初始应力

岩体中天然应力常以水平应力为主，即h> v， 特别是 hmax> v ,据统计资料： h/v ≈0.8-3.0 ，说明岩体中水平天然应力主要受地 区现代构造应力场的控制; 水平应力具有强烈的各向异性，即h1≠ h2 ， 我国华北hmin/ hmax≈0.2-0.8，华南hmin/ hmax≈0.3-0.75 。原 因a.岩体各向异性;b.构造 运动的方向性; 水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、 地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多 见。另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水 平应力为拉应力的现象。
WUST
五、主应力平面与水平面的关系
据主应力平面与水平面的关系，天然应力状 态划分为：
水平应力场 —
两个应力轴近水平，或与水 平面夹角很小，另一应力轴近铅直，三个应 力轴与空间坐标一致，我国大陆范围内属这 种应力场;
非水平应力场—水平应力与水平面夹45°左
右，另一轴与水平面夹0~45 °左右，分布于 板块边缘。
∧
重分布应力
相对于第2洞 室的天然应力
蔡路军 3
武汉科技大学理学院工程力学系
二、天然应力的组成及起源 1.组成： gh
V
WUST
•岩体自重→自重应力 h1 h 2 1 •构造运动→构造应力 V
•流体作用→渗流应力 p wg (h z ) •其它（地温、地球化学作用等） 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 •……
武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 12
2007-05-06
（2）Heim假设（塑性状态）
WUST
当原始应力超过一定的极限，岩体就会处 于潜塑状态或塑性状态。
1
（相当于 0.5 ）
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
13
（3）岩体为理想松散介质（c=0,风化带、断层带）
蔡路军
23
研究意义
1）区域稳定 2）地下洞室稳定 3）边坡稳定 4）地基岩体稳定
WUST
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
24
2 岩体天然应力的分布特征
一、 分区性（以中国为例）
WUST
以东经100～105o为界分东西两区。 强度上：西强东弱（西高东低）
一、根据自重应力理论确定岩体中的天 然应力
地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面 1、均质各向同性岩体
V gz h1 h 2 1 V
2007-05-06
z

A

·
36
h
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
WUST
2、水平层状岩体
n V i gzi i 1 E|| h1 h2 V 1 E
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
16
5)地质构造应力
WUST
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
17
5)地质构造应力 WUST
Fujianshanghang， 某地应力场 受断层影响情况
2007-05-06 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 18
6）地形、地表剥蚀对地应力影响
H—总深度（m）
图 岩体自重垂直应力
蔡路军 10
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
WUST

的取值有4种可能：
（1）岩体假定处于弹性状态
1 x y x y z 0 E
由


推出
x 1 z
得：

1
z zx zy yz y O x y yx x xy xz z
WUST
大地水准测量 三角网测量 GPS测量
天然应力测量 地变形量测
地震震源机制解
x , y , z , xy , yz , zx
武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 35
2007-05-06
WUST
地温产生温度应力20070506武汉科技大学理学院工程力学系35wust岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定自重应力理论地震震源机制解地变形量测天然应力测量大地水准测量三角网测量gps测量天然应力确定方法yzzxyzxy20070506武汉科技大学理学院工程力学系36wust一根据自重应力理论确定岩体中的天然应力地质构造简单地层平缓当地侵蚀基准面1均质各向同性岩体20070506武汉科技大学理学院工程力学系37wust2水平层状岩体20070506武汉科技大学理学院工程力学系38wust3垂直层状岩体20070506武汉科技大学理学院工程力学系39wust水压致裂法应力恢复法扁千斤顶法套芯应力解除法光弹法声发射法x射线法20070506武汉科技大学理学院工程力学系40wust方法分类20070506武汉科技大学理学院工程力学系41wust1水压致裂法水压致裂法的假设前提
蔡路军
7
WUST
中 国 地 震 带 分 布
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
8
3）岩浆侵入
WUST
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
9
4）岩体自重应力场
WUST
垂直应力：
z H
x y z
侧压力：


—平均密度，KN/m3 —侧压力系数
WUST
1 sin 2c cos x H 1 sin 1 sin
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
15
WUST
注：当 x 0
说明无侧压力
x 0
无侧压力深度
HO 2C cos 1 sin
2007-05-06
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
11
岩体由多层不同性质岩层组成时
WUST
zj 第j层底面应力：
h
i 1
j
i i
x j y j j z j
j j 1 j
第n层底面应力：
z i hi
i 1
n
x y n z
力约为：
T zE 0.03105 104 zMPa 0.003zMPa
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。
2007-05-06 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 20
三、天然应力的研究历史与研究意义
1.研究历史
WUST
①世界上 : 1878年海姆提出天然应力 1932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 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）。 ②中国： 50年代末开始天然应力量测，有几万个测点， 最深的有3958米（天津大港）。
WUST
图
2007-05-06
地形对初应力的影响
蔡路军 19
武汉科技大学理学院工程力学系
7）水压力、热应力
WUST
a.孔隙水压力、流动水压力(影响小)、静水压力（悬浮作用）
b.一般地温梯度： 3 C / 100m
岩体的体膨胀系
10-5，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应 数：
WUST
由极限平衡理得
z x sin x z
1 sin x z 1 sin
y 1 sin z 1 sin
2007-05-06 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 14
（4）当松散介质有一定粘聚力时 (c>0 ) 侧压力为：
一、定义
WUST
1.天然应力(地应力、初始应力等）人类工程活动 之前存在于岩体中的应力。 2.重分布应力（二次分布应力、附加应力等）由于 工程活动改变了的岩体中的应力。
+
+
+
+
+
+
+ + + + + +
++++++
天然应力
2007-05-06
→ ← ↓ ↑

∧
→ ← ↓ ↑

WUST
岩石力学之
初始应力
/cailujun
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
1
WUST
基本内容
1 概述 2 岩体天然应力的分布特征 3 岩体天然应力的确定 4 高地应力问题
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
2
1 概 述
2007-05-06 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 26
二、铅直应力 （V）
WUST

上覆岩体自重
V 2.7gh

V多为压应力
V多为最小主应 力，少数为中间 主应力与最大主 应力
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
27
三、 水平应力（ h）

WUST
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
30
WUST
六、影响天然应力的因素
1.地形起伏 a.水平应力向负地形集中，向正地形释放 b.在斜坡附近，应力方向发生偏转

+ + +
h
++++
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
31
2.地表剥蚀
gz0
z
A

·

…
h
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
38
WUST
二、天然应力的量测
天 然 应 力 的 量 测 方 法 水压致裂法
应力恢复法（扁千斤顶法）
套芯应力解除法
光弹法
声发射法
X射线法
武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 39
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
33
WUST
3.结构面
… … …
1
4.岩体质
硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反
5.地下水
产生渗流应力
6.地温
产生温度应力
2007-05-06 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 34
3 岩体天然应力的确定
自重应力理论 天然 应力 确定 方法
2007-05-06 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 28
四、天然应力比值系数与深度z 的关系
WUST
定义：天然水平应力与铅直应力的比值为天然 应力比值系数()，它随深度增加而减小。
100 hav 1500 (0.3 ) (0.5 ) z z
2007-05-06 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 29
原地面
WUST
h 0 0 gz0
剥蚀
h 0
z
现地面
z0

·
' gz 0 gz g ( z 0 z ) gz h' 0 gz 1

h
z
'
·
h'
o
g ( 0 z 0 z ) g 0( z z ) z 1 1
1 z1 2 z2 3 z3
A
·

h
…
i zi
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
37
WUST
3、垂直层状岩体
V gz E V h1 1 E|| V h 2 1
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
22
WUST
c) 是岩石工程数值分析方法计算分析的必要 前提条件。
d)地应力应用领域广泛。 对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的 稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研 究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
2007-05-06 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 32
WUST
g 0( z z ) z 1 h ' ' gz z 0 0 1 z
该式说明：剥蚀后，岩体中一点 增大了， 当△ Z 大到一定值时，必有 >1 的情况出现。
方向上：西： NNE-SSW为主，东：近E-W。
2007-05-06 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 25
WUST
中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤 压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。 •西南： •印度板块向NNE挤压 （5mm/a） •东： •太平洋板块向W俯冲 （1cm/a） •南： •菲律宾板块向N俯冲 •北： •西伯利亚板块阻挡 •1迹线：N-NE-SSE
2007-05-06 武汉科技大学理学院工程力学系
拉张区
挤压区
蔡路军
4
1）地幔热对流
WUST
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
5
地幔热对流－－（碰撞、俯冲、海岸）
WUST
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
蔡路军
6
2）板块边界受压
WUST
2007-05-06
武汉科技大学理学院工程力学系
2007-05-06 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 21
地应力测量的必要性及意义
WUST
a)它是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根 本作用力。 区别于结构力学、材料力学其他力学。 b)传统的岩石工程的开挖设计和施工的经验类比法有局限 性。 小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法往往是有 效的。 大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不足。