《岩体力学》第七章岩体中的天然应力

第七章 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 =γH

②1926年，苏联学者金尼克（A.H.пNHH иK ）修正了海姆的静水压力假设：

⎪⎩⎪

⎨⎧-==H H

h v γμμσγσ1

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

max max )21(V h σσ-≅。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：

⎪⎪⎩⎪

⎪⎨⎧岩浆侵入作用地质构造运动重力作用

（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，

v h σσ>，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：

⎪⎩⎪

⎨

⎧=-====z z

v h h v γμμλσσσγσ1 21

在地表以下较深部位，岩体近于塑性状态，其λ→1，即处于静水压力状态。

（1）水平层状岩体：

⎪⎪⎩⎪⎪⎨

⎧

-===⊥-∑v h h n

i i i v E E Z σμμσσγσ112111

（2）铅直层状岩体：

⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧

-=-=

=⊥

v h v h v E E z σμμ

σσμμσγσ11 2111

（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

图7.1 岩体自重应力示意图

重要的实际意义。

如地震：从工程地质观点看，是各类现代构造运动引起的重要地质灾害；而从岩体力学观点看，是岩体中的应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。

水库诱发地震、地下洞室⎩

⎨

⎧向的问题最大主应力与洞轴线方v h σσ/，有压隧道、地表工

程等等。

第二节 岩体中天然应力的分布特征

地壳表层岩体的天然应力。

一、岩体中的铅直天然应力

即天然应力的垂直分量，一般认为等于该点的上覆岩层的自重H γ。

但是国内外资料表明：()H v 8.1943.0γσ～=。因此，v σ大概相当于

3

/7.2cm g =ρ计算出的重力H γ即：

g , ργγσ==H v 3/7.2cm g =ρ，γ=27KN/m 3。

当然有

H v γσ>和H v γσ<的情况，这主要与构造运动有关。它不同于单纯的自重

应力场中的重力（量）。

在岩体天然应力场中，

v σ多为最小主应力，少数为最大主应力。

v σ为最大主应力的情况如在河谷谷坡附近的单薄的山体部分，v σ为最大主应力。 二、岩体中的水平天然应力

主要受地区现代构造应力场的控制，另外，还有岩体自重、侵蚀所致的天然卸散、现代断裂运动、应力调整和释放以及岩体力学性质等因素的影响。

（1）以压应力为主； （2）h σ一般大于v σ()v h σσ>；

（3）

min max h h σσ≠；

（4）在单薄的山体、谷坡附近的以及未受构造变动的岩体中，

v h σσ<。

三、天然水平应力与铅直应力的比值λ 天然应力比值系数（λ）：

V h

σσλ=，6.105.1～=λ（一般或绝大多数情况）

λ 随深度增加而减小，即λ与深度Z 成反比。

1）在接近地表及浅表地层中，1>λ

2）当h →h 0时，会出现1=λ（h 0为临界深度）

如冰岛等地h 0=200m ，日本和法国h 0=400～500m ，中国和美国h 0=1000m ，加拿大

h 0=2000m 。

四、两个水平应力之间的关系

一般地，无论是大区域或较小区域范围内，其大小和方向都有变化。

8

.02.0/～=Hx Hy σσ，而大多数为0.4～0.7。

当然，有时存在

Hx

Hy σσ=，主要是在构造简单，地层平缓的地区。

五、天然应力状态

岩体中天然应力一般处于三维应力状态。 水平应力场：应力轴与水平面的相对位置不同。

非水平应力场：只在板块接触带或两地块之间的边界地带存在。

第三节 岩体天然应力的量测

（1）量测目的：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和岩体加固提供依据。

（2）岩体中天然应力量测可以在钻孔中、地下洞室的岩壁上以及露头上进行，也可以根据地下工程中两点间的位移来进行反算求得。但每一种方法都要扰动岩体。

目前国内外最常用的应力量测方法有三种：水压致裂法、扁千斤顶法（应力恢复法）

和钻孔套心应力解除法（套心法、应力解除法）。

一、水压致裂法

该方法在20世纪50年代被广泛应用于油田，通过在钻井中制造人工的裂隙来提高石油的产量。哈伯特（M. K. Hubbert ）和威利斯（D. G. Willis ）在实践发现了

图7.2 水压致裂法