第四章地应力及其原理(2016介绍

• 认为这个测压系数等于
，即：
• 式中： —上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊松比的常值范围 1 为0.15~0.30。 v H , h H 1

•
h 0.5 时， 此时，当 说的一个特例。
v ，即海姆假说只是金尼克假 H
•
同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公 式来定量地计算地应力的大小，并且也都认为地应力只 与重力有关，即以垂直应力为主，他们不同点只在于测 压系数的不同。
• 1）海姆假设：
• 假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各 个方向上均相等，并且等于单位面积上覆盖岩层的重量，即： • 式中： —水平应力； —垂直应力； 重； —覆盖岩层的深度。 —覆盖岩层的容
h v H
v
H
h

• 海姆认为：
• （1）原岩应力各向等压，即静水压力状态。 • （2）上覆岩体的重量，历经漫长的地质年代后，由 于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导致 水平应力最终与铅重应力相均衡。 • 这一法则，仍被许多岩石力学家在认识深部地应力 状态时所接受。
小结
地应力分布理论： 1）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静 h v H 水压力假设）
海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重 量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。
2）金尼克假设：（弹性力学假设）
1 修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上 覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。
h
v
H ，


H
v 为上覆岩层的柏松比。
• 我国的地质学家李四光：
• 20 年代指出“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚 度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力 分量”。
• 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地壳上部的最大
主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最大水平应 力主应力一般为垂直应力的1～2倍。
岩体力学
2018/10/21
1
第四章 岩体地应力及其测量方法
学习指导：
Ø 主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，
初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。 重 点
• 岩体的初始应力概念
• 岩体初始应力的测量方法
• 4 岩体地应力及其测量方法
• 4.1概述 • 4.1.1 基本概念 • 地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力 状态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力。
• 次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力 平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。
• 应力重分布：原岩源自文库力到次生应力的转换过程。
4.2 地应力概论
• 一、 地应力 地应力分为自重应力场和构造应力场。 自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力； 构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活 动与变化的应力，地质作用残存的应力。
•
因此，重力作用和构造运动是引起地应力的 主要原因， 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，唯一的方法就是进 行地应力测量。
自重应力和构造应力：
（1）岩体的自重应力 在均匀岩体中，深度为z处的岩体的竖向自重应力为：
z H
在半无限体中任一微元体上的正应 力均为主应力，且有
• 二. 地应力的特点及其重要性
• 地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑和其他各种地下
工程或露天岩石开挖工程变形和破坏的原始动力，
• 是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩 石工程开挖设计和决策的必要前提条件。
• 2 地应力的特点及其重要性
• 为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工， 就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查， • 只有详细了解了这些工程影响因素，通过定量计算和分 析，才能做出既经济又安全实用的工程设计。
• 这样就从根本上动摇了地应力是静水压应力的理论和垂
直应力为主的观点。
c 地应力分布理论：
3）李四光：在构造应力的作用仅影响地壳上层一
定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂 直应力分量。
4）哈斯特：地应力测量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，从根本上动 摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观 点。 5）近期研究：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。
• 例如：对于矿山来说，只有掌握了具体工程区域 的地应力条件，才能合理确定矿山总体布置，确 定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸等。
• 在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状
态，最理想的走向是与最大主应力方向平行， • 当然，在实际工程中还要综合考虑工程需要和其 它影响因素。
• 综上所述，地应力的特点及其重要性如下：
• 1、地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力；
• 2、地位相当于工程中习惯性理解的外荷载，但又与 材力、弹力中泛指的外荷载有所不同； • 3、地下工程是先受力，后开挖，并且地应力从开挖 前到最终一直对围岩起着作用；
• 4、地应力是涉及地壳问题、地下工程问题理论分析、 计算中最基础的原始资料。
• 4.3 地应力的成因 • 1）海姆假设： • 在前言中我们已经介绍过，人们认识地应力还只是近 百年的事，1878年瑞士的地质科学家海姆（A.Heim）在 大型越岭隧道的施工过程中，通过观察与分析，首次提 出了地应力的概念，
x y,
x y 0
xy yz zx 0
根据虎克定律：
1 x y ( x ( y z ) E
• 2）金尼克假设 • 1926年，原苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设， • 他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆盖岩层的重量， • 而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为
乘以一个修正系数。
H
• 2）金尼克假设
• 金尼克根据弹性理论（假定岩体是均匀的、连续的弹性介质 体，得出水平应力总归小于铅垂应力的结论），