第6章岩体中天然应力new

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《岩体力学》第六章岩体的力学性质

图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。

岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。

岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。

其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。

第一节岩体的变形性质一、岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。

按静力法得到静E ，动力法得到动E 。

⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法各级压力P －W （岩体变形值）曲线按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。

μm—岩体的泊松比。

★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。

岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。

图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。

二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。

两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。

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。

第六章岩体的初始应力状态

¾第四节岩体初始应力的量测方法··········· ¾第五节高地应力地区主要岩体力学问题··
第四节岩体初始应力的量测方法
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
第三节岩体初始应力场的分布规律
地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数
地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。
就某个地区整体而言，地应力的变化是不大的。在某些地震活动活跃的地区，地应力的大小和方向随时间的变化是很明显的。
第三节岩体初始应力场的分布规律
1. 概念 2. 研究地应力的必要性 3. 地应力的成因 4. 地壳浅部地应力分布的一般规律 5. 地应力测量-水压致裂法，应力解除法
地应力的概念存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
2 地应力测量的必要性及意义
① 它是引起地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力。
大多数为0.8~1.5
σ h,av / σ v 之值一般为0.5~5.0，
第三节岩体初始应力场的分布规律
平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小
100+0.3≤ σh,aυ ≤1500+0.5
H
συ H
世界各国平均水平应力与垂直应力的比值随深度的变化规律图
5
2013/10/16
第三节岩体初始应力场的分布规律
水压力、热应力 a.孔隙水压力、流动水压力(影响小)、静水压力（悬浮作用） b.地温梯度引起的温度应力：温度应力是同深度的垂直应力的1/9，呈静水压力状态。

岩石力学课件---6.岩体初始应力

3、孔壁应变法孔壁应变法是通过测定钻孔孔壁的应变求解岩体应力的6个分量，其应力解除工序与孔径变形法相似：（1）打大孔至测点，磨平孔底。
（2）打同心小孔，安装应变花探头。
（3）套孔解除应力，超过小孔5cm,同时测量孔壁应变。（4）取出岩心，测其弹性参数E、μ 。（5）计算岩体应力。
§6-4 岩体初始应力场测定
§6-4 岩体初始应力场测定
一、应力解除法
（二）应力解除方法
2、孔径变形法当θ1、θ2、θ3的间隔为450时，按下式计算岩体应力：
§6-4 岩体初始应力场测定
一、应力解除法
（二）应力解除方法
2、孔径变形法当θ1、θ2、θ3的间隔为450时，按下式计算岩体应力：如果（d）式成立，则θ1为σ1 ’ 与U1的夹角，否则为σ2 ’ 与 U1的夹角。上式中的K，对于浅孔，可作平面应力问题处理， K=d/E ; 对于深孔，可作平面应变问题处理，K=（1－μ2)d/E。其中 d为钻孔直径，μ为岩石的泊松比。
E 0 90 0 90 'x ( ) 2 1 1
§6-4 岩体初始应力场测定
一、应力解除法
（二）应力解除方法
1、孔底应力解除法孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算：对于深孔，按平面应变问题处理：
' x CT x C l z
一、应力解除法
（二）应力解除方法
2、孔径变形法孔径变形法通过测定钻孔孔径变形求解岩体应力，其应力解除工序为：（1）打大孔至测点，磨平孔底。（2）打同心小孔，安装孔径变形计探头。
（3）延伸大钻孔解除应力，同时测量孔径变形。
（4）取出岩心，测其弹性参数E、μ。（5）计算岩体应力。

第六章岩体的初始应力状态讲义

z z
n
z i hi i 1
若认为岩体为均质、连续且各向同性体，各岩体单元横向变形为0，即x= y=0，则由广义胡克定律：
x

1 E
x

y z

y

1 E
y
z
x

解上式得水平应力x、 y为：
5、水压致裂法测定系统
6、应力计算
两向受不相等的均布力σ1、σ2作用时的应力分量：

1
2
2
(1
r2
2
)

1
2
2
(1
r2
2
)(1

3
r

2 2
)
cos
2
2

1
2
2
(1
r2 ) 1 2
2
2
(1
3 r 4 )cos 2 4

岩浆侵入或者随着深度的增加，温度升高，使岩体膨胀，产生热应力，增加初始应力；
若地温梯度α=3°C/100m，岩体热膨胀系数β约为10-5，一般岩体弹性模量E=10GPa，则地温引起的温度应力T约为：
T =αβE Z=0.03×10-5×104 Z=0.003 Z MPa
Z为研究点处的深度，m。
x
y

1

z

z
其中λ为侧压力系数，
岩体（0.2-0.3），则（0.25-0.43）；
另外， xy yz zx 0
岩体自重应力随着深度呈线性增加，浅部处于弹性状态；超某一临界深度（砂岩500m、花岗岩2500m），岩体处于潜塑状态或塑性状态（开挖前为弹性，开挖后呈塑性），此时，其近于 0.5，则近于1.0，岩体所受垂直与水平应力相等，即静水压力状态，该现象瑞士地质学家海姆（A.Heim）1987年在研究阿尔卑斯山深大隧道时发现，称为海姆假说。

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。

第六章岩体初始应力

6.4 岩体应力测定
一、应力解除法(stress relief method)
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-根据变形，转求应力。
重复2至5步完成2~3压裂循环，以便取得合理的压裂参数及正确地判断岩石破裂及裂隙延伸过程。
f.解除封孔，用印模栓塞记录破裂裂隙的方向。
全部试验过程用压力-时间曲线表示，如图所示。图的上部表示钻孔封堵段孔壁在试验过程中的状态。
破裂过程的压力—时间曲线
6.5 岩体初始应力分布状态
一、岩体初始应力大小和方向随深度的变化
第六章岩体初始应力
唐礼忠
中南大学岩石力学与工程研究所
6.1 初始应力的基本概念 6.2 岩体自重应力
6.3 岩体构造应力 6.4 岩体应力测定
6.5 岩体初始应力分布状态
6.1 初始应力的基本概念
一、定义
初始应力/in-situ stress： -人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 -岩体在天然状态下的内在应力。
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。
σHmax σHmin
σHmax
σHmin
2、拉纳利(G.Ranalli)等人
在地盾区及古生代褶皱带：平均水平应力大于岩石静水压力，平均水平应力与铅垂应力之比约为2:1，平均水平应力随深度变化的近似关系为：
6.3 岩体构造应力
一、构造应力场的概念

岩石力学-第六章岩体的初始应力状态

• （2）岩爆。在岩性坚硬完整或较完整的高地应力地区开挖隧洞或探洞时，在开挖过程中时有岩爆发生。
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

岩体天然应力的分布特征

第二节岩体天然应力的分布特征一、中国天然应力的分区性中国板块处在四大板块环绕中，西南面受印度板块向NNE挤压（5mm/a），东面受太平洋板块向W俯冲（1cm/a），南面受菲律宾板块向N俯冲，北面受西伯利亚板块阻挡。

如下图：在它们碰撞挤压下，形成了中国大陆岩体中的天然应力，大致可以以东经100～105°为界分东西两区。

东西两区的天然应力特征差别很大。

例如：（1）天然应力强度：西强东弱（西高东低）（2）最大水平应力方向：西区以NNE-SSW为主，东区近E-W方向，如下图：二、铅直应力（σV）铅直应力主要由上覆岩体自重构成，因此可用下式估算：因此，σV随深度的增加而线性增加。

天然应力的实测结果也证实了这一点。

铅直应力与埋藏深度关系的实测结果见下图。

σV多为压应力，且σV多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力。

三、水平应力（σh )1、岩体中天然应力常以水平应力为主，即σh > σV ，特别是 σhmax > σV ,据统计资料： σh /σV ≈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;2、水平应力具有强烈的各向异性，即σh 1≠ σh 2 ，我国华北σhmin / σhmax ≈0.2-0.8，华南σhmin /σhmax ≈0.3-0.75 。

原因a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性;3、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。

四、天然应力比值系数λ与深度z 的关系1、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(λ)。

2、特点：天然应力比值系数随深度增加而减小。

见右下图。

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：1、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;2、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。

第 6 章岩体天然应力状态及其测试

第 6 章岩体天然应力状态及其测试技术
6.5
地应力测试方法
• 6.5.1 表面应力测试 • 是早期岩体应力测试方法,它是在岩体表面或天然、人工洞室围岩表面，测试岩体应力的大小和方向的方法。 • 分类：应力解除法（完全解除，部分解除） • 应力恢复法 • 测试仪器：钢铉应变计、电阻片等 • 应力恢复法：
• • • • • 苏联 a) 波罗地盾 max=10050kg/cm2 b) 乌拉尔地区 max=400200kg/cm2 c) 阿尔泰地区 max=700350kg/cm2 d)贝加尔地区 max=1000500kg/cm2
第 6 章岩体天然应力状态及其测试技术
6.3 地应力研究中的主要成果
第 6 章岩体天然应力状态及其测试技术
6.2
• • • •
自重应力场特征
重点:自重水平应力与岩性密切相关. 金尼克假说对应弹性岩体海姆假说对应粘性与塑性岩体岩体特性与围压密切相关,围压增加,岩体向延性转化. • 确定自重应力场的方法:确定该地的岩体特性, 埋深等,再选择用什么理论.
第 6 章岩体天然应力状态及其测试技术
第 6 章岩体天然应力状态及其测试技术
6.2
自重应力场特征
• 6.2.3 自重应力场的一般特点 • 1) 在线弹性岩体中的自重应力场中,岩体的侧压系数随深度增加而增加, • 深度小于300m时,水平应力仅为垂直应力的10-20%, • 在2000M,二者相等.为静水压应力场. • 2) 在粘弹性或粘性岩体中,不论深度如何,侧压系数均为1.自重应力场均为静水应力场.
• 中国 • 特点:我国主要受印度洋板块与太平洋板块与欧亚板块的相对运动作用,形成了中国的地应力分布特征 • a)喜马拉雅山前缘潜在的逆断型应力状态分布区EW, • 垂直于喜马拉雅山脉近东西向; • b)中部潜在的走滑型应力状态分布区,NE; • c)华北华东地区张剪性走滑型应力状态分布区

岩体力学第六章岩体的初始应力状态第三节岩体初始应

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。
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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
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17
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。
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
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1
2. 方法分类(表6-1)
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2
二、水压致裂法
（一）方法原理及技术
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工作步骤
套孔应力解除工作步骤
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• 套孔应力解除使用的传感器
孔径变形测试采用位移传感器；孔壁应力解除采用应变传感器。
，
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（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。
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10
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。
④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩渗透性大，该压力将逐渐衰减

岩体中的天然应力

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。

第6章岩体中天然应力new

• (2)不适用于经强烈构造变动的岩体。如在褶皱强烈的岩体中，由于组成背斜岩体中的应力传递转嫁给向斜岩体。所以，背斜岩体中铅直应力σv常比岩体自重要小，甚至于出现σv等于零的情况。而向斜岩体中，尤其在向斜核部，其铅直应力常比按自重计算的值大60％左右，这已为实测资料所证实。
章标志
岩
– 开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；
体
– 收敛变形大，使开挖断面变小；
中
– 软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合；
的天
– 饼状岩心；
然
– 水下开挖无水渗出。
应
力
第 7、影响天然应力的因素六章 (1)地形起伏
a.水平应力向负地形集中，向正地形释放
岩 b.在斜坡附近，应力方向发生偏转
体
道岩壁中进行应力量测时，可采用扁千斤顶法。
(2)应力恢复法（扁千斤顶法）
第
六章
千斤顶
岩体步骤：
油泵
时间千斤顶压力 pc
中 ①在岩壁上选择测点，固定A、B两点。d≈15
的厘米；
天然应力
②刻槽应力释放、变形d0 d; ③安装扁千斤顶;
④加压应力恢复 d d0，到d=d0时的千斤顶
压力即为 R ；
体
中的
3 h m ih n m a t xp c 1
A
取“–”
hm in
天然应力
pppccS21 p0
A
A
hm a
t
第
六
章
维持破裂展开，又不继续发展的条件为 pshmin
联立上两式有
h m a 3 p x st p c 1
岩
hm in p s
体中的

岩体中的天然应力

基坑岩体回弹隆起、位错和变形的结果，将使地基岩体的透水性增大，力学性能恶化，甚至使建筑物变形破坏。
总之，岩体的天然应力状态，对工程建设有着重要意义。为了合理地利用岩体天然应力的有利方面，根据岩体天然应力状态，在可能的范围内合理地调整地下洞室轴线、坝轴线以及人工边坡走向，较准确地预测岩体中重分布应力和岩体变形，正确地选择加固岩体的工程措施。因此，对重要工程，均应把岩体天然应力量测与研究当作一项必须进行的工作来安排。
加拿大安大略省某露天采坑开挖在水平灰岩岩层中，当开挖深度达 15m 时，坑底突然裂开，裂缝迅速延伸，裂缝两侧 15m 范围内的岩层向上隆起，最大高度达 24m。研究表明，隆起轴垂直于区域最大主应力作用方向。
美国南达科他州的俄亥坝静水池基坑开挖在白垩纪页岩夹薄层斑脱岩地层中。1954 年 2 月开始开挖，1955 年 3 月完成，最大开挖深度为 6.1m。现场观察表明，到 1954 年 12 月，基坑底总回弹量达 20cm，其中 90％是在开挖期间发生的。当时基坑底部已有断层面未发现位移，但于 1955 年 1 月，发现基坑底面沿原断层面错开，上盘上升，错距达 34cm。
(1)岩体中水平天然应力以压应力为主，出现拉应力者甚少，且多具局部性质。值得注意的是在通常被视为现代地壳张力带的大西洋中脊轴线附近的冰岛，哈斯特已于距地表 4～65m 深处，测得水平天然应力为压应力。上述结论已为表 7-1 和表 7-2 的一些实测成果所证实。
(2)大部分岩体中的水平应力大于铅直应力，特别是在前寒武纪结晶岩体中，以及山麓附近和河谷谷底的岩体中，这一特点更为突出。如 σhmax 和 σhmin 分别代表岩体内最大和最小水平主应力，而在古老结晶岩体中，普遍存在 σhmax＞σhmin＞σv＝ρgZ 的规律。例如：芬兰斯堪的纳维亚的前寒武纪岩体、乌克兰的希宾地块和加拿大地盾等处岩体均有上述规律。在另外一些情况下，则有 σhmax＞σv，而 σhmin 却不一定都大于 σv，也就是说，还存在着 σhmax＜σv 的情况。

第六章岩体的初始应力状态

钻孔受到无穷远处的应力 1h 、 2 h 作用，钻孔
半径 a，孔外任意一点 r，孔内受到水压 Pb。
则
r 1 2 1 2(( 1 1h h 2 2h h))1 1 (( a ra r2 2 2 2)) p pb ba ra r3 2 2 2 1 2 1 2(( 1 1h h 2 2h h))1 1 (( 4 3 rra a 2 42 4) c3 ra o 42 4 )sco2 （s 6-13）
4．液压计
5．孔底应变丛 6．光弹双向应变计 7．孔壁之轴应变丛 8．光弹柱塞 9．罗恰光弹应力计 10．水压致裂
11．压裂声发射
解除方法套孔解除套孔解除套孔解除套孔解除孔底解除
孔底解除
套孔解除
套孔解除
套孔解除
不用解除不用解除
山东科技大学
使用条件要求不严要求不严岩石完整要求较高岩石完整岩石完整
山东科技大学
17
原岩应力是岩体内一点各个方向上应力分量总体的量度。一般情况下，六个应力分量是非零的，处于相对静止平衡状态，无法直接得知。因此，任何一种实测方法都需要经过扰动（通常是打钻孔），打破原有平衡状态，在从一种平衡状态到新的平衡状态的过程中，通过对力或应力效应的间接测量来实现。力或应力引起的最常见的效应是产生应变或位移，借助传感器将受到的应变或位移的变化传递给二次仪表取得测量数据，进一步根据测量的应变（位移）经力学反分析，最终获得原岩应力状态的结果。
2020/1/21
山东科技大学
22
考察钻孔内压力P的变化导致孔裂的变化
ra时，即孔壁压裂处
rP h (1h2h)P b2(1h2h)co 2s
（6-14）

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。

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。

（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

(4)地震的影响地震惯性力：由于地震而引起的构筑物的振动所产生的力；地震应力：地震波在传播过程中所产生的力。
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。

第6章岩体中天然应力new

《岩体力学》第六章岩体的力学性质

第六章 岩体的初始应力状态

第六章岩体的初始应力状态

岩石力学课件---6.岩体初始应力

第六章岩体的初始应力状态讲义

岩体中的天然应力概述

第六章 岩体初始应力

岩石力学-第六章岩体的初始应力状态

岩体天然应力的分布特征

第 6 章 岩体天然应力状态及其测试

岩体力学第六章岩体的初始应力状态第三节岩体初始应

岩体中的天然应力

第6章 岩体中天然应力new

岩体中的天然应力

第六章岩体的初始应力状态

岩体中的天然应力

6 岩体的初始应力状态

第六章岩体的初始应力状态

第六章岩体初始应力

第 6 章岩体天然应力状态及其测试

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