岩体力学——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,*,尚辅网,*,第,6,章 岩体中的天然应力,6,.1,概 述,6,.2,岩体天然应力的分布特征,6,.3,岩体天然应力的确定,11/24/2024,1,尚辅网,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,11/24/2024,2,尚辅网,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,（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,11/24/2024,3,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-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。,11/24/2024,4,尚辅网,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，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,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）。,11/24/2024,5,尚辅网,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,11/24/2024,6,尚辅网,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,11/24/2024,7,尚辅网,以东经,100,105,o,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,。,11/24/2024,8,尚辅网,上覆岩体自重,V,多,为压应力,V,多为最小主应力,，少数为中间主应力与最大主应力,二、,铅直应力（,V,）,11/24/2024,9,尚辅网,三、水平应力（,h,）,岩体中天然应力常以水平应力为主，即,h,v,，,特别是,hmax,v,据统计资料：,h,/,v,0.8-3.0,，,说明,：水平天然应力主要受,构造应力,场控制；,水平应力具有强烈的,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；,水平天然应力,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。,11/24/2024,10,尚辅网,四、天然应力比值系数,与深度,z,的关系,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。,11/24/2024,11,尚辅网,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：,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,;,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。,11/24/2024,12,尚辅网,六、高天然应力,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。,11/24/2024,13,尚辅网,七、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,+,+,+,+,+,+,+,+,11/24/2024,14,尚辅网,2.,地表剥蚀,原地面,现地面,剥蚀,11/24/2024,15,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。,11/24/2024,16,尚辅网,3.,结构面,4.,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,产生渗流应力,6.,地温,产生温度应力,11/24/2024,17,尚辅网,6,.3,岩体天然应力确定,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,11/24/2024,18,尚辅网,z,A,一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力,地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面以上,1,、均质各向同性岩体,11/24/2024,19,尚辅网,A,2,、水平层状岩体,11/24/2024,20,尚辅网,A,3,、垂直层状岩体,11/24/2024,21,尚辅网,二、天然应力量测,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,11/24/2024,22,尚辅网,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,11/24/2024,23,尚辅网,t,p,c1,p,S,p,c2,p,0,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“,”,A,11/24/2024,24,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：,11/24/2024,25,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,：据岩体破裂方向确定,11/24/2024,26,尚辅网,千斤顶,油泵,千斤顶压力,p,c,测点分离值,d,0,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,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）,11/24/2024,27,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：,11/24/2024,28,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,同心套钻,放,应变计,应力解除,应力计算,位移恢复,11/24/2024,29,尚辅网,设天然应力为水平应力场,45,45,计算公式：,应变计互成,45,，据上式有,11/24/2024,30,尚辅网,用消元法解三元一次方程，得,：,应变计互为,60,时,，,可按下列公式计算,60,60,11/24/2024,31,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,E,m,；,按前述公式求解：天然应力,hmax,，,hmin,，,而,v,=,gz,测量步骤：,11/24/2024,32,尚辅网,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。,11/24/2024,33,尚辅网,