岩体力学——天然应力

'
gz


0

0


1

z 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。
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3.结构面
……
1
…
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4.岩体性质
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
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。
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四、天然应力比值系数与深度z 的关系
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。
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13பைடு நூலகம்
七、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
+ + +
++++
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2. 地表剥蚀
gz0 h 0 0 gz0
剥蚀
' gz0 gz g(z0 z) gz
强度上：西强东弱（西高东低）
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方向上：西： NNE-SSW尚为辅网主，东：近E-W。
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以东经100～105o为界分东西 两区。
•强度上：西强东弱 •方向上：西： NNE-SSW为主，
东：近E-W。
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二、铅直应力 （V）
上覆岩体自重
V 2.7gh
产生温度应力
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§6.3 岩体天然应力确定
天然 应力 确定 方法
自重应力理论
天然应力测量 大地水准测量
地变形量测
三角网测量
GPS测量 地震震源机制解
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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、当地侵蚀基准面以上
1、均质各向同性岩体

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）。
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2.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
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§6.2 岩体天然应力的分布特征
一、 分区性（以中国为例）
以东经100～105o为界分东西两区。
第6章 岩体中的天然应力
§6.1 概 述 §6.2 岩体天然应力的分布特征 §6.3 岩体天然应力的确定
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§6.1 概 述
一、定义
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。
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(0.3 100) hav (0.5 1500)
z 尚辅网
z 11
五、主应力与水平面的关系 据主应力与水平面的关系，可划分为：
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;
•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
拉张区 挤压区
• 地球自转速度变化
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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
++++++
++++++
++++++
天然应力
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∧
→ ← ↓↑
∧
→ ← ↓↑
重分布应力
相对于第2洞 室的天然应力
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二、天然应力组成及起源
1.组成：
•岩体自重→自重应力 •构造运动→构造应力
gh
V
h1

h2
V 1
•流体作用→渗流应力 p wg(h z)
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
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三、 水平应力（ h）
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：水平天然应力主要受构造应力场控制；
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 。
原地面
0 h
z0
· h
z
现地面

'
z
· h'
h' 0 gz
o
1

g
( 0 z 0

1
z)

g

0(z

z)

1

z


h'

g 0(z


z) 1
z
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3、垂直层状岩体

V
h1

gz h2

1

V
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z

A ·h
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2、水平层状岩体
V

n i 1
i gzi

h1
h2
1
E|| E
V
1 z1 2 z2 3 z3
i zi
…

A · h
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三、天然应力的研究历史与研究意义 1.研究历史
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：
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。
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六、高天然应力 标志
– 开挖洞室时，常产生岩爆、剥离； – 收敛变形大，使开挖断面变小； – 软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合； – 饼状岩心； – 水下开挖无水渗出。