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地应力及其测量4.1


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本节主要内容
? 1概念 概念 ? 2研究地应力的必要性 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
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4.1 概述 4.1.1地应力的概念 地应力: 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。
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/> 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。
4

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。
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e) 对地应力的传统认识有误。 1912年A.Heim σ h = σ v = γH 1926年A.H.Динник

σ

h

=

υ
1?υ

γH

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。
6

4.1.3 地应力的成因
1)地幔热对流

7

4.1.3 地应力的成因
地幔热对流--(碰撞、俯冲、海岸)

8

4.1.3 地应力的成因
2) ) 板 块 边 界 受 压

9

4.1.3 地应力的成因

中 国 地 震 带 分 布

10

4.1.3 地应力的成因
3)岩浆侵入 )

11

4.1.3 地应力的成因
4)岩体自重应力场 ) 垂直应力:

σ

z

= γH

侧压力:

σ x = σ y = λσ z

γ
λ

—平均密度,KN/m3 —侧压力系数

H—总深度(m)

图 岩体自重垂直应力
12

λ

的取值有4种可能:

(1)岩体假定处于弹性状态 岩体假定处于弹性状态


1 ε x = ε y = σ x ? ? (σ y + σ z ) = 0 E

[

]

推出

σ x (1 ? ? ) = ?σ

z

得: λ =

?
1 ? ?

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岩体由多层不同性质岩层组成时

σ 第j层底面应力: z j =

∑γ h
i =1

j

i i

σ x j = σ y j = λ jσ z j
λj = ?
j j

1? ?

第n层底面应力:

σ z = ∑γ i hi σ x = σ y = λnσ z
i =1
14

n

(2)Heim假设(塑性状态) Heim假设(塑性状态) 假设

当原始应力超过一定的极限,岩体就会处 于潜塑状态或塑性状态。

λ = 1

(相当于 ? = 0.5 )

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(3)岩体为理想松散介质 (c=0,风化带、断层带)

由极限平衡理得

σ z ?σ x sin ? = σ x +σ z

(1 + sin ? )σ x = σ z (1 ? sin ? )
σ ∴ λ = σ
y z

1 ? sin ? = 1 + sin ?

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(4)当松散介质有一定粘聚力时 侧压力为: 侧压力为:

(c>0 )

1 ? sin ? 2 c cos ? σ x = γH ? 1 + sin ? 1 + sin ?

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注:当 σ

x

< 0

说明无侧压力

σ

x

= 0

无侧压力深度
HO = 2 C cos ? γ (1 ? sin ? )

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5)地质构造应力 5)地质构造应力

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5)地质构造应力 5)地质构造应力

Fujianshanghang, , 某地应力场 受断层影响情况
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5)地质构造应力 5)地质构造应力

Hebeihandan, , 某旋转地应力场 受旋钮构造影响。 受旋钮构造影响。

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6)地形、地表剥蚀对地应力影响



地形对初应力的影响
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7)水压力、热应力 水压力、
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: α = 3o C / 100m

岩体的体膨胀系

数: ≈ 10 -5,岩体弹模E=104MPa;地温梯度引起的温度应力 β 约为:

σ

T

= z αβ E = 0 . 03 × 10 ? 5 × 10 4 zMPa = 0 . 003 zMPa

z--深度/m。 -温度应力是同深度的垂直应力的1/9,并呈静水压力状态。23

地壳浅部(3000m以内 以内) 4.1.4 地壳浅部(3000m以内)地应力分布的主要规律 1)地应力是一 ) 个具有相对稳 定性的非稳定 应力场, 应力场,它是 时间和空间的 函数。 函数。
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地壳浅部(3000m以内 以内) 4.1.4 地壳浅部(3000m以内)地应力分布的主要规律 2)垂直应力随深度的变化规律 )

垂直应力 随深度线 性增加。 平均密度 约为 27KN/m3

σ v ≈ 27 H

kPa
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4.1.4 地壳浅部(3000m以内)地应力分布的主要规律 地壳浅部( 以内) 以内 3)水平应力普遍大于垂直应力; )水平应力普遍大于垂直应力; 4)平均水平应力与垂直应力之比随深 ) 度增加而减小,且趋近于 度增加而减小,且趋近于1
K = 平均水平应力 垂直应力

K =

1500 Z

+ 0 .5

K =

100 + 0 .3 Z

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4.1.4 地壳浅部(3000m以内)地应力分布的主要规律 地壳浅部( 以内) 以内 5)最大水平主应力与 ) 最小水平主应力随 深度增加线性增长
0 70 90 110 130
最大水平主应力 最小水平主应力

3

6

应力值 (MPa) 9 12 15

6)最大水平主应力与 ) 最小水平主应力之
深度 (m)

150 170 190 210 230 250

差随深度增加而增 大

Hebeitangshan, ,
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某地应力与深度关系

7)地形、地表剥蚀对地应力影响



地形对地应力的影响
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结束语

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