水利工程岩土工程质量检测培训教材

工程岩土工程质量检测

水利工程岩土工程质量检 测培训教材(白世伟 周火明等) 2007年8月

工程岩土工程质量检测

第六章

岩体应力测试孔壁应变法测试 孔底应变法测试 孔径变形法测试 水压致裂法测试 表面应变法测试 岩体应力测试套钻孔应力解除法实测 数据整理说明

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节

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第六章

岩体应力测试

岩体应力泛指岩体内部存在的应力。在天然状态下， 岩体内部存在的应力，称为岩体初始应力、天然应力或岩 体原始应力，在地质学中通常都称为地应力。岩体被扰动 后的应力称为二次应力或围岩应力(对地下洞室而言)。

岩体初始应力不仅与岩体自重、地质构造运动有关， 而且与地形地貌、成岩过程的物理化学变化、地温梯度、 岩体特性等有着密切的关系，它随着地壳岩体所处的位置 和时间不同而变化，因此它是一种复杂的综合性的应力状 态。岩体应力的成因大致有岩体自重、地质构造运动、地 形地貌、剥蚀作用和封闭应力等五个方面，其中主要成因 为岩体自重应力和地质构造应力。

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世界范围内地应力分布的一些基本规律 性主要有以下几点：垂直应力σv /MPa

(1) 实测铅垂应 力基本等于上覆岩 层重量。H.K.布 朗总结全世界有关 铅垂应力σv资料表 明，在深度为252700 m范围内，铅 垂应力σv随深度大 致按岩石重度的比 率线性增加(图 6.0-1)。

地表下深度H/m 图6.0-1 地应力与岩体埋藏深度 关系曲线

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(2) 水平应力σh普遍大于铅垂应力σv。 据实测资料统计，最大水平应力与铅垂应 力的比值，即侧压系数λ一般为0.5-5.5,大 部分在0.8-1.2之间，总的来说，水平应力 σh多数大于铅垂应力σv。

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(3) 平均水平应力与铅垂应力的比值λ是随深度而变 化的，Brown E.T. 和Hoek E.根据各地实测资料概括 为如下经验公式(见图6.0-2): 100/H+0.30≤λ≤1500/H+0.5从已有的资料来 看，在深度不大的情 况下，λ的变化范围很 大，平均水平应力与 铅垂应力之间不存在 固定的关系。随着深 度的增加，λ值分散度 变小，并且趋向于1, 表明深部极大时岩体 可能处于接近于静水 压力的状态。平均水平地应力与铅垂地应力的比值

地表以下深度H/m 图6.0-2 侧压力系数与深度关系

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(4) 最大水平主应力方向与地质构造的 关系。现代岩体中最大水平主应力方向， 主要取决于现代地质构造应力场，与历史 上曾经出现过的地质构造应力场不存在必 然的联系，它们之间的关系比较复杂，通 过对地质结构面的力学性质及其组合关系 分析和地质力学分析，才可以初步判断地 质构造应力场的主压应力方向。

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关于岩土工程地应力场： (1)自重应力。假定岩体简化

为均质半无限 弹性体，忽略地质构造和地形变化对岩体初始应 力的影响，自重应力引起的应力场随深度的变化 如图6.0-3所示，其量值为 σz'= γH,σx'=σy'=λγH 式中：λ为侧压系数，可根据半无限体侧向变形 为零的条件求得：图6.0-3 自重应力场的变化规 律 λ=μ/(1-μ)

图6.0-3 自重应力场的变化规律

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(2)构造应力。按照板块运动(大陆漂移) 学说，地质构造应力一般认为是水平向作用力。 假定地质构造应力S为沿水平轴x方向作用，即 坐标轴x,y,z都与应力场的主方向一致，它随 深度的变化如图7.0-4所示。

x

图6.0-4 地质构造应力场的变化规律

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(3)岩体初始应力场。一般情况下岩体初始 应力场为岩体自重引起的应力场与地质构造运动 引起的应力场的叠加(忽略岩体初始应力场的次 要组成成分),取自重应力场的主轴与地质构造 应力场的主轴一致，它随深度变化如图6.0-5所示， 规律如下： ① 岩体初始应力场的各应力分量，除靠近地 表以外，沿深度的变化均可用线性方程来概化， 即沿深度呈直线变化；

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② 在岩体初始应 力场中，大主应力σ1 在浅层为水平向，到 达较大深度后转变为 铅垂向；中主应力σ2 或小主应力σ3在浅层 为铅垂向，到达较大 深度后转变为水平向。 它们由两个直线段组 成，其转折点深度为 临界深度；

图6.0-5 初始应力场变化规律

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③ 在临界深度以上岩体初始应力场是 以地质构造应力场为主导，大主应力为水 平向，其量值随深度增加的幅度较小。在 临界深度以下，就转变以自重应力场为主 导，即大主应力为铅垂向，其量值随深度 增加的幅度较大。临界深度附近，存在一 个主应力方向逐渐调整变化的过渡带。

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④河谷应力场，水电工程多建于河谷地区， 其应力场分布有独特的规律，见图6.0-6。

图6.0-6 河谷地区地应力场分布规律

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(4)二次应力场当在岩体内或在基岩上修建工程时，由于施工开挖，改 变了岩体的初始边界条件，使岩体内的能量得到释放，从而 引起围岩的应力重分布，形成新的应力状态，产生围岩变形 或破坏。如在地下工程中(地下厂房，矿山，公路、铁路隧 道),常因开挖而引起围岩失稳；在水工大坝基岩中常因开 挖卸荷而造成基岩变形或位错等。为了评估岩土工程的稳定 性，必需研究二次应力场。 为了分析岩土工程的二次应力场，首先必需知道岩体初 始应力状态。因此岩体初始应力是岩体工程勘测设计所必须 的基本资料。而岩体初始应力场只能通过现场实测获取，这 就是为什么岩体应力测量成为岩土工程研究领域不可缺少的 重要技术。

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1912年瑞士地质学家海姆(A.

Heim)首次提出了地应力 的概念，并假定地应力是一种静水应力状态(海姆假定),即 地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积 上覆岩层的重量，即自重应力。 金尼克和朗金(W. J. M. Rankine)分别修正了海姆的静 水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力等于自重应力，而侧 向应力(水平应力)应为自重应力乘以一个修正系数。 上世纪20年代，我国地质学家李四光就指出水平应力分量 的重要性远远超过垂直应力分量。50年代，哈斯特(N. Hast)首 先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力测量工作，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，而且最大 水平主应力一般为垂直应力的1-2倍，甚至更多。

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后来的进一步研究表明，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。

由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运 动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造， 另外，地应力场还受到其他多种因素的影响，因而造成了地 应力状态的复杂性和多变性。即使在同一工程区域，不同点地应力的状态也可能是 很不相同的，因此，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， 最有效的方法就是在现场进行岩体应力测试，包括岩体初始 应力测试和洞室围岩应力测试等。

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―应力” 不能直接去度量和观察，而只能通过测 量其间接量(例如应变、变形或其他物理量等)来确 定。 早在上世纪三十年代初期，人们就曾利用测量 洞壁的应变来计算岩体的初始应力状态，特别是 1964年李曼(E.R.Leeman)研究了挡门器和三向应 力测量仪器，并为世界各国所采用，开创了岩体应力 测试的先河。 我国自上世纪六十年代初期开始进行岩体应力 测试，到现在经历了四十多年的发展，在广大科技工 作者的努力下，开发和推出了多种测试方法，测试技 术也不断改进，测量深度也在不断增加。

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早期的地应力测量一般是在岩体的表面进行，分为表 面应力恢复法和表面应力解除法两种。扁千斤顶法是表面 应力恢复法的代表，而中心钻孔法和平行钻孔法则为表面 应力解除法的代表。

表面应力测量一般都在开挖洞室岩体表面进行，只能 测量岩体表面的一维或二维应力状态，而这种应力状态还 受到开挖扰动影响，并非原岩应力。因此这类方法不能正 确确定测点处的原岩应力状态。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，这就保证了测量在原岩 应力区中进行。这类方法称为“钻孔测量法”,目前普遍 采用的应力解除法和水压致裂法均属此类方法。

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岩体应力测试的方法很多，各有其适用范围。就其测 试的物理量来分，有直接法和间接法；就其测量部位来分， 有孔内法和表面法；就其测试元件来分，有机械式、电阻 式、电感式等。

目前测量地应力的主要方法有：岩体表面地应力测量、 套钻孔应力解除法地应力测量、水压致裂法地应力测量和 声发射(AE)地应力测量等几大类。各大类又可细分出许多测量方法。如岩体表面地应力 测量又可分为岩体表面应力解除法和岩体表面应力恢复法； 套钻孔应力解除法地应力测量可分为钻孔孔壁应变法、钻 孔孔底应变法和钻孔孔径变形法。随测试原理和测试仪器 不同还可分为二维地应力、三维地应力、浅孔地应力和深 孔地应力测量。

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第一节一

孔壁应变法测试

钻孔套心应力解除技术

钻孔套心应力解除技术是岩体应力测试的基本方 法。孔壁应变法是套孔应力解除技术的一种应用， 此外孔径变形法亦属此例。

钻孔套心过程就是围岩应力释放过程，测量套孔 前后中心孔孔壁应变的变化量，计算出测点处岩体 的应力状态。 套孔应力解除技术工法示意如图6.1-1。

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图6.1-1 套孔应力解除过程示意图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ji44.html