岩石力学课程 Chapter5

第五章 岩体天然应力与洞室围岩的应力分布 Chapter 5 Earth stress and stress distribution of Tunnel Surrounding Rock,学习内容 垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说，岩体天然应力与地下、地面工程的关系和影响，应力解除法、恢复法、破裂法。,学习对象岩石应力场、垂直应力、水平地应力、海姆假说以及岩体应力测量。,学习目的 理解和掌握有关概念，特别是掌握应力解除法、恢复法、破裂法。掌握垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说等。,学习提示 Learning Hints,5.1 概述,5.1.1 概念,天然应力,指在天然状态下,岩体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力（构成：自重应力+构造应力+）。,由于人类活动（工程开挖，修建建筑物）影响一定范围的天然应力，这种岩体被挠动后的应力称为“重分布应力”或“二次应力” 地下洞室二次应力天然应力+开挖附加应力。,二次应力,5.1 概述,5.1.1 概念,5.1 概述,5.1.1 概念,5.1.1 概念,天然应力的表示,5.1 概述,5.1 概述,5.1.2 形成因素,影响岩体天然应力大小和分布规律的因素很多，主要有岩体自重（自重应力）、地质构造运动（构造应力）等；此外，成岩过程中的物理化学变化、地形地貌、地温梯度岩体特性的等均对岩体天然应力有不同程度的影响。,5.1 概述,5.1.3 研究岩体天然应力的意义,2. 坝基：二次应力场地应力+开挖效应+建筑物附加应力场,边坡开挖：坡面回弹变形坡体二次应力地应力+开挖效应释放荷载稳定性评价：刚体质量消失 基于应力的强度分析,3. 地下洞室：地应力，围岩稳定分析（围岩的变形、稳定）的基本荷载（力源）.二次应力初始地应力+开挖效应附加应力场,5.1 概述,5.1.3 研究岩体天然应力的意义,地应力与地下洞室的关系,纵轴线与1近于平行（二滩尾水洞崩塌；甘肃金川隧洞）,水平应力与垂直应力比值与体形关系 z h：高度大跨度小(自重应力为主)，近似椭圆形； hz ：高度小跨度大(构造应力为主)，近似椭圆形；,5.1 概述,5.1.3 研究岩体天然应力的意义,地应力对工程的影响,我国二滩（玄武岩），美国大古星（花岗岩）坝基开挖像剥洋葱头一样，剥了一层又一层。处理方法：迅速浇注砼，高压固结灌浆,岩爆：在高地应力区洞室开挖弹性能释放 大的岩块坠落，小岩块弹射（太平驿水电站）,5.2 岩体中的地应力分布,5.2.1 自重应力与海姆假说,分析世界主要地区大量的地应力实测资料表明，在深度为252700m深度范围内，垂直地应力v基本等于上覆岩层重量即v=H。,岩体中水平应力的分布和变化规律，是一个比较复杂的问题，根据已有的实测资料来看，岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响。,5.2.1 自重应力与海姆假说,对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层，它们的应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力状态。在深度z处：,5.2 岩体中的地应力分布,铅直应力：,水平应力：,自重应力,静止侧压力系数,当K01(即=0.5)，出现水平向应力与垂直向应力相等，此为所谓的静水压力的情况。,5.2.1 自重应力与海姆假说,5.2 岩体中的地应力分布,海姆假说,海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。,5.2 岩体中的地应力分布,5.2.1 地应力分布规律,三向不等压的空间地应力场，其大小和方向随时间和空间变化;,垂直与水平应力的关系,垂直应力z，主要受上覆岩体自重形成。,水平应力x,5.2.1 地应力分布规律,水平应力x,岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响。,5.2 岩体中的地应力分布,水平岩层,5.2.1 地应力分布规律,水平应力x,岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响。,5.2 岩体中的地应力分布,河谷（4个分区：应力松弛区，过渡区，平稳区，集中区）,岸坡：1/坡岸， 3岸坡 谷底：1水平，1= h z （应力集中）,5.2.1 地应力分布规律,5.2 岩体中的地应力分布,5.2.1 地应力分布规律,水平应力x,岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响。,5.2 岩体中的地应力分布,水平向地质构造+自重,1 /主要构造方向，且1 z,若0.5 k0=1 h=z 静水压力（海姆假设）,5.3 岩体地应力的量测,现场岩体应力可以在钻孔中、露头上和地下洞室的岩壁上测定，也可根据在地下测定的位移进行计算。目前常用方法是钻孔应力解除法，应力恢复法和水压致裂法三种。,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,应力解除法,孔径变形法,基本原理：（共同点）通过解除岩体中应力量测孔径（孔底、孔壁）变形（应变）利用弹性理论反求外部释放应力（地应力）,孔底应变法,孔壁应变法,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔径应变法,程序：a：用130mm钻头钻孔至预定深度； b：用36mm小钻头钻孔h2630cm，孔底磨平； c：安装孔径变形仪； d：安装130mm空心钻头套钻 e：折断岩芯,CASE 1 假定钻孔方向/3,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔径应变法,采用三孔交汇方法：每个孔（与钻孔轴线垂直平面内）： 两个正应力，一个剪应力（三个分量） 三个孔：33 九个方程联立求空间主应力（6个独立未知量）,CASE 2 若钻孔方向不平行于3,5.3 岩体地应力的量测,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔底应变法,量测a、b面内，在套钻过程中产生的应变孔底主应变主应力,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔壁应变法,5.3 岩体地应力的量测,孔壁应变法是只需在一个钻孔中通过对孔壁应变的量测，即可确定岩体的六个空间应力分量。（套钻解除应力测孔壁应变（初） 推算P释放应力）,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔壁应变法,5.3 岩体地应力的量测,设钻孔前岩体中有六个应力分量，若在弹性岩体中钻一半径为r0的圆形孔则钻孔附近应力不再保持原来的状态。孔壁上坐标为r0，Z的任意一点，孔壁上的这些应力可以通过钻孔前岩体中的六个应力分量表示如下：,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔壁应变法,5.3 岩体地应力的量测,在一个测点三个方向测试应变：切向(=/2)+轴向(=0)+ 450方向(=/4)根据应变换算成应力。,计算出的地应力,5.3.1 现场量测,应力解除法, 孔壁应变法,5.3 岩体地应力的量测,采用孔壁应变测试法测定岩体的三向应力的具体方法是用钻机钻孔，钻孔需测定应力的深度钻孔底面用金刚石钻头磨平后再用小的钻孔自孔底面沿孔轴方向继续钻一深度约为45cm的小钻孔。在小钻孔的中部孔壁上选定三个测点并在每个测点上按前述规定方向安置三个应变元件。此时读出各测点的应变计的初读数，最后再选用适当大小的钻头在小钻孔外围进行套钻并取出岩芯。此时再读出完全解除了应力之后岩芯中孔壁各应变元件的读数，然后用套取岩芯前后应变元件读数之差，按公式计算岩体初始应力。,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,应力恢复法,在量测部位磨平贴应力片初始读数； 开挖（沿与待测主应力垂直方向开槽）地应力释放应变增加； 利用扁千斤顶反向加压（应力恢复）使应变读数恢复至初始读数 地应力反向油压 特点：适合浅表部，当非主应力面（存在影响）和加载与卸载不同时，误差！,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,水压破裂法,水压破裂法是二十世纪七十年代初期从石油钻井探采用新技术借用而来的测定深部岩体应力的一种方法。它借助于两个可膨胀的橡胶塞，在需要测定应力的深度上封闭隔离一段钻孔，并用水压方法对被隔离段孔壁施加压力，直至孔壁岩石受拉破裂，最后根据破裂压力、封井压力以及橡胶塞套上压痕的方位，确定岩体天然主应力的大小和方位。,这种方法最早是由美国学者8等提出的，Haimson教授也是该方法的理论与实践的有力倡导者。,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,水压破裂法,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,水压破裂法,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。即钻孔方向为某一主应力方向。（2）岩体是均质、各向同性的线弹性体。,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,水压致裂法,5.3 岩体地应力的量测,5.3.1 现场量测,孔隙水压力,Ps关闭压力,Pic2使裂缝重新张开的压力,pic1孔壁岩石破裂压力,（a）裂缝沿轴向产生和延伸,（b）裂缝沿轴向产生向水平方向延伸,5.4.1 室内量测,声发射法(Acoustic Emission，简称AE法)是以岩石试件的声发射凯赛(Kaiser)效应对岩石已受过的最大应力的记忆为基础，用钻孔岩芯制成试件，由实验测定原地应力的方法。其特点是不需在野外作业，不破坏钻孔结构，仅需钻孔岩芯就可进行地应力测量。可广泛应用于油气田开采、地热能开发、矿山、水电、核废料处理等工程中的深部应力测量。,岩石同金属材料一样压缩时具有声发射的凯塞效应，在室内对岩心试样进行压缩试验，声发射活动最显著的地方（称为Kaiser点）所对应的外加压应力即为试验先前所受到的最大正应力。,5.3 岩体地应力的量测,5.4.1 室内量测,5.3 岩体地应力的量测,声发射岩石受外荷载作用，其内部储存的应变能因微裂隙产生和发展而快速释放，从而产生弹性波，发出声响，称为声发射。,凯塞效应 1950年，德国人J.Kasiser发现多晶金属的应力从其历史最高点水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象称为凯塞效应。,凯塞点从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯塞点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。,5.4.1 室内量测,5.3 岩体地应力的量测,岩石也有声发射现象。 凯塞效应为岩石应力测量提供了途经。即从原岩中取样沿6个不同方向制备试件（每个方向试件为1525块）加压测试凯塞点计算地应力。,5.4 水平洞室围岩的应力计算,工程应用：关心的洞室的二次应力（重分布应力）初始应力+洞室的开挖附加应力。 (洞室强度复核围岩是否稳定),在前面介绍了岩体地应力的形成与量测方法。,5.4 水平洞室围岩的应力计算,5.4.1 圆形洞室,当洞室高度远小于洞室埋深时，应力沿高度的变化可忽略不计。一般认为埋深大于高度三倍时可忽略。,5.4.1 圆形洞室,初始地应力,5.4 水平洞室围岩的应力计算,K00、1/3、1,5.4.1 圆形洞室,当洞室埋深H30，近似认为洞顶洞底z近似相等，侧压为均布，对于圆形洞室可简化“无限平板中含圆孔+外部均布面力”。借用弹性理论：,5.4 水平洞室围岩的应力计算,5.4.1 圆形洞室,讨论：,5.4 水平洞室围岩的应力计算,10 Case 1,5.4.1 圆形洞室,讨论：,5.4 水平洞室围岩的应力计算,20 Case 2,a. 围岩中的径向应力均小于岩体中的初始应力H,b. 围岩中的切向应力均大于岩体中的初始应力H，并在洞壁处达到最大2H；,c. 若令r6r0代入，则r / 1.028H,5.4.1 圆形洞室,讨论：,5.4 水平洞室围岩的应力计算,30 Case 3,最好直接由（5-14）计算或查有关手册、图表。,5.4.2 椭圆洞室,5.4 水平洞室围岩的应力计算,5.4.2 椭圆洞室,5.4 水平洞室围岩的应力计算,设椭圆长半轴 ，短半轴 ， -椭圆偏心角。由弹性理论推导出椭圆上P点切向应力：,5.4.2 椭圆洞室,5.4 水平洞室围岩的应力计算,讨论：,10 Case1 :令 (洞顶),洞顶受拉；,洞顶受压；,5.4.2 椭圆洞室,5.4 水平洞室围岩的应力计算,讨论：,20 Case2 :令 (拱腰),拱腰受拉；,拱腰受压；,5.4.2 椭圆洞室,讨论：,30 Case3 :令 切向应力相等,5.4 水平洞室围岩的应力计算,水平、铅直应力之比与长短轴之比的关系,NOTE：设计中可根据 通过调整长短轴之比使椭圆洞室切向均匀受力。,5.4.3 矩形洞室,5.4 水平洞室围岩的应力计算,NOTE：其中根据矩形洞室宽长比B/L,查表计算（ 还与部位有关）。,5.4.4 复式洞室,5.4 水平洞室围岩的应力计算,感谢聆听！,