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1、第 五 章,岩 体 初 始 应 力,5-1 基本概念,原岩：处于自然平衡状态的岩体。原岩应力：原岩中天然存在的应力称为原岩应力或 初始应力或地应力。围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体。围岩应力：洞室开挖后，周围岩体失去原来的支 撑，开始向洞内位移，引起洞周一定范 围内岩体应力改变，重新调整形成新的 应力。也称次生应力或二次应力。,自重应力：自重引起的应力。构造应力：因构造作用所产生的应力称为构造 应力。原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分 布状态称为原岩应力场，又称为 初始应力场。构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状 态称为构造应力场。原岩应力自重应力构造应力,5-2 岩体的自
2、重应力,一、均匀岩体中的基本公式 在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：其中为侧压力系数。对于成层岩体：,二、岩体自重应力的特点（1）水平应力小于竖向应力；（2）x、y、z均为压应力；（3）z只与岩体容重和深度有关，而 x、y还同时与岩体弹性常数E、有关；（4）结构面影响岩体自重应力分布。,5-3 岩体构造应力,一、构造应力场 构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。岩体构造应力是构造运动中积累或剩余的一种分布力。构造应力场：构造运动中积累或剩余的一种应力场，相对于人类活动时期而言，除构造活动区外，它是剩余应力场。,二、构造运动的起因 地质学家提出了各种大地构造学说，典型的是地质力学
3、学说和板块构造学说。1、地质力学学说 认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力：一种是径向水平离心力；一种是纬向水平惯性力。这两种力是引起地壳岩体中出现构造应力的根本原因。大量的实测资料说明岩体中水平应力大于垂直应力，说明构造应力以水平应力为主。2、板块构造学说 认为板块运动的核心是海底扩张。海底扩张是由于地幔对流引起的。1915年德国魏根纳提出大陆漂移学说，认为1.5亿年前，地球表面有一个统一的大陆联合古大陆，其周围全是海洋。从侏罗纪开始，联合古大陆分裂成6大板块，它们覆在软流圈上各自漂移，最终形成现今大陆和海洋的分布。,非洲,三、构造应力场分析 根据岩体变形破坏机理，对构造运动留下的
4、遗迹（构造形迹）进行分析，以判断构造应力的主应力方向。（一）构造形迹的形成机理 1、褶皱形成机理,2、断层和节理的形成机理 断层、节理形成机理有三种：张性的、扭性的、压性的。（1）张性断层是由于岩体中的张应变超过极限而产生的。这种断层层面不规则，断层走向与最大主应力方向平行。小的张性断裂两盘岩石不一定发生错动，称之为张性节理。（2）压性断层和扭性断层都可用莫尔库伦理论来解释。,由地质特征推断构造应力方向,（二）构造体系及区域构造应力场 对一个区域而言，在一次构造运动中，既有褶皱又有断层和节理等。这些构造形迹尽管形态各异、性质不同、大小悬殊，但大都不是孤立出现，而是相伴而生，共同形成一个构造体系
5、。例如：米字型构造体系。S1,S2扭性断层 张性断层,5-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法（一）基本原理 地下某点的岩体处于三向 压缩状态，如用人为的方法解 除其应力，必然发生弹性恢复，测定其恢复的应变，利用弹性 力学公式则可算出岩体初始应 力。,1、孔底应力解除法 孔底应力解除法步骤：（1）打大孔至测点，磨平孔底。（2）在孔底粘贴电阻应变花探头。（3）解除应力，测量其应变。（4）取出岩心，测其弹性参数。（5）计算岩体应力。,应变花种类：等角应变花、直角应变花,对于等角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：,对于直角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：,原岩应力也可按下式经验公式计算：对于
6、深孔，按平面应变问题处理：式中：x，y，z为孔底的原岩应力，CT，C l为孔底横向和轴向应力集中系数，大多采用Van.Heerden的结果：CT1.25，C l0.75（0.645）,对于浅孔，按平面应力问题处理：采用孔底应力解除时，为获得岩体应力的六个分量，需用3个不同方向的共面钻孔进行测试。,2、孔径变形法 孔径变形法通过测定钻孔孔径变形求解 岩体应力。方法为：（1）打大孔至测点，磨平孔底。（2）打同心小孔，安装孔径变形计探头。（3）钻大孔解除应力，测量孔径变形。（4）取出岩心，测其弹性参数E、。（5）计算岩体应力。,假定孔径变形计探头的三个触头 相对于岩体应力1 的夹角为1、2、3，测得
7、的孔径变形分别为U1、U2、U3，孔壁径向位移为其1/2。,当1、2、3的间隔为600时，按下式计算岩体应力：,如果（d）式成立，则1为 与U1的夹角，否则为 与U1的夹角。式中K 浅孔：可作平面应力问题处理，K=d/E;深孔：可作平面应变问题处理，K=（12)d/E。式中d为钻孔直径。,当1、2、3的间隔为450时，按下式计算岩体应力：,如果（d）式成立，则1为 与U1的夹角，否则为 与U1的夹角。式中的K，浅孔：可作平面应力问题处理，K=d/E;深孔：可作平面应变问题处理，K=（12)d/E。其中d为钻孔直径。按上式计算得出的，是钻孔断面内的次主应力。要确定一点的全应力，必须向测点打三个不
8、同方向的钻孔，进行同样测定，然后再按最小二乘法求解。,3、孔壁应变法孔壁应变法是通过测定钻孔孔壁的应变求解岩体应力的6个分量。1）打大孔至测点，磨平孔底。2）打同心小孔，安装应变花探头。3）套孔解除应力，测量孔壁应变。4）取出岩心，测其弹性参数E、。5）计算岩体应力。,应变计探头孔壁布置 3个应变花，每个应 变花由3个应变片组成 采用直角应变花形式。按最小二乘法求解岩 体6个应力分量。,二、水压致裂法 1、基本原理 对测试段钻孔用特制封隔器密封起来，然后对密封段加高压水直至孔壁岩石产生张裂隙。根据裂隙的方向及泵压的大小分析确定原岩的应力状态。由弹性力学可知，一个位于无限体中的钻孔受无穷远处二维
9、应力作用下，在钻孔一定距离处处于平面应变状态，钻孔周边应力为当 即沿 方向孔壁开裂，当裂隙深度大于3倍孔径时，此处接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，记为Ps，Ps应与 平衡，,3、水压致裂法测定系统,4、水压致裂试验成果,5-5 岩体初始应力（原岩应力）分布状态,目前，原岩应力的实测深度达3000m。在这一深度内，原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场；二、水平应力H普遍大于垂直应力v,即 侧压力系数H/v 1;三、原岩应力三个主应力Hmax，Hmin，v均随深度 增加而增大 1、平均水平应力H与垂直应力v 的比值随深度增加而减小。2、两个水平应力的关
10、系一般有,3、最大、最小水平主应力随深度线性增加：4、实测垂直应力v基本上等于上覆岩层的重力 在252700m深度内，v 随深度线性增加，大致相当于按平均重度=27kN/m3计算出来的重力H,Hmax6.70.0444H(MPa),Hmin0.80.0329H(MPa),三峡坝址区：深129.7m处实测地应力结果,而自重应力仅有2.6MPa,四、原岩应力的分布规律还受地形、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。地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平行；断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。,
