岩体中的天然应力概述

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石油工程岩石力学-地应力

完整地层塌块小，井眼长轴在最小水
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

原岩应力及其分布

②构造应力分布不均匀，在地质构造变化比较剧烈的地区，最大主应力的大小和方向往往有很大变化。
③
岩体中的构造应力具有明显的方向性，最大
水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大。
④ 构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍，
在软岩中贮存构造应力很少。
正断层
逆断层
平推断层
岩脉
褶皱
由地质特征推断构造应力方向的平面图
2 1 1 2 2 2 H 2 3E 1
由以上两式可知，岩体中积聚的弹性能与应力状态有关，并随着开采深度的增加，与开采深度的平方成正比关系增长。
应当指出，采矿活动破坏原岩应力状态，在岩
硐周围岩体内形成应力集中，应力集中系数k=3～5，
高应力导致岩体内积聚的弹性能增长数倍。这种大量能量的突然释放，将产生矿山动压现象。
（四）讨论
由上述关系式可得以下几个主要结论：
①在双向等压应力场中，圆孔周边全处于压缩应力状态。
②应力大小与弹性常数E、μ 无关。
③ σ t、σ r的分布和角度无关，皆为主应力，即切向和径向平面均为主平面。 ④双向等压应力场中孔周边的切向应力为最大应力，其最大应力集中系数K=2，且与孔径的大小无关。当σt=2γH超过孔周边围岩的弹性限时，围岩将进入塑性状态。

岩石的泊松比为0.2～0.3，＝0.25～0.43。 1 2、静水应力状态假说：在埋藏较深条件下，垂直压应力相当大，岩石呈现明显的塑性＝ 1.0 H

1
1
z
x
y
二.构造应力
构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力，岩体构造应力可以分为现代构造应力和地质构造残余应力。前者是指正在经受地

地应力

§4 岩体中天然应力的估算
一、垂直天然应力估算
二、水平天然应力估算
1、隆起、剥蚀卸载作用对值的影响
2、断层作用对值的影响
在地壳表层岩体中，常发育有正断层和逆断层。正断层形成时的应力状态是：σ1为铅直，σ3为水平，因此
1 v gZ
3 h a gZ
（2）地下硐室施工过程中出现岩爆，剥离由于高地应力的存在，在地下硐室开挖过程中，会出现岩石的脆性破裂。积聚在岩石中的应变能由于突然释放而产生岩爆或剥离，特别是垂直最大水平主应力开挖的硐室，更容易产生岩爆现象。（3）隧洞、巷道、钻孔的缩径现象和前面所述的岩爆、剥离现象一样，是洞（孔）壁应力超过岩石强度所致。是软岩产生流变或柔性剪切破坏的结果。
c
ctg (45 / 2)]
Z
• 逆断层形成时的应力状态为：最小主应力σ3为铅直，最大主应力σ1为水平， 1 v gZ 即
3 h a gZ
• 同理可得逆断层形成时的天然应力比值系数λp为：
c 1 p tg (45 / 2) g Z
+ + + + + +
+ + + + + +
++++++
天然应力
→ ← ↓ ↑

∧
→ ← ↓ ↑

∧
重分布应力
相对于第2洞室的天然应力
二、天然应力的研究历史及意义 1、研究历史国际：
• 最早的地应力模型是1912年瑞士地质学家Haim提出的各向等压假说，认为水平地应力和垂直地应力相等，且均等于上覆岩层的单位重量 • 1926年前苏联学者金尼克根据线弹性理论修正了海姆的静水压力假设，即认为水平地应力大小应取决于当前岩层的泊松比，水平地应力与垂直地应力之比为 μ/（1-μ) • 1932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 .

2、3.矿山岩体的原岩应力及其重新分布

成。
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

第七章岩体中的天然应力

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。
§7.2 岩体天然应力的分布特征
岩体中天然应力常以水平应力为主，即h> v 水平应力具有强烈的方向性和各向异性
水平天然应力以压应力为主
§7.2 岩体天然应力的分布特征
四、天然应力比值系数与深度z 的关系
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，它随深度增加而减小。
(0.3 100) hav (0.5 1500)
z
z
§7.2 岩体天然应力的分布特征
五、应力轴与水平面的关系（天然应力状态）
据应力轴与水平面的关系，天然应力状态划分为：
cos(90 ) sin , cos(180 ) cos
ua R (1 3)2(1 3) cos 2 Em
∴
ub R (1 3) 2(1 3) sin 2
Em
uc R ( 1 3) 2( 1 3) cos 2
Em
§7.3 岩体天然应力的确定
用消元法解三元一次方程，得：
1
E 4R
ua
uc
1 2
3
E 4R
ua
uc
1 2
(ua
ub) 2
(ub
uc)2
(ua
ub) 2
(ub
uc)2
1
tg2 2ub ua uc
ua uc
应变计互为60°时，可按下列公式计算
3 uc ub
60°
θ
ua
1
x
1
E 6R
ua
ub
uc

岩体力学——精选推荐

一、绪论1、工程岩体力学研究的根本目的和任务。

根本目的：评价和研究岩体的稳定性。

任务：研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体的变形和稳定性。

2、工程力学的研究内容：（1）岩块、岩体的地质特征；（2）岩石的物理、水理及热学特性；（3）岩块的力学性质；（4）结构面的力学性质；（5）岩体的力学性质；（6）岩体的天然应力分布规律；（7）岩体工程问题：地基、边坡、洞室岩体；（8）岩体性质改善与加固。

3、岩体力学的研究方法：（1）工程地质方法：研究岩块、岩体的地质与结构特征，为岩体力学研究提供地质资料和地质模型。

分为：a、岩矿鉴定：了解岩石的岩性、矿物成分及结构构造及成因环境。

b、地层、构造：了解岩体的地质成因、空间分布及各种结构面的发育情况，分析岩体构造变形及应力状态。

c、赋水特性：了解岩体中水分的形成、赋存与运移规律。

（2）物理实验方法：提供岩体的物理力学参数；评价岩体的变形和稳定性；岩石力学的变形与强度的机制。

分为：室内岩石物理力学试验；原位岩体力学试验、监测；天然应力测量；工程岩体物理模型试验。

（3）数学力学分析方法：建立岩体力学模型，采用适当的分析方法预测岩体在不同力场作用下的变形与稳定性。

分为：a、力学模型：本构关系、强度准则刚体力学；弹性力学；弹塑性力学；断裂力学；损伤力学；流变力学等b、分析方法：块体极限平衡法；数值模拟法等系统论；信息论；人工智能专家系统；灰色系统等二、岩块和岩体的地质特征1、岩石：由具有一定结构构造的矿物集合体组成。

2、岩块：由地质作用形成的，具有一定的岩矿组合和较强的连接强度、不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小单元。

3、结构面：地质历史发展过程中，在地质体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面。

包括：物质分异面和不连续面。

软弱结构面：在结构面中，那些规模较大、强度低、易变形的结构面称为软弱结构面。

4、岩体：在地质历史过程中形成的、由岩石块体和结构面网络组成的、具有一定的岩石成分和结构，并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。

岩体的工程性质

y x z z
x2 x1 一般般（直线段的） z2 z1
4、应力—应变全过程曲线
刚性试验机 ① 裂隙压密阶段：压密强度 ② 弹性阶段（直线变形阶段）：屈服强度弹性阶段（直线变形阶段）屈服强度 ③ 塑性阶段（新生微裂隙及扩容发展阶段）：峰值强度 ④ 破裂和破坏阶段（新生微裂隙不稳定发展阶段）：残余强度
§4.3 岩石的强度特性和变形特性
一、岩石试件的制备岩石试件的制备 1、岩石的采样采用蜡封或沥青封裹以防风化和保采用蜡封或沥青封裹，以防风化和保持天然含水量。 2、试件的种类试件的种类 ① 规则试件：圆柱体、立方体、棱柱体。 ② 不规则试件 ③ 特殊形状：虎骨型、中空圆柱型。手制作或机械加手工制作或机械加工
剪切盒 ⑵ 倾斜板间加压的单向剪切法
（单轴抗拉强㈢利用（单轴抗压强度）和 t c 度）推算抗剪强度指标
⑴ 威尔克
1 c c t 2 c t 2 c t
1 c t 2
㈠蠕变和应力松弛蠕变：在常应力作用下随时间而缓慢增长的应
变。
应力松弛在常应变作用下，应力随时间而逐应力松弛：在常应变作用下应力随时间而逐
渐衰减。瞬时弹性应变瞬时弹性恢复应变延迟恢复应变瞬时弹性应变、瞬时弹性恢复应变、延迟恢复应变（或叫弹性后效）、永久变形。
㈡粘性流体
对于应变速度与力成直线关系的流体称为理想流体或牛顿流体牛顿流体。。其它都称为非牛顿流体非牛顿流体。。
⒉孔隙的存在使岩石承载力减小从而使强度降低； ⒊孔隙中存在水或其它物质，它们在岩石承受荷孔隙中存在水或其它物质它们在岩石承受荷
载的情况下，会加速裂纹的扩展，从而导致岩石强度降低。㈢水对岩石力学性质的影响水对岩石的物理化学作用，主要表现在： 1、软化软化：：水侵入岩石的孔隙中，改变了岩石的物理状态和岩石颗粒间的表面能，导致强度降低。

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。

岩体力学复习重点资料..

第一章绪论岩体复杂性表现在以下几个方面：（1）不连续性（2）非均质性（3）各向异性（4）岩体中存在不同于自重应力场的天然应力场（5）岩体赋存于一定地质环境之中，岩体中的水、温度、应力场，对岩体性质有较大的影响。

第二章：岩石和岩体的地质特征岩石：矿物，岩屑的集合体。

是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。

结构面：是指地质发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度厚度相对较小的地质界面或带。

岩体：指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。

岩石风化指标：定性指标：颜色，矿物蚀变程度，破碎程度及开挖锤击技术特征等。

定量指标：风化孔隙率指标和波速指标等。

风化系数;结构面规模：（1）Ⅰ级指大断层或区域性断层，一般延伸约数公里至数十公里以上，破碎带宽约数米至数十米乃至几百米以上。

（2）Ⅱ级指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，百米至千米单位。

（3）Ⅲ级指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。

（4）Ⅳ级指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。

是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。

(数十厘米-米)（5）Ⅴ级又称微结构面。

常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。

结构面线密度和间距： 1、线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数(条／m)。

2、间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。

RQD:岩体质量指标RQD：是长度大于10cm的岩心累计长度与回次进尺的比值。

RQD与方向有关，按地质分层计算RQD值大于20厘米为长柱状；10—20厘米为短柱状；小于1厘米为扁柱状；大于5厘米为块状；2---5厘米为碎块状；小于2厘米为碎屑状、粉末状。

岩体5种结构类型：1.整体状结构 2.块状结构 3.层状结构 4.碎裂状结构 5.散体状结构岩体工程分类的目的：通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题，为工程设计，支护衬砌，建筑物选型和施工方法选择提供参数和依据。

工程地质学-第五章地壳岩体的天然应力状态-2-地壳应力状态复杂性

5.4 地壳表层岩体应力状态的复杂性
影响地应力的因素很多：岩体自重和构造作用力控制（主要的）；各种地质构造、地形、岩性、剥蚀作用、岩石的物理化学作用：人类工程活动等。多种因素的影响，使地壳表层地应力状态显得异常复杂。
5.4 地壳表层岩体应力状态的复杂性
5.4.1垂向卸荷
区域性的垂向剥蚀卸荷作用在增大岩体内的水平应力方面有着重要的作用。例如：对于未受明显构造扰动的侵入体内应力状态的形成，一般经历了两个阶段：首先是侵入阶段，由于岩体呈熔融状态侵入地下一定深处，故岩体中的应力呈静水应力式分布。假定图中AB为原始地面，则岩体内任一深度h0+h处P点的应为： σh= σv=γ(h0+h)
二次应力分布区 –
1方向与坡面近于平行； 3与坡面近于垂直； 2与坡面走向基本平行。在峡谷地区，河谷谷底往往也有明显的
应力集中区，形成囊状的“高应力包”。
河谷高边坡应力分布模式(据黄润秋，2001)
5.4 地壳表层岩体应力状态的源自杂性5.4.3地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
在近地表处的水平应力明显偏高地区，常见到一系列因应力释放而产生的岩体力学现象，这些现象可作为高地应力的地质、地貌标志。
铜街子水电站坝基岩体结构示意图
5.4 地壳表层岩体应力状态的复杂性
上述变形断裂结构不同于隆爆，是高地应力条件下宽阔河谷下切过程中垂直卸荷所导致的“应力释放型”浅生时效变形构造。
（1）量级较大的NWW向水平主应力和原始背斜构造，是这类时效变形构造生成的前提条件。
河谷形成前，岩体虽已处于较高的水平承载状态，因有足够大的竖向荷载与之相抗衡--保持总体稳定性。
与上述隆爆现象类似的浅生时效变形 -- 大渡河铜街子电站坝址区。坝基岩体 -- 二叠系峨嵋山玄武岩，两次喷溢旋回的间歇面上，堆积了一套火山碎屑，岩性软弱。构造 -- NNE向短轴背斜轴部，岩层被层间错动和缓倾角对冲断层（F3 及F6）切割。（1）层间错动带具有张扭性特征，错动方向指向河谷中部。（2）两条对冲断层均为逆断层，却表现出张性特征，断距及倾角都有由浅部向深部逐渐减小乃至尖灭及变平的趋势。（3）断裂形成于Q1，距今约 22~33万年的Q2中晚期已基本完成其发展过程。断层在河流深槽形成后仍有微量活动

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。

工程地质分析原理

按成因，可对构成岩体应力的各组分作如下分类：岩体应力：天然应力和初始应力（virginal stress）自重应力（gravitational stress）构造应力（tectonic stress）活动的（active tectonic stress）剩余的（residual tectonic stress）变异及残余应力（altered and residual stress）感生应力（induced stress）
①潜在逆断型应力状态区主要分布于喜马拉雅山前缘一带，其主要特点是两个水平主应力均大于垂直主应力。
（σ3垂直， σ1和σ2水平）

②潜在走滑型应力状态区主要分布于我国中西部广大地区，其主要特点是只有一个水平主应力大于垂直主应力，具中等挤压区的特征。。
（σ2垂直， σ1和σ3水平）
模型I

然而，天然岩体大多是一种粘-弹性介质，更符合于Ⅱ图所示的沃依特流变模型。与模型Ⅰ不同的是，以阻尼器（粘滞性约束元件）代替弹性约束元件B弹簧。因粘滞元件具有流变性，故随着时间的推移，其内部的拉应力将不断降低，从而导致整个应力体系的松弛。所以，从整体来看，这类残余应力体系始终处于内力缓慢降低的动平衡之中。

③潜在正断型和张剪性走滑应力状态区主要分布于我国的东部和东北部，其主要特点是：区内新生代以来正断层与地堑或断陷盆地十分发育，发育方向 NE、NEE，推积厚度数千米；区内KZ堆积具双层结构(图2-20)，E充填断陷盆地，N-Q掩埋了E时期的地堑和地垒，形成了现代的低平的平原地形，横向差异小；区内地震由两个方向断裂引起，即NNE 向断裂的右旋兼张性活动和NNW向断裂的左旋兼张性活动。

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。

第五章岩体天然应力与洞室围岩的应力分布-精品

布朗和霍克根据全球资料的统计结果，其中侧压力系
数的变化范围为：上限： 15000.5 ；
Z
下限： 1000.3
Z
(4)两水平应力之间的比例
表两个水平应力分量之间的关系
两个水平应力σx，σy，一般比值为 y/x0.2~0.8，
而大多数为0.4～0.7。
第三节高地应力地区的主要岩石力学问题
1.一般情况下岩体的天然应力场多数是三向不等的空间应力场，最大水平应力大于垂直应力，最小水平应力的数值则变化较大。
2.天然应力的影响因素：地质构造，岩性，地形地貌等。
（1）天然应力的大小，方向与地质构造有密切关系。位于活动断裂的拐弯或交叉处的断裂构造，产生较大的应力集中，其它部位应力释放。
（2）坚硬完整的岩体内，可积聚大量的应变能形成较高的天然应力，软弱破碎的岩体应力较低。在地质构造基本相同条件下，天然应力的量级与岩体的力学性质直接相关。
ε1
ε3
εmin
ε1
等角应变花
直角应变花
应变元件布置示意图
2．基本理论及计算设ε1， ε2, ε3为分别沿1，2，3三个方向的应变值。以弹性理论为基础，视岩体为一无限大的均质、连续、各向同性的线弹性介质，且认为在加卸载过程中应力，应变间有相同的关系。大小主应变可由下式计算：
m m i an 1 3 x (1 2 3 ) 3 2(1 2 ) 2 (2 3 ) 2 (3 1 ) 2
对于埋深较浅的所谓浅埋洞室，目前只能在洞形比较简单的情况下获得围岩应力的解析表达式；对于复杂洞形，则采用有限元和边界元等数值分析方法进行计算。
下面以深埋洞室的围岩应力计算为例： (埋深大于洞室高度的3倍以上)

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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。

（4）地基岩体稳定
开挖基坑或边坡，由于开挖卸荷作用，将引起基坑底部发生回弹隆起，并同时引起坑壁或边坡岩体向坑内发生位移。