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1、第六章 岩体的初始应力状态,土木工程学院岩土与地下工程教研室,主要内容,6.1 概述,6.2 组成岩体初始应力状态的各种应力场,6.3 岩体初始应力状态的现场测量方法,6.4 岩体初始应力分布的主要规律,6.5 高地应力地区的主要工程问题,基本要求,1.掌握初始应力、构造应力的概念，掌 握自重应力的计算方法；2.了解原岩应力的一般规律及影响原岩应分布的因素；3.了解岩应力的实测方法,6.1 概述,6.1.1 概念,6.1.2 研究岩体初始应力状态的工程意义,6.1.1 概念,岩体初始应力,二次应力,指在天然状态下,岩体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力（构成：自重
2、应力+构造应力+温度应力+）。,由于人类活动（工程开挖，修建建筑物）影响一定范围的天然应力，这种岩体被挠动后的应力称为“重分布应力”或“二次应力”地下洞室二次应力天然应力+开挖附加应力。,6.1.2 研究岩体初始应力状态的工程意义,正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化合理设计地下工程的支护尺寸,组成岩体初始应力状态的各种应力场,6.2 组成岩体初始应力状态的各种应力场,6.2.1 岩体自重应力,6.2.2 岩体的构造应力场,6.2.1 岩体自重应力,岩体自重应力：地心对岩体的引力，使岩体处于受力状态，由此引起的岩体应力称为岩体自重应力，假设条件：岩体为均匀连续价值，并为半无限空间体,6.2
3、.1.1 海姆公式,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，即静水压力状态。在距地表深度H处，岩体的初始应力场为：x=y=z=H xy=0 1=2=3=H式中：H岩体单元的深度（m）上覆岩体的平均重力密度（kN/m3），一般取25。,6.2.1.2 金尼克公式,假设条件：地表面为水平面，地下岩体为线弹性体，其垂直应力等于上覆岩体的自重，即：z=H因假设岩体为线弹性体，应满足虎克定律：,1.单层岩体,6.2.1.2 金尼克公式,由于岩体单元在各个方向都受到与其相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即 x=y=0。考虑广义虎克定律，则有：,1.单层岩
4、体,6.2.1.2 金尼克公式,对于多层岩体，可按下式计算岩体自重应力：,2.多层岩体,6.2.1.2 金尼克公式,说明：随深度增加，岩体变形参数不断变大，当泊松比接近0.5 时，则接近于1，与静水压力状态相似。上式计算是理论性的，当发生地质构造运动使岩层发生破坏变形时，相应地应力的分布也发生变化。地形对地应力也有一定的影响。,2.多层岩体,6.2.2 岩体的构造应力场,岩石圈运动在岩体内形成的应力称为构造应力。构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。构造应力又可称为活动构造应力和剩余构造应力。活动构造应力（active tectonic stress），即狭义的地应力，是地壳内现在正在
5、积累的能够导致岩石变形和破裂的应力。剩余的构造应力（residual tectonic stress）是古构造运动残留下来的应力。近代地质力学的观点认为，在全球范围内构造应力的总规律是以水平应力为主。我国地质学家李四光认为，因地球自转角度的变化而产生地壳水平方向的运动是造成构造应力是水平应力为主的重要原因。,6.3 岩体初始应力状态的现场测量方法,目的：为了了解岩体应力的大小，从而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，同时，也可以用来预报岩体失稳破坏的岩爆。方法：按测量原理不同可分为：应力恢复法、应力解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法和重力法六种,6.3 岩体初始应力状态的现
6、场测量方法,6.3.1 水压致裂法,6.3.3 应力恢复法,6.3.2 应力解除法,6.3.1 水压致裂法,水压破裂法是二十世纪七十年代初期从石油钻井探采用新技术借用而来的测定深部岩体应力的一种方法。它借助于两个可膨胀的橡胶塞，在需要测定应力的深度上封闭隔离一段钻孔，并用水压方法对被隔离段孔壁施加压力，直至孔壁岩石受拉破裂，最后根据破裂压力、封井压力以及橡胶塞套上压痕的方位，确定岩体天然主应力的大小和方位。这种方法最早是由美国学者Hubber等提出的，Haimson教授也是该方法的理论与实践的有力倡导者。,6.3.2 应力解除法,应力解除法,当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为的将该处岩体单
7、元和周围的岩体分离，此时，岩体单元上所受的拉力将被解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答计算岩体单元所受的应力状态。,切断联系,解除应力,应变恢复,测试应变,计算应力,流程要点,stress-relief method,6.3.3 应力恢复法,应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前此法仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用本方法较为方便。,应力恢复法,stress-recovery method,6.4 岩体初始应力分布的主要规律,1.地
8、应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。2.实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。3.水平应力普遍大于垂直应力。4.平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小。5.最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系 6.最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。7.地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。,6.4 岩体初始应力分布的主要规律,中国大陆板块边界所受的外力分布,中国大陆板块受到外部印度板块每年以5厘米速度和太平洋板块每年以数厘米速度的推挤
9、，同时受到西伯利亚板块和菲律滨板块的约束。板块变形，形成主应力迹线，印、太板块的移动促成了中国山脉的形成，控制了地震的分布。,初始应力场是一个非稳定应力场,6.4 岩体初始应力分布的主要规律,中国地形三级阶梯,6.4 岩体初始应力分布的主要规律,我国可分为三类基本反映构造应力场状态的地区：（1）强烈构造应力区：包括台湾、西藏、新疆、甘肃、青海、云南、宁夏、四川西部等；（2）中等构造应力区：包括河北、山西、陕西关中地区、山东、辽宁南部、吉林延吉地区、安徽中部、福建、广东沿海地区及广西等；（3）弱构造应力区：包括江苏、浙江、湖南、湖北、河南、贵州、四川东部、黑龙江、吉林及内蒙的大部分。同一类地区，
10、其构造应力仍是不均匀分布，与小的地质构造运动（地壳变形）有关，有的地段强、有的地段弱。,6.4 岩体初始应力分布的主要规律,以东经100105o为界分东西两区。强度上：西强东弱（西高东低）方向上：西：NNE-SSW为主，东：近E-W。,6.4 岩体初始应力分布的主要规律,垂直应力随深度的变化规律,实测垂直应力随深度的变化,垂直应力 随深度线性增加。平均密度约为27kN/m3,实测垂直应力基本上等于上覆岩体重量,6.4 岩体初始应力分布的主要规律,最大水平主应力=6.70.0444H(MPa)最小水平主应力=0.80.0329H(MPa),水平应力普遍大于垂直应力,6.4 岩体初始应力分布的主要
11、规律,4.平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小。5.最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系 6.最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。,6.4 岩体初始应力分布的主要规律,地形对初应力的影响：山峰处地应力低沟谷处地应力高,背斜褶曲对地应力的影响：两翼应力增大核部应力降低,断层对地应力的影响：上大下小的楔体A产生卸荷作用，地应力降低下大上小的楔体B产生加荷作用，地应力升高,水平应力向负地形集中，向正地形释放,在斜坡附近，应力方向发生偏转,6.5 高地应力地区的主要工程问题,6.5.1 研究高地应力的必要性,6.5.2 高地应力的判别标准和高地应
12、力现象,6.5.1 研究高地应力的必要性,研究高地应力问题的必要性：研究高地应力本身就是岩石力学的基本任务。岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地应力大小的变化而变化。随着采矿深度的增加，我国中西部的开发，尤其是水电工程建设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题提出了新课题。,6.5.2 高地应力的判别标准和高地应力现象,（1）目前国际国内无统一的标准。（2）国内一般岩体工程以初始地应力在20-30MPa为高地应力(大于800米深)。（3）不同岩石弹性模量不同，岩石的储能性能不同，地应力也不同，高地应力是相对于围岩强度而言的。,一、高地应力的判别标准,6.5.
13、2 高地应力的判别标准和高地应力现象,二、高地应力现象,6.5.2 高地应力的判别标准和高地应力现象,（1）岩芯饼化现象。在中等强度以下的岩体中进行勘探时，常可见到岩芯饼化现象。美国 L.Obert和（1965年）用实验验证的方法同样获得了饼状岩芯，由此认定饼状岩芯是高地应力产物。从岩石力学破裂成因来分析，岩芯饼化是剪张破裂产物。除此以外，还能发现钻孔缩径现象。（2）岩爆。在岩性坚硬完整或较完整的高地应力地区开挖隧洞或探洞时，在开挖过程中时有岩爆发生。,6.5.2 高地应力的判别标准和高地应力现象,（3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形，在中等强度以下的岩体中，开挖探
14、硐或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩体产生剥离现象，有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有破哑声。在软质岩体中则产生洞体较大的变形，位移显著，持续时间长，洞径明显缩小。,（4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象。在坚硬岩体表面开挖基坑或槽，在开挖过程中会产生坑底突然隆起、断裂，并伴有响声；或在基坑底部产生隆起剥离。在岩体中，如有软弱夹层，则会在基坑斜坡上出现回弹错动现象,6.5.2 高地应力的判别标准和高地应力现象,（5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高。由于高地应力的存在，致使岩体的声波速度、弹性模量等参数增高，甚至比实验室无应力状态岩块测得的参数高
15、。野外原位变形测试曲线的形状也会变化，在 轴上有距,6.5.2 高地应力的判别标准和高地应力现象,岩爆：围岩处于高应力场条件下所产生的岩片（块）飞射抛撒，以及洞壁片状剥落等现象。它是岩石被挤压到弹性限度，岩体内积聚的能量突然释放所造成的一种岩石破坏现象。,岩爆产生的条件：（1）地下工程开挖，洞室空间的形成是诱发岩爆的几何条件；（2）围岩应力重分布和集中导致围岩积累大量弹性变形能，这是诱发岩爆的动力条件；（3）岩体承受极限应力产生初始破裂后的剩余弹性变形能的集中释放量决定岩爆的弹射程度；（4）岩爆通过何种方式出现，这取决于围岩的岩性、岩体结构特征、弹性变形能的积累和释放时间长短。,6.5.2 高
16、地应力的判别标准和高地应力现象,（1）围岩加固措施 该方法是指对已经开挖洞室周边的加固以及掌子面前方的超前加固，这些措施一是可以改善掌子面本身以及l2倍洞室直径范围内围岩的应力状态；二是具有防护作用。可防止弹射、塌落等。（2）改善围岩应力条件:可从设计与施工的角度采用下述几种办法：a.在选择隧道及其它地下结构物的位置时，应布置使其长轴方向与最大主应力方向平行，这样做可以减少洞室周边围岩的切向应力；b.在设计时选择合理的开挖断面形状，以改善围岩的应力状态；c.在施工过程中，爆破开挖采用短进尺、多循环，也可以改善围岩应力状态，这一点已被大量的实践所证实；d.应力解除法，即在围岩内部造成一个破碎带，形成一个低弹性区，从而使掌子面及洞室周边应力降低，使高应力转移到围岩深部。为达此目的，可以打超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破，这种防治岩爆的方法也称为超应力解除法,岩爆的防治,
