岩体地应力问题学习教案.pptx

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1、会计学1岩体地应力问题岩体地应力问题(wnt)第一页，共37页。n n 3.1 问题的提出：人类对地应力的认识过程n n为什么在讨论地下结构问题时，首先提出了地应力问题？n n答：地应力是影响地下结构稳定的主要因素，是引起地下结构变形和破坏的根本作用力。地应力决定了地下结构几乎所有(suyu)的边界条件和地下工程实施的初始条件。是一切计算、试验分析的前提和基础。不了解地应力情况的地下结构设计，只能是盲目的设计。第1页/共37页第二页，共37页。n n 人类对地应力的认识过程n n这个过程还不到100年n n1912年，瑞士地质学家A.Heim首次提出地应力的概念，并假定地应力是一种静水压力状态

2、。即地壳(dqio)中任何一点的应力在各个方向相等，并且等于该点以上覆盖的岩层产生的压强。即：第2页/共37页第三页，共37页。n n1926年，前苏联学者A.H.Gennik修正了A.Heim的静水压力的假定，认为垂直应力可以等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平(shupng)应力）应该是泊松效应的结果。它的值应该等于H乘以一个修正系数K，称为侧压系数，根据弹性力学理论，他认为n nK/(1-),即：第3页/共37页第四页，共37页。问题：难道地应力只与岩层重力问题：难道地应力只与岩层重力(zhngl)有关吗？有关吗？n n回答是否定的。回答是否定的。n n李李四四光光曾曾在在2020年年代

3、代根根据据许许多多地地质质现现象象提提出出：“在在构构造造应应力力的的作作用用仅仅影影响响地地壳壳上上层层一一定定厚厚度度的的情情况况下下，水水平平应应力力分分量量的的重重要要性性远远远远超过垂直应力分量。超过垂直应力分量。”n n5050年年代代，瑞瑞典典(ru(ru di di n)n)？的的N.HastN.Hast在在ScandinaviaScandinavia半半岛岛进进行行了了大大量量的的地地应应力力测测量量工工作作，发发现现地地壳壳上上层层最最大大主主应应力力大大部部分分是是水水平平或或接接近近水平的。水平的。第4页/共37页第五页，共37页。n n最大水平应力的值一般为垂直应力的

4、最大水平应力的值一般为垂直应力的1 12 2倍，甚至更高。在某些地表倍，甚至更高。在某些地表(dbio)(dbio)处测得的水平地应力达到处测得的水平地应力达到7Mpa7Mpa。n n这个结果从根本上动摇了地应力是静水这个结果从根本上动摇了地应力是静水压力的理论，以及地应力以垂直应力为压力的理论，以及地应力以垂直应力为主的观点。主的观点。第5页/共37页第六页，共37页。n n进一步研究表明：进一步研究表明：n n重力作用和构造作用是引起地应力的主要原因，尤其重力作用和构造作用是引起地应力的主要原因，尤其水平方向的构造运动对地应力场的形成影响最大。当水平方向的构造运动对地应力场的形成影响最大。

5、当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所决定，前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所决定，但也与地壳演化历史上的各次构造运动有关。最终的但也与地壳演化历史上的各次构造运动有关。最终的地应力场是历次构造运动应力场的叠加。同时还受到地应力场是历次构造运动应力场的叠加。同时还受到其它因素的影响，造成了地应力场分布其它因素的影响，造成了地应力场分布(fnb)(fnb)的复的复杂和多变性。杂和多变性。第6页/共37页第七页，共37页。几种几种(j zhn)结构面结构面的性质的性质n n1.压性结构面：垂直于最大主应力方向的结构面，如褶皱的轴面或直立岩层等。与最大主应力垂直的平面与地面的交线叫构造线。

6、n n扭性（剪性）结构面：沿最大剪应力方向出现的“X”形结构面，其锐角平分线方向为最大压应力方向。n n张性结构面：在拉应力作用下产 生 的 破 裂 面，往 往(wngwng)沿一对“X”形扭剪性结构面发育。第7页/共37页第八页，共37页。n3.2 地应力的成因产生的原因十分复杂n包括地壳板块(bn kui)运动中相邻板块(bn kui)之间的挤压产生的应力n地幔热对流引起的应力场n地心引力形成的自重应力场n地球旋转形成的惯性力场第8页/共37页第九页，共37页。n n地下岩浆入侵和地壳非均匀扩容n n地壳温度不均引起的应力n n水压力n n地表风化剥蚀(bsh)和其它物理化学变化引起的应力

7、释放等n n 第9页/共37页第十页，共37页。n n3.2.1 3.2.1 板块板块(bn kui)(bn kui)运动引起的运动引起的地应力地应力第10页/共37页第十一页，共37页。n n 中中国国大大陆陆板板块块受受到到印印度度板板块块和和太太平平洋洋板板块块 的的挤挤压压，每每年年(minin)(minin)挤挤压压变变形形达达数数厘厘米米。同同时时受受到到西西伯伯利利亚亚板板块块和和菲菲律律宾宾板板块块的的约约束束。因因而而产产生生水水平平受受压压的的应应力力场场，其其主主应应力力迹迹线线如如上图所示。上图所示。n n印印度度板板块块和和太太平平洋洋板板块块的的挤挤压压造造成成了了

8、我我国国大大陆陆板板块块边边缘缘的的隆隆起起和和山山脉脉的的形形成成，同同时时也也是是我国地震的主要成因。我国地震的主要成因。第11页/共37页第十二页，共37页。3.2.2 3.2.2 地幔地幔(dmn)(dmn)热对流引起的地热对流引起的地应力应力n n 由由硅硅镁镁质质组组成成的的地地幔幔因因温温度度很很高高，具具有有可可塑塑性性，并并可可以以上上下下对对流流和和蠕蠕动动当当地地幔幔深深处处的的上上升升流流到到达达地地幔幔顶顶部部时时，就就分分为为二二股股方方向向相相反反的的平平流流经经一一定定流流程程直直到到与与另另一一对对流流圈圈的的反反向向平平流流相相遇遇(xin(xin y)y)

9、，一一起起转转为为下下降降流流，回回到到地地球球深深处处，形形成成一一个个封封闭闭的的循循环环体体系系第12页/共37页第十三页，共37页。n n地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽，它是一个有拉伸特点的带状区我国从西昌、渡口到昆明的裂谷正位于这一地区该裂谷区有一个以西藏中部(zhn b)为中心的上升流的大对流环，在华北山西地堑有一个下降流由于地幔物质的下降，引起很大的水平挤压应力 第13页/共37页第十四页，共37页。n n 3.2.3 地心引力引起的地应力n n由地心引力引起的应力场称为自重应力场自重应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力

10、 场地壳中任一点(y din)的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量。重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化 第14页/共37页第十五页，共37页。3.2.4 3.2.4 岩浆入侵岩浆入侵(rqn)(rqn)引引起的地应力起的地应力n n 岩岩浆浆侵侵入入挤挤压压、冷冷凝凝(lngnng)(lngnng)收收缩缩和和成成岩岩，均均在在周周围围地地层层中中产产生生相相应应的的应应力力场场，其其过过程程也也是是相相当当复复杂杂的的熔熔融融状状态态的

11、的岩岩浆浆处处于于静静水水压压力力状状态态，对对其其周周围围施施加加的的是是各各个个方方向向相相等等的的均均匀匀压压力力但但是是炽炽热热的的岩岩浆浆侵侵入入后后即即逐逐渐渐冷冷凝凝(lngnng)(lngnng)收收缩缩，并并从从接接触触介介面面处处逐逐渐渐向向内内部部发发展展不不同同的的热热膨膨胀胀系系数数及及热热力力学学过过程程会会使使侵侵入入岩岩浆浆自自身身及及其其周周围围岩岩体体应应力力产生复杂的变化过程产生复杂的变化过程n n 与与上上述述三三种种应应力力场场不不同同，由由岩岩浆浆侵侵入入引引起起的的应应力力场场是是一一种种局局部部应应力力场场 第15页/共37页第十六页，共37页。

12、n n 3.2.5 3.2.5 地温梯度引起的地应力地温梯度引起的地应力n n 地层的温度随着深度增加而升地层的温度随着深度增加而升高，一般温度梯度为高，一般温度梯度为3 3100100由于温度梯度引起地层中不同深由于温度梯度引起地层中不同深度不相同的膨胀，从而引起地层中度不相同的膨胀，从而引起地层中的压应力，其值可达相同深度自重的压应力，其值可达相同深度自重应力的数分之一应力的数分之一n n 另外，岩体局部冷热不均另外，岩体局部冷热不均(b(b jn)jn)，产生收缩和膨胀，也会导致，产生收缩和膨胀，也会导致岩体内部产生局部应力场岩体内部产生局部应力场 第16页/共37页第十七页，共37页。

13、n n 3.2.6 地表风化剥蚀引起的地应力n n 地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀(qnsh)和雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用。剥蚀后，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度所引起的自重应力还要大得多的水平应力值。因此，在某些地区，大的水平应力除与构造应力有关外，还和地表剥蚀有关。第17页/共37页第十八页，共37页。3.3 3.3 地应力的分布地应力的分布(fnb)(fnb)规律规律3.3.1 地应力是时间和空间的函数 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的，因而它是个非稳定(wndng)

14、的应力场 地应力在空间上的变化，从小范围来看，其变化是很明显的，从一个矿山到另一个矿山，从某一点到相距数十米外的另一点，地应力的大小和方向也是不同的但就某个地区整体而言，地应力的变化是不大的 所以它是相对稳定(wndng)的非稳定(wndng)应力场。第18页/共37页第十九页，共37页。n n 在在某某些些地地震震(dzhn)(dzhn)活活跃跃的的地地区区，地地应应力力的的大大小小和和方方向向随随时时间间的的变变化化是是很很明明显显的的。如如19761976年年唐唐山山地地震震(dzhn)(dzhn)后后，在在唐唐山山凤凤凰凰山山测测得得的的最最大大主主应应力力方方向向为为北北4747西西

15、，与与区区域域应应力力场场的的最最大大主主应应力力方方向向有有较较大大偏偏差差7878年年，在在同同一一地地点点测测量量，其其最最大大主主应应力力方方向向变变为为近近东东西西向向（北北8989西西）与与区区域域应应力力场场最最大大主主应应力力方方向向相相一一致致。邢邢台台地地震震(dzhn(dzhn)区区也也有有类类似似情情况况。前前苏苏联联的的喀喀尔尔巴巴歼歼山山、高高加加索索等等地地，发发现现主主应应力力方方向向每每隔隔6 61212年年就就有有一一次次较较大大变变化化我我国国甘甘肃肃六六盘盘山山主主应应力力方方向向在在三三年年内内有有20203030的的改改变变而而瑞瑞典典北北部部的的梅

16、梅尔尔格格特特矿矿区区，发发现现现现今今应应力力场场方方向向与与2020亿亿年年前前应应力力场场方方向向完完全相同全相同第19页/共37页第二十页，共37页。3.3.2 3.3.2 3.3.2 3.3.2 垂直垂直垂直垂直(chuzh)(chuzh)(chuzh)(chuzh)地应力与埋深的关系地应力与埋深的关系地应力与埋深的关系地应力与埋深的关系.n n对对全全世世界界实实测测垂垂直直应应力力vv的的统统计计资资料料的的分分析析表表明明，在在深深度度为为252527002700的的范范围围内内，vv呈呈线线性性增增长长，大大致致相相当当于于按按平平均均容容 重重 等等 于于27KN/m327

17、KN/m3计计 算算 出出 来来 的的 重重 力力(zhngl)H(zhngl)Hn n但但在在某某些些地地区区的的测测量量结结果果有有一一定定幅幅度度的的偏偏差差如如我我国国v/v/=0.8=0.81.21.2的的仅仅占占5 5，v/v/0.80.8的的占占1616，而而v/v/1.21.2的的占占7979。前前苏苏联联测测量量资资料料表表明明：v/v/的的占占4 4，v/v/0.80.81.21.2的的占占2323，v/v/1.21.2的占的占7373 第20页/共37页第二十一页，共37页。值得注意的是，在世界多数地区并不存在真正的垂直应力即没有一个主应力的方向完全(wnqun)与地表垂

18、直但在绝大多数测点都发现确有一个主应力接近于垂直方向，其与垂直方向的偏差不大于20。这一事实说明，地应力的垂直分量主要受重力的控制，但也受到其它因素的影响。第21页/共37页第二十二页，共37页。3.3.3 水平地应力普遍大于垂直地应力 实测资料表明，在绝大多数（几乎(jh)所有）地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于30最大水平主应力普遍大于垂直应力。水平地应力与v之比值，为0.55.5，在很多情况下比值大于2。在浅埋地层中水平地应力普遍大于垂直地应力，说明板块运动在形成地应力过程中起到主要控制作用。垂直地应力一般为最小主应力或中间主应力，极少情况下为最大主

19、应力。第22页/共37页第二十三页，共37页。3.3.4 3.3.4 平均水平地应力与垂直地应力平均水平地应力与垂直地应力之比随深度增加而减小之比随深度增加而减小 这是一个普遍规律，但是减小的速这是一个普遍规律，但是减小的速度在各个地区度在各个地区(dq)(dq)有所不同。有所不同。根据世界几个国家的实测资料，根据世界几个国家的实测资料，HockHock和和BrownBrown回归出以下公式：回归出以下公式：第23页/共37页第二十四页，共37页。上图表明，在深度不大的情况下，水平地应力与垂直地应力之比相当分散，随着深度增加，该值的变化范围逐渐缩小上图表明，在深度不大的情况下，水平地应力与垂直

20、地应力之比相当分散，随着深度增加，该值的变化范围逐渐缩小(suxio)(suxio)并且有向并且有向1.01.0附近靠近的趋势。这种趋势表明，在地壳深部有可能出现静水压力状态。附近靠近的趋势。这种趋势表明，在地壳深部有可能出现静水压力状态。加拿大的地应力实测情况回归出如下公式：加拿大的地应力实测情况回归出如下公式：第24页/共37页第二十五页，共37页。3.3.5 3.3.5 3.3.5 3.3.5 水平水平水平水平(shupng)(shupng)(shupng)(shupng)地应力随深度呈线地应力随深度呈线地应力随深度呈线地应力随深度呈线形增加趋势形增加趋势形增加趋势形增加趋势n nO.S

21、tephansson 测出瑞典 Fennoscandia 地区古陆地最大水平主应力和最小水平主应力随深度变化的线性关系方程(fngchng)：n nh,max=0.0444 H+6.7n nh,min=0.0329 H+0.8n n可以看出公式中的常数项值比较大，当H等于0时，水平地应力仍有较大的数值，说明构造运动对地应力的影响是显著的。第25页/共37页第二十六页，共37页。n n 3.3.6 最大、最小水平(shupng)地应力有较大差异，反映出很强的方向性。二者之比可达1.255，一般为1.252.5。第26页/共37页第二十七页，共37页。3.3.7 3.3.7 3.3.7 3.3.7

22、 地应力分布地应力分布地应力分布地应力分布(fnb)(fnb)(fnb)(fnb)规律异常规律异常规律异常规律异常n n上述6点是地应力分布的一般规律，但是在地形变化、有地质构造、严重风化、温度变化和地下水丰富的情况下，容易(rngy)发生地应力场分布规律的异常。其中地形变化和地质构造影响最大。第27页/共37页第二十八页，共37页。在具有负地形的峡谷或山区，地形的影响在侵蚀基准在具有负地形的峡谷或山区，地形的影响在侵蚀基准在具有负地形的峡谷或山区，地形的影响在侵蚀基准在具有负地形的峡谷或山区，地形的影响在侵蚀基准面以上及其以下一定范围内表现特别明显面以上及其以下一定范围内表现特别明显面以上及

23、其以下一定范围内表现特别明显面以上及其以下一定范围内表现特别明显一般来说，谷底一般来说，谷底一般来说，谷底一般来说，谷底(d d)是应力集中的部位，越靠近谷是应力集中的部位，越靠近谷是应力集中的部位，越靠近谷是应力集中的部位，越靠近谷底底底底(d d)应力集中越明显应力集中越明显应力集中越明显应力集中越明显n n最最大大主主应应力力在在谷谷底底或或河河床床中中心心近近于于水水平平，而而在在两两岸岸岸岸坡坡则则向向谷谷底底或或河河床床倾倾斜斜(qngxi)(qngxi)，并并大大致致与与坡坡面面相相平平行行近近地地表表或或接接近近谷谷坡坡的的岩岩体体，其其地地应应力力状状态态和和深深部部及及周周

24、围围岩岩体体显显著著不不同同，并并且且没没有有明明显显的的规规律律性性随随着着深深度度不不断断增增加加或或远远离离谷谷坡坡，则则地地应应力力分分布布状状态态逐逐渐渐趋趋于于规规律律化化，并并且且显显示示出出和和区区域域应应力力场场的的一致性一致性第28页/共37页第二十九页，共37页。在断层和结构面附近，地应力分布状态将会受到明显的扰动断层端部、拐角处及交汇处在断层和结构面附近，地应力分布状态将会受到明显的扰动断层端部、拐角处及交汇处在断层和结构面附近，地应力分布状态将会受到明显的扰动断层端部、拐角处及交汇处在断层和结构面附近，地应力分布状态将会受到明显的扰动断层端部、拐角处及交汇处将出现应力

25、集中的现象端部的应力集中与断层长度有关将出现应力集中的现象端部的应力集中与断层长度有关将出现应力集中的现象端部的应力集中与断层长度有关将出现应力集中的现象端部的应力集中与断层长度有关(yugun)(yugun)，长度越大，应力集中，长度越大，应力集中，长度越大，应力集中，长度越大，应力集中越强烈拐角处的应力集中程度与拐角大小及其与地应力的相互关系有关越强烈拐角处的应力集中程度与拐角大小及其与地应力的相互关系有关越强烈拐角处的应力集中程度与拐角大小及其与地应力的相互关系有关越强烈拐角处的应力集中程度与拐角大小及其与地应力的相互关系有关(yugun)(yugun)当最当最当最当最大主应力的方向和拐

26、角的对称轴一致时，其外侧应力大于内侧应力大主应力的方向和拐角的对称轴一致时，其外侧应力大于内侧应力大主应力的方向和拐角的对称轴一致时，其外侧应力大于内侧应力大主应力的方向和拐角的对称轴一致时，其外侧应力大于内侧应力n n由由于于断断层层带带中中的的岩岩体体一一般般都都比比较较软软弱弱和和破破碎碎，不不能能承承受受高高的的应应力力和和不不利利于于能能量量(nngling)(nngling)积积累累，所所以以成成为为应应力力降降低低带带，其其最最大大主主应应力力和和最最小小主主应应力力与与周周围围岩岩体体相相比比均均显显著著减减小小同同时时，断断层层的的性性质质不不同同对对周周围围岩岩体体应应力力

27、状状态态的的影影响响也也不不同同压压性性断断层层中中的的应应力力状状态态与与周周围围岩岩体体比比较较接接近近，仅仅是是主主应应力力的的大大小小比比周周围围岩岩体体有有所所下下降降；而而张张性性断断层层中中的的地地应应力力大大小小和和方方向向与与周周围岩体相比均发生显著变化围岩体相比均发生显著变化第29页/共37页第三十页，共37页。3.4 地应力场与地下结构布置设计的关系3.4.1 地下结构是否承受内水压力(yl)不承受内水压力(yl)的洞室结构尽量布置在地应力值较小的部位承受内水压力(yl)的洞室结构则应布置在最小主应力大于最大内水压力(yl)的部位第30页/共37页第三十一页，共37页。3

28、.4.2 地下洞室长轴与地应力的关系 一般情况下，地下洞室结构的长轴方向应该与最大主应力的水平投影方向呈小角度相交。在较均匀的岩体中，对高跨比接近1.0的洞室结构，洞轴线方位的布置应该使作用在洞室断面上的垂直(chuzh)应力与水平应力尽量接近相等。根据三个主应力分量关系的不同，又可分为三种情况：h1h2 vv h1 h2h1 v h2洞室长轴平行h1 洞室长轴垂直h1设洞室长轴与h1夹角 为第31页/共37页第三十二页，共37页。3.4.3 3.4.3 地下结构断面地下结构断面(dun min)(dun min)与与地应力关系地应力关系第32页/共37页第三十三页，共37页。3.4.4 3.

29、4.4 3.4.4 3.4.4 地下地下地下地下(dxi)(dxi)(dxi)(dxi)结构群布置与地应力关结构群布置与地应力关结构群布置与地应力关结构群布置与地应力关系系系系n n随着社会经济和科学技术的发展，地下结构工程也由小规模、简单断面、单一结构向大规模、复杂断面、群体结构发展，例如(lr)矿山工程、城市地下交通系统、地下水电站和抽水蓄能电站等等。矿山工程中相邻巷道和工作面之间的间距问题，地下交通系统相邻隧洞间距的选择，地下水电站三大洞室的间距及主要和次要洞室之间的关系的确定等都与地应力有关。第33页/共37页第三十四页，共37页。精品精品(jn pn)课件课件！第34页/共37页第三

30、十五页，共37页。精品精品(jn pn)课件课件！第35页/共37页第三十六页，共37页。n n一般情况来说，地应力适中、围岩质量较好（II级左右或更高），地下（洞室）结构之间可采用较小的间距，例如间距等于洞室跨度的1.01.3倍。反之应该增加洞室间距。水平地应力越大，垂直地应力越小，则开挖后洞室间岩柱的拉应力区越深、屈服区越大。应该考虑的原则是，在实际地应力条件下，洞室间岩柱的屈服区不 致 贯 穿，保 留 1/3完 好 岩 石(ynsh)较为理想。n n但是地下结构群的优化布置是很复杂的，除地应力、洞跨之外，洞高和主要次要洞室之间的关系也要考虑，实际设计时应进行数值分析比较各种方案，最后作出选择。第36页/共37页第三十七页，共37页。