原岩应力学术价值及测定方法探究.docx

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原岩应力学术价值及测定方法探究

原岩应力学术价值及测定方法探究

王志斌

（大连大学　建筑工程学院辽宁　大连　116622）

摘要：

本文阐述了原岩应力的基本理论、指导原则和主要技术;原岩应力对的学术意义，对原岩应力的测量方法做了介绍,特别是对目前世界上应用最广泛的套孔应力解除法,在查阅了近10年的相关文献的研究成果的基础上,作了比较详细的论述和评价。

关键词：

原岩应力；地应力测量；直接测量法；间接测量法；

绪言

岩体介质有许多有别于其他介质的重要特性,由岩体的自重和历史上地壳构造运动引起并残留至今的构造应力等因素导致岩体具有初始地应力（或简称地应力）是最具有特色的性质之一。

就岩体工程而言，如不考虑岩体地应力这一要素，就难以进行合理的分析和得出符合实际的结论。

地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏。

这都是由于在具有初始地应力场的岩体中进行开挖所致，因为这种开挖“荷载”通常是地下工程问题中的重要荷载。

由此可见，如何测定和评估岩体的地应力，如何合理模拟工程区域的初始地应力场以及正确和合理地计算工程问题中的开挖“荷载”，是岩石力学与工程问题中不可回避的重要问题。

正因为如此，在岩石力学发展史中有关地应力测量、地应力场模拟等问题研究和地应力测试设备的研制一直占有重要的地位。

地应力测量与研究的崛起和发展，是20世纪在岩石力学领域中非常振奋人心的科研成果，它的应用已普及土木、水电、矿山、交通、军工等系统的工程建设和地震机制研究中。

基础理论

1何谓原岩应力

是指岩体处于天然产状条件下所具有的内应力。

有的称为岩体初始应力,或天然岩体内应力,这种天然的内应力主要是由于地壳构造运动而产生的水平应力造成的,其次是上覆岩层的自重作用造成的内应力还有变异应力及其它应力。

2原岩应力的划分

原岩应力是在漫长的地质历史时期中逐渐形成的,主要是重力场和构造应力综合作用的结果。

有的地方在岩浆活动及岩体的物理化学变化等作用下形成的。

地应力按其成因可分为自重应力,构造应力以及变异和残余应力等类型。

地壳表层岩体的天然应力状态是这几种应力组合而成的。

不同地区由于地质条件和地质历史不同,这几种应力组合的特征也是不同的,应当根据实际情况加以分析。

2.1自重应力

是在重力场的作用下由于岩体自重而产生的内应力。

例如:

在深度Hm处所形成的垂直应力。

:

可用式（l）计算

（1）

式中:

为岩体容重

在垂直应力作用下,由于泊松效应在水平轴X和Y轴方向产生水平方向的侧向应力

和

其大小可按

（2）式计算。

=

=

式中:

—岩体容重;

H一某点深度;

一岩石泊松比

—岩体测向压力系数。

坚硬岩石

=0.2

0.3则

=0.25

0.43，因而

、

总是小于

的,这就是说地壳浅部坚硬岩体的自重应力,其垂直应力

总是大于水平应力

的。

即:

但是在地壳深部岩体处于上覆岩层较大荷载的长期作用下,或当浅部岩石比较软弱，

=0.5时，则

在此种情况下岩体的应力状态,即接近于所谓海姆静水压力状态了。

2.2构造应力

指由构造运动而产生的地应力。

以往的构造所形成内应力在岩体中残留下来的又叫残余应力,近期和现代构造运动所形成的还在活动的内应力又叫活动性内应力。

构造应力的基本特征是具有较高的

水平压应力。

（l）水平压应力大于垂直应力。

（2）具备各向异性十分明显,垂直折皱走向的水平压应力比沿走向的大得多。

据此可以区别于自重应力场,已有大量实测资料表明,大多数地区的地应力状态是以水平应力为主,这说明构造运动在地

壳岩体天然应力的形成中起着主导作用。

（3）在应力场随时间而变化,各时期的特点和历次变化情况,均可由遗留下的构造形迹加以辨认和确定。

构造应力场的基本要素就是最大应力

的方位与大小,以及三向应力状态类型。

2.3变异应力及其它应力

有的地应力是由于岩体的物理、化学变化而引起的,当岩体发生了变异时往往引起岩体体积变化,引起岩体中天然应力的积累和变化。

这种地应力一般仅是局部的,强度也不像构造应力那样大。

岩浆活动也常形成地应力,当岩浆侵人时沿接触带产生很大的压应力。

3原岩应力的学术价值

3.1基坑变形破坏

（l）基坑底部变形。

基坑的开挖,实际上是一种卸荷作用,使岩体的垂直应力迅速解除,导致临空上应力状态由原来的三向应力状态变为二向应力状态,因而岩体体积膨胀,慢慢松弛,产生裂隙（这就是一种卸荷裂隙）。

1933年

1942年美国大力古坝在挖基过程中花岗岩呈水平层状裂开,开挖很深都是这样,与原勘探资料岩性一致,裂隙突然增多（随开挖发展增多）。

加拿大挖一个基坑在奥陶纪灰岩内,坑深巧m,坑壁突然裂开,沿原有裂隙迅速延伸,靠近裂隙的岩层在几分钟之后向上隆起,最大隆起达2.4m,隆起轴的方向与区内最大主应力的作用方向垂直。

经实测,岩体的初始水平应力值为14MPa。

（2）基坑边坡破坏。

边坡崩坍或者滑移,这是因开挖边坡引起应力集中而发生破坏。

如甘肃某基坑边坡开挖造成边坡大规模滑移,后经调查测试,因开挖引起应力集中,其水平应力值达40MPao

又如长江上某一个水电站工程建于白至系下统岩层上、岩层倾角6o一8“,当厂房基坑挖至50m深时,发现上下游边坡均沿几个主要软弱夹层向基坑内滑移,以致原先钻凿的大口井桩基支护工程明显地破坏,滑移方向与区内地应力的最大主应力方向一致。

再如陕西汉江火石岩水电站,当坝肩基坑挖下约10

15m时,坝肩坡体产生大滑坡,剪断边坡支挡的锚固桩,滑坡宽150m左右,长200m左右,前后高差达25Om,滑动方向与区内地应力的最大主应力方向一致。

3.2开挖岸坡地应力引起变形

如意大利瓦依昂河谷深切达30m以上,岸坡由侏罗纪石灰岩组成,岩体初始应力很大,在开挖边坡过程中,由于应力的解除,岩体很大一部份脱开岩壁并发生爆裂响声,分离出的岩块厚约10cm。

向底部开挖时,在深9

18m处发生岩爆。

3.3地下开挖中的岩爆

岩爆的发生是由于岩体内积蓄有极大的应变能,开挖地下坑道使应力进一步集中,超过围岩的强度,突然释放出来,因而发生岩爆。

如加利纳矿采掘16年,发生危害性岩爆竟达128次之多,原因是该矿围岩为坚硬的石英岩,具有形成高储能体的条件。

实际测得的

，这些数值是很大的,瑞士的维塔斯电站,在开挖输水隧洞时也曾发生岩爆。

我国在工程建设中也曾多次遇到岩爆的发生。

例如成昆铁路官村坝隧道及渔子溪水电站的地下厂房等,在开挖过程中都曾有岩爆发生。

对岩爆发生的判据,现在应用最广泛的是岩爆的应力判据,采用岩石单轴抗压强度（

）与最大内应力（

）的比值进行判别,当。

>7无岩爆,,

=4

7为轻微一中等岩爆,

<4为严重岩爆。

4原岩应力应力对地下工程的影响

对于地下建筑来说,岩体初始应力及开挖后的二次应力场影响是特别明显的。

下面就三个方面进行说明。

（l）对地应力的了解有助于正确选择开挖洞室的方位和断面形状。

为了预测作用于洞室顶板,边墙和底板上的应力,必须测定岩体初始应力的大小和方向,考虑到地应力的影响。

据此选择开挖洞室方位和断面形状,使得洞室边墙内拉应力减到最小,也使压应力极度集中减至最小。

一般说来,隧洞轴线的方向平行于最大主应力方向者要比垂直者稳定得多。

如甘肃某地下巷道。

巷道围岩为超基性岩和大理岩,巷道方向为N

W,标高1250

1300m,埋深400

450m,巷道断面为马蹄形,混凝土衬砌以后不久,突然发生严重的变形破坏,拱顶剥落,侧墙内推开裂,底板隆起,在有断层破碎的地段,破坏更为严重,几次修复,变形破坏仍不停止,以致不能使用。

后来进行了地应力的研究和量测,发现岩体最大水平应力高达180

195MPa。

其方向为N

E,与上述巷道方向垂直,从而找到了巷道破坏的原因,据此修改了设计方案,将巷道方向调整为N

E方向,基本与最大主应力方向N

E平行,巷道标高1200m,埋深500m,开挖结果,其稳定性十分理想。

按理论该巷道调整后埋置深度大,而断面形式及衬砌并未改变,应该是变形破坏更为严重,结果则非,就是因为巷道方向与最大主应力方向近于平行,减少了地应力的影响,因而表现稳定。

（2）作为围岩稳定性判据。

隧道围岩丧失稳定乃是围岩二次应力与岩体强度特性的矛盾过程的发展结果。

围岩的二次应力是客观存在的,但能否造成隧道围岩的失稳破坏,要具有一定的转化条件和转化过程。

从工程设计的角度来看,这个转化条件就是所谓判据,实践证明,只有围岩的应力状态超过岩体的强度条件,才能造成岩体的塑性变形,剪切破坏、坍塌、滑动、弯曲变形等失稳的前兆。

（3）了解和认识围岩的二次应力场和位移是设计洞室支护结构的基础。

洞室开挖前岩体处于初始应力状态,开挖隧道后引起了围岩应力的重分布,形成了新的应力场,称之为围岩的二次应力状态,同时,围岩将产生向隧道内的位移。

如果二次应力状态能够满足长期围岩稳定性条件,而且围岩向隧道内的位移又不致侵人限界,那么,不设任何

支护结构,围岩也能保持长期稳定,从受力的角度来看,支护结构是不必要的,它只是用来防止围岩风化,减少通风阻力,以及作为安全储备的抵抗围岩状态恶化和特殊灾害造成的意外荷载。

否则就必须设置支护结构,从隧道内部对围岩施加约束,控制围岩变形,改善围岩的应力状态。

由此可知,支护结构在隧道结构体系中的作用与围岩的二次应力状态直接有关,随着地应力量测研究工作的进展,对围岩中存在地应力这一确切事实已经没有什么人怀疑了,现在的主要问题是要搞清楚它的分布规律。

由于产生地应力的原因非常复杂,目前,仍不

能完全认识它的规律而给出明确的定量。

还有待我们继续探索。

相信随着岩土工程实践中不断的探索,终将能认识它的规律,以防止它在工程建设中产生的危害。

5原岩应力测量方法介绍

岩体应力现场测量的目的是了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。

岩体应力测量还可以是预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具。

岩体应力测量可以分为岩体初始应力测量和地下工程应力分布测量，前者是为了测定岩体初始地应力场，后者则为测定岩体开挖后引起的应力重分布状况。

从岩体应力现场测量的技术来讲，这二者并无原则区别。

原始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受扰动的三维应力状态。

这种测量通常是通过一点一点的量出来完成的，岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标系中的六个分量（

，

）来表示，如图5-1所示。

这种坐标系是可以根据需要和方便任意选择的，但一般取地球坐标系作为测量坐标系。

由六个应力分量可求得该点的三个主应力的大小和方向，这是惟一的。

在实际测量中，每一测点所涉及的岩石可能从几立方厘米到几千立方米，这取决于采用何种测量方法。

但无论多大，对于整个岩体而言，仍可视为一点。

虽然也有测定大范围岩体内的平均应力的方法，如超声波等地球物理方法，但这些方法很不准确，因而远没有“点”测量方法普及。

由于地应力状态的复杂性和多变性，要比较准确地测定某一地区的地应力，就必须进行充足数量的“点”测量，在此基础上，才能借助数值分析和数理统计、灰色建模、人工智能等方法，进一步描绘出该地区的全部地应力场状态。

图1岩体中任一点三维应力状态示意图

为了进行地应力测量，通常需要预先开挖一些洞室以便人和设备进入测点，然而，只要洞室一开，洞室周围岩体中的应力状态就受到了扰动。

有一类方法，如早期的扁千斤顶法等，就是在洞室表面进行应力测量，然后在计算原始应力状态时，再把洞室开挖引起的扰动作用考虑进去，由于在通常情况下紧靠洞室表面岩体都会受到不同程度的破坏，使它们与未受扰动的岩体的物理力学性质大不相同；同时洞室开挖对原始应力场的扰动也是十分复杂的，不可能进行精确的分析和计算。

所以这类方法得出的原岩应力状态往往是不准确的，甚至是完全错误的。

为了克服这类方法的缺点，另一类方法是从洞室表面向岩体中打小孔，直至原岩应力区。

地应力测量是在小孔中进行的，由于小孔对原岩应力状态的扰动是可以忽略不计的，这就保证了测量是在原岩应力区中进行。

目前，普遍采用的应力解除法和水压致裂法均属此类方法。

近半个世纪来，特别是近40年来，随着地应力测量工作的不断开展，各种测量方法和测量仪器也不断发展起来，就世界范围而言，目前各种主要测量方法有数十种之多，而测量仪器则有数百种之多。

对测量方法的分类并没有统一的标准，有人根据测量手段的不同，将在实际测量中使用过的测量方法分为五大类，即：

构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。

也有人根据测量原理的不同分为应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法、重力法共八类。

但根据国内外多数人的观点，依据测量基本原理的不同，可将测量方法分为直接测量法和间接测量法两大类。

直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、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。

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应变关系。

扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法。

其中，水压致裂法目前应用最为广泛，声发射法次之。

在间接测量法中，不是直接测量应力量，而是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，如岩体中的变形或应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，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。

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。

套孔应力解除法和其他的应力或应变解除方法以及地球物理方法等是间接法中较常用的，其中套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的发展较为成熟的一种地应力测量方法。

下面就套孔应力解除法做简单介绍。

采用本方法对岩体中某点进行应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，根据应变及岩石弹性常数，即可求得该点的应力状态。

该岩体应力测定方法的主要工作步骤如图5-2。

图2钻孔套孔应力解除的主要工作步骤

1—套钻大孔；2—取岩心并孔底磨平；3—套钻小孔；4—取小孔岩心；

5—粘贴元件测初读数；6—应力解除；7—取岩芯；8—测终读数

应力解除法所采用的钻孔传感器可分为位移（孔径）传感器和应变传感器两类。

以下主要阐述位移传感器测量方法。

中国科学院武汉岩土力学研究所设计制造的钻孔径变形计是上述第一类传感器，测量元件分钢环式和悬臂钢片式两种（如图5-3）。

图3钻孔变形计

该钻孔变形计用来测定钻孔中岩体应力解除前后孔径的变化值（径向位移值）。

钻孔变形计置于中心小孔需要测量的部位，变形计的触脚方位由前端的定向系统来确定。

通过触脚测出孔径位移值，其灵敏度可达l×10-4mm。

由于本测定方法是量测垂直于钻孔轴向平面内的孔径变形值，所以它与孔底平面应力解除法一样，也需要有三个不同方向的钻孔进行测定，才能最终得到岩体全应力的六个独立的应力分量。

在大多数试验场合下，往往进行简化计算，例如假定钻孔方向与

方向一致，并认为

=0，则此时通过孔径位移植计算应力的公式为

式中，

——钻孔直径变化值；

d——钻孔直径；

——测量方向与水平轴的夹角（如图5-4）；

E，

——岩石弹性模量与泊松比。

图4孔径变化的测量

如果在0°，45°，90°三个方向上同时测定钻孔直径变化，则可计算出与钻孔轴垂直平面内的主应力大小和方向：

（

式中，

为

与

的夹角，但判别式小于0时，则为

与

的夹角。

式中用符号

，

而不用

和

，表示它并不是真正的主应力。

而是垂直于钻孔轴向平面内的似主应力。

在实际计算中，由于考虑到应力解除是逐步向深处进行的，实际上不是平面变形而是平面应力问题，所以公式（4-17）可改写为

地应力测量是一项必须十分认真细致的工作，任何工作环节的失误都会给测量结果带来误差。

地应力测量包含多个技术环节：

一是需要精确可靠的传感器及数据采集系统；二是要科学合理地选择地应力测量地点；三是对钻孔平直度、孔径偏差、大小孔同心度和钻机操作等有很高的要求。

地应力测点的选择应遵守下列原则：

（1）由于地应力测量计算是以线弹性理论为基础的，所以应将测点布置在完整或尽量完整的岩体内，一般要远离断层，避开岩石破碎带、断裂发育带；

（2）远离或尽量远离较大开挖体，如大的采空区大硐室等；

（3）避开巷道和采场的弯、拐、叉、顶部等应力集中区，保证应力测点必须位于原岩应力区，即原岩应力状态未受工程扰动的地区；

（4）为了研究地应力状态随深度变化的规律，测点应尽量布置在多个水平；

（5）为了研究地应力对特定巷道布置的影响，测点应尽量靠近这些区域；

（6）钻孔至少应有3～5°的仰角，以便排水；

（7）另外，对于所选测点，不但水电供应方便，而且要有足够的空间容纳钻机。

地应力测量步骤

根据空心包体应变计解除法的原理，具体现场测量步骤如下：

图5现场地应力测量步骤

（1）使用SGM—1A型地质钻机，配φ42mm接长钻杆，运用特制的取心套筒及钻头（φ130mm），在所测巷道壁上打直径为130mm的水平钻孔，至巷道跨度的3－5倍深处，以保证应变计安装位置位于原岩应力区。

钻孔上倾3－5°，以便冷水流出并易于清洗钻孔。

图6钻取130mm大孔

（2）用平钻头将孔底磨平，并用锥形钻头打出喇叭口，然后从孔底打直径为36mm的同心小孔，小孔深35－40cm。

小孔打好后，用水冲洗干净，再用酒精或丙酮擦洗。

（3）安装应力计。

在安装应力计之前做好准备工作，包括粘结剂的配制，钻孔深度的计算，安装深度的控制等。

准备工作就绪后，用粘结剂注入应力计的内腔内，固定好柱塞，用带有定向器的安装杆将空心包体应变计送入小孔中预定位置，推断固定销，将粘结剂从应力计内腔挤出进入应力计与小孔之间的间隔中，等到粘结剂固化后，记下应力计的偏角以及钻孔的方位和倾角。

图7通过定向器安装应力计

（4）待胶结剂固化后，即可进行应力解除试验。

在解除之前，将应力计接上电阻应变计，然后注水，这时应力计读数会有所变化，待读数稳定后对电阻应变计进行调零，再开始进尺。

在套心过程中进行监测，每隔3cm进行一次仪器读数，待读数不随进尺变化时（大约为钻头超过应力计中心45°角）停止套心。

套心结束后，取出带有应力计的岩心。

图8带有应力计的岩心

岩体应力测量是研究岩石力学问题的一个至为重要的手段。

从地下工程及矿山建设的要求出发,要求测定岩体初始应力场的各应力分量,并计算出主应力及其方向。

若垂直应力为主应力之一,并使巷道方向平行于一个水平主应力,则只需两个穿过爆破裂隙区的表面应力解除测量即可求出岩体初始应力场的三个主应力。

若不知主应力方向,则需三个互相斜交钻孔孔底应力解除,才能确定一点的三个主应力。

经过几年试验研究,孔底应力解除测量已比较完善。

目前,编制一个由观测结果直接按平差原理处理数据的电子计算机程序是必要的,既可减少繁杂的计算工作,又能提高计算精度。

另外,用此种方法确定一点的应力状态需要钻三个斜交钻孔,时间和费用较多。

而单孔孔周粘贴三组电阻片应变花的孔周应力解除方法是很有前途的,用一个这样钻孔即可确定岩体的应力状态。

目前,我们正在这些方面进行探索。

结语

利用套孔应力解除法测量矿山原岩应力的方法属于孔壁应变测量法的一种,它的突出优点就是通过在一个测点的测量便可得到所测矿山岩体的三维地应力状态。

并且它能根据工程和地质上的需要,测量不同深度的地应力状态,测量深度可以达到数百米,实测数据众多,可建立地应力状态空间信息网络,是研究原岩应力场及其变化规律的重要依据,在地下矿山岩体原岩应力的测量中得到了广泛的应用。

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