岩石力学课件岩体初始应力

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 六 章,岩 体 初 始 应 力,1,6,-1,基本概念,原岩：,未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡状态的岩体，称为原岩。,原岩应力：,原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，又称为初始应力或地应力。,围岩：,受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，称为围岩。,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，称为,围岩应力，也称次生应力或二次应力：,岩体开挖扰动,了原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的应力称为次生应力或二次应力。,2,6,-1,基本概念,自重应力：,地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。它是由岩体自重引起的。,构造应力：,由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。,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。即未经采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。,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,3,6,-2,岩体的自重应力,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：,4,6,-2,岩体的自重应力,5,6,-2,岩体的自重应力,在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，,=0.200.30,，在深部，岩体转入塑性状态，,=0.50,，,1,，则有：,x,=,y,=,z,各向等压的应力状态，又称为静水压力状态。,6,6,-2,岩体的自重应力,二、各向异性岩体中的基本公式,对于各向异性岩体，例如薄层状沉积岩：,当岩层水平时,则有 ：,7,6,-2,岩体的自重应力,对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：,当岩层垂直时,联立求解上式得：,8,6,-2,岩体的自重应力,三、岩体自重应力的特点,（,1,）水平应力,x,、,y,小于垂直应力,z,；,（,2,）,x,、,y,、,z,均为压应力；,（,3,）,z,只与岩体密度和深度有关，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。,9,6,-3,岩体构造应力,一、构造应力场的概念,构造应力：,由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳内长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。,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：,是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。,10,6,-3,岩体构造应力,二、构造运动的起因,地质学家分析地球表层（包括地壳和地幔）结构及其运动规律和发展，提出了各种大地构造学说，最具代表的是地质力学学说和板块构造学说。,1,、地质力学学说,该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,经向水平离心力,；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,该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。 源于,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。,11,非洲,12,6,-3,岩体构造应力,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,13,6,-3,岩体构造应力,三、构造应力场分析,（一）构造形迹的形成机理,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。,14,6,-3,岩体构造应力,三、构造应力场分析,（一）构造形迹的形成机理,2,、断层和节理的形成机理,由地质特征推断构造应力方向,详图见下页,15,16,6,-3,岩体构造应力,（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。,例如：米字型构造体系。,S1,S2,扭性断层 张性断层,（详图见下页）,17,18,6,-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。,19,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,1,、孔底应力解除法,孔底应力解除法测定岩体应力的步骤：,（,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。,20,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,1,、孔底应力解除法,应变花种类：等角应变花、直角应变花,21,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,1,、孔底应力解除法,对于等角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：,22,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,1,、孔底应力解除法,对于直角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：,23,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,1,、孔底应力解除法,孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算：,对于深孔，按平面应变问题处理：,式中：,x,，,y,，,z,为孔底的原岩应力，,C,T,，,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：,C,T,1.25,，,C,l,0.75,（,0.645,）,24,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,1,、孔底应力解除法,孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算：,对于,浅孔，按平面应力问题处理：,采用孔底应力解除时，单孔不能确定岩体应力的六个分量，必须进行三孔测定，才能确定岩体,的原岩应力。,25,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,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，其应力解除工序为：,（,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,）延伸大钻孔解除应力，同时测量孔径变形。,（,4,）取出岩心，测其弹性参数,E,、,。,（,5,）计算岩体应力。,26,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,2,、孔径变形法,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,，测得的孔径变形分别为,U,1,、,U,2,、,U,3,孔壁径向位移为其,1/2,。,27,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,2,、孔径变形法,当,1,、,2,、,3,的间隔为,60,0,时，按下式计算岩体应力：,28,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,2,、孔径变形法,当,1,、,2,、,3,的间隔为,60,0,时，按下式计算岩体应力：,如果（,d,）式成立，则,1,为,1,与,U,1,的夹角，否则为,2,与,U,1,的夹角。上式中的,K,，对于浅孔，可作平面应力问题处理，,K=d/E ;,对于深孔，可作平面应变问题处理，,K=,（,1,2,)d/E,。其中,d,为钻孔直径，,为岩石的泊松比。,29,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,2,、孔径变形法,当,1,、,2,、,3,的间隔为,45,0,时，按下式计算岩体应力：,30,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,2,、孔径变形法,当,1,、,2,、,3,的间隔为,45,0,时，按下式计算岩体应力：,如果（,d,）式成立，则,1,为,1,与,U,1,的夹角，否则为,2,与,U,1,的夹角。 上式中的,K,，对于浅孔，可作平面应力问题处理，,K=d/E ;,对于深孔，可作平面应变问题处理，,K=,（,1,2,)d/E,。其中,d,为钻孔直径，,为岩石的泊松比。,31,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,2,、孔径变形法,按上式计算得出的,1,，,2,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同方向的钻孔，进行同样测定，然后再按最小二乘法求解。,32,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,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，其应力解除,工序与孔径变形法相似：,（,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，超过小孔,5cm,同时,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。,33,6,-4,岩体初始应力场测定,一、应力解除法,（二） 应力解除方法,3,、 孔壁应变法,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。,34,6,-4,岩体初始应力场测定,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。,2,、基本假设,（,1,）一个主应力方向是垂直的，其大小等于上覆岩层的自重应力。而另外两个主应力是水平的，且破裂方向垂直于最小主应力方向。,（,2,）岩体是均质、各向同性的线弹性体。,35,6,-4,岩体初始应力场测定,二、水压致裂法,3,、水压致裂法测定系统,36,6,-4,岩体初始应力场测定,二、水压致裂法,4,、水压致裂试验成果,37,6,-4,岩体初始应力场测定,二、水压致裂法,4,、水压致裂试验成果,38,6,-4,岩体初始应力场测定,二、水压致裂法,4,、水压致裂试验成果,（,1,）试验曲线只有一个关闭压力,p,s,破裂始终是沿孔轴方向。,A,、 岩石抗拉强度：,B,、 最大水平应力：,C,、 最小水平应力：,D,、 垂直应力按岩体自重计算：,39,6,-4,岩体初始应力场测定,二、水压致裂法,4,、水压致裂试验成果,（,2,）试验曲线有两个关闭压力,p,s1,和,p,s2,裂隙开始沿孔轴产生，随后转为水平方向。,A,、 最小水平应力：,B,、 垂直应力：,C,、 最大水平应力：,40,6,-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;,41,6,-5,岩体初始应力（原岩应力）分布状态,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,、两个水平应力的关系一般有,42,6,-5,岩体初始应力（原岩应力）分布状态,三、原岩应力三个主应力,Hmax,，,Hmin,，,v,均随深度,增加而增大,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,25,2700m,深度内，,v,随深度线性增加，大致相当于按平均重度,=27kN/m,3,计算出来的重力,H,即,Hmax,6.7,0.0444H(MPa),Hmin,0.8,0.0329H(MPa),v,27H,。,43,三峡坝址区：深,129.7m,处实测地应力结果,而自重应力仅有,2.6MPa,44,6,-5,岩体初始应力（原岩应力）分布状态,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。,45,