6章 第四节 岩体初始应力状态分布的主要规律
岩体的初始应力状态
第三讲岩体的初始应力状态一、内容提要：本讲主要讲述岩体初始应力的基本概念、量测方法及岩体初始应力状态的分布规律；二、重点、难点：岩体初始应力场及其计算；岩体初始应力的影响因素；岩体初始应力的分布规律；对于岩体初始应力水压致裂法及应力解除法的基本原理作一般了解；三、内容讲解：一、岩体初始应力的基本概念(一)初始应力状态的概念与意义所谓岩体的初始应力，是指在天然状态下存在于岩体内部的应力。
在地质学中，通常又称它为地应力。
岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的。
显然，岩体的地质构造应力是与岩体的特性(例如岩体中的裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等)有密切关系，也与正在发生过程中的地质构造运动以及与历次构造运动所形成的各种地质构造现象(例如断层、褶皱等)有密切关系。
因此，岩体中每一单元的初始应力状态都是随该单元的位置不同而有所变化。
此外，影响岩体初始应力状态的因素还有地形、地震力、水压力、热应力等，但这些因素所产生的地应力，大都是次要的，只是在特定的情况下才需考虑。
因此，对于岩石工程来说，主要应考虑自重应力和地质构造应力。
【例题1】下列各项有关岩体初始应力的叙述，正确的选项为（）。
A. 岩体的初始应力是由岩体的自重和地质构造运动引起的；B. 地形、地震力、水压力、热应力等因素不会产生地应力；C. 岩体中每一单元的初始应力状态与该单元的位置无关；D. 对于岩石工程而言，主要应考虑自重和地质构造应力；答案: D【例题2】岩体的的初始应力主要由下列哪些因素引起（）。
A. 地震力B. 热应力C. 地形D. 构造运动答案: D地面和地下工程的稳定状态与岩体的初始应力状态密切相关。
岩体在开挖以后，改变了岩体的初始应力状态，使岩体应力重新分布，有可能使得岩体中某些部位形成应力集中，从而引起岩体的变形或破坏。
对于地下洞室工程来讲，我们把与洞室本身稳定性密切相关的岩体称为围岩。
洞室的开挖引起围岩的应力变化，这将影响洞室本身的稳定状态。
第六章 岩体的初始应力状态
T0
（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力
（1）一般来讲 z h 作为地主应力之一。我 们可以将 z 与 2 h 作比较，若 z 1h ，则 可以肯定此时 2 h 为最小主应力；进一步将 与 z 1h 作比较，也就可以以此确定地应力的 三个主应力。
因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定 2 h 的方位或 1h 的方向，所以三个地主应力的 方位也就可以相应确定。 （2）如果 2 h h ，并且孔壁开裂后孔内 岩体出现水平裂缝，则此时 z h 为最小 地应力， 2 h 与 1h 各为中间主应力及最大 地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。
T z 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。 返回
第三节 岩体初始应力状态的现场量测方法 一、岩体应力现场量测方法概述 1.目的： （1）了解岩体中存在的应力大小和方向 （2）为分析岩体的工程受力状态以及为 支护及岩体加固提供依据 （3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的 有力工具
工作步骤
应变观测系统
（2）套孔应力解除法
•孔径变形测试，孔壁应力解除法，均属于 套孔应力解除法。前者测试套孔应力解除 后的孔径变化；后者测试套孔应力解除后 的孔壁应变。其操作步骤和原理基本相同
原理要点 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，根据恢复 应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的 应力状态。
直角应 变花
等边三角 形应变花
应力解除槽
表面应力解除法
钻孔的深 度必须超 过开挖 影 响区，才 能测到岩 体内的原 始应力， 否则测出 的是二次 应力。
原岩应力的分布规律
原岩应力的分布规律
原岩应力是指在地壳中由于地球内部构造运动和外部力因素作用而产生的地应力。
其分布规律对于地质灾害预测、岩石力学研究、能源勘探等领域具有重要意义。
一般来说，原岩应力的分布规律受到以下因素的影响：
1.地球内部构造：地壳的构造特征对原岩应力分布有极大影响。
例如，在岩石
构造较平整的地区，应力分布较为均匀；而在构造活跃区域，地壳的变形会导致应力不均匀分布，形成高应力区和低应力区。
2.地形和地貌：地形地貌对应力分布也有一定影响。
例如，山脉地区存在较大
的应力梯度，山脚和山顶的应力分布可能存在明显差异。
同时，沉积盆地、断陷盆地等地形特征也会导致应力分布的不均匀。
3.地球表面荷载：地球表面的荷载分布也会影响原岩应力的分布。
例如，河流、湖泊的水重压会产生垂向应力；冰川的压力会导致应力分布的变化等。
4.地下水压力：地下水压力的分布也会对原岩应力产生影响。
地下水的加压效
应会导致原岩应力分布的非均匀性，尤其在含水层中的应力较为复杂。
总体而言，原岩应力的分布规律是复杂而多变的，受到地球内部构造、地形地貌、地球表面荷载和地下水压力等因素的综合影响。
准确了解和研究原岩应力的分布规律对于地质工程及资源勘探活动具有重要意义，并能够帮助预测地质灾害的发生潜力。
第六章岩体的初始应力状态
第四节 岩体初始应力的量测方法
一、岩体应力现场量测方法概述 1.目的：
（1）了解岩体中存在的应力大小和方向 （2）为分析岩体的工程受力状态以及为支护及 岩体加固提供依据 （3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工 具
第三节 岩体初始应力场的分布规律
地应力是一个具有相对稳定性的非稳定 应力场，它是时间和空间的函数
地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三 向不等压应力场。
就某个地区整体而言，地应力的变化是不大的。 在某些地震活动活跃的地区，地应力的大小和方 向随时间的变化是很明显的。
第三节 岩体初始应力场的分布规律
1. 概念 2. 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 5. 地应力测量-水压致裂法，应力解除法
地应力的概念 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。
2 地应力测量的必要性及意义
① 它是引起地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力。
大多数为0.8~1.5
σ h,av / σ v 之值一般为0.5~5.0，
第三节 岩体初始应力场的分布规律
平均水平应力与 垂直应力的比 值随深度增加 而减小
100+0.3≤ σh,aυ ≤1500+0.5
H
συ H
世界各国平均水平应力与垂直应 力的比值随深度的变化规律图
5
2013/10/16
第三节 岩体初始应力场的分布规律
水压力、热应力 a.孔隙水压力、流动水压力(影响小)、静水压力（悬浮作用） b.地温梯度引起的温度应力：温度应力是同深度的垂直应力 的1/9，呈静水压力状态。
《岩石力学》复习资料
《岩石力学》复习资料1.1 简述岩石与岩体的区别与联系。
答:岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体,力学性质可在实验室测得；岩体是指由背诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面切割的岩块组成的集合体，力学性质一般在野外现场进行测定，因此更接近岩体的实际情况，反映岩体的实际强度。
1.2 岩体的力学特征是什么？答：（1)不连续性：岩体受结构面的隔断,多为不连续介质，但岩块本身可作为连续介质看待；（2)各向异性：结构面有优先排列位向的趋势,随着受力岩体的结构趋向不同力学性质也各异；(3）不均匀性：结构面的方向、分布、密度及岩块的大小、形状和镶嵌状况等在各部位都很不一致，造成岩体的不均匀性；（4)岩块单元的可移动性：岩体的变形破坏往往取决于组成岩体的岩石块单元体的移动,这与岩石块本身的变形破坏共同组成岩体的变形破坏；（5）力学性质受赋存条件的影响：在一定的地质环境中，岩体赋存有不同于自重应力场的地应力场、水、气、温度以及地质历史遗留的形迹等。
1.3 岩石可分为哪三大类?它们各自的基本特点是什么?答：（1）岩浆岩：由岩浆冷凝形成的岩石，强度高、均匀性好；（2）沉积岩：由母岩在地表经风化剥蚀后产生，后经搬运、沉积和结硬成岩作用而形成的岩石,具有层理构造，强度不稳定，且具有各向异性；（3）变质岩：由岩浆岩、沉积岩或变质岩在地壳中受高温、高压及化学活动性流体的影响发生变质而形成的岩石.力学性质与变质作用的程度、性质以及原岩性质有关。
1.4 简述岩体力学的研究任务与研究内容。
研究任务：①建模与参数辨别;②确定试验方法、仪器与信息处理；③现场测试；④实际应用；研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质(岩石的物质组成和结构特征，岩石的物理、水理性质，岩块在不同应力状态作用下的变形和强度特征,结构面的变性特征和强度参数的确定等）;②岩石和岩体的本构关系(岩块的本构关系，岩体结构面分类和典型结构面本构关系,岩体的本构关系）；③工程岩体的应力、变形和强度理论（岩体初始应力测量及分布规律，岩体中应力、应变和位移计算，岩体破坏机理、强度理论和工程稳定性维护与评价）：④岩石(岩块）室内实验（室内实验是岩石力学研究的基本手段）;⑤岩体测试和工程稳定监测（岩体原位力学实验原理和方法，岩体结构面分布规律的统计测试,岩体的应力、应变、位移检测方法及测试数据的分析利用,工程稳定准则和安全预测理论与方法)。
6、岩体的初始应力状态
第六章 岩体的初始应力状态第一节 初始应力状态的概念与意义岩体的初始应力，是指岩体在天然状态下所存在的内在应力，在地质学中，通常又称它为地应力。
岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的。
岩体的地质构造应力是与岩体的特性(例如，岩体中的裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等)有密切关系，也与正在发生过程中的地质构造运动以及与历次构造运动所形成的各种地质构造现象(例如，断层、褶皱等)有密切关系。
因此，岩体中每一单元的初始应力状态随该单元的位置不同而有所变化。
此外，影响岩体初始应力状态的因素还有地形、地质构造形态、水、温度等，但这些因素大多是次要的，只是在特定的情况下才需考虑。
对于岩体工程来说，主要考虑自重应力和构造应力，二者叠加起来构成岩体的初始应力场。
地面和地下工程的稳定状态与岩体的初始应力状态密切相关。
岩体的初始应力状态可以指在没有进行任何地面或地下工程之前，在岩体中各个位置及各个方向所存在的应力的空间分布状态，它是不取决于人类开挖活动的自然应力场。
在岩体中进行开挖以后，改变了岩体的初始应力状态，使岩体中的应力重新分布，引起岩体变形，甚至破坏。
在高地应力地区，开挖后常会出现岩爆、洞壁剥离、钻孔缩径等地质灾害。
对于地下洞室工程来讲，我们把与洞室本身稳定密切相关的周围岩体称为围岩。
洞室的开挖引起围岩的应力重分布和变形，这不仅会影响洞室本身的稳定状态，而且为了维持围岩的稳定，需施作一定的支护结构或衬砌。
合理地设计支护结构，确定经济合理的衬砌尺寸，是与岩体的初始应力状态紧密相关。
所以，研究岩体的初始应力状态，就是为了正确地确定开挖过程中岩体的应力变化，合理地设计岩体工程的支护结构和措施。
第二节 组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算一、岩体自重应力场及计算地心对岩体的引力，使原岩体处于受力状态，由此而引起的岩体应力称为重力应力。
它可以通过计算获得，其计算理论一般是建立在假定岩体为均匀连续介质的基础之上的。
第六章 岩体初始应力
6.4 岩体应力测定
一、应力解除法(stress relief method)
1、基本原理
假定地下处于初始三维应力状态的岩体为线弹性体，将岩体 脱离母岩，则所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。 用仪器测得恢复应变，则为：
然后，利用弹性力学公式则可 计算岩体初始应力
这个过程可以归结为： 破坏联系-解除应力-弹性恢复-测出变形-根据变 形，转求应力。
重复2至5步完成2~3压裂循环，以便取得合理的压裂参 数及正确地判断岩石破裂及裂隙延伸过程。
f.解除封孔，用印模栓塞记录破裂裂隙的方向。
全部试验过程用压力-时间曲线表示，如图所示。图的上部表示钻 孔封堵段孔壁在试验过程中的状态。
破裂过程的压力—时间曲线
6.5 岩体初始应力分布状态
一、岩体初始应力大小和方向随深度的变化
第六章 岩体初始应力
唐礼忠
中南大学 岩石力学与工程研究所
6.1 初始应力的基本概念 6.2 岩体自重应力
6.3 岩体构造应力 6.4 岩体应力测定
6.5 岩体初始应力分布状态
6.1 初始应力的基本概念
一、定义
初始应力/in-situ stress： -人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 -岩体在天然状态下的内在应力。
1、我国测试结果
岩体初始应力三个主应力σHmax、 σHmin 、 σV 均随深度增加而增大。
σHmax σHmin
σHmax
σHmin
2、拉纳利(G.Ranalli)等人
在地盾区及古生代褶皱带： 平均水平应力大于岩石静水压力，平均水平应力与铅垂应力之比约为2:1， 平均水平应力随深度变化的近似关系为：
6.3 岩体构造应力
一、构造应力场的概念
岩体中的应力分布与变形规律研究
岩体中的应力分布与变形规律研究岩体是地质学领域的重要研究对象，它承载着地球表面的各种构造和地质现象。
岩体的应力分布和变形规律对于地质灾害的预测和防治、矿产资源开发以及地下工程建设等具有重要意义。
本文将探讨岩体中的应力分布和变形规律的研究进展。
一、岩体的应力分布岩体中的应力分布受到多种因素的影响，如地球引力、地壳运动、构造应力等。
地球引力使得岩体中的应力呈现垂直向下的分布，即最大主应力垂直于地表。
地壳运动和构造应力则对岩体中的应力分布产生了复杂的影响。
研究表明，地壳运动主要通过断裂和褶皱形成，导致岩体中形成复杂的应力分布。
断裂带是岩体中应力集中的区域，断裂面上的剪切应力极大，容易发生地震等地质灾害。
褶皱带则是岩体中应力分布复杂的区域，由于受到弯曲应力的作用，褶皱形成后岩石中应力会有较大的变化。
此外，构造应力也对岩体中的应力分布产生重要影响。
构造应力是由板块运动和地球内部应力引起的，不同构造应力作用下岩石中应力的分布也不同。
例如，当岩体受到逆冲断层的挤压作用时，岩体中的应力会呈现向上的集中分布。
二、岩体的变形规律岩体的变形规律是研究岩体力学性质的重要内容，掌握岩体的变形规律对于地下工程建设和防治地质灾害具有重要意义。
岩石的变形规律主要有弹性变形和塑性变形。
弹性变形是指岩石在外力作用下发生的可逆变形，当外力撤离后岩石能够恢复原状。
塑性变形则是指岩石在外力作用下发生的不可逆变形，当外力撤离后岩石不能完全恢复原状。
岩体的变形规律受到应力大小和岩石性质的影响。
在低应力下，岩石主要表现为弹性变形，变形量较小。
而在高应力下，岩石会发生较大的塑性变形，如岩石的破裂、滑动等现象。
此外，岩体的变形规律还受到温度和水分等因素的影响。
温度的变化会导致岩石体积发生变化，从而引起变形。
水分的存在使得岩石的韧性增加，抵抗外力的能力增强。
三、岩体的研究方法研究岩体中的应力分布和变形规律有多种方法。
其中，地应力测量是研究岩体应力状态的重要手段。
6.岩石力学-第六章 岩体的初始应力状态
第六章 岩体的初始应力状态
6.4
岩体初始应力分布的主要规律
中国地形三级阶梯
第六章 岩体的初始应力状态
6.4
岩体初始应力分布的主要规律
我国可分为三类基本反映构造应力场状态的地区： （1）强烈构造应力区：包括台湾、西藏、新疆、甘肃、青 海、云南、宁夏、四川西部等； （2）中等构造应力区：包括河北、山西、陕西关中地区、 山东、辽宁南部、吉林延吉地区、安徽中部、福建、广东沿 海地区及广西等； （3）弱构造应力区：包括江苏、浙江、湖南、湖北、河南、 贵州、四川东部、黑龙江、吉林及内蒙的大部分。 同一类地区，其构造应力仍是不均匀分布，与小的地质构造 运动（地壳变形）有关，有的地段强、有的地段弱。
极高应力 1、硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹 出 ， 洞 壁 岩体 发 生 剥 离 ， 新 生 裂 缝多 ， 成 洞 性 差；基坑有剥离现象，成形性差 2、软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞 壁 岩 体 有 剥离 ， 位 移 极为 显 著 ， 甚至 发 生 大 位 移，持续时间长，不易成洞；基坑发生显著隆起 或剥离，不易成形 高应力 1、硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体 有 剥 离 和 掉块 现 象 ， 新生 裂 缝 较 多 ， 成 洞 性 较 差；基坑时有剥离现象，成形性一般尚好 2、软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞 壁岩体位移显著，持续时间较长，成洞性差；基 坑有隆起现象，成形性较差
6.3 岩体初始应力状态的现场测量方法
目的：
为了了解岩体应力的大小，从而分析岩体工程的受力状 态以及为支护和岩体加固提供依据，同时，也可以用来预报 岩体失稳破坏的岩爆。 方法： 按测量原理不同可分为：应力恢复法、应力解除法、水 压致裂法、声发射法、X射线法和重力法六种
第6章 岩体初始应力状态
由 地 质 特 征 推 断 构 造 应 力 方 向
由地质特征推断构造应力方向
（二）地层剥பைடு நூலகம்后侧压力系数变化
h z
0
Z0
1
Z
Z0 Z
0
0
1
Z Z0 Z
四 影响岩体初始应力状态的因素 1 地形
四 影响岩体初始应力状态的因素 2 地质构造形态
z z
x
y
1
z
z
xy yz zx 0
对于均质成层岩体：
n
z i hi i 1
x
y
1
z
z
岩体自重应力的特点：
（1）水平应力σx、σy小于垂直应力σz ； （2） σx、σy、σz均为压应力； （3） σz只与岩体密度和深度有关，而 σx、σy还同 时与岩体弹性常数E、μ有关； （4）结构面影响岩体自重应力分布。
在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态， μ=0.20~0.30,在深部，岩体转入塑性状态， μ=0.50 ， λ＝1，则有：
σx= σy= σz＝γz 各向等压的应力状态，又称为静水压力状态。 著名的海姆假说（瑞士地质学家1871），也成为潜 塑状态。
§6-3 岩体构造应力
一、构造应力场的概念 构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。
§6-2 岩体的自重应力
一、基本公式 在均匀岩体中，深度为z处的岩体的竖向自重应力为：
z z
在半无限体中任一微元体上的正应力均 为主应力，且有
x y, x y 0
xy yz zx 0
根据虎克定律：
x
y
1 E
(
x
( y
6 岩体的初始应力状态
三. 岩体初始应力的影响因素
（三）地形地貌 1)山坡的应力分布 2)沟谷的应力分布
应力集中
地形对初应力的影响
三. 岩体初始应力的影响因素
三. 岩体初始应力的影响因素
三. 岩体初始应力的影响因素
六.高地应力问题
天生桥二级水电站岩爆破 坏隧洞
六.高地应力问题
天生桥二级水电站岩爆破 坏隧洞
六.高地应力问题
(一) 研究高地应力问题的必要性 1. 岩体力学与其他力学学科最根本的区别在于 岩体中存在初始地应力。 2. 工程建设的需要。瑞典Victas隧洞、美国大 古力坝、二滩电站、鲁布革电站、大瑶山隧 道、拉西瓦电站、天生桥引水隧洞等等都发生 过岩爆、剥离或岩芯饼化问题。
一.初始应力的基本概念
初始应力是指岩体在天然状态下的内在应力， 在地质学中通常又称它为地应力，在岩体工程 中也叫一次应力。 初始应力是三维应力状态，一般为压应力，包 括应力大小和方向。 初始应力场受多种因素影响，一般来讲其主要 影响因素依次为埋深（自重）、构造运动、地 形地貌、地壳剥蚀程度等。在不同地方这个主 次关系可能改变。
四. 岩体初始应力的分布规律
3. 水平初始应力也随埋深而增大，且成正比， 但其变化率要小于垂直初始应力； 4. 在浅部，水平应力普遍大于垂直应力，侧压 力系数为0.5 ～5.5，大部分在1～2左右，深部 岩体逐步趋近于1； 5. 两水平应力σx、σy不相等，两者的比值为 0.2 ～0.8，大部分在0.4～0.7左右。
六.高地应力问题
(三) 高地应力判别准则 国内外尚无统一的标准。 1. 国内一般岩体工程以初始地应力20～30MPa 认为是高地应力，在这样的应力水平下易出现 高地应力现象。 2. GB50021-2001：Rc/σmax<4为极高地应力， 4<Rc/σmax<7为高地应力。其中σmax为垂直洞轴 线方向的最大初始应力。
岩体的初始应力状态1
第 2节
组成岩体初始应力状态的 各种应力场及其计算
岩体自重应力场及其计算 岩体的构造应力场 影响岩体初始应力状态的其他因素
1、岩体自重应力场及其计算 1）海姆假说
1912年瑞士地质学家海姆在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，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，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
1
H
侧压力系数
1
若岩体由多层不同重力密度的岩层所组成(图6-2)。 h1 , h2 ,, hi hn ， 每层的厚度依次 各层的重力密度依次分别为 ， n 1, 2 ,, i 则岩体的自重初始应力为
z i H i x y z
周围岩石
通常把应力的这种变化叫应力重分布，把应力重分布影响范围的岩体叫围 岩。围岩内的应力叫围岩应力（二次应力）。洞室的开挖引起围岩的应力 和变形，这不仅会影响洞室本身的稳定状态，而且为了维持围岩的稳定， 必须进行人工支护，建造一定的支护结构或衬砌，合理地设计支护结构， 确定经济合理的衬砌尺寸，都与岩体的初始应力状态紧密相关。
4)岩浆侵入引起的应力场
岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围地层中产生相应的应力场，其过程也 是相当复杂的。熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向 相等的均匀压力，但是炽热的岩浆侵入后即逐渐冷凝收缩，并从接触界面处逐渐 向内部发展。不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应 力产生复杂的变化过程。 与上述三种应力场不同，由岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。
水 库 诱 发 地 震
水库水体重量作用
2) 初始应力与岩体稳定性的关系
岩土力学课件第六章 岩体的初始应力
研究岩体初始应力状态的工程意义： 研究岩体初始应力状态的工程意义： 1. 正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化 2. 合理设计地下工程的支护尺寸
2、 组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算 、
一、岩体自重应力场 1．假设岩体为均匀连续价值，并为半无限空间体 假设岩体为均匀连续价值， 在距地表深度H 在距地表深度H处，岩体的初始应力场为
（6-4）
（6-3）、（6-4）岩体在一定深度范围内成立。 岩体在一定深度范围内成立。 如果岩体由松散的碎石，砂及卵石组成， 如果岩体由松散的碎石，砂及卵石组成，可以近似地认为岩 体是理想松散介质， 体是理想松散介质，可由松散介质极限平衡条件来建立垂直应力 与侧向应力的关系： λ= σx / σz =(1-sinφ)/ (1+sinφ) (6-8的关系为
σ x = σ z = γH
1 − sin φ 2c cos φ − 1 + sin φ 1 + sin φ
（6-9）
显然，在一定深度范围，側向应力σx 有可能为负； 令σx=0，则由上式可得：
H0 = 2c cos φ γ (1 − sin φ )
σ θ =1/2(σ1h + σ2h)(1+a3/r2)- Pb a2/r2
-1/2(σ1h - σ2h)(1- 3a4/r4)cos2θ 当γ = a，即孔壁处，则，
（6-13）
σr= Pb σ θ = (σ1h + σ2h)- Pb -2 (σ1h - σ2h) cos2θ
当θ = 0时，σθ有最小值，即： （6-14）
图6-4 由地质特征推断的应力方向（a）~（e）均为平面图
2．地表剥蚀时侧压力系数的影响
γZ0 K0γZ0
岩体的初始应力状态
<1
自己总结一下侧压系数的变化情况。
2021/4/22
山东科技大学
16
第三节 岩体初始应力状态 的现场量测方法
• 一、概述 – 1．岩体应力测量的种类 1）初始应力测量 2）次生应力测量 – 2．应力测量地点 钻孔中，地表露头，地下洞室的岩壁 。 – 3．原岩应力测量原理
2021/4/22
山东科技大学
（6-23）
由式6-23可知，可以根据水压致裂法的各种压力值
计算岩体内的较大的主应力1h ，较小的主应力 2h
和岩体抗拉强度T0 。其中，有关岩体水压致裂的压力
参数见图6-11。
2021/4/22
山东科技大学
26
初始压裂压力pb
停泵后开启
稳定开裂
压力pb0
压力ps pb
关闭 压力ps0
ps
P0 空隙水压p0
2021/4/22
山东科技大学
29
4．测值代表性大。所测得的地应力值及岩体 抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好 的代表性。
5．适应性强。这一方法不需要电磁测量元件， 不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下作试验， 不怕电磁干扰，不怕震动。
因此，这一方法越来越受到重视和推广。但 它存在一个较大的缺陷，即主应力方向定不准。
14
2021/4/22
图6-3 松散岩体内的侧向应力
山东科技大学
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几种自重应力理论的解释
1）垂直应力是一个公认的参数与深度成正比：
z Z
2）水平应力与垂直应力的关系可用侧压系数表 示，即 ： x z
3）侧压系数是一个复杂的问题，随着对岩体性 质属性认识的不同有不同的认识。
>1
＝1
岩体中初始应力场
第五章岩体中初始应力场岩体是预应力体，研究岩体初始应力状态是岩体力学中的重要课题之一。
不了解岩体初始始应力场(或称原岩应力场)的形成原因与分布规律，便难于正确合理的确定巷道与采场的有关参数，以及采取采取合理的支护与地压控制方法。
所以无论从设计或生产角度看，都必须研究矿区岩体的原岩应力场问题第一节初始应力场概念前而我们讨论的是做为岩体力学研究对象的若体，由于在进行采掘作业之前岩体中就存在着初始应力，而且在岩体内部不同位置，初始应力位不同。
在初始应力场作用下，、岩体的变形与破坏，或者说在矿床开采过程中，巷道、铜室或采场周围岩体的变形与破坏形式在很大程度土取决于岩体的初始中应力场。
因此在编制矿山开采设计之前，必须了解将在其申布置矿山工程的岩体内初始中应力场。
尽管对岩体初始应力场及其成因还没有的明确规律，但已经有一些初步的认识。
根据近20年来世界各地进行的岩体应力量测结果证明：岩体初始应力值是空间与时间的函数。
因此可用场的概念反映。
因此称为初始应力场或原岩应力场。
岩体初始应力场的形成受下列因素影响，(1)、岩石的组合、厚度、岩相变化和物理力学性质。
构成岩体的岩石具有不同的弹性性质，如在沉积岩层中，含有塑性和挠性的岩层时，会出现应力集中等，影响原岩应力场应力状态。
(2)、岩体的结构特征，如摺皱、断裂·、裂隙等的空间分布。
因结构体的接触条件相互相作用，对附近岩体的应力状态产生影响;(3)、地形条件。
区域地形与切割程度(山峰与山谷)会使应力分布发生一些异常现象。
-使垂直应力分量与垂线偏离。
在一般情况下偏离不大，不超过几度，但在少数情况下偏离可达10 o ~ 15 o。
上面所列三种因素是地质环境对岩体初始应力场的影响，因此具有全局性。
而另外因素：如地下水的作用和瓦斯的作用，人类生产活动等因轰则表现为地区的局部的影响，但有时影响很大。
从当前对岩体初始初始应力场的初步了解认为，初始应力是以下几种因素的共同作用：重力(岩石重量)、构造力、动水压力、温度应力和结晶力等。
岩体的初始应力状态分解
6.3 岩体初始应力场的分布规律
6.3.3水平应力普遍大于垂直应力
实测表明，大多地区两个主应力方向水平或接 近水平，其与水平面夹角一般不大于30°。最大水 平主应力h,max普遍大于垂直应力v ，其比值一般 为0.5~5.5，大多数情况，比值大于2。 h,max与h,min 的算术平均值h,av与v的比值一般为0.5~5.0，大多 数为0.8~1.5。这说明在地壳浅部岩体平均水平应力 普遍大于垂直应力。
具体的方法：据量测原理的不同有应力恢复法、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。
6.4 岩体初始应力的量测方法
6.4.2 水压致裂法
1、基本原理 对测试段钻孔用特制
封隔器密封起来，然后 对密封段加高压水直至 孔壁岩石产生张裂隙。 根据裂隙的方向及泵压 的大小分析确定原岩的 应力状态。
例如，对于断层、褶曲等一般认为自重应力是主应力之一， 另一主应力与断裂构造系正交。
6.2 岩体初始应力场及其影响因素
6.2.2 构造应力场
正断层：1自重应力， 3与 断层走向正交
逆断层：3自重应力， 1与 断层走向正交
平移断层：2自重应力， 1 与断层走向成30°~45°夹角， 且1与2均为水平方向，
若认为岩体为均质、连续且各向同性体，各岩体单元横
向变形为0，即x= y=0，则由广义胡克定律：
x
1 E
x
y z
y
1 E
y
z
x
解上式得水平应力x、 y为：
x
y
1
z
z
其中λ为侧压力系数，
岩体（0.2,0.3），则（0.25,0.43）；
另外，
xy yz zx 0
岩体中的初始应力场
岩体中的初始应力场围岩的物理力学性质、重力、温度、地形及构造等一些经常性因素对围岩的初始应力状态有很大影响；同时地下水的活动、地壳的运动、人类长期活动等局部性的或者暂时性的因素是第二个影响因素。
所以，初始应力场是由两种力系构成的，即一般说来，连续介质力学的分析方法是重力地应力场可以采用的办法。
其他的因素造成的初始应力场，主要的确定方法是用现场试验的方法。
在上面讲到的两种因素中，当前主要研究的方向是由围岩的重力形成的应力场，而其他的因素只认为是改变了由重力造成的初始地应力场。
1 构造应力场跟据已经发表的一些岩体应力测量数据显示：① 构造地应力场实际测量得到的水平应力普遍大于垂直应力，垂直应力基本上等于上覆岩层的重量，而且在不深的地方已经普遍存在。
② 残余的应力将对地下结构产生重大的影响，地质构造的变化不仅仅改变了自重应力场，除了以各种各样形式积蓄在岩体内，还以各种构造形态获得释放。
③ 构造地应力场的性质参数无论在时间上、空间上都是有1/ 3很大变化的，它是很不均匀的。
水平主应力具有很明显的各向异性，而且具有很强的方向性，一般来说很少有大、小主应力相等的情况，总是以一个方向的主应力占优势，而且最大主应力的方向与区域的地质构造有密切的联系。
尤其是构造地应力场的主应力轴的绝对值和方向有很大变化量。
人类直至今天仍未完全的认识和解决构造应力场——由于形成构造应力场的原因非常的繁杂。
构造应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，在三维空间的分布是极其不均匀的，而且它随时间的推移还不断的变化。
所以，当前初始应力场的作用只能通过某些量测数据实验加以分析，尝试找出一点规律性，还是很难用函数式表达出构造应力场的规律的。
在某些重要的工程当中，我们多采取实地测量的方法来判定主应力的大小、方向的变化规律性质。
而在理论分析当中，是常把初始应力场按照静水应力场来处理的。
由于力学形态上的、构造的、测量技术上的等一些原因，用数学分析方法来求解初始地应力场，经常会导致极大的误差。