第四章 地应力及其原理(2016

T zE 0.03105 104 zMPa 0.003zMPa
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。
• （6）地表剥蚀产生的应力场 •
地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生
剥蚀作用，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上 这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度所引起的自
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。
• 4.4. 地应力的成因
• 产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不是十分清楚。 • 近 30 多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要 与地球的各种运动过程密切相关。
• 包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、 地球旋转、岩浆侵入和地球非均匀扩容等。
•
因此，重力作用和构造运动是引起地应力的 主要原因， 地应力的大小和方向不可能通过
数学计算或模型分析的方法来获得，要了解
一个地区的地应力状态，唯一的方法就是进 行地应力测量。
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
• 2）金尼克假设 • 1926年，原苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设， • 他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆盖岩层的重量， • 而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为
乘以一个修正系数。
H
• 2）金尼克假设
• 金尼克根据弹性理论（假定岩体是均匀的、连续的弹性介质 体，得出水平应力总归小于铅垂应力的结论），
• 例如：对于矿山来说，只有掌握了具体工程区域 的地应力条件，才能合理确定矿山总体布置，确 定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸等。
• 在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状
态，最理想的走向是与最大主应力方向平行， • 当然，在实际工程中还要综合考虑工程需要和其 它影响因素。
• 综上所述，地应力的特点及其重要性如下：
•
• •
由地心引力引起的应力场称为重力应力场，应力，它是地壳中所有各点 垂直应力的主要组成部分， 但垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板 块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度 不均和水压梯度等，均会引起垂直方向应力的变化。
x y

1
z z
xy yz zx 0
对于均质成层岩体：
z i hi
i 1
n
n x y n z 1 n
h
i 1
n
i i
对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：
z i hi
i 1
断裂带：残留较大构造应力。如云南鲁布革电 站工程中岩体最大主应力与断层走向近似垂直， 积聚于上盘岩体中。 地壳表面剥蚀：垂直应力减少，近地表处， σH >σV
此外，地震活跃地区，初始应力大小和方向还 随时间而变化。
4.2 地应力场的分布规律
• 通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分 析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些 基本规律： • （1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是时 间和空间的函数。
• 1）海姆假设：
• 假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各 个方向上均相等，并且等于单位面积上覆盖岩层的重量，即： • 式中： —水平应力； —垂直应力； 重； —覆盖岩层的深度。 —覆盖岩层的容
h v H
v
H
h

• 海姆认为：
• （1）原岩应力各向等压，即静水压力状态。 • （2）上覆岩体的重量，历经漫长的地质年代后，由 于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导致 水平应力最终与铅重应力相均衡。 • 这一法则，仍被许多岩石力学家在认识深部地应力 状态时所接受。
• 次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力 平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。
• 应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。
4.2 地应力概论
• 一、 地应力 地应力分为自重应力场和构造应力场。 自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力； 构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活 动与变化的应力，地质作用残存的应力。
小结
地应力分布理论： 1）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静 h v H 水压力假设）
海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重 量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。
2）金尼克假设：（弹性力学假设）
1 修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上 覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。
•
图 4-2 是霍克（ E.Hoek ）和布朗（ E.T.Brown ） 总结出来的世界各国值随深度H的变化规律。
2）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量
v H
垂直应力 随深度线性 增加。平均 容重约为 27KN/m3
h
v
H ，


H
v 为上覆岩层的柏松比。
• 我国的地质学家李四光：
• 20 年代指出“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚 度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力 分量”。
• 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地壳上部的最大
主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最大水平应 力主应力一般为垂直应力的1～2倍。
x y,
x y 0
xy yz zx 0
根据虎克定律：
1 x y ( x ( y z ) E
得：
0
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
• 这样就从根本上动摇了地应力是静水压应力的理论和垂
直应力为主的观点。
c 地应力分布理论：
3）李四光：在构造应力的作用仅影响地壳上层一
定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂 直应力分量。
4）哈斯特：地应力测量发现存在于地壳上部的最
大主应力几乎处处是水平或接近水平的，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。 5）近期研究：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形成 影响最大。当前的应力状态主要由最近一次的构造运 动所控制，但也与历史上的构造运动有关。
由地心引力引起的应力场
垂直应力：
H
G

—平均容重，KN/m3
H—总深度（m）
图 岩体自重垂直应力
• （4）岩浆侵入引起的应力场 • 岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩过程，由于不同的 热膨胀系数及热力学过程等，均会在周围地层中产生相 应的应力场，但它是一种局部应力场。
岩浆倾入挤压、 冷凝收缩和成岩，均 在周围地层产生相应 的应力场。 与上述三种应力场 不同，由岩浆侵入引 起的应力场是一种局 部应力场。
• （5）地温梯度引起的应力场
• • 地层的温度随着深度的增加而升高，一般的温度梯度 为每百米3℃。 由于温度梯度而引起地层中不同深度不同的膨胀，从
而引起地层中的局部压应力产生。
随埋深增加，地温增高，岩体性质改变产生附加应力。
3 C / 100m 岩体的体膨胀系 一般地温梯度： 4MPa； -5 数： ，岩体弹模 E=10 10 地温梯度引起的温度应力约为：
• 另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变 化等也可以引起相应的应力场。下面就几种主要成因进行分 述：
• （1）大陆板块边界受压引起的应力场
• 中国大陆板块受到外部印度洋板块和太平洋板块 两板块的挤压，推挤速度为每年数厘米，同时还受 到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。
我国大陆板块发 生变形，产生水 平压应力场，其 主应力迹线如图 4-1所示。
n
x y
x
E //
//
y
E //

z
E
0
x y
则有 ：
E // x y z 1 // E
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只与岩体容重和深度有关，而 σx、
重应力还要大得多的水平应力。
因此，在某些地区，大的水平应力除了与构造应 力有关，还和地表剥蚀有关。
区域初始应力场有一致性，而区域内局部地点的 初始应力又有很大差别，主要是由地质因素造成的。
孤立山体：岩体自重起主导作用，σV > σH 陡峭河谷：底部出现应力集中，最大主应力与河谷 轴近似垂直。如二滩水电站处于河谷地段的应力集 中范围达500m，深度250m
•
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。三个主应力的大小和方向是随着时 间和空间而变化的，因而它是一个非稳定的应力场，
•
• •
从小范围来看，它在空间上的变化是比较明显的，
但就某个地区整体而言，其变化并不大。 在某些地震活跃地区，地应力的大小和方向随 时间的变化是很明显的。 地震前，应力处于累积阶段，应力值不断升高，
岩体力学
2016/11/17
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第四章 岩体地应力及其测量方法
学习指导：
Ø 主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，
初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。 重 点
• 岩体的初始应力概念
• 岩体初始应力的测量方法
• 4 岩体地应力及其测量方法
• 4.1概述 • 4.1.1 基本概念 • 地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力 状态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力。