岩体力学——天然应力课件

第第6章章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力6.1 概概 述述6.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征6.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定6/14/20241尚辅网6.1 概概 述述一、定义一、定义1.天然应力天然应力(地应力、初始应力等）人类工程地应力、初始应力等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。活动之前存在于岩体中的应力。2.重分布应力重分布应力（二次分布应力、附加应力等）（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。由于工程活动改变了的岩体中的应力。重分布应力+天然应力 相对于第2洞室的天然应力6/14/20242尚辅网二、天然应力组成及起源二、天然应力组成及起源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2.起源起源（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6/14/20243尚辅网西南：印度板块向NNE挤压（5mm/a）东：太平洋板块向W俯冲（1cm/a）南：菲律宾板块向N俯冲北：西伯利亚板块阻挡 1迹线：N-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。6/14/20244尚辅网三、天然应力的研究历史与研究意义三、天然应力的研究历史与研究意义1.研究历史 世界上：l1878年海姆提出天然应力l1932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5108米（美国密执安水压致裂法）。中国：l50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米（天津大港）。6/14/20245尚辅网2.研究意义 1）区域稳定）区域稳定 2）地下洞室稳定）地下洞室稳定 3）边坡稳定）边坡稳定 4）地基岩体稳定）地基岩体稳定6/14/20246尚辅网以东经100105o为界分东西两区。q强度上：西强东弱（西高东低）q方向上：西：NNE-SSW为主，东：近E-W。一、一、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特征岩体天然应力的分布特征6/14/20247尚辅网以东经100105o为界分东西两区。强度上：西强东弱方向上：西：NNE-SSW为主，东：近E-W。6/14/20248尚辅网l上覆岩体自重上覆岩体自重l V多多为压应力为压应力l V多为最小主应多为最小主应力力，少数为中间主应力与最大主应力二、二、铅直应力铅直应力（V）6/14/20249尚辅网三、三、水平应力（水平应力（h）l岩体中天然应力常以水平应力为主，即 h v，特别是特别是 hmax v,据统计资料：h/v 0.8-3.0，说明说明：水平天然应力主要受构造应力构造应力场控制；l水平应力具有强烈的各向异性各向异性，即h1 h2，我国华北hmin/hmax0.2-0.8，华南hmin/hmax0.3-0.75。原原 因因:a.岩体各向异性；岩体各向异性；b.构造运动的方向性；构造运动的方向性；l水平天然应力以压应力以压应力为主，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。6/14/202410尚辅网四、天然应力比值系数四、天然应力比值系数 与深度与深度z 的关系的关系定义定义：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。6/14/202411尚辅网五、主应力与水平面的关系五、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45左右，另一轴与水平面夹045 左右，分布于板块边缘。6/14/202412尚辅网六、高天然应力六、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。6/14/202413尚辅网七、影响天然应力的因素七、影响天然应力的因素1.地形起伏la.水平应力向负地形集中，向正地形释放lb.在斜坡附近，应力方向发生偏转+6/14/202414尚辅网2.地表剥蚀地表剥蚀原地面原地面现地面现地面剥蚀6/14/202415尚辅网该式说明：剥蚀后，岩体中一点 增大了，当Z大到一定值时，必有1的情况出现。6/14/202416尚辅网3.结构面结构面4.岩体性质岩体性质 硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反5.地下水地下水 产生渗流应力6.地温地温 产生温度应力6/14/202417尚辅网6.3 岩体天然应力确定岩体天然应力确定自重应力理论自重应力理论地震震源机制解地震震源机制解地变形量测地变形量测天然应力测量天然应力测量大地水准测量大地水准测量三角网测量三角网测量GPS测量测量天然天然应力应力确定确定方法方法6/14/202418尚辅网zA一、根据自重应力理论确定岩体中的天一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力然应力地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面以上1 1、均质各向同性岩体、均质各向同性岩体6/14/202419尚辅网A2 2、水平层状岩体、水平层状岩体6/14/202420尚辅网A3、垂直层状岩体6/14/202421尚辅网二、天然应力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6/14/202422尚辅网A1、水压致裂法tpc1pS pc2p0水压力随时间的变化曲线6/14/202423尚辅网tpc1pS pc2p0假设：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，AA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“”A6/14/202424尚辅网维持破裂展开，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：6/14/202425尚辅网破裂平行于 ，垂直于 ，破裂方向由压痕，井下电视确定。优点：测深大，z可达数百米，目前最深达5108米；施工技术简单，不需要应力计等仪器方向方向：据岩体破裂方向确定：据岩体破裂方向确定6/14/202426尚辅网千斤顶油泵千斤顶压力 pc测点分离值 d0 d步骤：在岩壁上选择测点，固定A、B两点。d15厘米；刻槽 应力释放、变形 d0 d；安装扁千斤顶；加压 应力恢复 d d0，到d=d0时的千斤顶压力即为 ；2、应力恢复法（扁千斤顶法）6/14/202427尚辅网重复 测量另一个方向的 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和底板应力W 时，则有：6/14/202428尚辅网3、钻孔套芯应力解除法基本原理+仪器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6/14/202429尚辅网设天然应力为水平应力场设天然应力为水平应力场4545计算公式：计算公式：应变计互成45，据上式有6/14/202430尚辅网用消元法解三元一次方程，得用消元法解三元一次方程，得：应变计互为应变计互为60时时，可按下列公式计算可按下列公式计算60606/14/202431尚辅网选点、钻孔：130cm，深度一般小于30m；在 孔 底 打 一 测 量 孔：36cm，深度一般50cm，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Em；按前述公式求解：天然应力hmax，hmin，而v=gz测量步骤：测量步骤：6/14/202432尚辅网优点优点：能较准确地量测出岩体中的天然应力：能较准确地量测出岩体中的天然应力 缺点缺点：只能量测浅部（：只能量测浅部（30米以内米以内天然应力天然应力，深度大了，套钻技术难度大、精度低。深度大了，套钻技术难度大、精度低。6/14/202433尚辅网