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简介
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本节主要内容 1概念 2研究地应力的必要性 3地应力的成因 4地壳浅部地应力分布的一般规律 4.1 概述 4.1.1地应力的概念 地应力：是存在于地层中的未受工程扰动的天 然应力，也称岩体初始应力、绝对应 力或原岩应力。 4.1.2 地应力测量的必要性及意义 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。 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。 4.1.3 地应力的成因 硅镁质组成的地幔因高温，上下对流、蠕动，深部地幔上升到顶部时变成2股方向相反的平流：与反向平流相遇，转为下降流进入深部，形成封闭的循环体系。 亚洲形成孟加拉湾延伸至贝尔加湖的最低重力槽，是拉伸的袋装区，西昌、攀枝花到昆明的裂谷刚好处于这一地区，形成以西藏为中心的大对流环（上升），华北-山西地堑有下降流。 产生很大的水平应力。 4.1.3 地应力的成因 4.1.3 地应力的成因 大陆板块受印度洋、太平洋外部板块推挤（每年数厘米），受西贝利亚、菲律宾板块约束，板块发生变形，产生水平应力场。 印度洋、太平洋板块的移动促成中国山脉的形成，控制我国地震的分布。 喜马拉雅山现在是世界上海拔最高的山脉，但在几十万年、几百万年前，它的海拔还是比较低的。同时，青藏高原在200万年前～300万年前，平均海拔只有1000米～2000米，而现在的平均海拔是4600米以上。 4.1.3 地应力的成因 环太平洋火山地震带 濒临太平洋的大陆边缘与岛屿 地中海-印度尼西亚地震带 西起大西洋亚速尔群岛，向东经地中海、土耳其、伊朗、阿富汗、巴基斯坦、印度北部、中国西部和西南部边境、经过缅甸到印度尼西亚，与环太平洋地震带相接。 洋脊地震带 在全球洋脊的轴部，均为浅源地震，震级一般较小。 4.1.3 地应力的成因 中国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育。20世纪以来，中国共发生6级以上地震近800次，遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外所有的省、自治区、直辖市。 ①台湾省及其附近海域；②西南地区，主要是西藏、四川西部和云南中西部；③西北地区，主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓；④华北地区，主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山-燕山一带、山东中部和渤海湾；⑤东南沿海的广东、福建等地。中国的台湾省位于环太平洋地震带上，西藏、新疆、云南、四川、青海等省区位于喜马拉雅-地中海地震带上，其他省区处于相关的地震带上。 4.1.3 地应力的成因 岩浆侵入、冷凝收缩和成岩，均产生应力场。 高温岩浆对周围岩体施加均匀压力，冷凝后收缩，并从接触面逐渐向内部发展。 产生局部应力场。 4.1.3 地应力的成因 5)地质构造应力 5)地质构造应力 5)地质构造应力 6）地形、地表剥蚀对地应力影响 7）水压力、热应力 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： 4.1.4 地壳浅部（3000m以内）地应力分布的主要规律 4.1.4 地壳浅部（3000m以内）地应力分布的主要规律 7）地形、地表剥蚀对地应力影响 本节主要内容 1 地应力测量概述 2 水压致裂法的测量原理与步骤 3 应力解除法（空心包体应变计） 的测量原理与步骤 4.2 地应力测量方法 4.2.1地应力测量概述 b. 方法分类 4.2.2 水压致裂法 水压致裂法的假设前提： （1）有2个（ 、 ） 主应力为水平方向， 另1个 为竖直方 向，且 （2）线性、均质、各向同性 （3）渗透符合达西定律 水压致裂法步骤 （1）钻孔（地质勘探）、 选段（完整）、 封隔（气或液）； 直径：38、51、 76、110、 130； （2）加液压将孔壁压裂与重开 ①P0-孔隙水压力或地下水压力 ②Pb-初始压裂压力 ③Ps-稳定开裂压力 ④Ps0-关闭压力 ⑤Pb0-重张压力 各特征压力的物理意义 ①P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力 ②Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力 ③Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开 裂压力 ④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩 渗透性大，该压力将逐渐衰减 ⑤Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力 4.2.3 应力解除法 1) 基本原理： 当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为 的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时， 岩体单元上所受的拉力将被解除。同时，该单 元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定 的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并 且认为岩体时连续、均质和各向同性的弹性 体，于是就可以借助弹性理论的解答计算岩体 单元所受的应力状态。 2) 应力解除法分类 一、围岩压力的基本概念 狭义围岩压力：围岩作用于支护上的压力。（围岩和支护被看成独立的两个体系） 广义围岩压力：支护与围岩是一个共同体，二次应力的全部作用力视为围岩压力。 （1）稳定状态： 二、水平洞室围岩的主要破坏形式 1、围岩整体稳定，可能有局部掉落。 （爆破震动、局部裂隙切割） 2、脆性断裂破坏 拉裂破坏，一般在洞顶。 3、松散、冒顶、片帮→自然拱 4、围岩膨胀底鼓 5、形成塑性滑移面 开挖后→ ↓， ↑ →形成塑性区→在与主应力方向形成 的共轭对称两组滑移面。 三、围岩压力分类 1、松动压力：松动脱落围岩，作用在支护上的岩体的自重荷载（自然拱、掉块，……）及时支护减小松动范围、控制松动区发展。 2、塑性形压力 阻止围岩塑性变形时，作用在支护上的压力。 3、冲击压力：岩体中的能量突然释放（岩爆）所形成的压力。 4、膨胀压力：围岩膨胀所形成的压力 只有松动压力和塑性变形压能够计算。 四、影响围岩压力的因素 1、地质方面的因素（自然属性） （1）完整性或破碎程度。 （2）结构面的产状、分布密度、力学性质、充填物性质及其充填状态。 （3）地下的活动状况。 （4）岩体的性质和强度。 2、工程方面的因素 （1）洞室的形状和尺寸 （3）洞室的位置、尺度和覆盖层厚度。 （4）施工中的技术措施。 例如，控制爆破（光、预裂） 开挖顺序 （5）洞室的轴线走向
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