岩体应力_百度百科
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岩体应力，由于地壳中岩层重叠,并受长期的地质构造作用,岩体中各点的应力不同，可认为是空间和时间的。
岩体应力定义
岩体应力，由于地壳中岩层重叠,并受长期的地质构造作用,岩体中各点的不同，可认为是空间和时间的函数。
岩体应力分类
地壳中岩体应力分布状态称原岩应力场。岩体应力是分析判断岩土工程稳定性和采矿工程结构的基础资料。影响岩体应力形成的因素为：岩石的物理力学性质、地质构造及活动过程、地形条件、地下水、瓦斯以及人类生产活动等。岩体应力场主要由自重应力场、构造应力场以及因采掘工作引起的次生应力场构成。
自重应力场 金尼克（Α．Н．Динниκ）于 1925年根据均质各向同性线弹性体假设，提出原岩应力计算公式:垂直方向主应力等于单位底面积上的岩土体自重,即σz=αZ,式中α为上覆岩层的平均容重,Z为深度。两个水平方向主应力σ x=σ y=λ σ z，侧应力系数λ=μ/（1-μ），式中μ为泊松比，一般岩土体的μ≈0.2～0.3，λ≈0.25。1912年,海姆(Heim)从岩土体有流变性出发,认为原岩体大都处于各向等压即静水压力状态，也可认为距地表深度较大时，因岩石呈塑性状态μ=0.5，λ=1岩体也会处于静水压力状态：σ x=σ y=σz。
构造应力场 使初始呈水平沉积地壳形成山峦重叠的构造体系和构造型式的应力场。20世纪30年代中国地质学家李四光指出，自转速度变化，会在地壳中产生东西方向和南北方向作用的水平力。水平方向两个应力的数值和（σ x+σ y）远大于垂直应力的数值 σ z。50年代以后，随应力测量技术发展，美、苏、加、澳、中等国根据实测资料揭示，大多数情况下原岩水平应力比垂直方向主应力大1～3倍或更大；两水平轴向的主应力也并不相同，比值为0.3～0.8；垂直方向应力通常等于自重应力，有时为自重应力的1.5～3倍。原岩主应力方向，常稍偏离垂直和水平方向，这主要是受地质构造运动残余应力场的影响。
次生应力场 巷道开掘,破坏原岩体的应力平衡,应力重新分布后形成的应力场见图（图中符号所代表的量见自重应力场）。沿巷道断面水平轴线方向，应力重分布的特点见图左部：剪应力增加的幅度，靠近巷道周边最大，越远越小。应力变化的数值，随岩性、深度、巷道断面形状和尺寸、开采条件和时间等因素而定。在巷道围岩的某些局部，由于原岩垂直应力与水平应力的比值、巷道断面形状、尺寸及岩体产状的不同，可能出现对巷道稳定极为不利的拉应力。应力重新分布时，巷道围岩释放潜能，迫使围岩向巷道空间移动。此后，如最大应力不超过岩石强度条件,围岩可自稳；否则,在围岩中将出现大小不等的破裂松动区,见图1右部。在松软岩石中，破裂过程的扩容为原体积的0.05～0.40，所造成位移的总量达10～50cm以上。
岩体、的特征之一，是达到破裂极限后的应力急剧降低，巷道围岩破裂区内的应力降为残余应力，形成应力降低区。由于该区内的部分岩体丧失承载能力，致使上覆地层重力绕过该区转嫁到邻近区域，与原有应力叠加,形成应力升高区。应力降低区与升高区,合称巷道影响区。其范围约为巷道断面最大尺寸的3～5倍。以应力升高值刚超过原岩应力5%的地方,作为巷道影响区的边界。开巷后应力升高区的应力与原岩应力的比值 K，称应力集中系数。方形或矩形断面巷道的直角拐点，理论上的K值为无限大。由于施工原因,该点处实际总是略呈圆弧,K值降为5～7,但仍比圆形、椭圆形断面的应力集中系数为大。
在受到采场围岩应力场的影响时，巷道围岩应力场会再次重新分布，导致应力叠加。这种影响称为采动影响。采准巷道经受采动影响后，它的应力场将更为复杂。
原岩应力主要用“应力解除”和“水力压裂”等方法实测确定。巷道围岩的应力场可用弹塑性力学、有限元法、边界元法、流变学等理论和数值方法，光弹、全息光弹、相似材料模型、离心模型模拟方法，以及与上述实测方法等结合研究。
L.Obert & W.L.Duvall,Rock Mechanics and the Design of Structures in Rock,John Wiley & Sons,New York,1967.
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结构应力分析
结构应力分析
structural stress analysis研究拱坝坝体和地基在各种荷载作用下的应力和变形的方法。 在拱坝设计中, 拱坝体形和厚...拱坝的应力分析，包括数学分析、结构模型试验和原型观测。原型观测是在已建成的坝上进行观测，了解其工作安全状况，校验设计结果，并为以后的科学研究提供资料
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&1、 基本原理
&&&& &利用地质、钻井和测井资料, 以及地震弹性参数反演技术反演的拉梅常数和剪切模量等参数模型, 建立地质模型、力学模型及数学模型，运用三维有限差分数值模拟方法对应力场进行模拟, 研究构造、断层、地层厚度、区域应力场等地质因素与裂缝分布的关系, 预测有关的裂缝分布。通过地层应力场分析，可以预测构造成因的裂缝在研究区域的发育特征。
&&&&& 应力场的概念：地壳中或地球体内，应力状态随空间点的变化，称为地应力场，或构造应力场。地应力场一般随时间变化，但在一定地质阶段相对比较稳定。研究地应力场，就是研究地应力分布的规律性，确定地壳上某一点或某一地区，在特定地质时代和条件下，受力作用所引起的应力方向、性质、大小以及发展演化等特征。随着地质演化，一个地区常常经受多次不同方式的地壳运动，导致同一地区内，呈现出受不同时期不同形式地应力场作用所形成的各种构造及其叠加或改造的复杂景观。因此，只有最近一期地质构造，未经破坏或改造，才能确切地反映这个时期的地应力场。
&&&& &应力场可按空间区分为全球、区域和局部地应力场；按时间区分为古地应力场和今地应力场；按主应力作用方式区分为挤压、拉张和剪切地应力场。
　　同样，地层应力场分析预测裂缝的理论基础是构造力学。针对背斜等张裂缝的储层构造，从构造力学出发，利用地层的几何信息（构造面）、岩性信息（速度、密度），估算出地层的应力场，包括地层面的曲率张量，变形张量和应力场张量，从而得到主曲率、主应变和主应力。
　　地层应力场与油气藏形成分布的关系：在含油气盆地内开展地应力场研究，直接关系到油气生成、运移、聚集、保存或破坏等全过程的研究。从国内外研究现状分析，地应力场研究与油气藏形成分布存在下列关系：
（1） 地应力场的性质控制着烃源岩有机质成熟演化的力学化学效应；
（2） 地应力场的性质影响着烃源岩和储集岩微裂缝的形成分布、储集层次生孔隙发育带的形成分布；
（3） 地应力场特征影响着油气初次运移和二次运移的方向、通道及强度；
（4） 地应力场形成、演化直接控制各类二级构造带、各类构造圈闭、断层、裂缝以及地层不整合的形成与演化，影响油气运移和聚集，与油气藏的形成、类型及分布有密切关系；
（5） 地应力场的发展变化与油气藏的保存或破坏也有着紧密联系。
&&&&&& 总之，地应力场的特点与演化，对含油气盆地内油气藏、油气田、油气聚集带的形成、类型及分布具有重要的控制作用。所以，可以这样说，地应力是油气运移、聚集的动力之一；地应力作用形成的储层裂缝、断层及构造是油气运移、聚集的通道和场所之一；古应力场影响和控制着古代油气的运移和聚集，现代应力场影响和控制着油气田在开发过程中油、气、水的动态变化；现今地应力的研究可为注采井网的部署、调整及开发方案设计提供科学的背景资料，等等。
　　应力场中的各术语解释如下：
　　构造曲率：表示构造面梯度变化的快慢。
　　最大主应变：表示形变的大小。张应变（+）：与裂缝强度有关；压应变（-）：表示地层压实变形。
　　最大主应力：压应力（+）：平行裂缝方向；张应力（-）：平行裂缝法向方向。
　　应力方向角：表示最大主应力方向，与张应变结合，可以表示裂缝的发育方向。
2、 实例图示
图2　区域应力场分析（右）及其FMI测井地应力分析（左）对比示意图
版权所有：恒泰艾普石油天然气技术服务股份有限公司 LandOcean Energy Services Co.,Ltd.京ICP备号构造地质学
构造地质学&第二章&第四节
第四节 岩石脆性变形构造与变形过程
　　当应力达到岩石强度极限时，岩石就会发生破裂而破坏，在破裂之前岩石未出现任何永久变形，岩石的这种变形作用称为脆性变形作用。岩石脆性变形作用发生和发展都遵循一定的规律，并受到岩石圈的流变学性质及应力状态的制约和环境因素的影响。岩石脆性变形作用在地壳浅部层次中广泛发育，形成了各种样式的节理和断层构造。本节旨在讨论岩石破裂发生的条件和制约因素，以及岩石脆性变形形成的各种节理和断层的地质特征。
一、岩石脆性破裂形成过程及控制因素
　　岩石破裂源于微裂隙的形成、扩展、集结、发展为宏观破裂。从微裂隙生长到宏观破裂经历了复杂的力学和物理过程。
1． 亚临界裂隙生长
　　宏观破裂前的微裂隙称为亚临界裂隙，控制其生长的主要因素是应力强度因子（K）。应力强度因子是对给定几何形态和载荷条件下裂隙末端应力场的度量，当裂隙末端的局部应力超过岩石的临界应力强度因子（Kc）时，裂隙就开始扩展。岩石破裂强度取决于单个裂隙的性质、应力集中的初始密度、分布及化学和热环境。
一般情况下，在应力强度因子（K）&临界应力强度因子（Kc）时，亚临界裂隙生长表现为缓慢的、依时间而变化的裂隙生长过程，而当K
&Kc时，裂隙加速扩展。促进亚临界裂隙生长的机制可能有以下几种（图2-4-1）：
（1）弹性应变能积累（图2-4-1a-2），是与快速破裂扩展有关的主要机制。当裂隙末端出现应力集中，随之发生弹性应变能积累，弹性应变能控制着裂隙扩展。破裂的发育有追踪岩石中软弱部位的趋势，或者穿切颗粒并追随劈理方位，或者沿粒间而利用粒间边界。现存的表面裂隙、裂痕、颗粒边界空隙和孔隙的频率、方位、形态和分布都可能影响着由于突发破裂扩展而破坏之前所积累的应变量。弹性应变能积累是与快速破裂扩展（脆性破坏）有关的主要机制。
图2-4-1 岩石破坏前作用分类（据Knipe，1989）
Fig. 2-4-1 Processes before failure of rocks (from Knipe, 1989)
1-破坏曲线；2-弹性应变积累；3-位错相互作用；4-蠕变-空隙生长；5-水力破坏；6-应力侵蚀；8-动力裂隙生长；9-亚临界裂隙生长Pf-流体压力；t-时间；Vc-裂隙扩展速率；K-应力强度因子；Kc-临界应力强度因子；Ko-初始应力强度因子；e-应变率；e-应变
（2）晶质塑性作用（图2-4-1a-3），致密位错缠结或高密度双晶发育，从而限制晶质塑性引起的进一步变形，并且有可能导致破裂的急速加工硬化，这时晶质塑性可能有助于破裂作用。此外，在多晶集合体中，不同晶体因其结晶方位和滑移系不同，导致相邻颗粒之间出现应变不协和性，从而诱发颗粒边界裂隙。
（3）扩散作用（图2-4-1a-4），在张开的颗粒边界或三节点处，点缺陷和空位集中，空位扩散作用可导致空隙的发育，从而引起破坏。此外，杂质向颗粒边界的扩散也可能导致颗粒边界的脆化和破裂。
（4）相转变和化学反应，通过产生具不同体积的产物到反应物中，诱发集合体内的应力集中，应力集中可能引起空隙的形成，从而导致破坏。
以上四种机制归为第一类亚临界裂隙生长机制（图2-4-1a）。这类机制可能是在不同应变率条件和没有流体参与的变形期间发生的。图中箭头指示破裂线位置随温度和压力增大而变化的方向。
（5）水压破裂（图2-4-1b中5），是由于流体作用的存在诱发破裂的出现。当有效应力大于岩石强度时，流体压力引起水压破裂或破裂扩展。流体化学对破裂扩展的控制在于，它通过裂隙末端发生化学腐蚀和反应，导致亚临界裂隙生长，从而引起破裂扩展。
（6）应力侵蚀（图2-4-1b中6），在裂隙末端经受应变的硅-氧键被赋以优选位置，这样有利于化学反应进行。硅-氧的水解作用通过减弱氢键合的羟基团置换强原子键而引起裂隙扩展。这种机制引起破坏所处的条件其范围可能很宽。例如，由晶质塑性或扩散作用引起的空隙生长可能容许流体渗入，从而导致应力侵蚀，或者由于位错蠕变引起的内部应变能的增大，从而可能增大裂隙末端的反应和侵蚀速率。
　　以上两种机制可归为第二类，这类机制在流体参与下进行。图中箭头指示当流体化学性质变得具更多侵蚀组分或应力强度因子增大期间破裂线位置运动方向。
弹性应变能积累是导致快速破裂扩展的主要机制，而在突发破裂所需临界应力水平以下，在以低速扩展的亚临界裂隙生长中，上述所有其它机制都起着作用。亚临界裂隙生长是缓慢的裂隙生长过程，常常是由快速裂隙生长引起大破裂的前兆。
图2-4-2 典型的应力-应变曲线（a）和岩石扩容（b）（据Mandl，1988）
Fig. 2-4-2 Stress-strain curve and volume-gain (from Mandl, 1988)
τ.剪应力；ε剪应变；τr 剩余应力；τy屈服应力；τp极限应力；Ac-Di累积扩容；Dimax在τp扩容率达到的极大值
2. 岩石脆性破裂过程
　　在脆性域内岩石受压缩条件下的破裂过程分为四个阶段：①岩石内裂隙闭合阶段，岩石载荷导致岩石内原有微裂隙闭合，应力-应变曲线呈上凹形态，岩石收缩（图2-4-2中扩容为负值）；②弹性变形阶段，岩石载荷发生颗粒和孔隙变形，应力-应变曲线呈线性关系，这基本上是一种可逆过程；③微裂隙生长及岩石扩容阶段，应力超过弹性极限之后，应力-应变开始出现非线性特点。应力达到屈服应力（τy）水平，岩石继续载荷引起微裂隙稳定扩展，致使岩石扩容，同时伴有颗粒微应变。单个微裂隙的长轴方向有朝平行最大主应力发展的趋势，而且基本上是张性裂隙。应力超过屈服应力继续升高，出现应变硬化，摩擦剪切强度发生变化。应力达到极限应力（τp），应变硬化随之消除，岩石扩容达到极大值（图2-4-2
b中扩容为正值）。在这一阶段，声发射现象骤增，弹性波速减小以及其它变化表明，变形已明显偏离理想弹性；④宏观破裂形成、发展阶段，应力超过极限应力之后，应力下降出现应变软化，剪切强度逐渐减小，直到岩石里最终可见的宏观破裂。应力下降到接近剩余应力（τr）水平，应变软化随之消失，岩石扩容减至最小，岩石破坏。在这一阶段，在有些情况下，出现与主压应力方向平行的张破裂；在更多情况下，出现与主压应力斜交的剪破裂，它们由沿潜在的剪切面排列的张性微破裂发展而成。
二、岩石节理
　　节理是岩石中的裂隙，是没有明显位移的断裂，也是地壳上部岩石中发育最广的一种构造。节理的研究在理论上和生产上都具有重要意义。节理有时被作为有用矿物的运移通道，有时也是含矿构造，节理也是岩石中地下水运移、渗透的通道和储聚场所。大量发育的节理常常引起水库的渗漏和岩体的不稳定，给水库和大坝等工程带来隐患。理论上研究节理的形态特征、产状、成因、展布规律及与其它构造的关系，有助于探讨区域地质构造特征，揭示构造演化历史和恢复古构造应力场
1．节理的分类
节理的分类主要依据两个方面：节理与其它构造的几何关系和节理形成的力学性质。节理的几何分类也往往在一定程度上反映了其力学成因。
（1） 几何分类
节理经常同其它构造，如褶皱、断层等相伴出现，或作为它们的派生构造而存在的。因此几何分类的主要依据就是节理与其它构造在空间方位上的关系。
A．根据节理与所在岩层产状要素的关系，可将节理分为：
走向节理-节理走向与所在岩层走向大致平行
图2-4-3节理分类示意图
Fig. 2-4-3 Diagram for the classification of joints
①、②为走向节理或纵节理；③为倾向节理或横节理；
④、⑤为斜向节理或斜节理；⑥为顺层节理
　　倾向节理-节理走向与所在岩层走向大致垂直
　　斜向节理-节理走向与所在岩层走向斜交
　　顺层节理-节理面大致平行于岩层层面
　　B．根据节理与褶皱轴的关系，可以将节理分为：
　　纵节理-节理的走向与褶皱枢纽平行
　　横节理-节理的走向与褶皱枢纽直交
　　斜节理-节理的走向与褶皱枢纽斜交
　　上述两种分类在某些情况下，如对于没有倾伏褶皱发育的情况而言，常两两吻合，即走向节理相当于纵节理，倾向节理相当于横节理（图2-4-3）。
此外，还可从节理面倾斜与所在岩层层面倾斜的关系将节理分为垂直层面节理，斜交层面节理及顺层节理。对于发育在水平岩层或近水平岩层中的节理，一般根据节理的走向划分，如北东向节理、北西向节理等。
（2） 节理的力学性质分类
　　节理是在一定的力学条件下产生的破裂构造，与岩石破裂的两种主要方式对应。节理破裂主要有两种基本类型，也即剪节理和张节理。
图2-4-4 湖北黄陵背斜南部寒武系灰岩中剪节理羽列现象平面素描（据马宗晋等）Fig.
2-4-5 En echelon joints in Cambrian limestone from the Huangling
anticline, Hubei province 左图为右行 右图为左行
图2-4-5 剪切实验形成的两组（A组与B组）共轭剪节理Fig. 2-4-6 Conjugate
shear joints formed in a shear experimentsA组羽列微剪裂面与主剪裂面（MN）夹角为α，不超过15°
　　剪节理 剪节理是由剪应力产生的破裂面，具有以下主要特征：（a）剪节理产状稳定，沿走向和倾向延伸较远。（b）剪节理面平直光滑，有时剪节理面上具有滑动留下的擦痕，剪节理未被矿物质充填时是平直闭合裂隙，如被充填，脉宽较均匀，脉壁较为平直。（c）发育于砾岩和砂岩等岩石中的剪节理，一般穿切砾石和胶结物。（d）典型的剪节理常常组成共轭X型节理系。X型节理发育良好时，则将岩石切成菱形、棋盘格式。如果只一组节理发育，构成平行延伸或斜列式延伸的节理组。剪节理往往成等距排列。（e）主剪裂面由羽状微裂面组成，往往一条剪节理经仔细观察并非单一的一条节理，而是由若干条方向相同首尾相近的小节理呈羽状排列而成。沿小节理走向向前观察，后一条小节理重叠在前面一条小节理的左侧，为左行（或称左旋），反之为右行（或称右旋），由此可以判断两侧岩石相对运动方向（图2-4-4），如图中箭头所示。羽状微裂面与主剪裂面交角一般为10°-15°，相当于内摩擦角（φ）的一半，图2-4-5是剪切实验形成的两组羽列剪节理A与B。A组微剪裂面与主剪裂面MN夹角为α，指示本盘错动方向。B组微剪裂面与MN夹角为γ角。
X型节理系是剪节理的典型形式，两组剪节理的夹角为共轭剪裂角，交线代表σ2，节理的夹角平分线分别代表σ1和σ3。X型节理与主应力的关系是对节理进行应力状态分析和探求应力场的依据。多年来地质学家几乎总认为X型节理的锐角分角线与σ1一致，即剪裂角小于45°。可是实际观察发现，共轭剪节理的共轭剪裂角有时可能等于甚至大于90°，即剪裂角等于或大于45°。对此一些地质学家作了不同解释，这里要强调指出的是，不应简单地把X型节理的锐角分角线作为σ1，在韧性变形岩石发育地区以及多次强烈变形地区应当审慎。
图2-4-6 湖北白垩-第三系砂岩中张节理的侧列现象
Fig. 2-4-6 Joint association in Cretaceous-Tertiary sandstones from
图2-4-7 江苏江宁受两组共轭剪节理控制的锯齿状追踪张节理铁矿脉
Fig. 2-4-7 Tracing-tension-joints along conjugate shear joints
filled with iron ores from Jiangning, Jiangsu Province
　　张节理是由张应力产生的破裂面，具有以下主要特征：（a）产状不稳定，延伸不远。单条节理短而弯曲，节理常侧列出现（图2-4-6）。（b）张节理面粗糙不平，无擦痕。（c）在胶结不甚坚实的砾岩或砂岩中张节理常常绕砾石或粗砂粒而过，如果穿切砾石，破裂面也凹凸不平。（d）张节理多开口，一般被矿脉或岩脉充填，脉宽变化较大，脉壁平直或粗糙不平，脉内矿物（如石英）常常呈梳状结构。（e）张节理有时呈不规则树枝状，各种网络状，有时也追踪X型节理形成锯齿状张节理（图2-4-7），单列或共轭雁列式张节理，有时也呈放射状或同心状组合形式。
2．节理组合与节理系
　　一次变形作用形成的节理一般是有规律的，并且是成群产出，构成一定的组合型式，即节理组和节理系。
　　节理组是指在同一构造变形事件中，同一应力场内形成的产状基本一致且力学性质相同的一组节理。在同一构造变形事件中，同一应力场内形成的两个或两个以上的节理组，则构成节理系，如X型共轭节理系等。对于在同一次构造变形事件中，同一应力场内形成的产状呈规律性变化的一群节理，也称节理系，如放射状节理或同心状节理。
3．节理的分期
　　一个地区的所有节理一般是长期多次构造活动的产物，为了探讨该地区的构造变形史和古构造应力场演化，常常进行节理的分期。分期就是将一个地区不同时期形成的节理，即自成岩期、成岩后变形前以及各变形期中形成的所有节理进行形成时间顺序上的划分，组合成一定系列，为研究一个地区的构造演化和恢复古应力场提供一定依据。
　　节理的分期主要依据两个方面，节理的交切关系和各期节理之间的组合关系。节理组的交切关系表现为节理的错开、限制、互切和追踪。后期节理常切过早期的节理，如果一组节理延伸到另一组节理前突然中止，这种现象叫做限制。被限制节理组形成较晚。如果两组节理彼此截切，表明两组节理是同时形成的，有时呈共轭关系。至于节理的追踪，是后期节理顺早期节理追踪发育，并常常加以改造。因此，一些晚期节理比早期节理更明显、更完整。
　　节理的配套是指在统一应力场中形成的各组节理的组合关系。如一对共轭剪节理及其共生的张节理组成一套节理。节理配套是划分节理期次的良好依据。
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高等钢结构作业
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