岩体的初始应力状态
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
岩石力学重点提示
第一章绪论岩石和岩体都是岩体力学的直接研究对象。
但在岩体力学中，这是两个既有联系又有区别的两个基本概念。
所谓岩石就是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体；所谓岩体则是指在一定的地质条件下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。
岩石就是指岩块，在一般情况下，不含有地质结构面。
因此，岩石和岩体的力学性质也是不同的，前者可在实验室条件下进行试验，而后者一般在野外现场的实验场地完成实验。
从实验的精确度来看，后者更接近岩体的实际情况，反映了岩体的实际强度，前者则相差甚远。
第二章岩石的基本物理力学性质（一）岩石的基本物理性质这部分内容比较直观、容易掌握，但要注意各性质指标的定义和归类，避免引起混淆。
为便于记忆，列出基本物理力学性质的归类树，读者应将对应的公式（或注释）填充。
岩浆岩１．岩石（按地质成因）沉积岩变质岩２．岩体＝岩石（或岩块）＋结构面（二）岩石的强度特性1．强度试验基本内容单向抗压强度试验 抗剪强度2． 单向抗压强度试验（1）试件：直径D ＝50mm ±0.3mm ；高H=(2～2.5)D ±0.3mm ；两端法线与试件轴线偏差不大于025.0；端面不平整度不大于0.5mm 。
（2）单向抗压强度 AP=σ P －岩石试件无侧限条件下的破坏载荷 A －试件承载面积（3）试件破坏形态圆柱单向压缩有两种可能的破坏形态：圆锥形破坏和圆柱形劈裂破坏（见图２-1）（a ）圆锥形破坏 （b ）柱状劈裂破坏 图２-1 单轴压缩破坏形态破坏原因：①圆锥形破坏形状是由于试件两端与试验机承压板之间摩擦力增大造成的。
②柱状劈裂破坏，如图２-1b 所示。
若采用有效方法消除岩石试件两端面的摩擦力，则试件的破坏形态成为柱状劈裂破坏。
（4）试件单向抗压强度的主要影响因素①试验机铁板的刚度；②试件的形状；③试件的尺寸；③试件的高径比；④加载速度 3. 单向抗拉强度试验 （1）直接拉伸法对岩石试件直接施加拉力至破坏，抗拉强度为AP t =σ 式中：P －试件破坏时承受的最大压力；A －与拉力垂直的横截面积。
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。
2、3.矿山岩体的原岩应力及其重新分布
39
3.3.2 直接顶厚度
直接顶初次垮落后，杂乱堆积，岩体碎胀，碎胀堆积高度大于 直接顶岩层原来的厚度。它与老顶之间留下的空隙Δ 为：
h M K p h M h K p 1
当冒落的直接顶将充满采空区时，Δ =0，忽略老顶的弯曲下沉。
h M Kp 1
27
压力拱假说解释：工作面前后的支承压力、回 采工作空间处于减压范围，仍然是经典的解释。
没有分析：拱的特性，岩层变形、移动和破坏 的发展过程，支架与围岩的相互作用。
28
3.1.2 悬臂梁假说
此假说认为，顶板可视为一端固定于煤壁前方岩 体内，另一端处于悬伸状态的梁，悬臂梁弯曲下沉 后，受到已垮落岩石的支撑，当悬伸长度很大时， 发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压。
31
3.1.4 砌体梁假说
“砌体梁”结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的：
Ⅰ－垮落带，Ⅱ－裂缝带，Ⅲ－弯曲下 沉带，A－煤壁支承区，B－离层区，C －重新压实区
(1) 采动上覆岩层的岩体结构的 骨架是覆岩中的坚硬岩层。可 将上覆岩层划分为若干组，每 组以坚硬岩层为底层，其上部 的软弱岩层可视为直接作用于 骨架上的载荷。
16
图 2-13 矩形孔 周围应力分布图
a—最大、最小正 应力； b—切向应力 c—周围切向应力
17
3 采场顶板活动规律
3.1 几个概念 3.2 有关采场上覆岩层“大结构”的假说 3.3 直接顶的垮落 3.4 老顶的断裂形式 3.5 老顶的初次断裂步距 3.6 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其S-R
(5) 表土冲积层可视为 均布载荷作用。
33
3.1.5 传递岩梁假说
H
m2 m1 m2
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。
原地应力状态
原地应⼒状态原地应⼒状态地应⼒是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。
它是引起采矿、⽔利⽔电、⼟⽊建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天岩⽯开挖⼯程变形和破坏的根本作⽤⼒，是确定⼯程岩体⼒学属性，进⾏围岩稳定性分析，实现者⽯⼯程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。
第⼀节概述⼀、基本概念原地应⼒：指钻井、油⽓开采等活动进⾏之前，地层中地应⼒的原始⼤⼩。
扰动应⼒：指钻井、油所开采等活动在地层中产⽣的地应⼒改变。
构造应⼒：由构造运动在岩体中引起的应⼒叫构造应⼒，在地质⼒学中常把构造应⼒叫做地应⼒，指导致构造运动、产⽣构造形变、形成各种构造形迹的那部分应⼒。
古地应⼒和现今地应⼒：古地应⼒指某⼀地质时或某⼀重要地质事件以前的地应⼒，现今地应⼒是⽬前存在或正在活动的地应⼒。
分析构造形迹现成机理主要涉及古地应⼒，⽽⽯油⼯程则主要关⼼现今地应⼒。
残余应⼒：残余应⼒除去外⼒作⽤以后，尚残存在岩⽯中的应⼒，这种残余应⼒很⼩，往往只有零点⼏兆帕，所以常忽略不计。
重⼒应⼒：指由于上覆岩层的重量引起的地应⼒分量，特别指由于上覆岩层的重量产⽣的⽔平应⼒⼤⼩。
热应⼒：热应⼒是指由于地层温度发⽣变化在其内部引起的内应⼒增量，热应⼒主要与温度的变化和岩⽯温度和热学性质有关。
分层地应⼒：是指按地分层分别给出不同层位的地应⼒值，⾮常重要的是给出相邻地层的应⼒差。
地应⼒场：地应⼒在空间的分布情况。
⼆、地应⼒的分类：1971年加拿⼤第七届岩⽯⼒讨论会上，对地应⼒从矿⼭应⽤的⾓度进⾏了分类：三、地应⼒的描述⽅法由于岩⽯经历了漫长的地质时期，并经受了多次复杂的构造运动，使得岩⽯的原地应⼒状态变得⼗分复杂。
为满⾜⼯程需要，⼀般认为原地应⼒状态由上覆岩层压⼒和两个⽔平⽅向的主应⼒组成。
如图7-1所⽰建⽴参考坐标系，xy构成⽔平⾯，x⽅向为最⼤⽔平主应⼒⽅向，y⽅向为最⼩⽔平主应⼒⽅向，z⽅向为铅垂⽅向。
6、岩体的初始应力状态
第六章 岩体的初始应力状态第一节 初始应力状态的概念与意义岩体的初始应力，是指岩体在天然状态下所存在的内在应力，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。
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、地质构造形态、水、温度等，但这些因素大多是次要的，只是在特定的情况下才需考虑。
对于岩体工程来说，主要考虑自重应力和构造应力，二者叠加起来构成岩体的初始应力场。
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。
岩体的初始应力状态可以指在没有进行任何地面或地下工程之前，在岩体中各个位置及各个方向所存在的应力的空间分布状态，它是不取决于人类开挖活动的自然应力场。
在岩体中进行开挖以后，改变了岩体的初始应力状态，使岩体中的应力重新分布，引起岩体变形，甚至破坏。
在高地应力地区，开挖后常会出现岩爆、洞壁剥离、钻孔缩径等地质灾害。
对于地下洞室工程来讲，我们把与洞室本身稳定密切相关的周围岩体称为围岩。
洞室的开挖引起围岩的应力重分布和变形，这不仅会影响洞室本身的稳定状态，而且为了维持围岩的稳定，需施作一定的支护结构或衬砌。
合理地设计支护结构，确定经济合理的衬砌尺寸，是与岩体的初始应力状态紧密相关。
所以，研究岩体的初始应力状态，就是为了正确地确定开挖过程中岩体的应力变化，合理地设计岩体工程的支护结构和措施。
第二节 组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算一、岩体自重应力场及计算地心对岩体的引力，使原岩体处于受力状态，由此而引起的岩体应力称为重力应力。
它可以通过计算获得，其计算理论一般是建立在假定岩体为均匀连续介质的基础之上的。
隧道围岩分级与围岩压力 围岩压力
围岩压力
围岩压力
(a)
(b)
变
松
形
动
阶
阶
段
段
(c)
(d)
塌
成
落
拱
阶
阶
段
段
围岩松动压力的形成
围岩压力
围岩压力
⑴ 隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始沉陷， 并出现拉断裂纹，可视为变形阶段；
⑵ 顶板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面切割等原因， 逐渐转变为松动，可视为松动阶段；
⑶ 顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌阶段；
围岩压力
⑴ 深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法)
围岩竖向匀布压力q 按下式计算：
q = 0.45 ×2 s-1×γω (kN/m2)
式中 ：S—围岩级别，如属II级，则S＝2； γ— 围岩容重， (kN/m3)； ω＝1+ i(B-5) — 宽度影响系数； B — 隧道宽度,(m）； i —以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。 当B<5m，取i ＝0.2；当B > 5m,取i ＝0.1。
围岩压力
① 深、浅埋隧道的判定原则
Hp＝（2～2.5）hq 式中:Hp—深浅埋隧道分界深度;
hq—荷载等效高度，按下式计算： hq＝q/γ
q —深埋隧道竖向均布压力 kN／m2； γ —围岩容重（kN／m2）。
围岩压力
在矿山法施工的条件下
I～Ⅲ级围岩取 Hp＝2hq
Ⅳ～Ⅵ级围岩取 Hp＝2.5hq
围岩压力
围岩压力
围岩压力
围岩压力是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑
或衬砌结构的主要荷载之一。
岩体初始 应力状态
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。
7、岩体应力测试(孔壁应变法测试、孔径变形法测试、孔底应变法测试、表面应变法测试)
岩体应力测试包括：孔壁应变法测试、孔径变形法测试、孔底应变法测试、表面应变法测试岩体应力是泛指岩体内部存在的应力。
在天然状态下，岩体内部存在的应力，称为岩体初始应力（或天然应力、原始应力）；在岩体被扰动后，扰动范围内重分布的应力，称为岩体二次应力。
岩体初始应力，不仅与岩体自重、地质构造运动有关；而且与成岩过程的物理化学变化、地形地貌、地温梯度、岩性特性等有着密切关系，是一种复杂的、综合性的应力状态。
为了了解岩体初始应力状态，最有效的方法就是在现场进行测试。
岩体应力的测试方法很多，且各有利弊。
常用的是套钻岩芯应变解除法。
岩体应力测试是以弹性理论为基础，假定岩体为均质、连续、各向同性的线弹性体基础上进行的。
（一）孔壁应变法测试孔壁应变法测试，是通过在钻孔套钻应力解除过程中，量测某点的孔壁应变，反算该点的三向应力大小和方向，据此计算岩体初始应力。
本测试方法适用于无水、完整或较完整岩体。
应力测试段内，岩件府均一、完整。
测点应选在应力扰动区外。
应力扰动区范围，一般为洞室直径的 2 倍。
测试前后应对试段、钻孔、岩芯及解除岩芯进行地质描述。
主要内容为：钻孔钻进情况、岩性、岩体结构面性状、测点应力现象等，并收集相关地质图。
1、测试孔主要要求用大孔径钻头钻至预定测试深度，并磨平孔底。
取出岩芯，进行描述。
用小孔径钻头钻测试孔，与大孔同轴，深 50cm。
取出岩芯并描述。
当孔壁不光滑时，应采用扩孔器扩孔。
清洗测试孔，并对孔壁进行干燥处理。
试前需进行应变计安装。
用安装器将应变计送入测试孔，就位定向，并施加一定的预压力，使应变计牢固地黏结在孔壁上，取出安装器，量测测点方位及深度。
2、测试要点向钻孔注水，每隔 10min 读数一次，连续 3 次读数相差不超过5με时，即认为稳定，并将此读数作为初始值。
按预定分级深度钻进，进行套钻解除，每级深度宜为 2cm。
每解除一级深度，停钻读数，连续读取 2 次。
套钻解除深度应超过孔底应力集中影响区。
岩体初始应力
1
x
y
z
0
y
1 E
y
x
z
0
可以得到
x
y
1
z
令
1
则 x y z
6 岩体初始应力
6.1.2 岩体自重应力
6.1 初始应力概念与分析
（2）计算公式
2）水平应力计算
λ 称为侧应力系数，表示水平应力与垂直应力的比值。 一般岩石的 μ=0.2~0.3，则 λ=0.25~0.43。 当μ=0.5时，λ=1，即 σx=σy=σz ——静水压力状态
6 岩体初始应力
6.1 初始应力概念与分析
6.1.1 初始应力基本概念
（2）初始应力的组成
岩体自重→自重应力 构造运动→构造应力 流体作用→渗流应力 其它（地温、地球化学作用等）
（3）起源（主要指构造运动的起源）
板块运动 地幔热对流 地球自转速度变化 地下流体状态
（4）应力状态
三维应力状态，一般为压应力，包括应力大小和方向。
6.1 初始应力概念与分析
构造体系：对于一个区域来说，在一次构造运动 中造应力 场具有逐级控制的关系。
例－米字形构造体系：
构造形迹的序次 构造应力场
THANKS!
式中，ρi 为第 i 层岩体密度；hi 为第i层岩体厚度；n 为计算的岩层数。
6 岩体初始应力
6.1.2 岩体自重应力
6.1 初始应力概念与分析
（2）计算公式
2）水平应力计算
半无限体各向同性弹性体中，岩体单元在x、y方向受相邻单元
限制不产生变形，即εx=0，εy=0。由广义Hook定律，得
x
z
y x
6 岩体初始应力
6.1.2 岩体自重应力
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。
二次应力场
二次应力场是开挖后岩体经过自身应力调整后的应力场。
其主要影响因素有两个：岩体自身的力学性质和岩体的初始应力状态。
二次应力场的主要特征可以分为以下两种：围岩二次应力场为弹性分布。
由于岩体自身强度比较高或者作用于岩体的初始应力比较低，洞室周边的应力状态都在弹性应力的范围内。
围岩二次应力场为弹、塑性分布。
由于作用岩体的初始应力较大或岩体自身的强度比较低，洞室开挖后，洞周的部分岩体应力超出了岩体的屈服应力，使岩体进入了塑性状态。
随着与洞壁的距离增大，最小主应力也随之增大进而提高了岩体的强度，并促使岩体的应力转为弹性状态。
在弹、塑性分布中，洞室必须进行支护，否则洞周的岩体将产生失稳，影响洞室的正常使用。
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
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。
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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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。
而且为了维持围岩的稳定，岩体工程能正常运营，必须进行人工支护。
合理地设计支护结构，确定经济合理的衬砌尺寸，都与岩体的初始应力状态紧密相关。
所以，研究岩体的初始应力状态，就是为了正确地确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化，合理地设计岩体工程的加固措施。
(二)岩体初始应力场及其计算1. 岩体自重应力场岩体自重应力场的计算，大都是建立在假定岩体为均匀连续介质基础之上的。
因此，可以应用连续介质力学的原理来计算岩体的自重应力场。
设岩体为半无限体，地面为水平面，距地表深度为H处，有一单元体，其上作用的应力【例题3】某场地土层自地表以下20m深度范围内均为粉质粘土，地下水位在地表以下10m处，水位以上土的天然重度＝18.6KN/m3，饱和重度为20.1 KN/m3，试确定：1、地表以下10m处土的自重应力值为（）。
A. 186kpaB. 201kpaC. 86kpaD. 101kpa答案：A2、地表以下15m处土的有效自重应力值为（）。
A. 279kpaB. 302kpaC. 129kpaD. 237kpa答案：D【例题4】在地下某深度处，岩体自重应力场中，垂直应力为2000kpa，水平应力为500kpa，则该深度处的侧压力系数为( )。
A. 1B. 0.75C. 0.5D.0.25答案：D若岩体由多层不同重力密度的岩层所组成(图15-3-2)。
每层岩层的厚度依次为hl，h2，…，hi…，hn，各层的重力密度依次分别为 y1， y2，…，yi…，yn，则岩体的自重初始应力为:国外有资料说明，工程的现场量测结果中，侧压力系数并不符合海姆假说。
这种情况往往与地质构造应力有密切关系。
如果岩体由松散的碎石、砂及卵石组成，可以近似地认为岩体是理想松散介质，可由松散介质极限平衡条件来建立垂直应力与侧向应力的关系：【例题6】对于理想的松散岩体，其侧压力系数的大小只与岩体的（）有关。
A. 泊松比B. 粘聚力C. 内摩擦角D. 重力密度答案：C【例题7】对于理想的松散岩体，其侧压力系数的大小为（）。
A.1B.0.5C.0.33D.0.25答案：C实际破碎岩体一般不能视为理想松散介质，而把它看作为具有一定粘聚力的松散介质。
2. 岩体的构造应力场地壳的各种地质构造是在大范围内的巨大的地质构造应力场作用下发生和形成的。
在各个不同的地质年代里，都有不同的地质构造运动发生，地质构造运动过程一般需要很长时间。
在同一个地区，一个构造运动结束之后，或者就在这个构造运动发生的过程中，又有新的构造运动发生，就会形成新的构造应力场与老构造应力场的叠加，形成复杂的复合构造应力场。
各种复杂的地质构造就是在长期的地质构造运动作用下形成的。
由于地质构造运动，岩体经受了相当大的外力作用，形成了各种地质构造，例如向斜、背斜和各种褶皱，以及产生断裂而形成各种节理及断层等。
在地质构造应力场作用下，使岩体产生弹性变形和塑性变形，因而使岩体中储存着弹性能，岩体的塑性变形使部分能量转化为热能与位能，或者由于岩体的流变特性，使得构造应力场中的地质构造应力得以部分释放。
因此，在地质构造运动中，岩体中储存的能量是通过弹性变形才能达到的，岩体的弹性变形越大，则岩体储藏的能量就越多。
当岩体中的应力达到强度极限，岩体产生破坏。
除岩体中保存一部分残余变形外，其储存的能量将部分或全部释放，构造应力也就部分或全部消失。
若岩体中的应力尚未达到强度极限，但由于岩体的流变特性，也会使构造应力部分消失。
因此，地质构造运动产生地质构造应力，但岩体中储存的构造应力不可能无限地积累起来，视所处地区不同或地质条件不同，岩体的构造应力可能全部或部分释放，成为残余应力。
【例题9】在地质构造运动过程中，岩体当中的储存的能量是通过哪种方式形成的（）。
A. 弹性变形B. 塑性变形C. 流动变形D. 残余变形答案：A【例题10】岩体当中的残余应力属于（）。
A. 自重应力B. 构造应力C. 地震力D. 热应力答案：B因此，岩体构造应力可以分为现代构造应力及地质构造残余应力。
由于地壳是处于不断运动之中，仅仅是存在相对活跃期或静止期，所以，要在岩体中区分哪些是现代构造应力和残余应力，就目前的认识水平而言，实际上是不可能的。
目前，岩体的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，构造应力场的方向可以根据地质力学的方法加以判断。
因为各种形态不同的地质构造是各地质历史时期的构造运动的产物。
地质构造的遗迹，例如断层、褶曲等保留在岩体中，它的走向与形成时的应力有一定的关系。
根据各种地质构造的分布和组成规律，分析历次构造运动，特别是近期构造运动，确定最新构造体系，进行地质力学分析，就可以根据构造线确定构造应力场的主轴方向。
根据地质构造和岩石强度理论，一般认为自3．岩体初始应力的影响因素1)地形地形的起伏影响岩体内的自重应力。
但这种地形的影响只是在地表下一定深度范围内较明显。
如图15-3-6所示。
山谷的谷底的应力由于凹口的应力集中而很大。
在均质岩层中(图15-3-6(a))，凹口的应力集中现象还比较规则，而在非均质岩层中，岩体中的应力变化还会随岩性的变化而变得更复杂(图15-3-6(b))。
图15-3-7显示了地形对岩体初始应力影响的另一特征。
即在水平地表附近的地应力，其主应力几乎与地面线平行，第一主应力为沿地面方向，与第二、三主应力有较大差异；在深处，则呈静水压力状态见图(15-3-7(a))。
而斜坡的垂直方向上应力则几乎等于零。
在斜坡上的局部上凸部位，其应力急骤减小，而在斜坡下凹地方则应力增大。
在山谷的尖槽底下，则现场应力会很大，接近或达到岩石强度。
见图15-3-7(b)【例题12】由于地形的起伏影响岩体内的自重应力，在山谷的下列各个部位，地应力最大的是（）。
A. 谷底B. 斜坡C. 山顶D. 斜坡上凸处答案：A2)地质条件对自重应力的影响地质构造对自重应力也有影响。
图15-3-8所示为背斜褶曲的影响，在褶曲两翼显示出应力增大，而在褶曲中部则应力降低。
也可以推测，在向斜的两翼会出现应力降低、而在向斜核部显示出应力增大的现象。
【例题13】在背斜褶曲中，初始应力最大的部位是（）。
A. 翼的端部B. 翼的中部C. 褶曲中部D. 褶曲部位答案：B【例题14】在向斜褶曲中，初始应力最大的部位是（）。
A. 翼的端部B. 翼的中部C. 褶曲中部D. 褶曲部位答案：C图15-3-9所示为断层对自重应力的影响。
由于断层两侧的岩块形成了应力传递，使上大下小的楔体A产生了卸荷作用，致使地应力降低；而下大上小的楔体B产生了加荷作用，致使应力升高。
同时也产生了山峰处地应力低、沟谷处地应力高的现象。
3)水压力和热应力存在于岩体裂隙或孔隙中的水，静止时呈现静水压力，流动时产生动水压力。
在通常情况下，静水压力只是起到减轻岩体质量的浮力作用，浮力的大小等于水的密度与所考虑点的水头高度的乘积。
岩体中地下水位的升降，可引起岩体重量的减少或增加，因此，静水压力要视具体情况具体分析其产生的作用。
动水压力是指地下水在水头差的作用下，沿岩体的裂隙或孔隙流动时，给予周围岩块表面的动水摩擦力和动水流向应力。
这种力对岩体工程的影响较小，一般可不予考虑。
【例题15】对于岩体工程而言，应考虑的水压力为（）。
A. 静水压力B. 动水压力C. 静水压力和动水压力答案：A岩体受局部加温或冷却会产生膨胀或收缩，这样，会在岩体内部产生热应力。
例如，无论是大块侵入岩体还是侵入岩流或小型岩脉，岩浆融流都会使周围岩体受热膨胀，周围岩体限制受热岩体的膨胀，从而在岩体中增加了热应力；当冷却时，又会产生收缩，这样，会在岩体内部造成一些成岩裂隙(例如玄武岩的柱状节理)，并在岩石本身及周围岩体中保留部分残余热应力。
此外，随着岩体的埋深增加，地温也会逐渐上升，地温升高也会使岩体内部地应力增加，一般地温梯度=3℃／l00m，岩体的体膨胀系数约为10-5，一般弹性模量E=104MPa，所以，地温梯度引起的温度应力约为式中，H为研究点深度(m)。
岩体的地温应力是压缩应力，并随深度增加。
在深度相同的情况下，约为垂直重力应力的1／9左右，并且呈静水压力状态【例题16】岩体的地温应力是压缩应力，随深度的变化规律为（）。
A. 增加B. 减小C. 不变D. 以上三种均可产生答案：A二、岩体初始应力量测方法简介(一)岩体应力现场量测方法概述岩体应力现场量测的目的是在于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。
岩体应力量测还可以是预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具。
岩体应力量测可以分为岩体初始应力量测和地下工程应力分布量测。
前者是为了测定岩体初始地应力场，后者则为测定岩体开挖后引起的应力重分布状况。