岩体天然应力状态
《岩体力学》课后习题附答案
《岩体力学》课后习题附答案一、绪论岩体力学：研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的科学。
.二、1．从工程的观点看，岩体力学的研究内容有哪几个方面？答：从工程观点出发，大致可归纳如下几方面的内容：1）岩体的地质特征及其工程分类。
2）岩体基本力学性质。
3）岩体力学的试验和测试技术。
4）岩体中的天然应力状态。
5）模型模拟试验和原型观测。
6）边坡岩体、岩基以及地下洞室围岩的变形和稳定性。
7）岩体工程性质的改善与加固。
2．岩体力学通常采用的研究方法有哪些？1）工程地质研究法。
2）试验法。
3）数学力学分析法。
4）综合分析法。
二、岩块和岩体的地质基础一、1、岩块：岩块是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。
有些学者把岩块称为结构体、岩石材料及完整岩石等。
2、波速比k v：波速比是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块的纵波速度之比。
3、风化系数k f：风化系数是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块饱和单轴抗压强度之比。
4、结构面：其是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度、厚度相对较小的地质面或带。
它包括物质分异面和不连续面，如层面、不整合、节理面、断层、片理面等，国内外一些文献中又称为不连续面或节理。
5、节理密度：反映结构发育的密集程度，常用线密度表示，即单位长度内节理条数。
6、节理连续性：节理的连续性反映结构面贯通程度，常用线连续性系数表示，即单位长度内贯通部分的长度。
7、节理粗糙度系数JRC：表示结构面起伏和粗糙程度的指标，通常用纵刻面仪测出剖面轮廓线与标准曲线对比来获得。
8、节理壁抗压强度JCS：用施密特锤法（或回弹仪）测得的用来衡量节理壁抗压能力的指标。
9、节理张开度：指节理面两壁间的垂直距离。
10、岩体：岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构，赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
浅谈地下工程围岩稳定性与围岩控制
文章编号:1009-6825(2009)30-0111-02浅谈地下工程围岩稳定性与围岩控制收稿日期:2009-06-14作者简介:段学超(1974-),男,工程师,山西省交通建设工程监理总公司,山西太原 030006段学超摘 要:对影响地下工程围岩稳定性的自然因素进行了详细分析,讨论了围岩稳定性与围岩控制的方法与思路,介绍了围岩稳定性的监测方法和手段,论述了锚杆工作载荷与围岩稳定性的相互关系,用锚杆无损监测的方法来全程监测围岩稳定性对研究围岩稳定及工程施工具有很大的指导意义。
关键词:围岩稳定性,锚杆,围岩控制,锚杆无损监测中图分类号:T U 457文献标识码:A地下工程围岩的稳定性对工程的正常运营是至关重要的。
地下工程围岩的稳定性主要与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关[1],并且还与开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。
本文将对围岩稳定性监测的手段进行讨论,详细的论述利用锚杆工作载荷与围岩稳定性的关系来全程动态检测围岩稳定性的方法。
1 地下工程围岩稳定性因素1.1 岩石性质及岩体的结构围岩的岩石性质和岩体结构是影响围岩稳定性的基本因素。
从岩性的角度,可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩,塑性围岩主要包括各类黏土质岩石、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等,通常具有风化速度快,力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质,故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要指各类坚硬体,由于岩石本身的强度远高于结构面的强度,这类围岩的强度取决于岩体结构。
从岩体的结构角度,可将岩体结构划分为整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构。
松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。
对于脆性的厚层状和块状岩体,其强度主要受软弱结构面的分布特点和较弱夹层的物质成分所控制,结构面对围岩的影响不仅取决于结构面的本身特征,还与结构面的组合关系及这种组合与临空面的交切关系密切相关。
原岩应力及其分布
③
岩体中的构造应力具有明显的方向性，最大
水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大。
④ 构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍，
在软岩中贮存构造应力很少。
正断层
逆断层
平推断层
岩脉
褶皱
由地质特征推断构造应力方向的平面图
2 1 1 2 2 2 H 2 3E 1
由以上两式可知，岩体中积聚的弹性能与应力 状态有关，并随着开采深度的增加，与开采深度的 平方成正比关系增长。
应当指出，采矿活动破坏原岩应力状态，在岩
硐周围岩体内形成应力集中，应力集中系数k=3～5，
高应力导致岩体内积聚的弹性能增长数倍。这种大 量能量的突然释放，将产生矿山动压现象。
（四）讨论
由上述关系式可得以下几个主要结论：
①在双向等压应力场中，圆孔周边全处于压缩应力状态。
②应力大小与弹性常数E、μ 无关。
③ σ t、σ r的分布和角度无关，皆为主应力，即切向和径向平 面均为主平面。 ④双向等压应力场中孔周边的切向应力为最大应力，其最大应 力集中系数K=2，且与孔径的大小无关。当σt=2γH超过孔周 边围岩的弹性限时，围岩将进入塑性状态。
岩石的泊松比为0.2～0.3， ＝0.25～0.43。 1 2、静水应力状态假说：在埋藏较深条件下，垂直压 应力相当大，岩石呈现明显的塑性 ＝ 1.0 H
1
1
z
x
y
二.构造应力
构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引 起的应力，岩体构造应力可以分为现代构造应 力和地质构造残余应力。前者是指正在经受地
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。
6章 岩体的初始应力状态第一节 初始应力的概念与意义
重力应力： 重力应力：地壳上部各种岩体由于受地心引力的作用所引起的应力称为 重力应力或上覆岩层压力，即重力应力是由岩体自身引起的。 重力应力或上覆岩层压力，即重力应力是由岩体自身引起的。 构造应力：地壳形成之后，地下岩体在慢长的地质年代中， 构造应力：地壳形成之后，地下岩体在慢长的地质年代中，经历构造 运动，有的地方隆起，有的地方下沉。 运动，有的地方隆起，有的地方下沉。这说明在地壳中长期存在着一 种促使构造运动发生和发展的内在力，我们称其为构造应力。 种促使构造运动发生和发展的内在力，我们称其为构造应力。 原始构造应力： 原始构造应力：它是指新生代以前发生的地质构造运动使岩体变形 而积存在岩体内的构造应力。 而积存在岩体内的构造应力。 残余构造应力： 残余构造应力：它是指远古时期的地质构造运动使岩体变形并以弹 性变形能的形式储存在岩层内而形成的原始构造应力。 性变形能的形式储存在岩层内而形成的原始构造应力。 现代构造应力： 现代构造应力：它是现今正在形成某种构造体系和构造形迹的应 也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。 力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。它已被地震冲击 地层和原岩应力测量所证实。 地层和原岩应力测量所证实。
二、意义 （1）井壁力学稳定的原始参数。 ）井壁力学稳定的原始法
差应变法： 差应变法：是用室内的等围压实验反推三向应力方向和应力比的方 理论是严谨、可靠。但要求同时测量6道以上的应变， 法。理论是严谨、可靠。但要求同时测量6道以上的应变，应变仪在不同 道间要有较好的一致性，该技术实验难度极大。 道间要有较好的一致性，该技术实验难度极大。 Kaiser效应法：是用室内单轴实验反推三向应力和平面应力的方法， Kaiser效应法：是用室内单轴实验反推三向应力和平面应力的方法， 效应法 要在岩心指定的6个方向或3个方向上钻取小样， 要在岩心指定的6个方向或3个方向上钻取小样，每一个小样的测量结果 反应该方向在历史上承受的最大压力。 反应该方向在历史上承受的最大压力。 波速各向异性： 波速各向异性：是通过室内测得的岩心波速的各向异性来分析地应力 方向的一种方法。要求原始岩心介质是均匀的、各向同性的。 方向的一种方法。要求原始岩心介质是均匀的、各向同性的。
1 岩体中的原岩应力概述
（4）根据测定，岩体在构造应力作用下存在以下规 律：
σHmax σHmin σv
式中 H max —最大水平应力；
（1—8）
H min —最小水平应力；
v —垂直应力。
水平构造应力可能比自重造成的水平应力大几倍 到几十倍，而且往往浅部的倍数比深部大，因此在 浅部开采时，构造应力比自重应力更为重要。 （5）构造应力在坚硬岩层中出现较普遍，而在软岩 中储存构造应力很少。
（4）平均水平应力与铅直应力的比值随深度增 加而减小。 平均水平应力与铅直应力的比值是表征地区原 岩应力场特征的指标，该值随深度增加而减小。但 在不同地区，变化的速度不相同。比值的变化范围：
h,av 1500 100 0.3 0.5 H z H
式中 H为深度，单位为m。
从已有的资料看，在浅部值比较分散，随着深度增加， 的离散变小并向 1附近集中。这说明地壳深部可能出现 静水压力状态。 （5）最大水平主应力和最小水平主应力一般相差较大。
1.3 原岩应力分布规律
通过理论研究、地质调查和大量的地应力 测量资料，原岩应力分布的主要规律归纳如 下： （1）原岩应力主要有自重应力和构造应力 组成，自重应力是永恒存在的，而构造应力 主要受地质构造运动的影响，因地而异。 （2）实测铅直应力基本上等于上覆岩层重 量 （3）水平应力普遍大于铅直应力
1
岩体中的原岩应力
地壳中没有受到人类工程活动（如矿井中开掘的巷道等） 影响的岩体称为原岩体，简称原岩。 存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也 称岩体初始应力、绝对应力或地应力。 天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场称为原岩应 力场。 在原岩应力场内开掘巷道及形成采煤工作空间，破坏了岩 体原来的应力分布状态，引起岩体内的应力重新分布及应力对 围岩的作用，这是产生一系列矿山压力现象的根源。
岩石力学-第六章岩体的初始应力状态
6.5.2 高地应力的判别标准和高地应力现 象
• （3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形，在中等强度 以下的岩体中，开挖探硐或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩体产生剥 离现象，有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有破哑声。在软质岩体中则产生洞 体较大的变形，位移显著，持续时间长，洞径明显缩小。
性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。
6.4 岩体初始应力分布的主 要规律
初始应力场是一个非稳定应力 中国大陆板块边界所受的外力分布 场
中国大陆板块受到 外部印度板块每年以5厘米 速度和太平洋板块每年以数 厘米速度的推挤，同时受到 西伯利亚板块和菲律滨板块 的约束。板块变形，形成主 应力迹线，印、太板块的移 动促成了中国山脉的形成， 控制了地震的分布。
=0.8 ＋ 0.0329H(MP a)
6.4 岩体初始应力分布的主
要规律
平均水平应力 K 垂直应力
4. 平均水平应力与垂直应
力的比值随深度增加而减
小。
K
1500 H
0.5
5. 最大水平主应力和最小 水平主应力也随深度呈线
性增长关系
6. 最大水平主应力和最小
水平主应力之值一般相差
K 100 0.3 H
极高地应力 高地应力 一般地应力
我国工程岩体分级基准
<4
4～7
>7
（GB50218-94）
法国隧道协会
<2
2～4
>4
日本新奥法指南（1996年） > 2
4～6
工程地质原理分析简答
论述题：一.论述公路边坡中的顺向坡段在斜坡变形破坏方面的差异。
1.顺向边坡段易产生滑移拉裂，滑移压制拉裂，滑移弯曲拉裂。
1）滑移弯曲：主要发育在中陡倾外层体斜坡中，尤以薄层状岩体及延性较强的碳酸盐类层状岩体中多见。
这两类斜坡的滑移控制面倾角已明显大于该面的峰值摩擦角，上覆岩体具备滑移面下滑条件，但由于滑移面未临空，使下部受阻，造成坡脚附近顺层板梁承受纵向压应力，在一定条件下可使之发生弯曲变形。
2）滑移拉裂：斜坡岩体沿下伏软弱面向坡前临空方向滑移，并使滑移体拉裂解体。
3）滑移压制拉裂：主要发育在坡度中等陡的平缓层状体斜坡中，坡体沿平缓结构面向坡前临空方向产生缓慢的蠕变性滑移。
滑移面的锁固点火错列点附近，因拉应力集中生成与滑移面近于垂直的拉张裂隙，向上扩展且其方向渐转成与最大主应力方向趋于一致并伴随局部滑移。
2.反向边坡则易产生弯曲拉裂和蠕滑拉裂变形。
1）弯曲拉裂：陡倾的板状岩体在自重弯矩作用下，于前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲，并逐渐向破内发展。
弯曲的板梁之间互相错动并伴有拉裂，弯曲后缘出现拉裂缝，形成于走向的反坡台阶和槽沟。
2）蠕滑拉裂：斜坡岩体向临空方向发生剪切蠕变，其后缘发育自坡面向深部发展的拉裂主要发育在倾内薄层状体坡中也可以发生。
二.简述岩石坝基浅层滑动破坏类型及其形成条件。
岩石坝基渐层滑动破坏的主要类型有浅层岩体的剪切破坏，浅层岩体滑移弯曲和浅层岩体剪动滑移三种类型，其形成条件：1.坝基岩体的岩性软弱，岩石本身的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的接触面2.坝基由近于水平产出的薄层状岩层组成，在库水推力作用下，产生层间滑移，导致坝址下游岩层弯曲隆起3.坝基由碎裂结构岩体组成，在库水推力作用沿不同方位结构面发生渐进性剪动滑动破坏。
三．公路因技术原因无法绕避坡积层滑坡，该滑坡处于基本稳定状态，试论述公路从坡顶，坡中和坡脚通过滑坡的优缺点，并建议合理的通过方案。
1坡脚方案由于公路施工开挖造成稳定性降低2坡中开挖，行车动荷载对坡体影响最小3坡顶方案开挖影响小，动荷载可能相对影响较大4坡脚方案最差，坡中方案最好。
分析影响隧道围岩稳定性因素
分析影响隧道围岩稳定性因素习小华摘要:主要对影响隧道围岩稳定性的自然因素如岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水进行了详细的分析。
关键词:围岩稳定性;天然应力状态;地质构造毫无疑问,隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。
从许多隧道发生的交通事故中可以知道,隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关,而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。
但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。
因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理,才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。
1 岩石性质及岩体的结构围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性,是影响围岩稳定性的基本因素。
从岩性的角度,可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩,塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等,通常具有风化速度快,力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质,故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要各类坚硬体,由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度,故这类围岩的强度主要取决于岩体的结构,岩性本身的影响不是很显著。
从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQD、节理组数J n、节理面粗糙程度J y、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SRF 八类因素进行定量分析) 角度,可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。
如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩) 即围岩为完整或较完整,那么,隧道开挖后,围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏,即使发生破坏,变形的量值也是较少的。
这种情况下,围岩岩性对围岩的稳定性的影响是很微弱的,即一般是稳定的,可以不采取支护,能适应各种断面形状及尺寸的隧道。
如果隧道围岩的整体性质差、强度低,节理裂隙发育或围岩破碎(如塑性围岩)即围岩为破碎、较破碎或极破碎,则围岩的二次应力会产生较大的塑性变形或破坏区域,同时节理裂隙间的岩层错动会使滑移变形增大,势必给围岩的稳定带来重大的影响,不利于隧道洞室稳定;软硬相间的岩体,由于其中软岩层强度低,有的因层间错动成为软弱围岩而对围岩的稳定性不利。
岩体天然应力状态
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
二、与钻进有关的岩体应力释放及伴生的现象
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
二、与钻进有关的岩体应力释放及伴生的现象
2.钻孔周围岩体“葱皮化”现象 云南小湾水电站位于澜沧江中游的 高 山 峡 谷 河 段 。 在 2003 年 ～ 2005 年 的 坝 基建基面开挖过程中，表现出显著的高地 应力现象，不仅出现了明显的岩芯饼裂化 现象，在多个钻孔爆破孔断面，还发现岩 体出现“葱皮化”现象。 “葱皮化”薄层岩片一般呈叠瓦式 分布于钻孔周围，平面方向基本与钻孔轴 垂直，两端微微上翘，其产生可能与爆破 振动卸荷作用有关。岩片厚度在几mm～ 5cm，延伸长度一般在20～30cm。
3.应力释放型的深大拉张变形带 近年来，在雅砻江锦屏、金沙江向家坝等多个水电建设工程地质勘察过程 中，发现在一些河谷岸坡中向坡内数百米深处还发现有深大的拉裂缝和拉张 陷落带。这类拉张变形带以其规模大、延伸方向稳定及发育深而区别于通常 的卸荷裂隙。 这种拉张变形的成因之一是特殊地质、地貌环境条件下，由河谷下切水平 卸荷导致的“应力释放型”时效变形现象。
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
二、与钻进有关的岩体应力释放及伴生的现象
3.钻孔崩落现象 在南非和加拿大西部地区发现一些钻孔的孔 径并不呈圆形，而是在某一方向上孔径显著 增大。这种孔径的增大是由于孔壁局部破损 崩落所导致的。这种现象被命名为“钻孔崩 落”。
（1）钻孔崩落的长轴方向垂直于该区内 的水平最大主应力方向（图2-23），而与已 有裂隙的发育方位无关；
天然应力状态的形成
天然地应力类型
1.三向相等的静水应力式 地壳岩体内某一点处各方向地应力量值基本相等，均等于上覆岩层的自重
《岩体力学》第七章岩体中的天然应力
第七章 岩体中的天然应力第一节 概 述地应力（天然应力）：自然状态下在原岩体中存在的由于岩体自重和构造应力形成的分布应力。
（1）天然应力（地应力）（Stress in the earth’s crust & Initial stress ）：—指岩体在天然状态下所存在内在应力。
—人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
存在于地层中的未受工程扰动的天然应力—地应力（2）天然应力主要是由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。
（3）①1912年，瑞士地质学家海姆（A.Heim ）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。
是静水应力状态σn =σv =γH②1926年，苏联学者金尼克（A.H.пNHH иK ）修正了海姆的静水压力假设：⎪⎩⎪⎨⎧-==H Hh v γμμσγσ1③1951年，瑞典的哈斯特（N.Hast ）首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力的量测工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接受水平的，而且max max )21(V h σσ-≅。
这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。
后来的进一步研究表明：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影响最大。
（4）地应力（天然应力）的形成：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧岩浆侵入作用地质构造运动重力作用（6）自重应力：由岩体自重所引起的应力。
自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态。
构造应力：由于地质构造作用在岩体内积存的应力。
活动构造应力：狭义地应力，是地壳内现在正在积累的能够导致岩体变形和破裂，形成地震和活动构造的应力。
残余构造应力：古构造运动残留下来的应力。
它的基本特征：具有较高的水平压应力，一般情况下，v h σσ>，并具有明显的各向异性。
到目前为止，岩体的天然应力状态主要还是靠实测方法确定。
求岩体中一点的自重应力？在地表近水平的情况下，假设岩体均质各向同性连续性，则：⎪⎩⎪⎨⎧=-====z zv h h v γμμλσσσγσ1 21在地表以下较深部位，岩体近于塑性状态，其λ→1，即处于静水压力状态。
工程地质学-第五章 地壳岩体的天然应力状态-2-地壳应力状态复杂性
影响地应力的因素很多： 岩体自重和构造作用力控制（主要的）； 各种地质构造、地形、岩性、剥蚀作用、岩石的物理化学作用： 人类工程活动等。 多种因素的影响，使地壳表层地应力状态显得异常复杂。
5.4 地壳表层岩体应力状态的复杂性
5.4.1垂向卸荷
区域性的垂向剥蚀卸荷作用在增大岩体内的水平应力方面有着重要的作用。 例如：对于未受明显构造扰动的侵入体内应力状态的形成，一般经历了两个阶 段： 首先是侵入阶段，由于岩体呈熔融状态侵入地下一定深处，故岩体中的应力呈 静水应力式分布。 假定图中AB为原始地面， 则岩体内任一深度h0+h处P点 的应为： σh= σv=γ(h0+h)
二次应力分布区 –
1方向与坡面近于平行； 3与坡面近于垂直； 2与坡面走向基本平行。 在峡谷地区，河谷谷底往往也有明显的
应力集中区，形成囊状的“高应力包”。
河谷高边坡应力分布模式(据黄润秋，2001)
5.4 地壳表层岩体应力状态的源自杂性5.4.3地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
在近地表处的水平应力明显偏高地区，常见到一系列因应力释放而产 生的岩体力学现象，这些现象可作为高地应力的地质、地貌标志。
铜街子水电站坝基岩体结构示意图
5.4 地壳表层岩体应力状态的复杂性
上述变形断裂结构不同于隆爆，是高地应力条件下宽阔河谷下切过程 中垂直卸荷所导致的“应力释放型”浅生时效变形构造。
（1）量级较大的NWW向水平主应力和原始背斜构 造，是这类时效变形构造生成的前提条件。
河谷形成前，岩体虽已处于较高的水平承载状态， 因有足够大的竖向荷载与之相抗衡--保持总体稳定性。
与上述隆爆现象类似的浅生时效变形 -- 大渡河铜街子电站坝址区。 坝基岩体 -- 二叠系峨嵋山玄武岩，两次喷溢旋回的间歇面上，堆积了 一套火山碎屑，岩性软弱。 构造 -- NNE向短轴背斜轴部，岩层被层间错动和缓倾角对冲断层（F3 及F6）切割。 （1）层间错动带具有张扭性特征，错动方向指向河谷中部。 （2）两条对冲断层均为逆断层，却表现出张性特征，断距及倾角都有 由浅部向深部逐渐减小乃至尖灭及 变平的趋势。 （3）断裂形成于Q1，距今约 22~33万年的Q2中晚期已基本完成 其发展过程。 断层在河流深槽形成 后仍有微量活动
第二章 地壳岩体的天然应力状态
（1）地表岩体应力状态的复杂性； （2）残余应力的成因及其效应； （3）岩体应力-应变性状与应变速率的关系。
本章重点及难点
学习难点：
（1）地表岩体应力状态的复杂性，不仅表现在 其大小、方向不同，还表现在其空间变化和随时间
的变化。
（2）残余应力效应，特别是在自由临空面附 近，差异性岩体卸荷是造成残余应力的主要原因，并 造成了临空面附近复杂的浅生和表生时效变形现象。
2.2 影响岩体天然应力状态的 主要因素及其作用
主要从以下三方面进行讨论:
2.2.1 2.2.2 2.2.3
与地区地质条件及岩体所经历的地质
历史的关系
岩体内自由临空面附近的应力重分布及 应力集中作用 岩体切割面附近的残余应力效应
2.2.1 岩体天然应力状态与地区地质 条件及岩体所经历的地质历史的关系
2.1.2 岩体天然应力状态的类型
地壳岩体的应力状态取决于该地区的地质条件和岩体所 经历的地质历史。对此问题的看法，目前主要有三种观点： （1）“静水应力式”分布的观点 由瑞士地质学家海姆于1905-1912年提出，他以 岩体具有蠕变的性能为依据，认为地壳岩体内任一点的应 力都是各向相等的，均等于上覆岩层的自重，即： σx=σy=σv= γh
（3）边墙或边坡岩体的倾斜
地下开挖产生的岩体变形和破坏也有不同的类型：
拱顶裂缝掉块 边墙内鼓张裂
底鼓及中心线偏移
施工导坑缩径
2.1.3 研究岩体天然应力状态的意义
都汶路 龙溪隧道
洞壁内鼓
拱顶塌落
洞顶及洞壁垮塌
2.1.3 研究岩体天然应力状态的意义
此外，修建高坝范围内破坏岩体内天然应力的 平衡，引起一系列诸如断层复活、 水库地震以及大型岩爆等严重危 害建筑物和人民生命财产的工程 地质作用。所以，对于天然岩体 应力状态的研究，是工程地质工 作者的一项重要任务。
地壳岩体天然应力状态
地壳岩体天然应力状态1 基本概念及研究意义天然应力：指未经人为扰动，主要是在重力场、构造应力场综合作用下，所形成的应力状态，亦称初始应力（物理、化学、变化，岩浆侵入等）由人为活动而引起的应力场变化原生应力。
a. 自重应力场v N v h σσμμσ01=⋅-=亦有 V n σσ=b. 构造应力场由地壳的构造运动所引起，活动的、剩余的。
c. 变异应力与残余应力变异应力：为物理、化学变化及岩浆侵入形成的应力场。
残余应力：岩体卸荷或部分卸荷所形成的拉压应力自相平衡的应力场。
2 影响岩体天然应力状态的主要因素一、主要因素天然应力场的形成取决于地质条件和岩体所经历的地质历史。
地质条件：岩性 R 、E 、μ岩体结构 不连续性、各向异性、应力集中地质历史：构造作用及其演变历史（主要因素）区域卸荷作用a. 构造作用分活动构造应力，即现今还在形成，累积的应力场。
剩余构造应力，即地质历史时期构造作用形成的应力至今尚未完全卸除。
活动构造应力所形成的应力场，其最大主应力比较一致或呈规律变化而剩余应力则各地不一，比较杂乱。
b. 区域卸荷作用指区域性的面剥蚀。
例：岩体内 h h +0深度处的侵入岩应力场（静水应力状态）)(0h h r v h +==σσ经地面剥蚀后，剥蚀厚度为h 。
则 rh rh h h r v ==+=00)(σ001)(rh h h r v ⋅--+=μμσ)121(μμ--+=rh 水平应力与垂直应力的减小幅有很大不同。
思考题：岩体卸荷过程中能否造成岩体破坏（设h σ>γσ）二、自由临空面附近的应力重分布以河谷为例：河谷下切，形成地表的自由临空面，由此引起临空面附近岩体卸荷回弹，形成临空面附近岩体内应力重分布。
重分布应力大小和特点受原始地应力水平、岩性特征、临空面形态特征的影响。
重分布应力的主要特征：①主应力方向在临空面附近发生明显变化最大重应力与临空面近于平行，而最小主应力与临空面近于垂直。
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。
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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
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（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。
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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
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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。
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图6-3 松散岩体内的侧向应力
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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
岩体的初始应力状态
第三讲岩体的初始应力状态一、容提要：本讲主要讲述岩体初始应力的根本概念、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根本原理作一般了解；三、容讲解：一、岩体初始应力的根本概念(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】以下各项有关岩体初始应力的表达，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以下哪些因素引起〔〕。
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*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。
岩体中的天然应力
第一节概述地应力（天然应力）：自然状态下在原岩体中存在的由于岩体自重和构造应力形成的分布应力。
（1）天然应力（地应力）（Stress in the earth’s crust & Initial stress）：—指岩体在天然状态下所存在内在应力。
—人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
存在于地层中的未受工程扰动的天然应力—地应力（2）天然应力主要是由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。
（3）①1912年，瑞士地质学家海姆（A.Heim）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。
是静水应力状态σn=σv=γH②1926年，苏联学者金尼克（A.H.пNHHиK）修正了海姆的静水压力假设：③1951年，瑞典的哈斯特（N.Hast）首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力的量测工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接受水平的，而且。
这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。
后来的进一步研究表明：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影响最大。
（4）地应力（天然应力）的形成：（6）自重应力：由岩体自重所引起的应力。
自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态。
构造应力：由于地质构造作用在岩体内积存的应力。
活动构造应力：狭义地应力，是地壳内现在正在积累的能够导致岩体变形和破裂，形成地震和活动构造的应力。
残余构造应力：古构造运动残留下来的应力。
它的基本特征：具有较高的水平压应力，一般情况下，，并具有明显的各向异性。
到目前为止，岩体的天然应力状态主要还是靠实测方法确定。
求岩体中一点的自重应力？在地表近水平的情况下，假设岩体均质各向同性连续性，则：在地表以下较深部位，岩体近于塑性状态，其→1，即处于静水压力状态。
（1）水平层状岩体：（2）铅直层状岩体：（5）岩体中天然应力状态对研究区域稳定、岩体稳定性以及原位岩体测试中均具有重要的实际意义。
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。
岩石力学第2章 岩石的应力状态
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图2.14
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图2.15
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(3)节理滑动时的应力状态
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图2.16
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（1）弹性岩体模型 假设岩体的应力状态为弹性状态，则岩体单元在x， y方向的应变应为零，即
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图2.10
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（2）散体模型 若岩体是被多组密集的节理分割为块状体的集合， 则可以将岩体看做是完全无粘结力的松散体。松散体的 受力特征是任一平面上作用的正应力与剪应力之间成比 例，在极限平衡时满足库仑摩擦定律，则
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2.3.2 构造应力 岩体是一种地质体。由于地质构造运动使得岩体成 长的过程中经历了很大的外力作用，使得岩体的赋存形 态发生变化。地壳运动使板块拉、压、剪切，产生各种 断裂、褶皱、起伏，剧烈时形成造山运动，产生向斜、 背斜、褶皱等构造。例如，1970年云南通海地震产生水 平错动达2.20m的断层。地壳的垂直运动是长期的升降 过程，引起大地的隆起、陷落，甚至引起海陆变迁，昔 日沧海变桑田，形成造陆运动，据考察，喜马拉雅山在 2.5万年以前才从海底升起，现在还在以18.2mm／年的 速度上升。
1
在连续介质力学中，“力”的概念严格地限制在牛 顿的定义范畴内。牛顿提出力的定义百多年后，才提出 应力的概念。应力指单位面积上所受力的大小，是研究 材料强度时引入的。在岩石工程中，也是由岩体表面的 运动才能直接观察到力与应力。例如，地面上的滑坡、 地下洞室周边的挤压变形、地下采矿中的岩爆现象等。
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图2.1
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图2.2
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图2.3
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(1)地震 岩体应力产生的最直接的效应就是地震。地震是由 地壳内沿断层裂缝面的粘滑型剪切位移而引起的。这种 粘滑型的剪切位移具有连续积累的特征和突变特征。 (2)岩爆 岩爆与地震相似，但主要是由人类的采矿或地下洞 室工程活动引起岩体应力的释放而引起的。岩爆发生时， 岩石突出伴随发生，在采矿工程中常有岩爆或瓦斯突出 造成严重灾难，岩爆可以像地震一样进行监测。
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地质构造运动是指地壳结构改变和地壳物质变位的运动。又称地壳运动或 大地构造运动。人类对固体地球研究范围仅限地壳，所以地质构造运动是指地 壳运动，如板块俯冲、界面弯曲、层面滑移、物质上涌和物质对流等。
天然应力状态的形成
3.岩浆侵入
岩浆侵人挤压、冷凝收缩和成岩等过程，均会在周围岩体中产生相应的应 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 施加各向相等的均匀压力。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。
3.应力释放型的深大拉张变形带 近年来，在雅砻江锦屏、金沙江向家坝等多个水电建设工程地质勘察过程 中，发现在一些河谷岸坡中向坡内数百米深处还发现有深大的拉裂缝和拉张 陷落带。这类拉张变形带以其规模大、延伸方向稳定及发育深而区别于通常 的卸荷裂隙。 这种拉张变形的成因之一是特殊地质、地貌环境条件下，由河谷下切水平 卸荷导致的“应力释放型”时效变形现象。
一、垂向卸荷
地壳表层地应力状态
二、河谷侵蚀侧向卸荷
河谷下切或边坡开挖过程中，随着 边坡侧向应力的解除（卸荷），边坡产 生回弹变形，边坡应力产生相应的调整， 其结果是在边坡一定深度范围内形成二 次应力场。
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
1.隆爆现象 隆爆（POP-UP） 地表岩体中的一种“类 构造”现象。表现为长的隆褶或类似于 低角度逆断层的断隆。 一般认为，这类隆爆是该区地表岩体中 的一种与高水平应力释放有关的表生时 效变形现象。
（2）这种现象只见于厚层砂岩及粉砂岩 内，而不产生在页岩中。Mastin（1984）和 Haimson（1972）更通过物理模拟的方法在 实验室内真实地再现了钻孔崩落现象，进一 步证实了这一现象是由孔壁应力集中部位的 局部破坏所引起的。
第二章
岩体天然应力状态
天然应力状态
地壳岩体内的天然应力状态，主要是在自重应力场和构造 应力场的综合作用下，有时也是在岩体的物理、化学变化 及岩浆侵入的作用下形成的。
01 天然应力状态的形成 02 岩体改造方法和技术 03 地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
天然应力状态的形成
1.重力作用
天然应力状态的形成
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
二、与钻进有关的岩体应力志
二、与钻进有关的岩体应力释放及伴生的现象
2.钻孔周围岩体“葱皮化”现象 云南小湾水电站位于澜沧江中游的 高 山 峡 谷 河 段 。 在 2003 年 ～ 2005 年 的 坝 基建基面开挖过程中，表现出显著的高地 应力现象，不仅出现了明显的岩芯饼裂化 现象，在多个钻孔爆破孔断面，还发现岩 体出现“葱皮化”现象。 “葱皮化”薄层岩片一般呈叠瓦式 分布于钻孔周围，平面方向基本与钻孔轴 垂直，两端微微上翘，其产生可能与爆破 振动卸荷作用有关。岩片厚度在几mm～ 5cm，延伸长度一般在20～30cm。
天然应力状态的形成
天然地应力类型
1.三向相等的静水应力式 地壳岩体内某一点处各方向地应力量值基本相等，均等于上覆岩层的自重
2.竖直应力为主。 地壳岩体内的应力主要是重力场作用下形成的自重应力。
3.水平应力为主 地壳岩体内的应力主要受构造运动影响，其最大主应力近于水平。
地应力空间分布的规律
地壳表层地应力状态
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
2.谷下水平卸荷裂隙及谷坡内的水平剪切蠕动变形带 在高地应力区内较开阔的河谷，经常有一系列开口良好、透水性很强的水平卸荷 裂隙发育。特别是在走向垂直于现今区域最大主应力方向的河谷段，这类卸荷裂隙往 往尤为发育。
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
二、与钻进有关的岩体应力释放及伴生的现象
3.钻孔崩落现象 在南非和加拿大西部地区发现一些钻孔的孔 径并不呈圆形，而是在某一方向上孔径显著 增大。这种孔径的增大是由于孔壁局部破损 崩落所导致的。这种现象被命名为“钻孔崩 落”。
（1）钻孔崩落的长轴方向垂直于该区内 的水平最大主应力方向（图2-23），而与已 有裂隙的发育方位无关；