水平应力普遍大于铅垂应力 实测资料表明 , 在绝大多数地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内 , 其与水平面的夹角一般不大于 30° , 最大水平主应力普遍大于垂直应力 ,它们的比值一般在 在很多情况下比值大于 2。 垂直应力在大多数情况下为最小主应力 , 在少数情况下为中间主应力 , 只在个别情况下为最大主应力 。这再次说明 , 水平方向的构造运动对地壳浅层地应力的形成起控制作用 。3)水平应力普遍大于垂直应力。国家名称平均水平应力 /垂直主应力 (%) 2 40 28 22 78 0 100 8 41 41 7 17 66 0 100 1 24 35 1 29 20 5 ( 4)平均水平应力与铅垂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,图4图表明 , 在深度不大的情况下 , 两者的比值相当分散 。 随着深度的增加 , 该值的变化范围逐步缩小 ,并向 1附近集中 , 这说明在地壳深部有可能出现静水压应力状态 。垂直应力平均水平应力 0K  0 0K  均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小,且趋近于 15)最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。70901101301501701902102302500 3 6 9 12 15应力值 ( M P a )深度 (m)最大水平主应力最小水平主应力 ( 6) 最大水平主应力和最小水平应力之值一般相差较大 , 其方向也受地质构造影响 , 显示出很强的方向性特点 。6)最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大,显示出很强的方向性。sh,sh,般为 数为 计数目 sh,sh,%) 合计斯勘的纳维亚 51 14 67 13 6 100北美 222 22 46 23 9 100中国 25 12 56 24 8 100中国华北地区 18 6 61 22 11 100 ( 7) 地应力除上述分布规律外 , 还受地形 、岩体结构 、 断层等方面的扰动影响 。 地形对原始地应力的影响是十分复杂的 , 一般来说 , 谷底是应力集中部位 , 越靠近谷底其应力集中程度也会越明显 。 随着深度的增加或远离谷底边坡 , 则地应力分布状态逐渐趋于规律化 , 并显示出和区域应力场的一致性 。 在断层和结构面附近 , 地应力分布状态也会出现明显的扰动 。 断层端部 、 拐角处及交汇处将出现应力集中的现象 。 由于断层带中的岩体一般都比较软弱和破碎 ,不能承受高的应力和不利于能量积累 , 所以此处成为应力降低带 。 随着断层性质的不同 , 其影响也不一样 , 如果是压性断层 , 其中的应力状态与周围岩体比较接近 , 只是主应力的大小比周围岩体有所下降 , 若是张性断层 , 其中的地应力大小和方向与周围岩体相比均要发生显著的变化 。 应力的实测方法 应力实测的基本原理 原岩地应力测量就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未扰动的三维应力 , 原位地应力测量 是目前取得工程需要的不同深度原岩应力可靠资料的唯一方法 。 岩体中一点的三维压力状态可由选定坐标系中的六个应力分量来表示 , 如图 4但图中的坐标系一般取地球坐标系作测量坐标系,这样由六个应力分量可求得该点的三个主应力的大小和方向就是唯一的,这种测量通常叫 “点”测量方法 。 尽管也有一些 ( 如超声波地球物理方法 ) 测定大范围岩体内平均应力方法 , 但这些方法不如 “ 点 ”测量方法准确 , 因此 , “ 点 ” 测量方法更为普及 。 由于地应力的复杂和多变性 , 要比较准确测定某一地区地应力 , 必须进行充足数量 “ 点 ” 测量 , 再借助数值 、 数理统计 、 灰色建模和人工智能等处理方法 , 来描述该地区全部地应力场状态 。 在进行原位地应力测量时 , 为了让人和设备进入观测地点不可避免的要预先开挖一些巷道和峒室 。 因此 , 只要巷道和峒室一开 , 其周围岩体中的应力状态就受到扰动进行重新分布而产生了次生应力 , 若要在峒室表面进行测量 ( 如早期的扁千斤顶法 ) , 再在计算原始应力时再考虑扰动作用 , 但这种扰动非常复杂 , 不可能精确计算和分析 , 导致所测得的数据不准确 , 有的甚至是错误的结论 。 为了避免这种不足 , 尽量少扰动原岩中的压力状态 , 保证测量结果的真实有效 , 因此 , 从峒室表面再向岩体中打小直径的深孔 , 直到原岩应力区 , 让测量过程只在小孔中进行 , 由于小孔对原岩应力状态的扰动是可以忽略不计的 。 目前 , 普遍采用的应力解除法和水压致裂法均属于此类方法 。 但是 , 任何一种实测方法都需要通过扰动( 通常是打钻孔 ) , 打破原有状态 , 在从一种平衡状态到新的平衡状态过程中 , 通过对力或应力的效应的间接测定来实现 , 不可能完全实现原岩应力的测试 。 原岩应力实测方法因其所用传感器原理和结构的不同而有许多种:孔径变形法 、 水压致裂法 、 孔壁应变法 、 空心包体应变法 。 其中 , 前二种是二维应力测量 , 可以测量与钻孔轴线垂直截面上的原岩应力分量; 后二种是三维应力测量 , 可以一次测得全部六个应力分量;测量方法:1)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。2)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、 力法3)测量 基本原理 不同划分:直接测量法: 由测量仪器直接测量和记录各种应力量,并由这些应力量和原岩应力的相互关系,通过计算获得原岩应力值。间接测量法: 借助某些传感元件或某些介质,测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化,然后由测得的间接物理量的变化,通过已知的公式计算岩体中的应力值。 直接测量法: 由测量仪器直接测量和记录各种应力量 , 如补偿应力 、 平衡应力 , 并由这些应力量和原岩应力的相互关系 , 通过计算获得原岩应力值的方法 。 在计算过程中并不涉及不同物理量的换算 , 不需要知道岩石的物理力学性质和应力  扁千斤顶法 、 水压致裂法 、 刚性包体应力计法和声发射法等均属此种测量法 , 其中 , 水压致裂法是目前应用最广的方法 , 声发射次之 。 间接测量法: 不直接测量应力量 , 而是借助某些传感器元件或某些介质 , 测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化 , 如岩体中的变形或应变 、 弹性波传播速度变化等 , 然后由测得的间接物理量的变化 , 通过已知的公式计算岩体中的应力值的方法 。 间接测量法: 因此 , 在间接测量法中 , 为了计算应力值 , 首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系 。 其中 , 套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的 ,且发展较为成熟的一种间接测量地应力的方法 。应力 直接测量法1 扁千斤顶法2 刚性包体应力计法3 水压致裂法4 接测量法 ( 一、扁千斤顶法 )示意图步骤:1)在准备测量地应力的岩石表面,安装两个测量柱并测量两柱之间的距离 与两柱对称的中间位置向岩体内开挖一个垂直于测量柱连线的扁槽,并测量记录开挖过程过程中两测量柱之间距离的变化 接测量法 ( 一、扁千斤顶法 )示意图3)将扁千斤顶放入槽内并加压,测量两柱之间的距离,直到恢复到扁槽开挖前的距离,记录千斤顶压力;这一压力称为 “ 平衡压力 ” 或 “ 补偿应力 ”接测量法1) 扁千斤顶法 扁千斤顶法又称 “ 压力枕 ” , 由两块薄钢板沿周围焊接而成 。 在周边处有一个油压入口和一个出气阀 。 测量步骤如下: 1、 在准备测量应力的岩石表面 , 如巷道 、 峒室的表面 , 安装两个测量柱 , 并用微米表测量两柱之间的距离 。2、 在与俩测量柱对称的中间位置向岩体内开挖一个垂直于测量柱连线的扁槽 , 槽的大小 、 形状和厚度需和扁千斤顶相一致 。由于扁槽的开挖 , 造成局部应力释放并引起测量柱之间距离的变化 , 测量并记录这一变化值 。 3、 将扁千斤顶完全塞入槽内 , 必要时需注浆将扁千斤顶和岩石胶结在一起 , 然后用电动或手动液压泵向其加压 。 随着压力的增加 , 两侧柱之间的距离亦增加 , 当两测量柱之间的距离恢复到扁槽开挖前的大小时 , 停止加压 , 并记录此时扁千斤顶中的压力 。 该压力称为 “ 平衡应力 ” 或 “ 补偿应力 ” , 等于扁槽开挖前表面岩体中垂直于扁千斤顶方向且平行于两测柱连线方向的应力 。 评价: 1、 扁千斤顶法只是一种一维应力测量法 , 不能在同一点上测量六个应力分量; 2、 扁千斤顶法只能在巷道 、 峒室或其他开挖体表面附近进行测量 , 其测量结果受开挖扰动影响较大; 3、 扁千斤顶法的测量原理是基于岩石为完全线弹性的假设 , 对于非线性岩体 , 其加载和卸载路径的应力应变关系是不同的 。优缺点2) 刚性包体应力计法 刚性包体应力计法是 20世纪 50年代继扁千斤顶法之后应用较为广泛的一种岩体应力测量方法 。 刚性包体应力计的主要组成部分是一个由钢 、 铜合金或其他硬质金属材料制成的空心圆柱 , 在其中心部位有一个压力传感器元件 。 测量时首先在测点打一钻孔 , 然后将该圆柱挤压进钻孔中 , 以使圆柱和钻孔壁紧密接触 。 钻孔应力计 理论分析表明 , 当周围岩体应力发生变化时 , 在刚性体中会产生一个均匀分布的应力场 , 该应力场的大小和岩体中的应力变化之间存在一定的比例关系 。 当刚性包体的弹性模量大于岩体弹性模量的 5倍时 ,在岩体中任何方位的应力变化会在包体重相同方向引起 因此 , 只要测量出刚性包体中的应力变化就可以知道岩体中的应力变化 。 评价: 优点: 刚性包体应力计具有很高的稳定性 , 可用于现场的长期监测 。 缺点: 刚性包体应力计法只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况 , 不能用于测量原岩应力;另外它的灵敏度较低 。 除钢铉应力计目前还在应用外 , 其他形式的刚性包体应力计于 20世纪 80年代之前已被淘汰 。优缺点3) 水压致裂法 水压致裂法是石油行业为了提高石油产量 , 在钻井中用水压方法使钻井产生人工裂隙而出现的一种方法 , 20世纪 50年代被广泛应用于油田生产 。 哈伯特 ( 和威利斯 ( 发现了水压致裂裂隙和原岩应力之间的关系 , 后来又被费尔赫斯特 ( 和海姆森( 应用于地应力测量 。原理从弹性力学理论可知,当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场 ( , )的作用时,离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位,钻孔周边的应力为式中, 和 分别为钻孔周边的切向应力和径向应力;为周边一点与 轴的夹角。当 = 0º时, 取得极小值,此时1 2  2c o s)(2 2121 0r r 1 123   3)水压致裂法原理如果采用图所示的水压致裂系统将钻孔某段封隔起来,并向该段钻孔注入高压水,当水压超过 和岩石抗拉强度 = 0º处,也即所在方位将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压为 ,则有123  i  123 P 3    水压致裂应力测量原理3)水压致裂法原理如果继续向封隔段注入高压水,使裂隙进一步扩展,当裂隙深度达到 3倍钻孔直径时,此处已接近原岩应力状态,停止加压,保持压力恒定,将该恒定压力记为 即P 3    水压致裂应力测量原理2压致裂法原理在钻孔中存在裂隙水的情况下,如封隔段处的裂隙水压力为 则 P 3    水压致裂应力测量原理0123 i  在初始裂隙产生后,将水压卸除,使裂隙闭合,然后再重新向封隔段加压,使裂隙重新打开,记裂隙重开时的压力为 有0123 PP r  3)水压致裂法原理由以上两式求 和 就无须知道岩石的抗拉强度。因此,由水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质,而完全由测量和记录的压力值来决定。P 3    水压致裂应力测量原理0123 PP r  223)水压致裂法测量步骤1)打钻孔到准备测量应力的部位,井将钻孔中待加压段用封隔器密封起来,钻孔直径与所选用的封隔器的直径相一致。封隔器一般是充压膨胀式的,充压可用液体,也可用气体。3)水压致裂法测量步骤2)向隔离段注射高压水,加大水压,直至孔壁出现开裂,获得初始开裂压力 然后继续施加水压以扩张裂隙,当裂隙扩张至 3倍直径深度时,关闭高水压系统,保持水压恒定,此时应力为关闭压力,记为 最后卸压,使裂隙闭合。在整个加压过程中,记录压力 时间曲线图,确定 )水压致裂法测量步骤3)重新向密封段注射高压水,使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力 s。这种卸压 — 3次,以提高测试数据的准确性。 时间曲线和流量 )水压致裂法测量步骤4)将封隔器完全卸压,连同加压管等全部设备从钻孔中取出。5)测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小,测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。3)水压致裂法优缺点水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向,所以从原理上讲,它是一种 二维应力测量方法 。水压致裂法认为初始开裂发生在 钻孔壁切向应力最小 的部位,亦即平行于最大主应力的方向,这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。水压致裂法较为适用于 完整的脆性岩石 中。3)水压致裂法优缺点水压致裂法的突出优点是能测量深部应力,已见报道的最大测深为 5000m,这是其它方法所不能做到的。因此这种方法可用来测量深部地壳的构造应力场。同时,对于某些工程,如露天边坡工程,由于没有现成的地下井巷、隧道、峒室等可用来接近应力测量点,或者在地下工程的前期阶段,需要估计该工程区域的地应力场,也只有使用水压致裂法才是最经济实用的。3)水压致裂法 ( 1) 测量原理 水压致裂法的基本点是通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压将孔壁压裂 , 测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位 , 然后根据测得的压裂过程中泵压表头读数 , 计算测点附近岩体中地应力大小和方向 。 压裂点上 、 下用止水封隔器密封 , 其测量原理示意图如图 4 ( 2)基本理论和计算公式 从弹性力学理论可知,当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场( )的作用时,离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位,钻孔周围的应力(利用弹性力学公式 4得:12,2 2 21 2 1 22 2 21 c o s 2 1 1 322r r r                         221 2 1 21 c o s 2 1 322                (这里压为负拉为正,而书上是压为正拉为负) 这是钻孔周边的应力(此时 ,且为了与书上一致改为压为正拉为负),则得: 式中: 分别为钻孔周边的切线应力和径向应力;为周边一点与 轴的夹角。 由( 4可知,当 时, 取得极小值时:r  1 2 1 22 c o s 2        0r ( 4 4-2)r和 100213  ( 4 如果采用图 4向该段钻孔注入高压水,当水压超过和岩石抗拉强度 处将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压为 ,则有: 如果继续向封隔段注入高压水,使裂隙进一步扩展,当裂隙深度达到 3倍钻孔直径时,此处已接近原岩应力状态,停止加压,保持压力恒定,将该恒定压力记为 ,则应该和原岩应力平衡,即:21300   ( 4-4)( 4 由( 4( 4,只要测出岩石抗拉强度 T,即可由 和 求出 。 在钻孔中存在裂隙水的情况下,如封隔段处的裂隙水压力为 ,则( 4变为: 根据( 4( 4求时,还需要测定钻孔封隔段岩石的抗拉强度,在具体实现时,往往比较困难。iP 2和0 03 P   ( 4 为了克服这一困难,在水压致裂试验中增加一个环节,即在初始裂隙产生后,将水压卸除,使裂隙闭合,然后再重新向封隔段加压,使裂隙重新打开,记裂隙重开时的应力为 ,则有: ( 4 这样,根据( 4( 4求 就无需知道岩石的抗拉强度了。因此,由水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质,而完全由测量和记录的压力值来决定。 03  12和 ( 3)测量步骤 1、打钻孔到准备测量应力的部位,并将钻孔中待加压段用分隔器密封起来(分隔器一般采用冲压膨胀式的); 2、向被两个封隔器封隔的隔离段注入高压水,不断加大水压,直至孔壁出现开裂,获得初始开裂压力 ;然后继续增加水压以扩张裂隙,当裂隙扩张至 3倍直径深度时,关闭高压注水系统,保持水压恒定,此时的应力称为关闭压力,记为 ;最后卸压,使裂隙闭合;3、重新向封隔段注入高压水,使裂隙重新打开并记录裂隙重开时的压力 和随后的恒定关闭压力这种卸压 提高测试数据的准确性; 在整个加压过程中,同时记录压力 图 4压力 ;从流量 i s P 4、将分隔器完全卸压,连同加压管等设备全部取出; 5、测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理裂隙的位置、大小和方向,测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器等方法,一般采用印模器法。 ( 4)水压致裂法的特点 设备简单 。只需用普通钻探方法打钻孔,用双止水装置密封,用液压泵通过压裂装置压裂岩体,不需要复杂的电磁测量设备。 操作方便。 只通过液压泵向钻孔内注液压裂岩体,观测压裂过程中泵压、液量即可。 测值直观。 它可根据压裂时泵压 (初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力 )计算出地应力值,不需要复杂的换算及辅助测试,同时还可求得岩体抗拉强度。 测值代表性大: 所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值 , 有较好的代表性 。 适应性强 : 这一方法不需要电磁测量元件 , 不怕潮湿 ,可在干孔及孔中有水条件下作试验 , 不怕电磁干扰 , 不怕震动 。 存在一些缺陷: 一方面:它从原理上讲 , 属于二维应力测量方法 , 主应力方向不能准确确定 , 另一方面:它的理论基础是基于岩石为连续 、均质和各向同性的假设 , 因而 , 只适合于完整的脆性岩石中 。发射法(1)测试原理 材料在受到外载荷作用时 , 其内部存储的应变能快速释放产生弹性波 , 发生声响 , 称为声发射 。发射法(2)凯泽效应 1950年 , 德国人凯泽 ( 发现多晶金属的应力从历史最高水平释放后 , 再重新加载 , 当应力未达到先前最大应力值时 , 很少有声发射产生 , 当应力达到或超过历史最高应力水平后 , 则大量产生声发射 , 这一现象叫凯泽效应 。 从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯泽点 , 该点对应的应力水平即为材料先前受到的最大应力 。 后来 , 许多人通过试验验证 , 许多岩石也具有显著的凯泽效应 。 因此 , 凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途径 , 即如果从原岩中取回定向的岩石试件 , 通过对加工的不同方向的岩石试件进行加载声发射试验 , 测定凯泽点 , 即可找出每个试件以前所受的最大应力 , 并进而求出取样点的原始三维应力状态 。量步骤( 1) 试件制备 从现场钻孔提取岩芯试样 , 然后将试样加工成圆柱试件 , 径高比为 1: 2~ 1: 3。 为了确定测点三维压力状态 , 试样在原环境状态下的方向必须确定 , 因此 , 在该点的岩样中沿六个不同方向制备试件 ,量步骤( 1) 试件制备 假如该点的局部坐标系为 则三个方向选定为坐标轴方向 , 另三个方向选为  为了获得测试数据的统计规律 , 每个方向的试件数量需要 15~ 25块 。( 2) 声发射测试 将加工好的试件放在单轴压缩试验机上加压 , 并同时监测加压过程中从试件中产生的声发射现象 。 为了消除由于试件端部与压力试验机上下压头之间摩擦所产生的噪音和试件端部应力集中 , 试件两端浇铸上由环氧树脂或其它复合材料制成的端帽 。 凯泽效应一般发生在加载的初期 , 故加载系统应选用小吨位的应力控制系统 , 并保持加载速率恒定 , 尽可能避免人工控制 ,这是因为声发射速率和加载速率有关 。在加载初期,人工操作很难保证加载速率的恒定,在声发射事件速率
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本文标题:6-1 地应力及其原理
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