岩体的初始应力状态分解课件

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,*,岩体力学,Rock Mass Mechanics,第六章：岩体的初始应力状态,Initial stress state of Rock Mass,本章内容,6.1 几个基本概念,6.2,岩体初始应力场及其影响因素,6.3 岩体初始应力场的分布规律,6.4 岩体初始应力的量测方法,6.5,高地应力地区主要岩体力学问题,本章内容及基本要求,1、岩体初始应力场的构成；,2、重力应力场和构造应力场的特点；,3、原岩应力场的分布状态；,4、应力解除法的基本原理。,重点难点：,1、掌握本课程重点难点内容；,2、了解原岩应力分布状态；,3、了解影响原岩应力分布的因素；,4、熟悉几种应力解除法（孔底应力解除法、孔壁应变法、孔径变形法）测试原岩应力的方法和测试步骤。,基本要求：,本章内容及基本要求,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。,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,。,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。,6.1 几个基本概念,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,迄今为止，,对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。,6.1 几个基本概念,在均匀岩体中，岩体的,垂直应力,z,等于上浮岩体的重量：,6.2 岩体初始应力场及其影响因素,6.2.1,岩体自重应力场,若认为,岩体为均质、连续且各向同性体,，各岩体单元横向变形为,0,，即,x,=,y,=0,，则由广义胡克定律：,其中,为侧压力系数,，,岩体,（,0.2,0.3,），则（,0.25,0.43,）；,另外，,解上式得,水平应力,x,、,y,为,：,6.2 岩体初始应力场及其影响因素,6.2.1,岩体自重应力场,岩体自重应力,随着深度呈线性增加,，浅部处于,弹性状态,；超,某一临界深度,（砂岩500m、花岗岩2500m），岩体处于,潜塑状态或塑性状态,（开挖前为弹性，开挖后呈塑性），此时，其,近于0.5，则近于1.0，岩体所受垂直与水平应力相等，即,静水压力状态,，该现象瑞士地质学家海姆（A.Heim）1987年在研究阿尔卑斯山深大隧道时发现，称为,海姆假说,。,6.2 岩体初始应力场及其影响因素,6.2.1,岩体自重应力场,构造应力：,由地质构造作用产生的应力称为构造应力；地质构造水平包括,水平运动,（造山运动）与,垂直运动,（造陆运动），,水平运动,如板块移动、碰撞，对岩体构造应力的形成,起控制作用,，即,构造应力以水平应力为主,。,目前，构造应力,尚无法用数学力学的方法,分析计算，只能采用,现场应力量测方法,求得，但,构造应力的方向,可根据,地质力学的方法,加以判断。,例如，对于断层、褶曲等一般认为自重应力是主应力之一，另一主应力与断裂构造系正交。,6.2 岩体初始应力场及其影响因素,6.2.2,构造应力场,正断层：,1,自重应力，,3,与断层走向正交,逆断层：,3,自重应力，,1,与断层走向正交,平移断层：,2,自重应力，,1,与断层走向成3045夹角，且,1,与,2,均为水平方向，,岩脉、褶曲,均可推断构造应力方向，见图6-3。,6.2 岩体初始应力场及其影响因素,6.2.2,构造应力场,正断层:,上盘下降，下盘相对上升，多为张力和重力作用,；逆断层：,上盘上升，下盘相对下降，多为水平挤压作用。,平移断层：,应力是来自两旁的剪切力作用，其两盘顺断层面走向相对位移，而无上下垂直移动。,除,地质构造,和,自重应力,外，,地形,、,地质构造形态,、,岩体力学性质,、,水,、,温度,等。,（一）地形,故，,山峰处初始应力低，沟谷处初始应力高,6.2 岩体初始应力场及其影响因素,6.2.3,影响岩体初始应力状态的因素,（二）地质构造形态,背斜褶曲,，两翼自重应力大，中部低承载拱受力特点；向斜褶曲，相反。,断层,，楔体A产生卸荷作用，自重应力降低；而楔体B产生加荷作用，自重应力升高。,6.2 岩体初始应力场及其影响因素,6.2.3,影响岩体初始应力状态的因素,（三）岩体力学性质,坚硬完整,（,积聚大量应变能,）岩体，初始地应力高；,软弱破碎,岩体，初始地应力低；,耶格提出初始地应力与岩体抗压强度成正比；E大于50GPa，,1,一般1030MPa，E小于10GPa，,1,一般小于10MPa。,（四）水,岩体裂隙或孔隙中的水，静止时,静水压力,（地下水位的,升降,引起初始地应力的,减增,），流动时,动水压力,（给予周围岩体动水摩擦力和动水流向应力，增加初始应力）。,6.2 岩体初始应力场及其影响因素,6.2.3,影响岩体初始应力状态的因素,（五）温度,岩浆侵入或者随着深度的增加，温度升高，使岩体膨胀，产生,热应力,，增加初始应力；,若地温梯度,=3C/100m，岩体热膨胀系数约为10,-5,，一般岩体弹性模量E=10GPa，则地温引起的温度应力,T,约为：,T,=,E Z=0.0310,-5,10,4,Z=0.003 Z MPa,Z为研究点处的深度，m。,岩体的温度是压缩应力（,热涨、岩体限制、受压,），,随深度增加而增加,。温度应力约为自重应力的1/9左右，且呈静水压力状态。,6.2 岩体初始应力场及其影响因素,6.2.3,影响岩体初始应力状态的因素,目前，原岩应力实测深度达3000,m。,在这一深度内,，原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：,绝大多数地区为以,水平应力为主的三向不等压且,非稳定（大小与方向随空间与时间变化而变化）,应力场,；,在某些地震带，方向与大小随时间变化而变化非常明显，地震前应力大小积累增大，地震中集中应力释放而大幅降低，而方向地震时明显改变，地震后慢慢调整后恢复地震前状态。,6.3 岩体初始应力场的分布规律,岩体初始应力场是时间与空间的函数,全世界实测,V,统计资料分析表明，深度,252700m,，,V,线性增加，大致为,=27kN/m,3,计算的自重应力，部分地区存在偏差（测量误差、板块移动、岩浆侵入、扩容、不均匀膨胀等）。,霍克（,E.Hoek,）与布朗（）,6.3 岩体初始应力场的分布规律,6.3.2,实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量,实测表明，大多地区,两个主应力方向水平或接近水平,，其与水平面夹角一般不大于,30,。最大水平主应力,h,max,普遍大于垂直应力,v,，其比值一般为,0.55.5,，大多数情况，比值大于,2,。,h,max,与,h,min,的算术平均值,h,av,与,v,的比值一般为,0.55.0,，大多数为,0.81.5,。这说明,在地壳浅部岩体平均水平应力普遍大于垂直应力,。,垂直应力大多时为最小主应力；少数时为中间主应力；个别时为最大主应力。,这是由于构造应力主要以水平应力为主,。,6.3 岩体初始应力场的分布规律,水平应力普遍大于垂直应力,表,6-1,为世界部分国家水平应力与垂直应力比值统计。,6.3 岩体初始应力场的分布规律,6.3.3,水平应力普遍大于垂直应力,图,6-8,为世界部分国家取得的实测结果。,6.3 岩体初始应力场的分布规律,平均水平应力与垂直应力的比值 随深度增加而减小,图,6-8,表明，深度不大的情况下，,h,av,/,v,的值相当分散。随着深度增加，该值的变化范围逐步缩小，并趋近于l，这说明,在地壳深部有可能出现静水压力状态,。,霍克和布朗根据图6-8所示结果回归出以下公式：,式中，H为深度，m。,6.3 岩体初始应力场的分布规律,平均水平应力与垂直应力的比值 随深度增加而减小,通过研究南部非洲、美国、日本、冰岛及加拿大等地区的初始应力量测结果，得到,地壳内水平应力随深度增加呈线性关系增大是普遍规律,。,斯蒂芬森（,O.Stephansson,）等人根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平主应力和最小水平主应力随深度,H,（,m,）变化的线性方程：,6.3 岩体初始应力场的分布规律,水平主应力随深度呈线性增加,一般，最小水平主应力与最大水平主应力的比值相差较大，显示出很强的方向性，其比值通常为0.20.8，多数情况为0.40.8，见表6-2。,6.3 岩体初始应力场的分布规律,6.3.6,两个水平主应力一般相差较大,量测目的：,了解岩体中应力的大小与方向，为岩体工程受力状态及岩体支护与加固提供依据，也可预报岩体失稳和岩爆发生；分为,初始地应力,和,地下工程应力分布量测,。,量测方法：,一种是硐室表面测量，再把开挖扰动考虑进入（不准确，甚至完全错误；二是硐室表面打小孔进入原岩应力区后小孔内进行测量，,应力解除法,与,水压致裂法,）。,具体的方法：,据量测原理的不同有应力恢复法、,应力解除法,、,应变恢复法,、应变解除法、,水压致裂法,、,声发射法,、X射线法、重力法共八类。,6.4 岩体初始应力的量测方法,6.4.1,概述,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。,水压致裂装置,封隔器,钻孔,高压水,6.4 岩体初始应力的量测方法,6.4.2,水压致裂法,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。,3、适用条件：完整性好的脆性岩体。,6.4 岩体初始应力的量测方法,6.4.2,水压致裂法,4、测试步骤,（1）,打钻孔并用封隔器密封待加压段,，钻孔直径与封隔器直径一致，封隔器直径有38mm，5lmm，76mm，9lmm，110mm，130mm等。封隔器是两个膨胀橡胶塞，可用液体，也可用气体进行充压。橡胶塞之间的封堵段长度为0.51.0m。,（2）向隔离段注射高压水，不断加大水压，至孔壁出现开裂，,获得初始开裂压力p,i,。,（3）停止增压，关闭高压泵，压力迅速下降，裂隙停止扩展，并趋于闭合，当压力降到使裂隙处于临界闭合状态时的平衡压力，此时应力称为,关闭压力，记为p,s,；最后卸压，使裂隙完全闭合。,6.4 岩体初始应力的量测方法,6.4.2,水压致裂法,（4）重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记下,裂隙重开时的压力p,r,和随后的,恒定关闭压力户p,s,。这种卸压-重新加压的过程重复2-3次，以提高测试数据的准确性。上述步骤(2)、(3)记录了压力时间关系和流量时间关系，见图6-10。,初始开裂压力p,i,关闭压力p,s,裂隙重开时的压力p,r,孔隙水压力p,0,6.4 岩体初始应力的量测方法,6.4.2,水压致裂法,（5）将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。,（6）,测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小,，测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或,印模器,。前三种方法代价昂贵，操作复杂，而印模器则比较简便、实用。其结构及形状与封隔器相似，其外面包裹一层可塑性橡皮或类似材料，将其连同加压管路一起送入水压致裂部位，然后将印模加压膨胀，使钻孔上的所有节理裂隙均印在印模器上。印模器装有定向系统，以确定裂隙的方位，一般情况下，,水压致裂裂隙为一组径向相对的纵向裂隙,，很容易辨认出来。,6.4 岩体初始应力的量测方法,6.4.2,水压致裂法,5、水压致裂法测定系统,6.4