岩体中的天然应力

第一节概述地应力（天然应力）：自然状态下在原岩体中存在的由于岩体自重和构造应力形成的分布应力。（1）天然应力（地应力）（Stressintheearth’scrust&Initialstress）：—指岩体在天然状态下所存在内在应力。—人类工程活动之前存在于岩体中的应力。存在于地层中的未受工程扰动的天然应力—地应力（2）天然应力主要是由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。（3）①1912年，瑞士地质学家海姆（A.Heim）在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念。是静水应力状态σn=σv=γH②1926年，苏联学者金尼克（A.H.пNHHиK）修正了海姆的静水压力假设：③1951年，瑞典的哈斯特（N.Hast）首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力的量测工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接受水平的，而且。这从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。后来的进一步研究表明：重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的影响最大。（4）地应力（天然应力）的形成：（6）自重应力：由岩体自重所引起的应力。自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态。构造应力：由于地质构造作用在岩体内积存的应力。活动构造应力：狭义地应力，是地壳内现在正在积累的能够导致岩体变形和破裂，形成地震和活动构造的应力。残余构造应力：古构造运动残留下来的应力。它的基本特征：具有较高的水平压应力，一般情况下，，并具有明显的各向异性。到目前为止，岩体的天然应力状态主要还是靠实测方法确定。求岩体中一点的自重应力？在地表近水平的情况下，假设岩体均质各向同性连续性，则：在地表以下较深部位，岩体近于塑性状态，其→1，即处于静水压力状态。（1）水平层状岩体：（2）铅直层状岩体：（5）岩体中天然应力状态对研究区域稳定、岩体稳定性以及原位岩体测试中均具有重要的实际意义。如地震：从工程地质观点看，是各类现代构造运动引起的重要地质灾害；而从岩体力学观点看，是岩体中的应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。水库诱发地震、地下洞室，有压隧道、地表工程等等。第二节岩体中天然应力的分布特征地壳表层岩体的天然应力。一、岩体中的铅直天然应力即天然应力的垂直分量，一般认为等于该点的上覆岩层的自重。但是国内外资料表明：。因此，大概相当于计算出的重力即：，=27KN/m3。当然有和的情况，这主要与构造运动有关。它不同于单纯的自重应力场中的重力（量）。在岩体天然应力场中，多为最小主应力，少数为最大主应力。为最大主应力的情况如在河谷谷坡附近的单薄的山体部分，为最大主应力。二、岩体中的水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制，另外，还有岩体自重、侵蚀所致的天然卸散、现代断裂运动、应力调整和释放以及岩体力学性质等因素的影响。（1）以压应力为主；（2）一般大于；（3）；（4）在单薄的山体、谷坡附近的以及未受构造变动的岩体中，。三、天然水平应力与铅直应力的比值天然应力比值系数（）：，（一般或绝大多数情况）随深度增加而减小，即与深度Z成反比。1）在接近地表及浅表地层中，2）当h→h0时，会出现（h0为临界深度）如冰岛等地h0=200m，日本和法国h0=400～500m，中国和美国h0=1000m，加拿大h0=2000m。四、两个水平应力之间的关系一般地，无论是大区域或较小区域范围内，其大小和方向都有变化。，而大多数为0.4～0.7。当然，有时存在，主要是在构造简单，地层平缓的地区。五、天然应力状态岩体中天然应力一般处于三维应力状态。水平应力场：应力轴与水平面的相对位置不同。非水平应力场：只在板块接触带或两地块之间的边界地带存在。第三节岩体天然应力的量测（1）量测目的：了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工程的受力状态以及为支护和岩体加固提供依据。（2）岩体中天然应力量测可以在钻孔中、地下洞室的岩壁上以及露头上进行，也可以根据地下工程中两点间的位移来进行反算求得。但每一种方法都要扰动岩体。目前国内外最常用的应力量测方法有三种：水压致裂法、扁千斤顶法（应力恢复法）和钻孔套心应力解除法（套心法、应力解除法）。一、水压致裂法该方法在20世纪50年代被广泛应用于油田，通过在钻井中制造人工的裂隙来提高石油的产量。哈伯特（M.K.Hubbert）和威利斯（D.G.Willis）在实践发现了水压致裂裂隙和原岩应力之间的关系。这一发现又被费尔赫斯特（C.Fairhurst）和海姆森（B.C.Haimson）用于地应力测量。1．方法原理及技术通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表头读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。结构如图7.2，水压致裂过程中泵压变化及其特征压力图7.3所示。各特征压力：2．基本理论和计算公式大量的室内及现场实验资料证明，不论垂直应力或、或，钻孔壁在液压下的初始开裂都经常是垂直的。因此，水压致裂法的计算基本理论是：以垂直向的地应力为主应之一，则其它两个主应力在水平面的平面内。当孔壁开裂时，设孔周两个水平地应力分别为和，孔内水压为PC1，如图7.3所示。钻孔周围岩体内应力为：①当时（孔壁处）则：②当时，即：按最大拉应力理论，有时，孔壁产生开裂，在为岩体抗拉强度。故孔壁破裂的应力条件（破坏条件）为：或…………………①孔壁开裂处在处即A或A’点。（1）如果岩体中有孔隙水压力P0，则①式变为：………………………………………②（2）停泵后水压降至PS时（“关闭压力、封闭压力”）,裂缝已闭合→（此时）；水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pc2，则②试变为：………………………………………………③由②和③式可得：，式中为孔内水压；为重新开裂的压力。（3）在关闭压力PS特征点上，孔壁已开裂，即，此时PS等于与裂隙面垂直的应力，即：…………………………………………………………………④因此，通过水压致裂试验，只要确定Pc1、Pc2和PS值（P0也要别外测定），就可以由①～④式计算出水平天然应力和值，而铅直天然应力等于铅直自重应力。3．优点和缺点（1）缺点：主应力方向难以准确确定（主应力方向定不准）。当然这可以通过分析初步解决：①作为主应力之一，可以比较与、大小关系；②孔壁开裂的方向（胶塞印痕方法），因为垂直于开裂方向即为最大主应力方向。（2）优点：①不需要套心，不受量测深度限制；②不需要使用应变计或变形计；③测值代表性大，且不必知道岩体的弹性参数；④适应用性强。也就是说：量测深度不受限制，代表性好；试验设备简单，操作方便，量测结果直观，精度高。二、扁千斤顶法（又称压力枕）（有些教材叫“应力恢复法”）适用于坚硬、半坚硬完整岩体。在地下巷道岩壁或其它开挖体表面附近进行（水压致裂法一般在钻孔中进行）。基本原理：1）在平硐壁面上切槽，岩体应力被解除，应变也随之恢复；2）然后在槽中塞入压力枕，对岩体施加压力，使岩体的应变中恢复要应力解除前的状态；此时，压力枕施加的压力即为应力解除前岩体受到的应力（这一应力值即为平硐开挖后壁面处的环向应力，因为壁面处的＝0）。通过量测应力恢复后的应力和应变值，利用弹性力学公式即可求出测点岩体中的天然应力状态。A、B和C三个测点→边墙（侧墙）和拱顶（底）处的环向应力和，则：所以铅直天然应力和水平天然应力为：三、套心法（钻孔套心应力解除法或应力解除法）适用于完整岩体1．基本原理（及技术）在钻孔中安装（变形或应变测量元件），再通过钻进一个更大的同心岩芯使安装有传感元件的孔段岩体与周围岩体隔离开来（“应力解除”），以解除其天然受力状态。根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。2．基本理论及计算以弹性理论为基础，视岩体为一天限大的均质、连续、各向同性的线弹性介质。设钻孔轴与岩体中某一天然应力相平行，即么孔壁径向位移和岩体天然应力之间关系了由平面应力问题求得：式中：是与成角的孔壁上一点的径向位移；R为孔径；Em为岩体弹性模量；是垂直钻孔轴平面内岩本最大天然主应力；是垂直钻孔轴平面内岩体最小天然主应力；角是作用方向至位移测量方向的夹角，以逆时针为正。要求、和，需三个方程。因此，安装三个互成角度的测量元件，分别测出应力解除后孔壁三个方向上的径向位移，然后建立三个联系方程即可求解。3．缺点测量深度受套心技术的限制，最深的量测深度只解达30m，一般以测深7～12m。另外，精确测定岩体弹性参数也比较困难。第四节岩体中天然应力的计算岩体中天然应力是岩体工程设计和工程地质问题评价的一个十分重要指标。（量测工作费用昂贵）。一、铅直天然应力估算地形比较平坦，未经过强烈构造变动的岩体中，天然主应力方向可视为近铅直和水平的。证据如图7.6和7.7所示但该估算方法不适用如下情况：①不适用沟谷附近的岩体；②不适用于经过强烈构造变动的岩体。二、水平天然应力估算为天然应力比值系数，与岩体的地质构造有关。1．在未经过强烈构造变动的新近沉积岩体中：—泊松比2．在经历多次构造运动的岩体中，因岩体经历了多次卸荷、加荷作用，1）隆起、剥蚀卸荷作用对值的影响减小所以减少令得剥蚀后A点所处的实际深度，则：说明：①岩体经隆起剥蚀后，↑；②在地质历史时期中，岩体剥蚀厚度时，将出现的情况。（如地表附近的岩体中，常出现）。2）断层作用对值的影响①正断层附近由Mohr-Coulomb强度理论，正断层形成破坏时的破坏主应力满足：即：②逆断层附近同理可得：一般的天然应力比值系数介于和之间，即：。