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3、一、地應(yīng)力的概念,1,、,地應(yīng)力,(,又稱為天然應(yīng)力、初始應(yīng)力、一次應(yīng)力等）：人類工程活動之前存在于巖體中的應(yīng)力。,2,、,重分布應(yīng)力,（又稱二次分布應(yīng)力、附加應(yīng)力等）由于工程活動改變了的巖體中的應(yīng)力。,重分布應(yīng)力,+,+,+,天然應(yīng)力,相對于第,2,洞室的天然應(yīng)力,二、地應(yīng)力的研究意義,1,、天然應(yīng)力是引起巖土工程變形和破壞的根本作用力,，其地位相當(dāng)于工程習(xí)慣中所理解的外部荷載，但又與材料力學(xué)、彈性力學(xué)中泛指的外荷載又有不同。地下工程是在原巖應(yīng)力作用下開挖的，即地下工程是先受力、后開挖，并且地應(yīng)力從開挖前到最終一直對圍巖起作用。,2,、原巖應(yīng)力是涉及地殼問題各個學(xué)科領(lǐng)域最基礎(chǔ)性的原始資料。,

4、1,）在地球物理領(lǐng)域，科學(xué)家們匯集了全球陸地與海底大量的地應(yīng)力測量資料，編制了地殼應(yīng)力分布圖，并用于建立地殼構(gòu)造模型和研究地殼運動規(guī)律，這項工程促進了地球動力學(xué)，包括地震機制研究的發(fā)展。,2,）在采礦工程領(lǐng)域，原巖應(yīng)力的大小和方向是井巷斷面形狀優(yōu)化設(shè)計、方位的合理選擇以及井巷支護、采場礦山壓力控制的最主要依據(jù)之一。,3,）在其它領(lǐng)域，如水利水電壩基選擇和大壩穩(wěn)定性，石油鉆孔孔壁穩(wěn)定性和增加采油率的裂井工程，核廢料處理中防止泄露和污染、地?zé)崂霉こ桃约暗刭|(zhì)災(zāi)害防治工程等等，都要用到地應(yīng)力這個基本參數(shù)。,3,、在巖土工程的數(shù)值分析方法如有限元法等中地應(yīng)力的大小和方向也是最原始的輸入?yún)?shù),。沒有可靠

5、正確的地應(yīng)力資料，任何數(shù)值分析便沒有意義。,因此，地應(yīng)力是確定工程巖體力學(xué)屬性、進行工程巖體的穩(wěn)定性分析、實現(xiàn)巖體工程設(shè)計和決策科學(xué)化的前提。,三、地應(yīng)力的研究歷史,1,、國際,1878,年海姆提出天然應(yīng)力；,1932,年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成功地測定了巖體中的天然應(yīng)力；,到目前天然應(yīng)力測點遍布全球，有幾十萬個測點。大部分是淺部，最深,5108,米（美國密西根水壓致裂法）。,2,、國內(nèi),50,年代末開始天然應(yīng)力量測，有幾萬個測點，最深的有,3958,米（天津大港）。,一、,地應(yīng)力的概念及研究意義,二、地應(yīng)力成因及分布的一般規(guī)律,三、地應(yīng)力測量的基本原理及方法,一、地應(yīng)力的成因,1,

6、、組成,：,巖體自重,自重應(yīng)力,構(gòu)造運動,構(gòu)造應(yīng)力,流體作用,滲流應(yīng)力,地溫梯度,溫度應(yīng)力,其它,（地球化學(xué)作用等）,2,、構(gòu)造應(yīng)力起源,：,地幔熱對流,板塊運動,地球自轉(zhuǎn)速度變化,地質(zhì)力學(xué),西南,：印度板塊向,NNE,擠壓（,5mm/a,）,東,：太平洋板塊向,W,俯沖（,1cm/a,）,南,：菲律賓板塊向,N,俯沖,北,：西伯利亞板塊阻擋,1,跡線,：,N-NE-SSE,中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠壓，形成了中國大陸巖體中的天然應(yīng)力。,1,地應(yīng)力一般是三軸壓應(yīng)力狀態(tài),，且為以水平應(yīng)力為主的,三軸,不等,壓應(yīng)力,場,幾乎所有地區(qū)均有兩個主應(yīng)力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，其與水平面之

7、間的夾角一般不大于,30,。,水平天然應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且是以一向壓，一向拉多見。另外在地表卸荷帶影響區(qū)，也可能出現(xiàn)水平應(yīng)力為拉應(yīng)力的現(xiàn)象。,二、巖體天然應(yīng)力的分布特征,2,地應(yīng)力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場,地應(yīng)力,的三個主應(yīng)力的大小和方向隨著空間和時間的變化而變化，因而是非穩(wěn)定場。,在空間上，從小范圍來看，其變化是很明顯的，相距數(shù)十米，應(yīng)力的大小和方向可能不同。但就整個區(qū)域而言地應(yīng)力的變化是不大的。因此，地應(yīng)力具有區(qū)域性的特點。,地殼活動強烈的地區(qū)，地應(yīng)力大小和方向隨時間變化明顯。地震前應(yīng)力積累，應(yīng)力值不斷升高；地震時應(yīng)力釋放，應(yīng)力值突然大幅下降。主

8、應(yīng)力方向在地震時會發(fā)生明顯的改變，在震后一段時間又會恢復(fù)到震前狀態(tài)。,以東經(jīng),100,105,o,為界分東西兩區(qū)。,強度上：西強東弱（西高東低）,方向上：西：,NNE-SSW,為主，東：近,E-W,。,3,實測垂直應(yīng)力,V,基本上等于上覆巖層的重量,對全世界實測垂直應(yīng)力資料的統(tǒng)計分析，在深度,252700m,的范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力呈線性增長，大致相當(dāng)于按平均重度,27kN/m,3,計算的應(yīng)力值,H,。,4,水平應(yīng)力,h,普遍大于垂直應(yīng)力,V,最大水平主應(yīng)力普遍大于垂直主應(yīng)力，兩者之比一般為,0.55.5,，多數(shù)情況下大于,2,；平均水平主應(yīng)力（最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的平均值）與垂直主應(yīng)力的

9、比值一般為,0.55,，大多數(shù)為,0.81.5,。,地殼中水平主應(yīng)力普遍大于垂直主應(yīng)力。,垂直主應(yīng)力多數(shù)情況下為最小主應(yīng)力，少數(shù)情況為中間主應(yīng)力，個別情況為最大主應(yīng)力。,說明水平構(gòu)造運動如板塊移動碰撞控制著地殼淺部應(yīng)力的形成與分布。,5,、平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值,（,平均側(cè)壓力系數(shù),）,隨深度的增加而減小,實測資料表明，在深度不大時，,相當(dāng)分散，但隨著深度的增加，該值的變化范圍逐步縮小，并趨于,1,，表明在地殼深度有可能出現(xiàn)靜水壓力狀態(tài)。,與深度,z,的關(guān)系為：,6,水平應(yīng)力隨深度呈線性增長,斯蒂芬森等根據(jù)實測結(jié)果給出了芬諾斯堪的亞古陸最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力隨深度,z(,單位,m

10、),變化的線性關(guān)系為：,7,最大水平主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值一般相差較大，顯示出很強的各向異性,最小水平主應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力之比一般為,0.20.8,，多數(shù)是,0.40.8,各向異性的原因：構(gòu)造運動的方向性；巖體的各向異性,8,地應(yīng)力受地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的影響很大,在具有負地形的峽谷地區(qū)或山區(qū)，地形對侵蝕基準面以上及以下一定范圍內(nèi)表現(xiàn)特別明顯。谷地是應(yīng)力集中的部位，越靠近谷地應(yīng)力集中越明顯。最大主應(yīng)力在谷地或河床中心近于水平，而在岸坡則向谷底或河床傾斜，并大致與坡面平行。,在斷層和結(jié)構(gòu)面附近，地應(yīng)力分布受到明顯擾動，斷層端

11、部、拐角處及交匯處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。,第六章 地應(yīng)力及其測量,一、,地應(yīng)力的概念及研究意義,二、地應(yīng)力成因及分布的一般規(guī)律,三、地應(yīng)力測量的基本原理及方法,自重應(yīng)力理論,地震震源機制解,地變形量測,天然應(yīng)力測量,大地水準測量,三角網(wǎng)測量,GPS,測量,地應(yīng)力確定,方法,z,A,一、根據(jù)自重應(yīng)力理論確定巖體中的天然應(yīng)力,適用于：地質(zhì)構(gòu)造簡單、地層平緩、當(dāng)?shù)厍治g基準面穩(wěn)定,1,、均質(zhì)各向同性巖體,A,2,、水平層狀巖體,3,、垂直層狀巖體,A,二、天然應(yīng)力的量測,天然應(yīng)力的量測方法,水壓致裂法,應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）,套芯應(yīng)力解除法,光彈法,聲發(fā)射法,X,射線法,A,1,、水壓致裂法,t,p,c

12、1,p,S,p,c2,p,0,水壓力隨時間的變化曲線,t,p,c1,p,S,p,c2,p,0,假設(shè)：,天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場，其鉛直應(yīng)力,v,=gz,假設(shè)在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體中 的一個小圓孔。作用應(yīng)力為,h,max,、,h,min,，根據(jù)彈性理論中的柯西解，未加水壓力時，,A,點的應(yīng)力為：,A,=3,h,min,-,h,max,在水壓力作用下，孔壁產(chǎn)生拉裂破壞的條件為,:,A,維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為,聯(lián)立上兩式有,而：,因此，可得測點的天然應(yīng)力為,據(jù)巖體破裂方向確定：破裂平行于 ，垂直于 ，破裂方向由壓痕、井下電視等確定。,優(yōu)點：,測深大，,z,可達數(shù)百米，目前最深達,

13、5108,米；施工技術(shù)簡單，不需要應(yīng)力計等儀器。,應(yīng)力方向：,千斤頂,油泵,時間,千斤頂壓力,p,c,測點分離值,d,0,d,步驟：,在巖壁上選擇測點，固定,A,、,B,兩點。,d15cm,；,刻槽應(yīng)力釋放、變形，,d,0,d;,安裝扁千斤頂,;,加壓應(yīng)力恢復(fù),d,d,0,，到,d=d,0,時的千斤頂壓力即為 ；,2,、應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）,重復(fù),測量另一個方向的,W,；,計算天然應(yīng)力：假定天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場，當(dāng)測得側(cè)壁應(yīng)力,R,和底板應(yīng)力,W,時，則有,:,3,、鉆孔套芯應(yīng)力解除法,基本原理,+,+,+,儀器,套芯解除,鉆孔,同心套鉆,放,應(yīng)變計,應(yīng)力解除,應(yīng)力計算,位移恢復(fù),設(shè)天然應(yīng)

14、力為水平應(yīng)力場,45,45,計算公式：,應(yīng)變計互成,45,，據(jù)上式有,用消元法解三元一次方程，得,：,應(yīng)變計互為,60,時,，可按下列公式計算,60,60,選點、鉆孔：,130mm,，深度一般小于,30m;,在孔底打一測量孔：,36mm,，深度一般,50cm,，并洗干凈；,安裝應(yīng)變計：并與應(yīng)變儀連接，測記穩(wěn)定初始讀數(shù)；,套鉆解除：在應(yīng)力解除過程中，測記應(yīng)變計讀數(shù)，至應(yīng)變完全解除為止；,折斷巖心，在室內(nèi)求取巖石的,E,m,;,按前述公式求解：天然應(yīng)力,hmax,，,hmin,測量步驟：,優(yōu)點,：能較準確地量測出巖體中的天然應(yīng)力,缺點,：只能量測淺部（,30m,以內(nèi)）天然應(yīng)力。深度大了，套鉆技術(shù)難度大、精度低。,