岩体中的天然应力new.pptx
6.1 概 述1 1、定义(1)(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)(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。重分布应力重分布应力+天然应力相对于第2 2洞室的天然应力第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第1页/共52页2 2、天然应力的组成及起源(1)组成：岩体自重自重应力 构造运动构造应力流体作用渗流应力 其它（地温、地球化学作用等）拉张区挤压区第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力(2)(2)起源（主要指构造运动的起源）：板块运动 地幔热对流 地球自转速度变化第2页/共52页3 3、天然应力的研究历史与研究意义(1)(1)研究历史 世界上 :l18781878年海姆提出天然应力l19321932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l到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深51085108米（美国密执安水压致裂法）。中国：l5050年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有39583958米（天津大港）。第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第3页/共52页(2)研究意义 区域稳定 地下洞室稳定 边坡稳定 地基岩体稳定第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第4页/共52页以东经以东经100100105105o o为界分东西两区。为界分东西两区。q强度上：西强东弱（西高东低）强度上：西强东弱（西高东低）q方向上：西：方向上：西：NNE-SSWNNE-SSW为主，东：近为主，东：近E-WE-W。1 1、分区性分区性（以中国为例）（以中国为例）6.2 岩体天然应力的分布规律第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第5页/共52页第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力西南：西南：印度板块向印度板块向NNENNE挤压挤压（5mm/a5mm/a）东：东：太平洋板块向太平洋板块向W W俯冲俯冲（1cm/a1cm/a）南：南：菲律宾板块向菲律宾板块向N N俯冲俯冲北：北：西伯利亚板块阻挡西伯利亚板块阻挡 1 1迹线：迹线：N-NE-SSEN-NE-SSEv中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。第6页/共52页l上覆岩体自重l V V多为压应力l V V多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力2、铅直应力（V）第7页/共52页3 3、水平应力（h h）l岩体中天然应力常以水平应力为主，即 h h v v，特别是 hmaxhmax v v,据统计资料：h h/v v 0.8-3.0 0.8-3.0 ，说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制;l水平应力具有强烈的各向异性，即 h1h1 h2h2 ，我国华北 hminhmin/hmaxhmax0.2-0.80.2-0.8，华南 hminhmin/hmaxhmax0.3-0.750.3-0.75 。l原 因a.a.岩体各向异性;b.;b.构造运动的方向性;l水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力为拉应力的现象。第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第8页/共52页4 4、天然应力比值系数 与深度z z 的关系定义：天然水平应力与铅直应力的比值为天然应力比值系数()，它随深度增加而减小。第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第9页/共52页5 5、主应力与水平面的关系据主应力与水平面的关系，可划分为：l水平应力场 两个应力轴近水平，或与水平面夹角很小，另一应力轴近铅直，三个应力轴与空间坐标一致，我国大陆范围内属这种应力场;l非水平应力场水平应力与水平面夹4545左右，另一轴与水平面夹045 045 左右，分布于板块边缘。第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第10页/共52页6、高天然应力l标志开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；收敛变形大，使开挖断面变小；软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合；饼状岩心；水下开挖无水渗出。第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第11页/共52页7 7、影响天然应力的因素(1)(1)地形起伏la.a.水平应力向负地形集中，向正地形释放lb.b.在斜坡附近，应力方向发生偏转+第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第12页/共52页(2)(2)地表剥蚀地表剥蚀原地面原地面现地面现地面剥蚀第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第13页/共52页该该式式说说明明：剥剥蚀蚀后后，岩岩体体中中一一点点 增增大大了了，当当Z大到一定值时，必有大到一定值时，必有 1的情况出现。的情况出现。第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第14页/共52页(3)(3)结构面结构面第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力(4)(4)岩体性质 硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反(5)(5)地下水 产生渗流应力(6)(6)地温 产生温度应力第15页/共52页6.3 岩体天然应力的测量自重应力理论地震震源机制解地变形量测天然应力测量大地水准测量三角网测量GPSGPS测量天然天然应力应力确定确定方法方法第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第16页/共52页zA1 1、根据自重应力理论确定岩体中的天然、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力应力地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面(1)(1)均质各向同性岩体第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第17页/共52页A(2)(2)水平层状岩体水平层状岩体第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第18页/共52页A(3)垂直层状岩体第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第19页/共52页2 2、天然应力的量测天天然然应应力力的的量量测测方方法法水压致裂法水压致裂法应力恢复法（扁千斤顶法）应力恢复法（扁千斤顶法）套芯应力解除法套芯应力解除法光弹法光弹法声发射法声发射法X射线法射线法第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第20页/共52页A(1)(1)水压致裂法水压致裂法tpc1pS pc2p0图7-37-3水压力随时间的变化曲线第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力图图7-4 7-4 柯西解答受力图示柯西解答受力图示第21页/共52页原理：原理：水压致裂法是把高压水泵入到由栓塞隔开的试段中。当钻孔试段中的水压升高时，钻孔孔壁的环向压应力降低，并在某些点出现拉应力。随着泵入的水压力不断升高，钻孔孔壁的拉应力也逐渐增大。当钻孔中水压力引起的孔壁拉应力达到孔壁岩石抗拉强度t时，就在孔壁形成拉裂隙。若设形成孔壁拉裂隙时，钻孔的水压力为pc1，拉裂隙一经形成后，孔内水压力就要降低，然后达到某一稳定的压力ps，称为“封井压力”。这时，如人为地降低水压，孔壁拉裂隙将闭合，若再继续泵入高压水流，则拉裂隙将再次张开，这时孔内的压力为pc2(图7-3)。第22页/共52页tpc1pS pc2p0假设：天然应力为水平应力场，其铅直应力钻孔假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中 的一个小圆孔。作用应力为 ，根据弹性理论中的柯西解 ，未加水压力时，A AA A两点的应力为：，在水压力作用下，钻壁产生拉破裂的条件为:取取“”A第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第23页/共52页维持破裂展开，又不继续发展的条件为 联立上两式有而：因此，可得测点的天然应力为第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第24页/共52页破破裂裂平平行行于于 ，垂垂直直于于 ，破破裂裂方方向向由压痕，井下电视确定。由压痕，井下电视确定。优点：优点：测深大，测深大，z z可达数百米，目前最深达可达数百米，目前最深达51085108米；米；施工技术简单，不需要应力计等仪器。施工技术简单，不需要应力计等仪器。缺点：缺点：水压致裂法只能在钻孔中进行，若在地下巷水压致裂法只能在钻孔中进行，若在地下巷道岩壁中进行应力量测时，可采用扁千斤顶法道岩壁中进行应力量测时，可采用扁千斤顶法。方向：据岩体破裂方向确定第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第25页/共52页千斤顶油泵时间时间千斤顶压力千斤顶压力 pc测点分离值测点分离值 d0 d步骤：在岩壁上选择测点，固定在岩壁上选择测点，固定A A、B B两点。两点。d15d15厘米；厘米；刻槽应力释放、变形刻槽应力释放、变形d d0 0 d;d;安装扁千斤顶安装扁千斤顶;加压应力恢复加压应力恢复 d d d d0 0，到到d=dd=d0 0时的千斤顶压时的千斤顶压力即为力即为 ；(2)应力恢复法（扁千斤顶法）第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第26页/共52页重复测量另一个方向的 W W;计算天然应力:假定天然应力为水平应力场,当测得侧壁应力 R R和底板应力 W W 时,则有:第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第27页/共52页(3)(3)钻孔套芯应力解除法基本原理+仪器仪器套芯解除套芯解除钻孔钻孔同心套钻同心套钻放放应变计应变计应力解除应力解除应力计算应力计算位移恢复位移恢复第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第28页/共52页设天然应力为水平应力场4545计算公式：应变计互成4545，据上式有第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第29页/共52页用消元法解三元一次方程，得：应变计互为6060时，可按下列公式计算6060第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第30页/共52页选点、钻孔：130cm130cm ，深度一般小于30m;30m;在 孔 底 打 一 测 量 孔：36cm36cm，深度一般50cm50cm，并洗干净；安装应变计：并与应变仪连接，测记稳定初始读数；套钻解除：在应力解除过程中，测记应变计读数，至应变完全解除为止；折断岩心，在室内求取岩石的E Em m;按前述公式求解：天然应力 hmaxhmax，hminhmin ，而 v v=gzgz测量步骤：测量步骤：第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第31页/共52页优点：能较准确地量测出岩体中的天然应力 缺点：只能量测浅部（3030米以内天然应力 ，深度大了，套钻技术难度大、精度低。第第六六章章 岩岩体体中中的的天天然然应应力力第32页/共52页6.4 6.4 岩体中天然应力的估算岩体中天然应力的估算（1）铅直天然应力估算 在地形比较平坦，未经过强烈构造变动的岩体中，天然主应力方向可视为近铅直和水平。这一结论的证据是：在岩体中发育有倾角为60左右的正断层，而正断层形成时的应力状态是铅直方向为最大主应力，水平方向作用有最小主应力(书中图6-10)；岩体中倾角为30左右的逆断层存在，表明逆断层在形成时的应力状态是垂直方向为最小主应力，水平方向作用有最大主应力(书中图6-11)。第33页/共52页在这种条件下，铅直天然应力v等于上覆岩体的自重，即：vgZ (7-15)式中：为岩体的密度(gcm3)；g为重力加速度(9.8ms2)；Z为深度(m)。这种铅直应力的估算方法不适用于下列情况。(1)不适用沟谷附近的岩体。因为沟谷附近的斜坡上，最大主应力1平行于斜坡坡面，而最小主应力3垂直于坡面，且在斜坡表面上，其3值为零。(2)不适用于经强烈构造变动的岩体。如在褶皱强烈的岩体中，由于组成背斜岩体中的应力传递转嫁给向斜岩体。所以，背斜岩体中铅直应力v常比岩体自重要小，甚至于出现v等于零的情况。而向斜岩体中，尤其在向斜核部，其铅直应力常比按自重计算的值大60左右，这已为实测资料所证实。第34页/共52页（2 2）水平天然应力估算）水平天然应力估算由天然应力比值系数的定义可知，如果已知值，而铅直天然应力可以由vgZ估算出，则水平天然应力hv。所以水平天然应力的估算，实际上就是确定值的问题。天然应力比值系数与岩体的地质构造条件有关。在未经过强烈构造变动的新近沉积岩体中，天然应力比值系数为：/(1)(7-16)式中：为岩体的泊松比。在经历多次构造运动的岩体中，由于岩体经历了多次卸荷、加荷作用，因此/(1)不适用。下面讨论几种简单的情况。第35页/共52页隆起、剥蚀卸荷作用对值的影响这在前面已经讲过,在此不详述。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：1为铅直，3为水平，因此 由库伦强度判据知：正断层形成时的破坏主应力与由库伦强度判据知：正断层形成时的破坏主应力与岩体强度参数间关系为：即岩体强度参数间关系为：即第36页/共52页因此，正断层形成的天然应力比值系数a为：逆断层形成时的应力状态为：最小主应力3为铅直，最大主应力1为水平，即同理可得逆断层形成时的天然应力比值系数p为：第37页/共52页由上述分析可知，u和p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是介于两者之间，即ap (7-24)如把这一理论估算得出的结论，与HoekBrown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。第38页/共52页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6-13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bd）。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。第39页/共52页第40页/共52页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：天然应力场可以认为是下列变量的函数：第41页/共52页第42页/共52页6.6 6.6 高地应力区的若干特征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。第43页/共52页6.6 6.6 高地应力区的若干特征高地应力区的若干特征（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。第44页/共52页6.6 6.6 高地应力区的若干特征高地应力区的若干特征按库仑破坏条件按库仑破坏条件 第45页/共52页6.6 6.6 高地应力区的若干特征高地应力区的若干特征（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36cm（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l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，为软弱夹层的抗剪强度，则:第46页/共52页第47页/共52页第48页/共52页第49页/共52页6.6 6.6 高地应力区的若干特征高地应力区的若干特征（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。第50页/共52页思考题与习题1、简述地应力测量的重要性。2、地应力是如何形成的?控制某一工程区域地应力状态 的主要因素是什么?3、简述地壳浅部地应力分布的基本规律。4、试述岩体中水平天然应力的基本特点。5、地应力测量方法分哪几类?每类包括那些主要测量技 术？6、简述水压致裂法的基本测量原理。7、简述水压致裂法的主要测量步骤。8、对水压致裂法的主要优缺点做出评价。9、分别讨论隆起、剥蚀和荷载作用对值的影响。10、某岩体，在深度100m内，密度为2.54g/cm3，在深度100200m内，密度为2.71g/cm3，天然应力比值系数为1.89，试按自重应力理论 计算深度50m、150m处的天然应力大小？第51页/共52页感谢您的观看！第52页/共52页
