第六章岩体的初始应力状态详解
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x y
1
1 x x y z E 1 y y z x E
z z
其中λ为侧压力系数， 岩体（0.2-0.3），则（0.25-0.43）； xy yz zx 0 另外，
实测表明，大多地区两个主应力方向水平或接 近水平，其与水平面夹角一般不大于30°。最大水 平主应力h,max普遍大于垂直应力v ，其比值一般 为0.5~5.5，大多数情况，比值大于2。 h,max与h,min 的算术平均值h,av与v的比值一般为0.5~5.0，大多 数为0.8~1.5。这说明在地壳浅部岩体平均水平应力 普遍大于垂直应力。 垂直应力大多时为最小主应力；少数时为中间 主应力；个别时为最大主应力。这是由于构造应力 主要以水平应力为主。
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。 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，又称为初始应力场。即未经 采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。 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。 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。
6.2.2
构造应力场
构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力；
地质构造水平包括水平运动（造山运动）与垂直运动 （造陆运动），水平运动如板块移动、碰撞，对岩体构
造应力的形成起控制作用，即构造应力以水平应力为主。
目前，构造应力尚无法用数学力学的方法分析计算，只
能采用现场应力量测方法求得，但构造应力的方向可根
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。
6.2 岩体初始应力场及其影响因素
6.2.1
岩体自重应力场
n
在均匀岩体中，岩体的垂直应力z等于上浮岩体的重量：
z z
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：
解上式得水平应力x、 y为：
据地质力学的方法加以判断。 另一主应力与断裂构造系正交。
例如，对于断层、褶曲等一般认为自重应力是主应力之一，
正断层：1自重应力， 3与 断层走向正交 逆断层：3自重应力， 1与 断层走向正交
平移断层：2自重应力， 1 与断层走向成30°~45° 夹角，且1与2均为水平 方向，
岩脉、褶曲均可推断构造应 力方向，见图6-3。
故，山峰处初始应力低，沟谷处初始应力高
来自百度文库
（二）地质构造形态
背斜褶曲，两翼自重应力大，中部低——承载 拱受力特点；向斜褶曲，相反。 断层，楔体A产生卸荷作用，自重应力降低；而 楔体B产生加荷作用，自重应力升高。
（三）岩体力学性质
坚硬完整（积聚大量应变能）岩体，初始地应 力高；软弱破碎岩体，初始地应力低； 耶格提出初始地应力与岩体抗压强度成正比； E大于50GPa， 1一般10~30MPa， E小于10GPa， 1一般小于10MPa。
（四）水
岩体裂隙或孔隙中的水，静止时静水压力 （地下水位的升降引起初始地应力的减增），流 动时动水压力（给予周围岩体动水摩擦力和动水 流向应力，增加初始应力）。
（五）温度 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。 岩体的温度是压缩应力（热涨、岩体限制、受压）， 随深度增加而增加。温度应力约为自重应力的1/9左 右，且呈静水压力状态。
6.3.2
实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量
全世界实测V统计 资料分析表明，深度 25~2700m， V线性增 加，大致为=27kN/m3计 算的自重应力，部分地 区存在偏差（测量误差、 板块移动、岩浆侵入、 扩容、不均匀膨胀等）。 霍克（E.Hoek）与布朗 （E.T.Brown）
6.3.3水平应力普遍大于垂直应力
6.3 岩体初始应力场的分布规律
目前，原岩应力实测深度达3000m。在这一深度内， 原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：
6.3.1
岩体初始应力场是时间与空间的函数
绝大多数地区为以水平应力为主的三向不等压且 非稳定（大小与方向随空间与时间变化而变化）应力 场；
在某些地震带，方向与大小随时间变化而变化非 常明显，地震前应力大小积累增大，地震中集中应力 释放而大幅降低，而方向地震时明显改变，地震后慢 慢调整后恢复地震前状态。
正断层:上盘下降，下盘相对上升，多为张力和重力作用；逆断层：上盘上升，下 盘相对下降，多为水平挤压作用。平移断层：应力是来自两旁的剪切力作用，其 两盘顺断层面走向相对位移，而无上下垂直移动。
6.2.3
影响岩体初始应力状态的因素
除地质构造和自重应力外，地形、地质构造形 态、岩体力学性质、水、温度等。 （一）地形
6.1 几个基本概念
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。 原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力， 又称为初始应力或地应力。 围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体。 围岩应力：洞室开挖后，周围岩体失去原来的支 撑，开始向洞内位移，引起洞周一定范围内岩 体应力改变，重新调整形成新的应力，称为围 岩应力，也称次生应力或二次应力。 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。
1
1 x x y z E 1 y y z x E
z z
其中λ为侧压力系数， 岩体（0.2-0.3），则（0.25-0.43）； xy yz zx 0 另外，
实测表明，大多地区两个主应力方向水平或接 近水平，其与水平面夹角一般不大于30°。最大水 平主应力h,max普遍大于垂直应力v ，其比值一般 为0.5~5.5，大多数情况，比值大于2。 h,max与h,min 的算术平均值h,av与v的比值一般为0.5~5.0，大多 数为0.8~1.5。这说明在地壳浅部岩体平均水平应力 普遍大于垂直应力。 垂直应力大多时为最小主应力；少数时为中间 主应力；个别时为最大主应力。这是由于构造应力 主要以水平应力为主。
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。 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，又称为初始应力场。即未经 采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。 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。 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。
6.2.2
构造应力场
构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力；
地质构造水平包括水平运动（造山运动）与垂直运动 （造陆运动），水平运动如板块移动、碰撞，对岩体构
造应力的形成起控制作用，即构造应力以水平应力为主。
目前，构造应力尚无法用数学力学的方法分析计算，只
能采用现场应力量测方法求得，但构造应力的方向可根
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。
6.2 岩体初始应力场及其影响因素
6.2.1
岩体自重应力场
n
在均匀岩体中，岩体的垂直应力z等于上浮岩体的重量：
z z
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：
解上式得水平应力x、 y为：
据地质力学的方法加以判断。 另一主应力与断裂构造系正交。
例如，对于断层、褶曲等一般认为自重应力是主应力之一，
正断层：1自重应力， 3与 断层走向正交 逆断层：3自重应力， 1与 断层走向正交
平移断层：2自重应力， 1 与断层走向成30°~45° 夹角，且1与2均为水平 方向，
岩脉、褶曲均可推断构造应 力方向，见图6-3。
故，山峰处初始应力低，沟谷处初始应力高
来自百度文库
（二）地质构造形态
背斜褶曲，两翼自重应力大，中部低——承载 拱受力特点；向斜褶曲，相反。 断层，楔体A产生卸荷作用，自重应力降低；而 楔体B产生加荷作用，自重应力升高。
（三）岩体力学性质
坚硬完整（积聚大量应变能）岩体，初始地应 力高；软弱破碎岩体，初始地应力低； 耶格提出初始地应力与岩体抗压强度成正比； E大于50GPa， 1一般10~30MPa， E小于10GPa， 1一般小于10MPa。
（四）水
岩体裂隙或孔隙中的水，静止时静水压力 （地下水位的升降引起初始地应力的减增），流 动时动水压力（给予周围岩体动水摩擦力和动水 流向应力，增加初始应力）。
（五）温度 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。 岩体的温度是压缩应力（热涨、岩体限制、受压）， 随深度增加而增加。温度应力约为自重应力的1/9左 右，且呈静水压力状态。
6.3.2
实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量
全世界实测V统计 资料分析表明，深度 25~2700m， V线性增 加，大致为=27kN/m3计 算的自重应力，部分地 区存在偏差（测量误差、 板块移动、岩浆侵入、 扩容、不均匀膨胀等）。 霍克（E.Hoek）与布朗 （E.T.Brown）
6.3.3水平应力普遍大于垂直应力
6.3 岩体初始应力场的分布规律
目前，原岩应力实测深度达3000m。在这一深度内， 原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：
6.3.1
岩体初始应力场是时间与空间的函数
绝大多数地区为以水平应力为主的三向不等压且 非稳定（大小与方向随空间与时间变化而变化）应力 场；
在某些地震带，方向与大小随时间变化而变化非 常明显，地震前应力大小积累增大，地震中集中应力 释放而大幅降低，而方向地震时明显改变，地震后慢 慢调整后恢复地震前状态。
正断层:上盘下降，下盘相对上升，多为张力和重力作用；逆断层：上盘上升，下 盘相对下降，多为水平挤压作用。平移断层：应力是来自两旁的剪切力作用，其 两盘顺断层面走向相对位移，而无上下垂直移动。
6.2.3
影响岩体初始应力状态的因素
除地质构造和自重应力外，地形、地质构造形 态、岩体力学性质、水、温度等。 （一）地形
6.1 几个基本概念
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。 原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力， 又称为初始应力或地应力。 围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体。 围岩应力：洞室开挖后，周围岩体失去原来的支 撑，开始向洞内位移，引起洞周一定范围内岩 体应力改变，重新调整形成新的应力，称为围 岩应力，也称次生应力或二次应力。 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。