岩体中的天然应力

,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 岩体天然应力,6,.1,概 述,6,.2,岩体天然应力的分布规律,6,.3,岩体天然应力测量,6,.4,岩体中天然应力的估算（自学）,6,.4,岩体中天然应力场的回归分析（自学）,6.4,高地应力的若干特征,1,6,.1,概 述,一、定义,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.,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,+,+,+,天然应力,相对于第,2,洞室的天然应力,第六章 岩体中的天然应力,2,二、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）,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,拉张区,挤压区,第六章 岩体中的天然应力,3,三、天然应力的研究历史与研究意义,1.,研究历史,世界上,:,1878,年，海姆提出天然应力,1932,年，美胡佛水坝下隧道中，首次成功测定了岩体中的天然应力,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：,50,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）。,第六章 岩体中的天然应力,4,2.,研究意义,1,）区域稳定,2,）地下洞室稳定,3,）边坡稳定,4,）地基岩体稳定,第六章 岩体中的天然应力,5,以东经,100,105,o,为界分东西两区。,强度上：西强东弱（西高东低）,方向上：西：,NNE-SSW,为主，东：近,E-W,。,一、 分区性,（以中国为例）,6,.2,岩体天然应力的分布特征,第六章 岩体中的天然应力,6,第六章 岩体中的天然应力,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-SSE,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。,7,上覆岩体自重,多,为压应力,多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力,第六章 岩体中的天然应力,二、,铅直应力 （,V,）,8,三、 水平应力（,h,）,常以水平应力为主，即,h, ,v,，,hmax, ,v,。,h,/,v,0.8-3.0,，即岩体主要受地区现代构造应力场的控制；,h,具各向异性，即,h1, ,h2,，我国华北,hmin,/ ,hmax,0.2-0.8,，,华南,hmin,/ ,hmax,0.3-0.75,。原 因,a.,岩体各向异性,;b.,构造运动的方向性,;,h,以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且多见一向压，一向拉。在地表卸荷带影响区，可能出现水平应力为拉应力。,第六章 岩体中的天然应力,9,四、天然应力比值系数,与深度,z,的关系,天然应力比值系数,(,),：,h,/,v,，随深度增加而减小。,第六章 岩体中的天然应力,10,五、主应力平面与水平面的关系,据主应力平面与水平面的关系，天然应力状态划分为：,水平应力场,一个应力轴近水平，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,;,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。,第六章 岩体中的天然应力,11,六、高天然应力,标志,开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；,(,在高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩发生突发性变形破坏的现象。,),收敛变形大，使开挖断面变小；,软弱夹层内物质被挤出，节理闭合；,饼状岩心；,水下开挖无水渗出。,第六章 岩体中的天然应力,12,六、影响天然应力的因素,1.,地形起伏,a.,水平应力向负地形集中，向正地形释放,b.,在斜坡附近，应力方向发生偏转,+,+,+,+,+,+ + + +,+ + + +,+ + + +,第六章 岩体中的天然应力,13,2.,地表剥蚀,原地面,现地面,剥蚀,第六章 岩体中的天然应力,14,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,。,第六章 体中的天然应力,15,3.,结构面,第六章 岩体中的天然应力,4.,岩体性质,硬岩常可积累较高的应力，而软岩则相反,5.,地下水,产生渗流应力,6.,地温,产生温度应力,16,6,.3,岩体天然应力的确定,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,GPS,测量,天然应力确定,方法,第六章 岩体中的天然应力,17,二、天然应力的量测,天然应力的量测方法,水压致裂法,应力恢复法（扁千斤顶法）,套芯应力解除法,光弹法,声发射法,X,射线法,第六章 岩体中的天然应力,18,2024/9/21,19,A,1,、水压致裂法,t,p,c1,p,S,p,c2,p,0,水压力随时间的变化曲线,第六章 岩体中的天然应力,19,t,p,c1,p,S,p,c2,p,0,假设：,天然应力,钻孔假设在均质、各向同性、连续线弹性岩体中 一小圆孔。作用应力 ，据弹性理论中柯西解，未加水压力时，,A,A,两点应力： ，水压力下，钻壁产生拉破裂的条件,:,取“,”,A,第六章 岩体中的天然应力,20,维持破裂展开，又不继续发展的条件：,联立上两式有,而：,因此，可得测点,的天然应力为,第六章 岩体中的天然应力,21,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,：据岩体破裂方向确定,第六章 岩体中的天然应力,22,千斤顶,油泵,时间,千斤顶压力,p,c,测点分离值,d,0,d,步骤：,在岩壁上选测点，固定,A,、,B,两点，,d15cm,；,刻槽 应力释放、变形,d,0,d;,安装扁千斤顶,;,加压 应力恢复,d,d,0,，,到,d=d,0,时的千斤顶压力即为 ；,2,、应力恢复法（扁千斤顶法,）,第六章 岩体中的天然应力,23,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,:,第六章 岩体中的天然应力,24,3,、钻孔套芯应力解除法,基本原理,+,+,+,仪器,套芯解除,钻孔,同心套钻,放,应变计,应力解除,应力计算,位移恢复,第六章 岩体中的天然应力,25,设天然应力为水平应力场,45,45,计算公式：,应变计互成,45,，得,第六章 岩体中的天然应力,26,第六章 岩体中的天然应力,27,用消元法解方程，得,：,60,60,第六章 岩体中的天然应力,28,应变计互为,60,时,，可按下列公式计算,第六章 岩体中的天然应力,29,选点、钻孔：,130cm,，深度一般,30m ;,在孔底打一测量孔：,36cm,，深度一般,50cm,，并洗干净；,测量步骤：,第六章 岩体中的天然应力,30,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,折断岩心，在室内求取岩石的,E,m,;,按前述公式求解：天然应力,hmax,，,hmin,测量步骤：,第六章 岩体中的天然应力,31,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（,30,米以内,天然应力 ，深度大了，套钻技术难度大、精度低。,第六章 岩体中的天然应力,32,