岩体的初始应力概要
岩体初始应力-2
1
6.2 初始应力测定与分布
2
p
1
2
6 岩体初始应力
6.2.2 水压致裂法
（1）基本原理
6.2 初始应力测定与分布
借助于封隔器在垂直钻孔中测点处封隔一段，作为 压裂段，然后将压裂液送入压裂段，通过加压泵对 压裂段施加水压力，使孔壁岩石破裂，然后用印模 器印出压裂裂缝，或通过钻孔电视照相机照相，借 助于安装指南针测定压裂裂缝的方向，并根据压裂 时的水压力计算岩体初始应力。
深度Z（米）的变化图。
( H max H min ) / 2 / v
水平应力平均值与垂直应 力之比随深度而减小。
在 3000 米以内的地壳表层， 水平应力平均值与同深度处 铅垂应力分量的比在 0.5 至 3 之间，比值K随深度变 化的关系为：
100 0.30 500 0.50
6 岩体初始应力
6.2 初始应力测定与分布 6.2.1 应力解除法
（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
6 岩体初始应力
6.2 初始应力测定与分布
6.2.3 初始应力大小和方向随深度的变化
（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。
σHHmmaaxx σH Hmmiinn
v 0.0265 H
σHHmmaaxx σHHmmiinn
6 岩体初始应力
（4）孔壁应变法 1）测定岩体应力的步骤
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。
石油工程岩石力学-地应力
平地应力方位
地应力纵向分布规律计算
不同深度，不同性质的地层其地应力大小及 非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而 线性增大，对不同地层要分层计算地应力。
地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质构 造运动产生的构造应力，用公式表示为：
H
H
H
T
地应力纵向分布规律计算
hmin
HMAX >> v > hmin
第二节 地应力的测量方法
垂直主应力的求取：
垂直地应力是由重力作用产生的（岩石的重量）； 在任意深度，垂直地应力等于上覆岩层压力：
v = gz （密度×重力加速度×深度） 通常垂直地应力通过对密度测井数据积分获得； 在海上钻井要包含泥线以上海水产生的压力；
B A
C
largely unfractured shale
static basal sheet
compression
四、进行地应力研究的意义：
是所有地质力学问题中重要的初始条件； 是勘探、钻井及油藏等石油工程的重要参数； 是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数； 是采油工程中出砂防砂分析的重要参数； 是油气层增产改造措施制定的重要参数；
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
r
H 2
(1
R2 r2 )
H 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
H 2
(1
R2 r2
)
H 2
(1
3R 4 r4
) cos2
r
H 2
(1
3R 4 r4
2R2 r2
) sin 2
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。
岩体力学
1.岩体力学的定义：岩体力学主要是研究岩石和岩体力学性能的一门学科。
是探讨岩石和岩体在其周围物理环境（力场、温度场、地下水等）发生变化后，作出响应的一门力学分支。
2.岩石的定义：岩石是矿物或岩屑地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。
3.岩体的定义：在岩体力学中，通常将在一定工程范围内的自然地质体称为岩体。
4.结构面的定义：所谓结构面，是指具有极低的或没有抗体强度的不连续面5.岩石的力学特征：1.不连续性.2.各向异性.3.不均匀性.4.赋存地质因子的特性.6.学派：1.地质力学的岩石力学派。
2.工程岩石力学派。
第二章1.岩石的基本物理性质：1.岩石的密度指标。
2.岩石的孔隙性。
3.岩石的水理性质。
4.岩石的抗风化指标。
5.岩石的其他特性。
2.岩石的强度特性：所谓强度，是指材料在荷载作用下，所能承受的最大的单位面积上的力。
通常研究岩石的单轴抗压强度（无侧限压缩强度）、抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等。
在单向压缩荷载作用下试件的破坏形态：1.圆锥形破坏。
2.柱状劈裂破坏。
3.四种强度特性：1.岩石的单轴抗压强度。
2.岩石的抗拉强度。
3.岩石的抗剪强度。
4.岩石在三向压缩应力作用下的强度。
4.岩石三向压缩强度的影响因素：1.侧向压力的影响。
2.试件尺寸与加载速率的影响。
3.加载路径对岩石三向压缩强度的影响。
4.孔隙压力对岩石三向压缩强度的影响。
5.岩石应力应变全过程曲线（略）6.岩石的流变性包含着三部分的内容：岩石的蠕变、岩石的应力松弛、岩石的长期强度。
7.所谓的蠕变是指岩石在恒定的外力作用下，应变随时间的增长而增长的特性，也称作徐变。
8.典型蠕变曲线（略）。
9.影响岩石蠕变的主要因素：1.应力水平对蠕变的影响。
（不能太大也不能太小，中等应力水平（60%-90%）峰值）2.温度、湿度对蠕变的影响。
10.岩石介质力学模型：1.基本力学介质模型：弹性介质模型、塑性介质模型、粘性介质模型。
2.常用的岩石介质模型：弹塑性介质模型、粘弹性介质模型：马克斯韦尔模型、凯尔文模型。
岩体原始应力的名词解释
岩体原始应力的名词解释岩体是地壳中的固体岩石，它们构成了地球表面的大部分陆地，并承受着地壳中的各种力量和应力。
在地质演化的过程中，岩体中存在着原始应力，这是指岩石形成和沉积时的初始应力状态，通常受到地壳构造、板块运动、重力、地质作用等多种因素的影响。
岩体原始应力是岩石内部及其周围环境中存在的应力状态，它是一种内在的力量平衡状态。
岩体原始应力可以分为横向应力和纵向应力两个主要方向。
横向应力是指垂直于岩石层面的应力，它可以使岩石发生剪切和摩擦等形变。
纵向应力是指平行于岩石层面的应力，它可以使岩石发生蠕变和延展等形变。
岩体的原始应力与地壳构造密切相关。
地壳是地球地表及其下部较薄的岩石层，它由不同性质和构造的岩石组成，同时受到岩石变形、板块运动和地壳运动等作用的影响。
这些作用导致了地壳中的张应力和压应力的形成，进而影响了岩体的原始应力状态。
例如，在板块碰撞造山过程中，由于岩石受到的压力增大，岩体中的压应力也相应增加，从而使得岩体的原始应力发生改变。
除了地壳构造，重力也是岩体原始应力的重要来源。
地球上的重力场对岩石的应力状态有着重要影响，它会引起岩石的竖向和横向应力分布的不均匀性。
比如，在山地地区，由于山体的重力作用，岩体受到的压力会增加，从而导致原始应力的变化。
地质作用也会对岩体原始应力造成影响。
例如，在岩石的沉积过程中，由于上覆物的重力作用和沉积物本身的重压力，岩石会受到压力和应力的影响，形成初始的应力状态。
而在岩石的变质过程中，温度和压力的改变也会导致岩体原始应力的改变，这是由于岩石的结构和组成发生了变化。
了解岩体原始应力对于地质科学和工程实践具有重要意义。
在地质科学研究中，通过对岩体原始应力的研究，可以了解到地壳的结构和形变历史，揭示地质过程和构造演化的规律。
在工程实践中，了解岩体原始应力可以帮助工程师设计和施工地下工程，预测和评估地壳的稳定性和岩石的破裂状况，避免地质灾害的发生。
综上所述，岩体原始应力是指岩石形成和沉积时的初始应力状态，它受到地壳构造、板块运动、重力、地质作用等多种因素的影响。
岩体中的天然应力概述
第一节概述一、定义（1）天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
又称地应力、初始应力等。
（2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。
又称二次分布应力、附加应力等。
天然应力，没有工程活动开挖洞室后的应立场，为重分布应力，与天然应力有所改变在附近开挖第二个洞室，则视前一个洞室开挖后的应立场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力二、天然应力的组成天然应力一般由以下几部分组成：•由岩体自重引起的自重应力•由构造运动引起的构造应力•由流体作用引起的渗流应力•其它（如，地温引起的温差应力、地球化学作用引起的化学应力等）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；•l932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•20世纪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）。
2、研究意义（1）区域稳定任何地区现代构造运动的性质和强度，均取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。
从工程地质观点看，地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害。
从岩体力学观点出发，地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。
在一定的天然应力场基础上，常因修建大型水库改变了地区的天然应力场而引起水库诱发地震。
（2）地下洞室稳定对于地下洞室而言，岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源。
如果天然应力分布不均匀，可能在洞顶拉裂掉块，洞侧壁内鼓张裂和倒塌。
（3）边坡稳定天然应力状态与岩体稳定性关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。
越来越多的资料表明，在岩体高应力区，地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖，常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，使工程岩体失稳。
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。
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。
岩体应力测试
岩体应力测试
岩体应力是泛指存在于岩体内部的应力，他包括岩体初始应力和围岩应力。
岩体初始应力是指天然状态下岩体内赋存的应力，又称为原岩应力，在地震领域又称为地应力。
它主要由上覆岩层重力形成的自重应力和由地壳运动所产生的构造应力（包括现今构造应力和残余构造应力）所组成。
围岩应力是指岩体被扰动后引起应力重分布的应力，又称二次应力，它是由于人工开挖等工程活动而形成的。
1、岩体应力测试方法
岩体应力测试方法有应力部分解除法、应力完全解除法、应力恢复法、破裂岩石法、地球物理法以及其它方法。
岩体应力测量方法分类表。
《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。
第五章岩体天然应力与洞室围岩的应力分布
三.影响岩体初应力状态的其它因素
（1）地形-自重的减小或增大
地形对初应力的影响
（2）地质条件对初应力的影响。
背斜对地应力的影响
断层对地应力的影响
（3）水压力、热应力
孔隙水压力、流动水压力(影响小，可不计)、 静水压力（悬浮作用）热胀冷缩在岩体中产生 热应力。地温升高会使岩体内地应力增加，一
般地温梯度：3C/10m0岩体的体膨胀系
数： 10-5，岩体弹模E=104MPa；地温梯度 引起的温度应力约为：
T z E 0 .0 1 3 5 0 14 z 0M 0 .0 P z 0 a M 3
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。
四.岩体天然应力的分布特点和分布规律
二滩引水隧洞岩爆发生部位示意图
基坑边坡回弹错动
（5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩 块试验结果高。
高地应力条件下岩体变形曲线
三、研究高地应力应注意的问题
（一）关于岩体的浅 塑状态
可以通过莫尔 强度包络线来判断 岩石（体）发生何 种破坏及形式。若 应力圆位于莫尔包 络线（图中曲线 2）以内，岩体处于
是工程稳定性分析的原始参数。 不仅影响场地的稳定性（区域性）；影响工程的设计 与施工（地下和地面工程）；同岩体力学特性有密切关系。
自重垂直应力分布
（2）Heim假设（塑性状态）
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）
（3）岩体为理想松散介质（风化带、断层带）
（二）处理高地应力的岩石力学原则 （1）及早发现，及早作出对应措施和准备工作。 （2）及早降低应力，释放能量。具体做法是：在开挖面 上及时打超前密集小孔；或从开挖面内向内钻孔和在一定 深度内放炮，在一定范围内形成破碎带，降低洞周的应力。 （3）及早采取临时性和永久性防护措施，使岩爆与施工 人员一定程度隔离开来。在设计支护结构时，宜设计柔性 支护。 （4）工程中设计一定的应力降低措施：切割应力释放槽， 尽量避免引起应力集中的开挖形态，避免不必要的小型叉 洞和形状突变的洞形。
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
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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
2021/4/22
山东科技大学
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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。
14
2021/4/22
图6-3 松散岩体内的侧向应力
山东科技大学
15
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。
初始应力的组成与计算岩体自重应力场课件
岩体自重应力的研究有助于深入了解岩体的力学性质和变形行为，为工 程设计和施工提供重要的理论依据。
岩体自重应力的大小和分布规律对于评估岩体的稳定性、预测岩体的变 形和破坏具有重要意义。
岩体自重应力在工程设计中的应用
岩体自重应力在工程监测与安全评价中的应用
技术和设备投入。
岩体自重应力场的形成与分 布
岩体自重应力场的形成
岩体自重应力场的形成是由于地球引力作用，使岩体在垂直方向上受到向下的力，即岩体自 重。
岩体自重应力场的大小和分布取决于岩体的密度、厚度、地形地貌以及地球的重力加速度等 因素。
在水平岩层地区，岩体自重应力场主要表现为水平压力；在倾斜岩层地区，则同时存在水平 压力和垂直压力。
THANKS
关。
在地下工程中，岩体自重应力常 常会对隧道、矿井等结构的稳定
性产生影响。
构造应力
温差应力
温差应力是由于岩体内部温度 变化引起的应力。
在地下工程中，由于岩体深埋 地下，温度变化较大，温差应 力常常会对隧道、矿井等结构 的稳定性产生影响。
温差应力的计算需要考虑岩体 的热传导性质和温度分布情况。
岩体形变应力
岩体自重应力的计算模型
均质各向同性岩体的计算模型
均质各向同性岩体 计算公式
均质各向异性岩体的计算模型
均质各向异性岩体
计算公式
非均质岩体的计算模型
非均质岩体
计算方法
需要考虑岩体的非均质性对自重应力 场的影响，通常需要通过有限元分析 等方法进行计算。
岩体自重应力的工程应用
岩体自重应力在岩石力学中的作用
岩体形变应力是由于岩体变形产生的 应力。
二矿山岩体的原岩应力及其重新分布
图2-7 深埋巷道的力学特点
研究表明，当埋深H≥20R0时，忽略巷道 影响范围（3～5倍的R0）内的岩石自重 （图2-7），与原问题的误差不超过10%。
1
(1
) r12
1
r2
3
(1
3
r14 r4
)
c
os2
取θ=900、θ=2700，则周边出现 =0t，
即此时圆孔顶与底部不会出现拉应力。
由上述讨论可见，λ>1/3,周边不出现拉应力； λ<1/3时，将出现拉应力； λ=1/3，圆孔顶部与 低部不出现拉应力。λ=0时，θ=90处，拉应力 最大。所以，λ=0为最不利情况。λ=1为均匀 受压的最有利于稳定情况。
dV1 1 1 a 1 2 a 1 3 a
若用主应力的平均值分别代替原来单元 体的三个主应力，则新单元体(图2-6b)只有 体积变化，没有形状改变，并且体积改变 等于原单元体的体积改变。
图2-6 单元体在三向应力作用下体积变化
新单元体的体积改变能密度应用式
vV
31 2
2E
2 m
ห้องสมุดไป่ตู้
1
2
6E
1
2
3 2
单元体的畸变能密度等于总的应变能密 度与体积应变能密度之差。
vd
v
vV
1
6E
1
2 2
2
3 2
3
1 2
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。
第六章
岩体的初始应力状态
初始应力(地应力) 一 、初始应力(地应力)的概念
原地应力：是指地层岩石未经人工开挖或扰动以前的天然应力。 原地应力：是指地层岩石未经人工开挖或扰动以前的天然应力。 有人又将原地应力称为初始应力或固有应力。 有人又将原地应力称为初始应力或固有应力。在油田应力场研究 中，原地应力是指钻井、油气开采等活动之前，地层中地应力的 原地应力是指钻井、油气开采等活动之前， 原始大小。 原始大小。 原地应力构成：由重力应力、构造应力、孔隙压力等所构成。 原地应力构成：由重力应力、构造应力、孔隙压力等所构成。 影响因素： 地形地貌、地震力、 水压力、 地热。 影响因素：自重 、地质构造 、地形地貌、地震力、 水压力、 地热。 从时间上分为古地应力和现今地应力。 从时间上分为古地应力和现今地应力。从方向上分为垂直应力和 水平应力。 水平应力。
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。
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= x / z =(1-sin)/ (1+sin)
(6-8)
对于具有一定粘聚力的松散岩体，侧向应力x与垂直应力z
之间的关系为
x
z
H
1 sin 1 sin
2c cos 1 sin
（二）基本理论和计算公式
室内及现场资料表明：钻孔壁在液压下的初始开裂经常是垂直的。
设孔周水平地应力为1h、2h孔壁还受有水压Pb，此时，钻孔周
围岩体内应力：
r=1/2(1h + 2h)(1-a3/r2)+ Pb a2/r2 +1/2(1h - 2h)(1- 4a2/r2 + 3a4/r4)cos2
垂向应力v减小了H，水平应力n则减少了H /（1- ）
（按弹性卸载考虑）
则此时岩石单元的侧压力系数为：
n v
0
v
H
1
H0 H
0
[(0
1
)H
]
(H0
1 H
)
由于剥蚀后岩石单元埋深 H=H0 -H，所以：
(H
)
0
[(0
1
)H
]
1 H
（6-11）
可见，由于上覆岩体被剥蚀，使侧压力系数有增加的趋势，
（a）正断层（b）逆断层（c）平推断层（d）岩脉（e）褶皱 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
Z0 K0Z0
图6-5 侵蚀对某一深度上的应力的影响
设某深度H0的一个岩石单元，该处初始侧压系数0
上覆岩体剥蚀Βιβλιοθήκη 厚度H，使岩石单元受到卸载作用，卸载后，
其结果通常被认为是令人满意的。 常用地应力测量方法表6-1
二、水压致裂法 （一）方法原理及技术 基本原理 ： Po——孔隙水压或地下水压力。 Pb——初始压裂压力。 Ps——液体进入岩体内连续地 将岩体劈裂的液压，称为稳定 开裂压力。 Pso——关泵后压力表上保持的 压力，称关闭压力。 Pbo——开启压力。
（6-9）
显然，在一定深度范围，側向应力x 有可能为负； 令x=0，则由上式可得：
H0
2c cos (1 sin )
（6-10）
当H>H0时，才开始出现侧向应力x，并随深度成正比增加。
二、岩体构造应力场
1．构造应力的确定
构造应力尚无法用数学力学的方法进行分析计算，而只能采 用现场应力量测的方法来求得，但是构造应力的方向可以根据地 质力学的方法加以判断。
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 在距地表深度H处，岩体的初始应力场为
z = H x = y = z xy=0
式中：H——岩体单元的深度（m）
——上覆岩体的平均重力密度（kN/m3） ——侧压力系数 若岩体视为各向同性的弹性体，x = 0，y = 0，由广义虎克定律：
1. 掌握初始应力、构造应力的概念，掌 握自重应 力的计算方法；
2. 了解原岩应力的一般规律及影响原岩应分布的因 素；
3. 了解岩应力的实测方法
1 岩体初始应力状态的概念与意义
原岩： 未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体。 原岩应力（亦称初始应力或地应力）： 定义之一：原岩中存在的应力。 定义之二：岩体在天然状态下所存在的内应力。
2h =Pso Pb –Pb0 =T0
1h =32h -Pb +T0
此时To=0 ，则式（6-19）
1h =32h -Pb0 –Pw
（6-20）
对比式（6-19）与式（6-20），可得，
Pb –Pb0 =T0
（6-21）
在关闭压力Pso这一特征点上，孔壁已开裂，即To=0，所以 ，此时，Pso等于与裂隙面垂直的应力，亦即：
2h =Pso
（6-22）
由此通过分析：可得出主应力及岩体抗拉强度 值：
-To
（6-16）
时，孔隙开裂，式中，To为岩体抗拉强度。
据此，可求得孔壁破裂的应力条件为：
32h -1h -Pb +T0=0
（6-17）
或1h =32h -Pb +T0
（6-18）
如果岩体中有孔隙水压力Pw时，则式6-18）变为：
1h =32h -Pb +T0 –Pw
（6-19）
若水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pbo称为开启压力，即
=1/2(1h + 2h)(1+a3/r2)- Pb a2/r2 -1/2(1h - 2h)(1- 3a4/r4)cos2
当 = a，即孔壁处，则，
（6-13）
r= Pb = (1h + 2h)- Pb -2 (1h - 2h) cos2 当 = 0时，有最小值，即：
（6-14）
按最大拉应力理论有：
x=1/E[x -（ y + z ）]=0
y=1/E[y -（ x + z ）]=0
由此得：
x = y = /（1- ） z = /（1- ）H
所以，侧压力系数= /（1- ）
2．成层岩体
n
z i hi
i 1
x y z
（6-3） （6-4）
（6-3）、（6-4）岩体在一定深度范围内成立。
（三）水压力和热应力
3．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 目的：了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工 程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。 岩体应力量测按目的可分为：岩体初始应力量测和地下工程应 力分布量测 岩体应力量测常用方法: 应力解除法、应力恢复法和水压致裂法。 工程中某种应力量测方法的精确度能控制误差在0.4MPa以内，
一般习惯把原岩应力分为自重应力场和构造应力场。 由上覆岩体的自重所引起的应力称为自重应力；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 质作用残存的应力统称为构造应力。
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
当深度小于一定数值时，会出现水平应力n大于垂直应力v。
三、影响岩体初始应力状态的其他因素 （一）地形 1. 山谷谷底的应力很大: 与岩体的均质程度有关（图6-6 ) 2. 地形对岩体初始应力影响的另一特征: (图6-7）
（二）地质条件对自重应力的影响 图6-8 背斜: 两翼应力增大, 中部应力降低; 向斜: 两翼应力降低, 核部应力增大. 图6-8 断层: 山峰地应力低, 山谷地应力高