高等岩石力学第四讲

(a)、地质力学学说 该学说认为地球自转速度的变化产生ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ种推动地壳运动的力：
一种是经向水平离心力；一种是纬向水平惯性力。这两种力是引 起地壳岩体中出现构造应力的根本原因。大量的实测资料说明岩 体中水平应力大于垂直应力，说明构造应力以水平应力为主。
(b)、板块构造学说 该学说认为板块运动的核心是海底扩张。海底扩张是由于地幔
对流引起的。
§4-2 地应力分布规律
原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点： 一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场,它是时间和空间的函数. 二、实测垂直应力σv基本上等于上覆岩层的重力
在25～2700m深度内，σv 随深度线性增加，大致相当于按平均 重度γ=27kN/m3计算出来的重力γH,即
σv＝27H。 三、水平应力σH普遍大于垂直应力σv,即
或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在 力量，这就是构造应力。
岩体构造应力是构造运动中积累或剩余的一种分布力， 是构造运动中积累或剩余的一种应力场，除构造活动区外， 它是剩余应力场。
b、构造运动的起因 地质学家分析地球表层（包括地壳和地幔）结构及其运动规
律和发展，提出了各种大地构造学说，最具代表的是地质力学学 说和板块构造学说。
高等岩石力学第四讲 岩体地应力及其测量方法
本章内容：
4.1 概述 4.2 地应力场的分布规律 4.3 地应力测量方法
§4-1 概述
1、基本概念
原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然 平衡状态的岩体，称为原岩。
围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体， 称为围岩。
原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力， 又称为地应力。
x
y

x
E //
//
y
E //

z
E
0
x y
则有 ：
x
y

1 //

E // E

z
岩体自重应力的特点：
（a）水平应力σx、σy小于垂直应力σz ； （b） σx、σy、σz均为压应力； （c） σz只与岩体密度和深度有关，而 σx、σy还同时与岩体 弹性常数E、μ有关； （d）结构面影响岩体自重应力分布。
断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应 力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。
§4-3 地应力测量方法
一、地应力测量的基本原理 岩体应力现场测量的目的是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。岩体应力测量还是预报岩体失 稳破坏以及预报岩爆的有力工具。
侧压力系数λ＝σH/σv >1;
四、平均水平应力σH与垂直应力σv 的比值随深度增加而减 小。
100 0.3 1500 0.5
H
H
五、最大、最小水平主应力随深度线性增加：
σHmax＝6.7＋0.0444H(Mpa) σHmin＝0.8＋0.0329H(Mpa) 六、两个水平应力的关系一般有
构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造 应力场。
1 基本概念
诱导应力（围岩应力）:岩体开挖扰动了原岩的自然平 衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的 应力称为诱导应力或围岩应力。
原岩应力≈自重应力＋构造应力 迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算， 而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。
2、地应力的成因、组成成分和影响因素 一、地应力的成因 (1)由地心引力引起的应力场 (2)大陆板块边界受压引起的应力场 (3)地幔热对流引起的应力场 (4)岩浆侵入引起的应力场 (5)地温梯度引起的应力场 (6)地表剥蚀产生的应力场
二、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
x y, x y 0 xy yz zx 0
根据虎克定律：
x
y

1 E
(
x
( y
z)
0
得：
x
y

1


z
z
其中λ为岩体静止侧压力系数。
在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：
z H
x
y

1




z

z
xy yz zx 0
对于均质成层岩体：
n
z i hi i 1
x
y
n z
n 1 n
n
ihi
i 1
对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：
n
z i hi i 1
H min 0.2 ~ 0.8 H max
七、地应力的分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、岩体结 构特征、岩体力学性质、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。
地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床 中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平 行；
原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布状 态称为原岩应力场，又称为地应力场。即未经采动的岩 体在天然状态下所具有的应力状态。
1 基本概念
自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而 产生的应力。它是由岩体自重引起的。
自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态称为自重 应力场。
构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或 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量， 这就是构造应力。
岩体应力测量可以分为岩体初始应力测量和地下工 程应力分布测量，前者是为了测定岩体初始地应力场， 后者则是为了测定岩体开挖后引起的应力重分布状况。 从岩体应力现场测量的技术来讲，这二者并无原则区别。
依据测量基本原理的不同，也可将测量方法分为直 接测量法和间接测量法两大类。
直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力的量，并由这些应 力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程 中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应 力应变关系。扁千斤顶法、水压致裂法、套筒致裂法和声发射法均属 直接测量法。其中，水压致裂法、套筒致裂法目前应用最为广泛，声 发射法次之。
在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，μ=0.20~0.35,在深部， 岩体转入塑性状态， μ=0.50 ，λ＝1，则有：
σx= σy= σz＝γz
各向等压的应力状态，又称为静水压力状态。 著名的海姆假说（瑞士地质学家1878）
（2）构造应力
a、构造应力场的概念 构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。