第6章 岩体天然应力

按库仑破坏条件
（4）边坡上出现错动台阶 葛洲坝厂房基坑开挖时，软弱层上面的岩层出现回弹 3～6cm（图6-14），这是由于地应力卸荷后，发生沿 软弱面的岩层错动，如果地应力卸荷出现的回弹变形 是连续的，如图6-15所示，则人们不易觉察与观测到。 在边坡内存在有软弱夹层时，软弱夹层的强度低、变 形大，因而当开挖到软弱夹层界面时，下部岩石变形 小，而上部岩层变形大，从而出现了间距Δl的台阶，根 据这一错台现象，由图6-16的力学模型所表示，图中h 为软弱夹层上覆连续岩层厚度，τ为软弱夹层的抗剪强 度，则:
2 研究意义
三、天然应力的成因
§2 岩体中天然应力的分布规律
一、地壳中主应力以压应力为主，方向基本上是 垂直和水平的。 二、天然应力场是一个具有相对稳定性的非稳定 应力场，是时间和空间的函数。 三、垂直天然应力
四、水平天然应力
五、天然水平应力与垂直应力的比值
◆天然应力比值系数（地应力测压系数） 与深度的关系
+ + + + + +
+ + + + + +
++++++
天然应力
→ ← ↓ ↑

∧
→ ← ↓ ↑
Baidu Nhomakorabea

∧
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 .
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
六、一个相当大的区域内，最大主应力方 向是相对稳定的 七、区域构造场常常决定局部点的主应力
河谷构造应力的主要部分随剥蚀卸载很快释放掉。接近 河谷岸坡表面存在的地应力分布差异很大。已经发现在 接近河谷岸坡表面部分为岩石风化和地应力偏低带，往 下则逐渐过渡到地应力平稳区。
八、天然应力状态
§3 岩体天然应力测量
§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
第6章 岩体天然应力
2011.5.2
§1 概述
§2 岩体中天然应力的分布规律
§3 岩体天然应力测量 §4 岩体中天然应力的估算
§5 岩体天然应力场的回归分析
§6 高地应力的若干特征
§1 概述
一、定义
1.天然应力(地应力、初始应力等）人类工 程活动之前存在于岩体中的应力。 2.重分布应力（二次分布应力、附加应力等） 由于工程活动改变了的岩体中的应力。
（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。
2
• 由上述分析可知，λu和λp是岩体中天然 应力比值系数的两种极端情况。一般认为 天然应力比值系数λ是介于两者之间，即 • λa≤λ≤λp (7-24) • 如把这一理论估算得出的结论，与Hoek— Brown根据全球实测结果得出的平均天然应 力比值系数随深度变化的经验关系相比， 两者的形式极为一致，即天然应力比值系 数与深度Z成反比。
• 20世纪50年代,哈斯特利用压磁应力计在瑞典拉伊斯 瓦尔铅矿和斯堪的纳维亚半岛4个矿区进行了大规模 地应力测量,并首次发表了近地表地层中的实测水平应 力高于垂直应力的成果,此后地应力测量才迅速在欧洲、 北美洲、南澳洲和亚洲开展. • 1957年，美国哈伯特和威利斯提出用水压致裂法测量 岩体天然应力的理论。 • 1975年，盖依等人根据岩体应力的实测数据的分析， 提出了临界深度的概念，即认为在该深度以上，水平 应力大于垂直应力；在该深度以下，水平应力小于垂 直应力。临界深度随地区不同而不同。 • 目前地应力测点遍布全球，有几十万个。大部分是浅 部，最深5108米(美国密执安水压致裂法)。
（5）原位变形曲线的变化 图6-17所示的a曲线为低地应力情况下裂隙比较发 育的岩块压缩变形曲线；b曲线为低地应力下的完整岩 块压缩变形曲线；c曲线为在高地应力情况下岩块压缩 变形曲线，开始变形很小，表现为σ 轴上有截距。即岩 石试件处于预压缩状态，具有较高的预压缩应力。 除以上现象外，在高天然应力地区，还有一些现象， 如水下开挖无漏水现象、泥化夹层中的泥被挤压等等。 这些都可用于初步判断岩体高天然应力的存在。
由库伦强度判据知：正断层形成时的破坏主应力与岩体 强度参数间关系为：即
1 c 3 tan 2 (45 / 2)
gZ c a gZ tan 2 (45 / 2)
• 因此，正断层形成的天然应力比值系数 λa为： 1
a ctg (45 / 2) [ g
一、应力恢复法（扁千斤顶法）
二、套心法（钻孔套心应力解除法）
• 基本原理
• 类型
量据 物传 理感 量器 不和 同测
• 理论计算
• 缺点
三、水压致裂法
是国际岩石力学学会试验方法委员会推荐的岩石应 力测量方法
（一）水压致裂法基本原理
利用一对可膨胀的橡胶封 隔器，在预定的测试深度 封隔一段钻孔，然后泵入 液体对该段钻孔施压，直 至压裂，根据压裂参数计 算地应力。
6.5.2 天然应力场的回归分析
天然应力场可以认为是下列变量的函数：
6.6 高地应力区的若干特征
随着国家建设的进行，我国西部高山峡谷区的水 电(如,拉西瓦水电站、小湾水电站、锦坪二级水电站 等)、交通、采矿等工程活动愈来愈多，这些地方多处 在高地应力区。岩石工程在勘探初期，利用勘探工程 揭露出来的现象可以收集到一些判断该地区地应力高 低的有用资料。据大量的勘察资料与工程实践表明地 区高天然应力常与如下现象相关联。 （1）岩芯饼化现象 饼状岩芯即钻探时取得的岩芯呈压缩饼干状，一 片片地破坏。许多学者对此进行了力学分析，认为这 是高地应力的产物。一般来说，岩芯饼化主要与地应 力差有关，垂直于钻进方向的应力差越大，饼化就越 严重。
国内：
• 我国地应力测量与研究起于20 世纪50 年代末,李四光 和陈宗基为主要创始人,首次于1962－1964年在三峡 平善坝址获得了岩体面应力实测结果. 1964年在大冶 铁矿进行了国内首次应力解除法测量. 到了70年代后, 我国地应力测量快速发展。1980年10月在河北易县首 次成功进行了水压致裂法地应力测量,现测量深度已突 破2 000 m. 1984年引进并改进了瑞典的深钻孔水下 三向应变计,使其最大测量深达530 m. 之后,空心包体 应变计研制成功.国际上对深钻、超深钻的划分标准 （3 000 m以下为中浅钻, 5 000 m以上为超深钻）,我 国还停留在中浅钻孔地应力测试水平.
6.5 岩体天然应力场的回归分析
6.5.1 计算模型的建立
模型建立包括确定计算区域、边界条件以及离散化。 主要依据是工程范围内的地质勘测和实测资料。图613所示为有限元法回归分析所采用的几种荷载及位移 边界。 荷载主要考虑自重及构造应力。自重通常由岩体容重 给出，构造力以水平作用的边界力（或位移来考虑， 图6-13中b～d）。P（或U）可先给初值，其最终计算 值取决于与相应回归系数的乘积。给定岩体的参数即 可按图6-13的模型求得应力场的初始计算值。