岩石力学RockMechanics教师：蔚宝华联系电话：010-89733911-11电子邮箱：yubaohua73@126.com第一节第一节概概述述一、天然应力的概念1.天然应力：人类工程活动之前，天然状态下，岩体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。2.重布应力：人类进行工程建设将引起一定范围内岩体初始应力的改变，工程建设扰动后的岩体应力称为重布应力或二次应力。第一节第一节概概述述++++++++++++++++++∧天然应力σθσθ→←↓↑σθ重分布应力概概述述一般情况下一般情况下主地应力表示方法主地应力表示方法地表垂直主应力σHv水平最小主应力σh水平最大主应力σH概概述述†地应力是场函数†地应力又称为地应力场†有大小和方向水平最小大地应力水平最大地应力二、天然应力的构成及起源1.构成：•岩体自重→自重应力•构造运动→构造应力•流体作用→渗流应力•其它（地温、地球化学作用等）二、天然应力的构成及起源†自重引起的天然应力场σ⎧=ghρ⎪V⎨μσσ=σ=⎪h1h2⎩1−μ二、天然应力的构成及起源„2.起源（主要指构造运动的起源）：†板块运动†地幔热对流†地球自转速度变化三、天然应力的研究历史1.研究历史z1878年海姆提出天然应力z1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力z到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致裂法）。三、天然应力的研究历史与研究意义†我国从50年代末开始天然应力量测东部：太平洋板块向W俯冲俯冲N北部：西伯利亚板块阻挡南部：菲律宾板块向西南：印度板块向NNE挤压区块分布特征σ3主应力σa=σ1slipσ1>σ2>σ3τplanesplanesσ2maxσ1σ1σσr=σ3r三轴试验σ2应力状态σ3σaσvzσ>σ原地应力在石油工程Hh中，我们通常σH假设：σv为σh主应力之一Anderson理论——断层类型与主应力关系正断层与地应力σv=σ1σhmin=σ3地垒－地堑结构θ倾角σHMAX=σ2拉伸拉伸典型应力状态：σv=σ1>σHMAX=σ2>σHmin=σ3走滑断层（拗断层）与地应力σv=σ2σhmin=σ3σHMAXσHMAX锐角=σ1σhmin几乎垂直的断层面σHMAX伴生正断层典型应力状态：σHMAX=σ1>σv=σ2>σHmin=σ3逆掩断层与地应力hingepointsσv=σ3σHMAX=σ1overthrustsheetoverthrustsheetbrittlequartz-illiteshalehighlyfracturedzonehigh-pAshaleBstaticbasalsheetClargelyunfracturedshalecompression四、进行地应力研究的意义：Á是所有地质力学问题中重要的初始条件；Á是勘探、钻井及油藏等石油工程的重要参数；Á是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数；Á是采油工程中出砂防砂分析的重要参数；Á是油气层增产改造措施制定的重要参数；ABoreholeinaStressFieldΦHere,σv=σ2,Ψσ=σ,HoleinclinationHMAX1parametersσσhmin=σ3,2andσ1>σ2>σ3xσ1Principalstressesσpy3Coordinatesparalleltoearth’ssurfaceEffectivestresses:σ1’=σ1-pσ2’=σ2-pσ3’=σ3-pPrincipalstressesarep=porepressureusuallyparallelandznormaltothesurface.DrillingDirectionandStressσFavoredholeσThebestorientationtovorientationvincreaseholestabilityσHMAX~σvminimizestheprincipalstress>>σdifferencenormaltothehminboreholeaxis60°coneσHMAXσHMAXσhminσhminDrillwith