岩体力学课件-第七章岩体的初始应力(背景为黑色).ppt

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1、1.掌掌握握初初始始应应力力、构构造造应应力力的的概概念念，掌掌握握自自重重应应力的计算方法；力的计算方法；2.了了解解原原岩岩应应力力的的一一般般规规律律及及影影响响原原岩岩应应分分布布的的因因素；素；3.了解岩应力的实测方法了解岩应力的实测方法5/17/2023岩体力学1 1 岩体初始应力状态的概念与意义岩体初始应力状态的概念与意义原岩原岩：未受工程影响而又处于自然平衡状态的未受工程影响而又处于自然平衡状态的未受工程影响而又处于自然平衡状态的未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体。岩体。岩体。岩体。原岩原岩原岩原岩应力应力应力应力（亦称初始应力或地应力）：（亦称初始应力或地应力）：（亦称初

2、始应力或地应力）：（亦称初始应力或地应力）：定义之一：定义之一：定义之一：定义之一：原岩中存在的原岩中存在的原岩中存在的原岩中存在的应力。应力。应力。应力。定义之二：岩体在天然定义之二：岩体在天然定义之二：岩体在天然定义之二：岩体在天然状态下所存在的内应力。状态下所存在的内应力。状态下所存在的内应力。状态下所存在的内应力。一般习惯把原岩一般习惯把原岩一般习惯把原岩一般习惯把原岩应力分为应力分为应力分为应力分为自重应力场自重应力场自重应力场自重应力场和和和和构造应力场构造应力场构造应力场构造应力场。由上覆岩体的自重所引起的应力称为自重应力；由上覆岩体的自重所引起的应力称为自重应力；由上覆岩体的自

3、重所引起的应力称为自重应力；由上覆岩体的自重所引起的应力称为自重应力；地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的力，地质作用残存的应力统称为构造应力。力，地质作用残存的应力统称为构造应力。力，地质作用残存的应力统称为构造应力。力，地质作用残存的应力统称为构造应力。5/17/2023岩体力学研究岩体初始应力状态的工程意义：研究岩体初始应力状态的工程意义：1.1.正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应

4、力变化化2.2.合理设计地下工程的支护尺寸合理设计地下工程的支护尺寸5/17/2023岩体力学2 2、组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算一、岩体自重应力场一、岩体自重应力场一、岩体自重应力场一、岩体自重应力场1 1假设岩体为均匀连续价值，并为半无限空间体假设岩体为均匀连续价值，并为半无限空间体假设岩体为均匀连续价值，并为半无限空间体假设岩体为均匀连续价值，并为半无限空间体在距地表深度在距地表深度在距地表深度在距地表深度HH处，岩体的初始应力场为处，岩体的初始应力场为处，

5、岩体的初始应力场为处，岩体的初始应力场为 z z=HH x x=y y=z z xyxy=0=0式中：式中：式中：式中：HH岩体单元的深度（岩体单元的深度（岩体单元的深度（岩体单元的深度（mm）上覆岩体的平均重力密度（上覆岩体的平均重力密度（上覆岩体的平均重力密度（上覆岩体的平均重力密度（kN/mkN/m3 3）侧压力系数侧压力系数侧压力系数侧压力系数若岩体视为各向同性的弹性体，若岩体视为各向同性的弹性体，若岩体视为各向同性的弹性体，若岩体视为各向同性的弹性体，xx=0=0，y y=0=0，由广义虎克定律：，由广义虎克定律：，由广义虎克定律：，由广义虎克定律：5/17/2023岩体力学 x=1

6、/E x-（y+z）=0 y=1/E y-（x+z）=0由此得：由此得：x=y=/（1-）z=/（1-）H（6-3）所以，侧压力系数所以，侧压力系数=/（1-）2成层岩体成层岩体（6-4）（6-3）、（）、（6-4）岩体在一定深度范围内成立。）岩体在一定深度范围内成立。如如果果岩岩体体由由松松散散的的碎碎石石，砂砂及及卵卵石石组组成成，可可以以近近似似地地认认为为岩岩体体是是理理想想松松散散介介质质，可可由由松松散散介介质质极极限限平平衡衡条条件件来来建建立立垂垂直直应应力力与侧向应力的关系：与侧向应力的关系：=x/z=(1-sin)/(1+sin)(6-8)5/17/2023岩体力学对对对对

7、于于于于具具具具有有有有一一一一定定定定粘粘粘粘聚聚聚聚力力力力的的的的松松松松散散散散岩岩岩岩体体体体，侧侧侧侧向向向向应应应应力力力力 x x与与与与垂垂垂垂直直直直应应应应力力力力 z z之间的关系为之间的关系为之间的关系为之间的关系为（6-96-9）显然，在一定深度范围，側向应力显然，在一定深度范围，側向应力显然，在一定深度范围，側向应力显然，在一定深度范围，側向应力 x x 有可能为负；有可能为负；有可能为负；有可能为负；令令令令 x x=0=0，则由上式可得：，则由上式可得：，则由上式可得：，则由上式可得：（6-106-10）当当当当HH HH0 0时，才开始出现侧向应力时，才开始

8、出现侧向应力时，才开始出现侧向应力时，才开始出现侧向应力 x x，并随深度成正比增加。，并随深度成正比增加。，并随深度成正比增加。，并随深度成正比增加。二、岩体构造应力场二、岩体构造应力场二、岩体构造应力场二、岩体构造应力场1 1构造应力的确定构造应力的确定构造应力的确定构造应力的确定 构构构构造造造造应应应应力力力力尚尚尚尚无无无无法法法法用用用用数数数数学学学学力力力力学学学学的的的的方方方方法法法法进进进进行行行行分分分分析析析析计计计计算算算算，而而而而只只只只能能能能采采采采用用用用现现现现场场场场应应应应力力力力量量量量测测测测的的的的方方方方法法法法来来来来求求求求得得得得，但但

9、但但是是是是构构构构造造造造应应应应力力力力的的的的方方方方向向向向可可可可以以以以根根根根据据据据地地地地质力学的方法加以判断。质力学的方法加以判断。质力学的方法加以判断。质力学的方法加以判断。5/17/2023岩体力学（a a）正断层（）正断层（）正断层（）正断层（b b）逆断层（）逆断层（）逆断层（）逆断层（c c）平推断层（）平推断层（）平推断层（）平推断层（d d）岩脉（）岩脉（）岩脉（）岩脉（e e）褶皱）褶皱）褶皱）褶皱 图图图图6-46-4由地质特征推断的应力方向（由地质特征推断的应力方向（由地质特征推断的应力方向（由地质特征推断的应力方向（a a）（e e）均为平面图）均为平

10、面图）均为平面图）均为平面图5/17/2023岩体力学2 2地表剥蚀时侧压力系数的影响地表剥蚀时侧压力系数的影响地表剥蚀时侧压力系数的影响地表剥蚀时侧压力系数的影响 图图图图6-56-5侵蚀对某一深度上的应力的影响侵蚀对某一深度上的应力的影响侵蚀对某一深度上的应力的影响侵蚀对某一深度上的应力的影响Z0K0Z05/17/2023岩体力学设某深度设某深度设某深度设某深度HH0 0的一个岩石单元，该处初始侧压系数的一个岩石单元，该处初始侧压系数的一个岩石单元，该处初始侧压系数的一个岩石单元，该处初始侧压系数 0 0 上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩体体体体剥剥剥剥蚀蚀蚀蚀了了了了厚厚厚厚度度度度 HH，使使

11、使使岩岩岩岩石石石石单单单单元元元元受受受受到到到到卸卸卸卸载载载载作作作作用用用用，卸卸卸卸载载载载后后后后，垂垂垂垂向向向向应应应应力力力力 v v减减减减小小小小了了了了HH，水水水水平平平平应应应应力力力力 n n则则则则减减减减少少少少了了了了HH /（1-1-）（按弹性卸载考虑）（按弹性卸载考虑）（按弹性卸载考虑）（按弹性卸载考虑）则此时岩石单元的侧压力系数为则此时岩石单元的侧压力系数为则此时岩石单元的侧压力系数为则此时岩石单元的侧压力系数为：（6-116-11）由于剥蚀后岩石单元埋深由于剥蚀后岩石单元埋深由于剥蚀后岩石单元埋深由于剥蚀后岩石单元埋深H=HH=H00 HH，所以：，

12、所以：，所以：，所以：可见，由于上覆岩体被剥蚀，使侧压力系数可见，由于上覆岩体被剥蚀，使侧压力系数可见，由于上覆岩体被剥蚀，使侧压力系数可见，由于上覆岩体被剥蚀，使侧压力系数 有增加的趋势，有增加的趋势，有增加的趋势，有增加的趋势，当深度小于一定数值时，会出现水平应力当深度小于一定数值时，会出现水平应力当深度小于一定数值时，会出现水平应力当深度小于一定数值时，会出现水平应力 n n大于垂直应力大于垂直应力大于垂直应力大于垂直应力 v v。5/17/2023岩体力学三、影响岩体初始应力状态的其他因素三、影响岩体初始应力状态的其他因素三、影响岩体初始应力状态的其他因素三、影响岩体初始应力状态的其他

13、因素（一）地形（一）地形（一）地形（一）地形1.1.山谷谷底的应力很大山谷谷底的应力很大山谷谷底的应力很大山谷谷底的应力很大:与岩体的均质程度有关（图与岩体的均质程度有关（图与岩体的均质程度有关（图与岩体的均质程度有关（图6-6)6-6)2.2.地形对岩体初始应力影响的另一特征地形对岩体初始应力影响的另一特征地形对岩体初始应力影响的另一特征地形对岩体初始应力影响的另一特征:(:(图图图图6-76-7）5/17/2023岩体力学（二）地质条件对自重应力的影响（二）地质条件对自重应力的影响图图6-8背斜背斜:两翼应力增大两翼应力增大,中部应力降低中部应力降低;向斜向斜:两翼应力降低两翼应力降低,核

14、部应力增大核部应力增大.图图6-8断层断层:山峰地应力低山峰地应力低,山谷地应力高山谷地应力高（三）水压力和热应力（三）水压力和热应力5/17/2023岩体力学3岩体初始应力状态的现场量测方法一、岩体应力现场量测方法概述一、岩体应力现场量测方法概述一、岩体应力现场量测方法概述一、岩体应力现场量测方法概述 目目目目的的的的：了了了了解解解解岩岩岩岩体体体体中中中中存存存存在在在在的的的的应应应应力力力力大大大大小小小小和和和和方方方方向向向向，从从从从而而而而为为为为分分分分析析析析岩岩岩岩体体体体工工工工程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。程的受

15、力状态以及为支护及岩体加固提供依据。程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。岩岩岩岩体体体体应应应应力力力力量量量量测测测测按按按按目目目目的的的的可可可可分分分分为为为为：岩岩岩岩体体体体初初初初始始始始应应应应力力力力量量量量测测测测和和和和地地地地下下下下工工工工程程程程应应应应力分布量测力分布量测力分布量测力分布量测 岩体应力量测常用方法岩体应力量测常用方法岩体应力量测常用方法岩体应力量测常用方法:应力解除法、应力恢复法和水压致裂法。应力解除法、应力恢复法和水压致裂法。应力解除法、应力恢复法和水压致裂法。应力解除法、应力恢复法和水压致裂法。工工工工程程程程中中中中某某某某种种种种应应

16、应应力力力力量量量量测测测测方方方方法法法法的的的的精精精精确确确确度度度度能能能能控控控控制制制制误误误误差差差差在在在在0.4MPa0.4MPa以以以以内内内内，其结果通常被认为是令人满意的。其结果通常被认为是令人满意的。其结果通常被认为是令人满意的。其结果通常被认为是令人满意的。常用地应力测量方法表常用地应力测量方法表常用地应力测量方法表常用地应力测量方法表6-16-1 5/17/2023岩体力学二、水压致裂法二、水压致裂法二、水压致裂法二、水压致裂法（一）方法原理及技术（一）方法原理及技术（一）方法原理及技术（一）方法原理及技术基本原理基本原理基本原理基本原理：P Po o孔隙水压或地

17、下水压力。孔隙水压或地下水压力。孔隙水压或地下水压力。孔隙水压或地下水压力。P Pb b初始压裂压力。初始压裂压力。初始压裂压力。初始压裂压力。P Ps s液体进入岩体内连续地液体进入岩体内连续地液体进入岩体内连续地液体进入岩体内连续地将岩体劈裂的液压，称为稳定将岩体劈裂的液压，称为稳定将岩体劈裂的液压，称为稳定将岩体劈裂的液压，称为稳定开裂压力。开裂压力。开裂压力。开裂压力。P Psoso关泵后压力表上保持的关泵后压力表上保持的关泵后压力表上保持的关泵后压力表上保持的压力，称关闭压力。压力，称关闭压力。压力，称关闭压力。压力，称关闭压力。P Pbobo开启压力。开启压力。开启压力。开启压力。

18、P0POPsPs0Pb0PsP0t图图图图6-116-11压力过程泵压变化压力过程泵压变化压力过程泵压变化压力过程泵压变化及特征压力及特征压力及特征压力及特征压力5/17/2023岩体力学（二）基本理论和计算公式（二）基本理论和计算公式（二）基本理论和计算公式（二）基本理论和计算公式室内及现场资料表明：钻孔壁在液压下的初始开裂经常是垂直的。室内及现场资料表明：钻孔壁在液压下的初始开裂经常是垂直的。室内及现场资料表明：钻孔壁在液压下的初始开裂经常是垂直的。室内及现场资料表明：钻孔壁在液压下的初始开裂经常是垂直的。设设设设孔孔孔孔周周周周水水水水平平平平地地地地应应应应力力力力为为为为 1h1h、

19、2h2h孔孔孔孔壁壁壁壁还还还还受受受受有有有有水水水水压压压压P Pb b，此此此此时时时时，钻钻钻钻孔孔孔孔周周周周围岩体内应力：围岩体内应力：围岩体内应力：围岩体内应力：r r=1/2=1/2(1h1h+2h2h)(1-a)(1-a3 3/r/r2 2)+P)+Pb ba a2 2/r/r2 2+1/2(+1/2(1h1h-2h2h)(1-4a)(1-4a2 2/r/r2 2+3a+3a4 4/r/r4 4)cos2)cos2 =1/2=1/2(1h1h+2h2h)(1+a)(1+a3 3/r/r2 2)-P)-Pb ba a2 2/r/r2 2（6-136-13）-1/2(-1/2(1

20、h1h-2h2h)(1-3a)(1-3a4 4/r/r4 4)cos2)cos2 当当当当 =a a，即孔壁处，则，即孔壁处，则，即孔壁处，则，即孔壁处，则，r r=P Pb b =(1h1h+2h2h)-P)-Pb b-2(-2(1h1h-2h2h)cos2)cos2 （6-146-14）当当当当 =0=0时，时，时，时，有最小值，即：有最小值，即：有最小值，即：有最小值，即：5/17/2023岩体力学按最大拉应力理论有：按最大拉应力理论有：按最大拉应力理论有：按最大拉应力理论有：T To o（6-166-16）时，孔隙开裂，式中，时，孔隙开裂，式中，时，孔隙开裂，式中，时，孔隙开裂，式中，

21、T To o为岩体抗拉强度。为岩体抗拉强度。为岩体抗拉强度。为岩体抗拉强度。据此，可求得孔壁破裂的应力条件为：据此，可求得孔壁破裂的应力条件为：据此，可求得孔壁破裂的应力条件为：据此，可求得孔壁破裂的应力条件为：33 2 2h h 1 1h h P Pbb+T T0 0=0=0（6-176-17）或或或或 1 1h h=3=3 2 2h h P Pb b+T+T0 0（6-186-18）如果岩体中有孔隙水压力如果岩体中有孔隙水压力如果岩体中有孔隙水压力如果岩体中有孔隙水压力P Pw w时，则式时，则式时，则式时，则式6-186-18）变为）变为）变为）变为：1 1h h=3=3 2 2h h

22、P Pb b+T+T00PPw w（6-196-19）若若若若水水水水泵泵泵泵重重重重新新新新加加加加压压压压使使使使裂裂裂裂缝缝缝缝重重重重新新新新开开开开裂裂裂裂的的的的压压压压力力力力P Pbobo称称称称为为为为开开开开启启启启压压压压力力力力，即即即即此时此时此时此时T To o=0=0，则式（，则式（，则式（，则式（6-196-19）1 1h h=3=3 2 2h h P Pb b00PPw w（6-206-20）5/17/2023岩体力学对比式（对比式（对比式（对比式（6-196-19）与式（）与式（）与式（）与式（6-206-20），可得），可得），可得），可得，P Pb b

23、PPb b00=T=T0 0（6-216-21）在在在在关闭压力关闭压力关闭压力关闭压力P Psoso这一特征点上，孔壁已开裂，即这一特征点上，孔壁已开裂，即这一特征点上，孔壁已开裂，即这一特征点上，孔壁已开裂，即T To o=0=0，所以，所以，所以，所以，此时，此时，此时，此时，P Psoso等于与裂隙面垂直的应力，亦即等于与裂隙面垂直的应力，亦即等于与裂隙面垂直的应力，亦即等于与裂隙面垂直的应力，亦即 2h2h=P=Psoso（6-226-22）由此通过分析：可得出主应力及岩体抗拉强度由此通过分析：可得出主应力及岩体抗拉强度由此通过分析：可得出主应力及岩体抗拉强度由此通过分析：可得出主应

24、力及岩体抗拉强度 值值值值 2h2h=P=PsosoP Pb b PPb b00=T=T0 0（6-236-23）1 1h h=3=3 2 2h h P Pb b+T+T0 0 5/17/2023岩体力学（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力三）根据水压致裂法试验结果计算地应力三）根据水压致裂法试验结果计算地应力三）根据水压致裂法试验结果计算地应力 水水水水压压压压致致致致裂裂裂裂法法法法的的的的主主主主要要要要缺缺缺缺点点点点是是是是地地地地主主主主应应应应力力力力方方方方向向向向难难难难以以以以确确确确定定定定，可可可可由式（由式（由式（由式（6-236-23）分析确定。）分析确定。）分析

25、确定。）分析确定。（1 1）、一一一一般般般般 z z=h h，作作作作为为为为地地地地主主主主应应应应力力力力之之之之一一一一，若若若若 z z1 1，则，则，则，则，2 2h h肯定为最小地主应力。肯定为最小地主应力。肯定为最小地主应力。肯定为最小地主应力。由由由由开开开开裂裂裂裂方方方方向向向向可可可可确确确确定定定定，2 2h h或或或或 1 1h h的的的的方方方方位位位位，则则则则三三三三个个个个地地地地主主主主应力的应力的应力的应力的方位也可以相应地确定。方位也可以相应地确定。方位也可以相应地确定。方位也可以相应地确定。（2 2）若若若若 2 2h h h h，且且且且孔孔孔孔壁

26、壁壁壁开开开开裂裂裂裂后后后后孔孔孔孔内内内内岩岩岩岩体体体体出出出出现现现现水水水水平平平平裂裂裂裂缝缝缝缝，则则则则此此此此时时时时，z z=h h为为为为最最最最小小小小地地地地应应应应力力力力，2 2h h与与与与 1 1h h各各各各为为为为中中中中间间间间地地地地主主主主应应应应力力力力及及及及最最最最大大大大地地地地主主主主应应应应力力力力，垂垂垂垂直直直直开开开开裂裂裂裂方方方方向向向向即即即即为为为为最最最最大大大大地地地地主应力方向。主应力方向。主应力方向。主应力方向。5/17/2023岩体力学（四）水压致裂法的特点（四）水压致裂法的特点5/17/2023岩体力学（三）应力

27、解除法（三）应力解除法基本原理：释放应力，量测变形，弹性求解基本原理：释放应力，量测变形，弹性求解按探测深度可分：按探测深度可分：表面应力解除法，浅孔应力解除及深孔应力解除。表面应力解除法，浅孔应力解除及深孔应力解除。按测试度形式应变的方法不同可分：按测试度形式应变的方法不同可分：孔径变形测试，孔壁应变测试及钻孔应力解除法等。孔径变形测试，孔壁应变测试及钻孔应力解除法等。钻孔应力解除法分：钻孔应力解除法分：岩体孔底应力解除法和岩体钻孔套孔应力解除法。岩体孔底应力解除法和岩体钻孔套孔应力解除法。5/17/2023岩体力学图图图图6-136-13（一）岩体孔底应力解除法（一）岩体孔底应力解除法（一

28、）岩体孔底应力解除法（一）岩体孔底应力解除法图图图图6-136-13适用条件：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。适用条件：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。适用条件：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。适用条件：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。其测量和计算都较复杂。（略）其测量和计算都较复杂。（略）其测量和计算都较复杂。（略）其测量和计算都较复杂。（略）5/17/2023岩体力学（二）岩体钻孔套孔应力解除法二）岩体钻孔套孔应力解除法二）岩体钻孔套孔应力解除法二）岩体钻孔套孔应力解除法 原原原原理理理理：进进进进行行行行岩岩岩岩体体体体中中中中某某某某点点点点应应应应力力力力量量量量测测测测时时

29、时时，先先先先向向向向该该该该点点点点钻钻钻钻进进进进一一一一定定定定深深深深度度度度的的的的超超超超前前前前小小小小孔孔孔孔，在在在在此此此此小小小小钻钻钻钻孔孔孔孔中中中中埋埋埋埋设设设设钻钻钻钻孔孔孔孔传传传传感感感感器器器器，再再再再通通通通过过过过钻钻钻钻取取取取一一一一段段段段同同同同心心心心的的的的管管管管状状状状岩岩岩岩芯芯芯芯而而而而使使使使应应应应力力力力解解解解除除除除，根根根根据据据据恢恢恢恢复复复复应应应应变变变变及及及及岩岩岩岩石石石石的的的的弹弹弹弹性性性性常常常常数数数数，即即即即可可可可求求求求得得得得该该该该点的应力状态。点的应力状态。点的应力状态。点的应力

30、状态。应应应应力力力力解解解解除除除除法法法法所所所所采采采采用用用用的的的的钻钻钻钻孔孔孔孔传传传传感感感感器器器器可可可可分分分分为为为为：位位位位移移移移传感器和应变传感器两类。传感器和应变传感器两类。传感器和应变传感器两类。传感器和应变传感器两类。中中中中科科科科院院院院武武武武汉汉汉汉岩岩岩岩土土土土所所所所研研研研究究究究（制制制制）的的的的36-236-2型型型型钻钻钻钻孔孔孔孔变变变变形形形形计计计计，其其其其变变变变形形形形计计计计的的的的直直直直径径径径为为为为32mm32mm，适适适适应应应应的的的的测测测测量量量量孔孔孔孔直直直直径径径径为为为为36mm36mm。岩岩岩

31、岩土土土土力力力力学学学学（中中中中国国国国水水水水利利利利水水水水电电电电出出出出版版版版社社社社 张张张张振振振振营营营营 编著编著编著编著,6667,6667）5/17/2023岩体力学说说说说明明明明 ：该该该该方方方方法法法法要要要要求求求求在在在在能能能能取取取取得得得得完完完完整整整整岩岩岩岩芯芯芯芯的的的的岩岩岩岩体体体体中中中中进进进进行行行行，一般至少要一般至少要一般至少要一般至少要 能能能能取取取取出出出出达达达达到到到到大大大大孔孔孔孔直直直直径径径径2 2倍倍倍倍长长长长度度度度的的的的岩岩岩岩芯芯芯芯，因因因因此此此此在在在在破碎和弱面多破碎和弱面多破碎和弱面多破碎

32、和弱面多的的的的岩岩岩岩体体体体中中中中，或或或或在在在在极极极极高高高高的的的的原原原原岩岩岩岩应应应应力力力力区区区区岩岩岩岩芯芯芯芯发生发生发生发生“饼状饼状饼状饼状”断裂的情断裂的情断裂的情断裂的情况下不宜使用。况下不宜使用。况下不宜使用。况下不宜使用。该该该该方方方方法法法法要要要要求求求求取取取取出出出出足足足足够够够够长长长长的的的的完完完完整整整整岩岩岩岩芯芯芯芯，一一一一方方方方面面面面是是是是保保保保障障障障直径变化直径变化直径变化直径变化测测测测量量量量的的的的可可可可靠靠靠靠性性性性，确确确确保保保保处处处处于于于于弹弹弹弹怀怀怀怀状状状状态态态态，弹弹弹弹性性性性理理

33、理理论论论论才是适用的；才是适用的；才是适用的；才是适用的；另一方面要用它测定岩石的弹性模量。另一方面要用它测定岩石的弹性模量。另一方面要用它测定岩石的弹性模量。另一方面要用它测定岩石的弹性模量。本方法是本方法是本方法是本方法是量测垂直于钻孔轴向平面内的孔径变形值量测垂直于钻孔轴向平面内的孔径变形值量测垂直于钻孔轴向平面内的孔径变形值量测垂直于钻孔轴向平面内的孔径变形值，所以它与孔底平面应力解除法一样，也需要有三个不同方所以它与孔底平面应力解除法一样，也需要有三个不同方所以它与孔底平面应力解除法一样，也需要有三个不同方所以它与孔底平面应力解除法一样，也需要有三个不同方向的钻孔向的钻孔向的钻孔向

34、的钻孔 进行测定，才能最终得到岩体全应力的六个进行测定，才能最终得到岩体全应力的六个进行测定，才能最终得到岩体全应力的六个进行测定，才能最终得到岩体全应力的六个独立的应力分量。独立的应力分量。独立的应力分量。独立的应力分量。5/17/2023岩体力学为简化，设钻孔方向与为简化，设钻孔方向与为简化，设钻孔方向与为简化，设钻孔方向与 3 3方向一致，且认为方向一致，且认为方向一致，且认为方向一致，且认为 3 3=0=0，则此时，则此时，则此时，则此时通过孔径位移值计算应力的公式为：通过孔径位移值计算应力的公式为：通过孔径位移值计算应力的公式为：通过孔径位移值计算应力的公式为：=d(=d(1 1+2

35、 2)+2()+2(1 1 2 2)(1-)(1-2 2)cos2)cos2 1/E1/E式中：式中：式中：式中：钻孔直径变化值钻孔直径变化值钻孔直径变化值钻孔直径变化值,d d钻孔直径钻孔直径钻孔直径钻孔直径 测量方向与水平轴的夹角测量方向与水平轴的夹角测量方向与水平轴的夹角测量方向与水平轴的夹角E E、岩石弹性模量与泊松比岩石弹性模量与泊松比岩石弹性模量与泊松比岩石弹性模量与泊松比 实实实实际际际际上上上上，轴轴轴轴线线线线方方方方向向向向的的的的应应应应力力力力和和和和变变变变形形形形对对对对原原原原岩岩岩岩应应应应力力力力测测测测量量量量来来来来说说说说是是是是很很很很重重重重要要要要

36、的的的的待待待待定定定定参参参参数数数数;吴吴吴吴振振振振业业业业新新新新近近近近给给给给出出出出了了了了轴轴轴轴向向向向应应应应力力力力应应应应变变变变分分分分量量量量的的的的严严严严密密密密的的的的公式，这里只列出有关孔径变形法测量的公式如下：公式，这里只列出有关孔径变形法测量的公式如下：公式，这里只列出有关孔径变形法测量的公式如下：公式，这里只列出有关孔径变形法测量的公式如下：式中：式中：式中：式中：p px x、p py y、p pxyxy为待确定的与钻孔垂直截面上的原岩应力分量。为待确定的与钻孔垂直截面上的原岩应力分量。为待确定的与钻孔垂直截面上的原岩应力分量。为待确定的与钻孔垂直截

37、面上的原岩应力分量。5/17/2023岩体力学四、应力恢复法四、应力恢复法四、应力恢复法四、应力恢复法目的：直接测定岩体应力大小。目的：直接测定岩体应力大小。目的：直接测定岩体应力大小。目的：直接测定岩体应力大小。用途：仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用用途：仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用用途：仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用用途：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。本方法较为方便。本方法较为方便。本方法较为方便。基本原理：基本原理：基本原理：基本原理：在槽的中垂线在槽的中垂线在槽的中垂线在槽的中垂线OAOA上

38、的应力状态上的应力状态上的应力状态上的应力状态，根据，根据，根据，根据HH，HH穆斯海里什维理论，可穆斯海里什维理论，可穆斯海里什维理论，可穆斯海里什维理论，可把槽看作一条缝，得到：把槽看作一条缝，得到：把槽看作一条缝，得到：把槽看作一条缝，得到：(6-27)(6-27)式中：式中：式中：式中：1x1x,y yOAOA线上某点线上某点线上某点线上某点B B的应的应的应的应力分量力分量力分量力分量5/17/2023岩体力学 BB点离槽中心点离槽中心点离槽中心点离槽中心OO的距离的倒数。的距离的倒数。的距离的倒数。的距离的倒数。当当当当在在在在槽槽槽槽中中中中埋埋埋埋设设设设压压压压力力力力枕枕枕

39、枕，并并并并由由由由压压压压力力力力枕枕枕枕对对对对槽槽槽槽加加加加压压压压，若若若若施施施施加加加加压力为压力为压力为压力为P P，则在，则在，则在，则在OAOA线上线上线上线上B B点产生的应力分量为：点产生的应力分量为：点产生的应力分量为：点产生的应力分量为：2x2x=-2p(-2p(4 4-4-4 2 2-1-1)/()/(2 2+1)+1)3 3 2y2y=-2p(-2p(4 4+1+1)/()/(2 2+1)+1)3 3(6-28)(6-28)当压力枕所施加的力当压力枕所施加的力当压力枕所施加的力当压力枕所施加的力p=p=1 1时，这时时，这时时，这时时，这时B B点的总应力分量为

40、：点的总应力分量为：点的总应力分量为：点的总应力分量为：x x=1x1x+2x2x=2 2 y y=1y1y+2y2y=1 1主要试验过程简述：主要试验过程简述：主要试验过程简述：主要试验过程简述：1515略略略略,5/17/2023岩体力学p0eNGCDKMO0p0e1p1e1P=1F 主要试验过程简述主要试验过程简述主要试验过程简述主要试验过程简述(略略略略)由应力由应力由应力由应力应变曲线求岩体应力应变曲线求岩体应力应变曲线求岩体应力应变曲线求岩体应力1=1e+1p=GF+FOo=op+oe=KMtMNoC1 求出求出5/17/2023岩体力学4岩体初始应力状态分布的主要规律岩体初始应力

41、状态分布的主要规律一、垂直应力随深度的变化一、垂直应力随深度的变化一、垂直应力随深度的变化一、垂直应力随深度的变化 多数：多数：多数：多数：v v/H1H1二、水平应力随深度的变化二、水平应力随深度的变化二、水平应力随深度的变化二、水平应力随深度的变化 水平应力随深度增加呈线性关系增大。水平应力随深度增加呈线性关系增大。水平应力随深度增加呈线性关系增大。水平应力随深度增加呈线性关系增大。三、水平应力与垂直应力的比值三、水平应力与垂直应力的比值三、水平应力与垂直应力的比值三、水平应力与垂直应力的比值K K一般一般一般一般K K11，随深度增加，随深度增加，随深度增加，随深度增加K K=1=1四、

42、两个水平应力之间的关系四、两个水平应力之间的关系四、两个水平应力之间的关系四、两个水平应力之间的关系5/17/2023岩体力学第五节第五节高地应力高地应力地区的主要岩石力学问题地区的主要岩石力学问题一、研究的必要性一、研究的必要性一、研究的必要性一、研究的必要性（一）、岩体（一）、岩体（一）、岩体（一）、岩体地应力地应力地应力地应力是研究岩体力学中不可缺少的一部分。是研究岩体力学中不可缺少的一部分。是研究岩体力学中不可缺少的一部分。是研究岩体力学中不可缺少的一部分。与其它力学学科根本区别：岩体中具有初始应力与其它力学学科根本区别：岩体中具有初始应力与其它力学学科根本区别：岩体中具有初始应力与其

43、它力学学科根本区别：岩体中具有初始应力（二）、岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规（二）、岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规（二）、岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规（二）、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。律都要受到地应力大小的变化而变化。律都要受到地应力大小的变化而变化。律都要受到地应力大小的变化而变化。低应力、低偏压下低应力、低偏压下低应力、低偏压下低应力、低偏压下：岩体脆性明显、各向异性和非连续性也很明显岩体脆性明显、各向异性和非连续性也很明显岩体脆性明显、各向异性和非连续性也很明显岩体脆性明显、各向异性和非连续性

44、也很明显高应力下：高应力下：高应力下：高应力下：岩体塑性明显，各向异性减弱，表现出连续性岩体塑性明显，各向异性减弱，表现出连续性岩体塑性明显，各向异性减弱，表现出连续性岩体塑性明显，各向异性减弱，表现出连续性（三）、中、西部开发，在高地应力地区出现特殊的地压（三）、中、西部开发，在高地应力地区出现特殊的地压（三）、中、西部开发，在高地应力地区出现特殊的地压（三）、中、西部开发，在高地应力地区出现特殊的地压现现象象5/17/2023岩体力学二、高地应力判别准则和高地应力现象二、高地应力判别准则和高地应力现象（一）、高地应力判别准则（一）、高地应力判别准则（1 1）、国际、国内尚无统一标准）、国际

45、、国内尚无统一标准）、国际、国内尚无统一标准）、国际、国内尚无统一标准（2 2）、国内一般岩体工程以初始应力在）、国内一般岩体工程以初始应力在）、国内一般岩体工程以初始应力在）、国内一般岩体工程以初始应力在2030MPa2030MPa为高地应力为高地应力为高地应力为高地应力.(3)(3)、按工程岩体分级标准（、按工程岩体分级标准（、按工程岩体分级标准（、按工程岩体分级标准（GB50218-94GB50218-94）R Rc c/maxmax44，称为极高初始地应力，称为极高初始地应力，称为极高初始地应力，称为极高初始地应力;R Rc c/maxmax=47=47为高地应力为高地应力为高地应力为

46、高地应力.maxmax为垂直洞轴线方向的最大初始地应力为垂直洞轴线方向的最大初始地应力为垂直洞轴线方向的最大初始地应力为垂直洞轴线方向的最大初始地应力,即即即即 1 15/17/2023岩体力学(二二)、高地应力现象高地应力现象1 1、岩芯饼化岩芯饼化岩芯饼化岩芯饼化现象：现象：现象：现象：产生条件：中等强度以下的岩体产生条件：中等强度以下的岩体产生条件：中等强度以下的岩体产生条件：中等强度以下的岩体 力学成因：剪胀破裂力学成因：剪胀破裂力学成因：剪胀破裂力学成因：剪胀破裂2 2、岩爆岩爆岩爆岩爆 岩爆现象是在埋藏深度大和地应力比较高的地下工岩爆现象是在埋藏深度大和地应力比较高的地下工岩爆现象

47、是在埋藏深度大和地应力比较高的地下工岩爆现象是在埋藏深度大和地应力比较高的地下工程开挖过程中经常会遇到的工程地质问题之一程开挖过程中经常会遇到的工程地质问题之一程开挖过程中经常会遇到的工程地质问题之一程开挖过程中经常会遇到的工程地质问题之一。岩爆不是岩质破坏或破损的体现岩爆不是岩质破坏或破损的体现岩爆不是岩质破坏或破损的体现岩爆不是岩质破坏或破损的体现，而是岩体内积聚而是岩体内积聚而是岩体内积聚而是岩体内积聚的弹性应变能的突然释放的弹性应变能的突然释放的弹性应变能的突然释放的弹性应变能的突然释放，是岩体应力超过极限是岩体应力超过极限是岩体应力超过极限是岩体应力超过极限，具有具有具有具有爆裂和弹

48、射岩石的现象。爆裂和弹射岩石的现象。爆裂和弹射岩石的现象。爆裂和弹射岩石的现象。5/17/2023岩体力学表现形式表现形式表现形式表现形式：围岩呈透镜状或片状削落：围岩呈透镜状或片状削落：围岩呈透镜状或片状削落：围岩呈透镜状或片状削落 。发生部位：主应力方向线与隧洞外轮廓相切的部位（因发生部位：主应力方向线与隧洞外轮廓相切的部位（因发生部位：主应力方向线与隧洞外轮廓相切的部位（因发生部位：主应力方向线与隧洞外轮廓相切的部位（因该处应力集该处应力集该处应力集该处应力集 中最大）中最大）中最大）中最大）力学机理：力学机理：力学机理：力学机理：从岩石力学的观点来看，认为岩片是在压应从岩石力学的观点来

49、看，认为岩片是在压应从岩石力学的观点来看，认为岩片是在压应从岩石力学的观点来看，认为岩片是在压应力作用下的张破裂或剪破坏而形成的破碎片。力作用下的张破裂或剪破坏而形成的破碎片。力作用下的张破裂或剪破坏而形成的破碎片。力作用下的张破裂或剪破坏而形成的破碎片。图图图图6-256-256-256-25岩爆发生部位岩爆发生部位岩爆发生部位岩爆发生部位图图图图6-25 6-25 6-25 6-25 二滩引水隧洞岩爆发生部位示意图二滩引水隧洞岩爆发生部位示意图二滩引水隧洞岩爆发生部位示意图二滩引水隧洞岩爆发生部位示意图115/17/2023岩体力学对于岩爆的预测对于岩爆的预测对于岩爆的预测对于岩爆的预测(

50、略略略略)必须结合工程实际进行具体分析，如果没有实测必须结合工程实际进行具体分析，如果没有实测必须结合工程实际进行具体分析，如果没有实测必须结合工程实际进行具体分析，如果没有实测的地应力资料，则可以从以下几方面作出估计，预测的地应力资料，则可以从以下几方面作出估计，预测的地应力资料，则可以从以下几方面作出估计，预测的地应力资料，则可以从以下几方面作出估计，预测可能出现岩爆的部位：可能出现岩爆的部位：可能出现岩爆的部位：可能出现岩爆的部位：(1)(1)地形条件。垂直地应力与地形有关，一般是埋深愈地形条件。垂直地应力与地形有关，一般是埋深愈地形条件。垂直地应力与地形有关，一般是埋深愈地形条件。垂直