第六章 岩体的初始应力

1.掌握初始应力、构造应力的概念，掌握自重应力的计算方法；2.了解原岩应力的一般规律及影响原岩应分布的因素；3.了解岩应力的实测方法1岩体初始应力状态的概念与意义原岩：未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体。原岩应力（亦称初始应力或地应力）：定义之一：原岩中存在的应力。定义之二：岩体在天然状态下所存在的内应力。一般习惯把原岩应力分为自重应力场和构造应力场。由上覆岩体的自重所引起的应力称为自重应力；地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的应力，地质作用残存的应力统称为构造应力。研究岩体初始应力状态的工程意义：1.正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化2.合理设计地下工程的支护尺寸2、组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算一、岩体自重应力场1．假设岩体为均匀连续价值，并为半无限空间体在距地表深度H处，岩体的初始应力场为z=Hx=y=zxy=0式中：H——岩体单元的深度（m）——上覆岩体的平均重力密度（kN/m3）——侧压力系数若岩体视为各向同性的弹性体，x=0，y=0，由广义虎克定律：x=1/E[x-（y+z）]=0y=1/E[y-（x+z）]=0由此得：x=y=/（1-）z=/（1-）H（6-3）所以，侧压力系数=/（1-）2．成层岩体（6-4）（6-3）、（6-4）岩体在一定深度范围内成立。如果岩体由松散的碎石，砂及卵石组成，可以近似地认为岩体是理想松散介质，可由松散介质极限平衡条件来建立垂直应力与侧向应力的关系：=x/z=(1-sin)/(1+sin)(6-8)zyxniiizh1对于具有一定粘聚力的松散岩体，侧向应力x与垂直应力z之间的关系为（6-9）显然，在一定深度范围，側向应力x有可能为负；令x=0，则由上式可得：（6-10）当HH0时，才开始出现侧向应力x，并随深度成正比增加。二、岩体构造应力场1．构造应力的确定构造应力尚无法用数学力学的方法进行分析计算，而只能采用现场应力量测的方法来求得，但是构造应力的方向可以根据地质力学的方法加以判断。sin1cos2sin1sin1cHzx)sin1(cos20cH（a）正断层（b）逆断层（c）平推断层（d）岩脉（e）褶皱图6-4由地质特征推断的应力方向（a）~（e）均为平面图2．地表剥蚀时侧压力系数的影响图6-5侵蚀对某一深度上的应力的影响Z0K0Z0设某深度H0的一个岩石单元，该处初始侧压系数0上覆岩体剥蚀了厚度H，使岩石单元受到卸载作用，卸载后，垂向应力v减小了H，水平应力n则减少了H/（1-）（按弹性卸载考虑）则此时岩石单元的侧压力系数为：（6-11）由于剥蚀后岩石单元埋深H=H0-H，所以：可见，由于上覆岩体被剥蚀，使侧压力系数有增加的趋势，当深度小于一定数值时，会出现水平应力n大于垂直应力v。)(1])1[(100000HHHHHHvvnHHH1])1[()(00三、影响岩体初始应力状态的其他因素（一）地形1.山谷谷底的应力很大:与岩体的均质程度有关（图6-6)2.地形对岩体初始应力影响的另一特征:(图6-7）（二）地质条件对自重应力的影响图6-8背斜:两翼应力增大,中部应力降低;向斜:两翼应力降低,核部应力增大.图6-8断层:山峰地应力低,山谷地应力高（三）水压力和热应力3．岩体初始应力状态的现场量测方法一、岩体应力现场量测方法概述目的：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及岩体加固提供依据。岩体应力量测按目的可分为：岩体初始应力量测和地下工程应力分布量测岩体应力量测常用方法:应力解除法、应力恢复法和水压致裂法。工程中某种应力量测方法的精确度能控制误差在0.4MPa以内，其结果通常被认为是令人满意的。常用地应力测量方法表6-1二、水压致裂法（一）方法原理及技术基本原理：Po——孔隙水压或地下水压力。Pb——初始压裂压力。Ps——液体进入岩体内连续地将岩体劈裂的液压，称为稳定开裂压力。Pso——关泵后压力表上保持的压力，称关闭压力。Pbo——开启压力。（二）基本理论和计算公式室内及现场资料表明：钻孔壁在液压下的初始开裂经常是垂直的。设孔周水平地应力为1h、2h孔壁还受有水压Pb，此时，钻孔周围岩体内应力：r=1/2(1h+2h)(1-a3/r2)+Pba2/r2+1/2(1h-2h)(1-4a2/r2+3a4/r4)cos2=1/2(1h+2h)(1+a3/r2)-Pba2/r2（6-13）-1/2(1h-2h)(1-3a4/r4)cos2当=a，即孔壁处，则，r=Pb=(1h+2h)-Pb-2(1h-2h)cos2（6-14）当=0时，有最小值，即：按最大拉应力理论有：-To（6-16）时，孔隙开裂，式中，To为岩体抗拉强度。据此，可求得孔壁破裂的应力条件为：32h-1h-Pb+T0=0（6-17）或1h=32h-Pb+T0（6-18）如果岩体中有孔隙水压力Pw时，则式6-18）变为：1h=32h-Pb+T0–Pw（6-19）若水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pbo称为开启压力，即此时To=0，则式（6-19）1h=32h-Pb0–Pw（6-20）对比式（6-19）与式（6-20），可得，Pb–Pb0=T0（6-21）在关闭压力Pso这一特征点上，孔壁已开裂，即To=0，所以，此时，Pso等于与裂隙面垂直的应力，亦即：2h=Pso（6-22）由此通过分析：可得出主应力及岩体抗拉强度值：2h=PsoPb–Pb0=T0（6-23）1h=32h-Pb+T0（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力水压致裂法的主要缺点是地主应力方向难以确定，可由式（6-23）分析确定。（1）、一般z=h，作为地主应力之一，若z1，则，2h肯定为最小地主应力。由开裂方向可确定，2h或1h的方位，则三个地主应力的方位也可以相应地确定。（2）若2hh，且孔壁开裂后孔内岩体出现水平裂缝，则此时，z=h为最小地应力，2h与1h各为中间地主应力及最大地主应力，垂直开裂方向即为最大地主应力方向。（四）水压致裂法的特点（三）应力解除法基本原理：释放应力，量测变形，弹性求解按探测深度可分：表面应力解除法，浅孔应力解除及深孔应力解除。按测试度形式应变的方法不同可分：孔径变形测试，孔壁应变测试及钻孔应力解除法等。钻孔应力解除法分：岩体孔底应力解除法和岩体钻孔套孔应力解除法。（一）岩体孔底应力解除法图6-13适用条件：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。其测量和计算都较复杂。（略）图6-13（二）岩体钻孔套孔应力解除法原理：进行岩体中某点应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，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。应力解除法所采用的钻孔传感器可分为：位移传感器和应变传感器两类。中科院武汉岩土所研究（制）的36-2型钻孔变形计，其变形计的直径为32mm，适应的测量孔直径为36mm。《岩土力学》（中国水利水电出版社张振营编著,66~67）说明：该方法要求在能取得完整岩芯的岩体中进行，一般至少要能取出达到大孔直径2倍长度的岩芯，因此在破碎和弱面多的岩体中，或在极高的原岩应力区岩芯发生“饼状”断裂的情况下不宜使用。该方法要求取出足够长的完整岩芯，一方面是保障直径变化测量的可靠性，确保处于弹怀状态，弹性理论才是适用的；另一方面要用它测定岩石的弹性模量。本方法是量测垂直于钻孔轴向平面内的孔径变形值，所以它与孔底平面应力解除法一样，也需要有三个不同方向的钻孔进行测定，才能最终得到岩体全应力的六个独立的应力分量。为简化，设钻孔方向与3方向一致，且认为3=0，则此时通过孔径位移值计算应力的公式为：=d[(1+2)+2(1-2)(1-2)cos2]1/E式中：——钻孔直径变化值,d——钻孔直径——测量方向与水平轴的夹角E、——岩石弹性模量与泊松比实际上，轴线方向的应力和变形对原岩应力测量来说是很重要的待定参数;吴振业新近给出了轴向应力应变分量的严密的公式，这里只列出有关孔径变形法测量的公式如下：式中：px、py、pxy为待确定的与钻孔垂直截面上的原岩应力分量。}2sin22cos)(2)2{(2zxyyxyxppppppEdd四、应力恢复法目的：直接测定岩体应力大小。用途：仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用本方法较为方便。基本原理：在槽的中垂线OA上的应力状态，根据H，H穆斯海里什维理论，可把槽看作一条缝，得到：(6-27)32246112322411)1(1332)1(142yx式中：1x,y——OA线上某点B的应力分量——B点离槽中心O的距离的倒数。当在槽中埋设压力枕，并由压力枕对槽加压，若施加压力为P，则在OA线上B点产生的应力分量为：2x=-2p(4-42-1)/(2+1)32y=-2p(4+1)/(2+1)3(6-28)当压力枕所施加的力p=1时，这时B点的总应力分量为：x=1x+2x=2y=1y+2y=1主要试验过程简述：1~5略,6、由应力—应变曲线求岩体应力1=1e+1p=GF+FOo=op+oe=KM+MN,oC14岩体初始应力状态分布的主要规律4岩体初始应力状态分布的主要规律一、垂直应力随深度的变化多数：v/H1二、水平应力随深度的变化水平应力随深度增加呈线性关系增大。三、水平应力与垂直应力的比值K一般K1，随深度增加K=1四、两个水平应力之间的关系第五节高地应力地区的主要岩石力学问题一、研究的必要性（一）、岩体地应力是研究岩体力学中不可缺少的一部分。与其它力学学科根本区别：岩体中具有初始应力（二）、岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地应力大小的变化而变化。低应力、低偏压下：率岩体脆性明显、各向异性和非连续性也很明显高应力下：岩体塑性明显，各向异性减弱，表现出连续性（三）、中、西部开发，在高地应力地区出现特殊的地压现象二、高地应力判别准则和高地应力现象（一）、高地应力判别准则（1）、国际、国内尚无统一标准（2）、国内一般岩体工程以初始应力在20~30MPa为高地应力.(3)、按《工程岩体分级标准》（GB50218-94）Rc/max4，称为极高初始地应力;Rc/max=4~7为高地应力.max为垂直洞轴线方向的最大初始地应力,即1(二)、高地应力现象1、岩芯饼化现象：产生条件：中等强度以下的岩体力学成因：剪胀破裂2、岩爆岩爆现象是在埋藏深度大和地应力比较高的地下工程开挖过程中经常会遇到的工程地质问题之一。岩爆不是岩质破坏或破损的体现，而是岩体内积聚的弹性应变能的突然释放，是岩体应力超过极限，具有爆裂和弹射岩石的现象。表现形式：围岩呈透镜状或片状削落。发生部位：主应力方向线与隧洞外轮廓相切的部位（因该处应力集中最大）力学机理：从岩石力学的观点来看，认为岩片是在压应力作用下的张破裂或剪破坏而形成的破碎片。图6-25对于岩爆的预测必须结合工程实际进行具体分析，如果没有实测的地应力资料，则可以从以下几方面作出估计，预测可能出现岩爆的部位：(1)地形条件。垂直地应力与地形有关，一般是埋深愈大，地应力愈大。(2)构造情况。地震区和构造活动区的地应力一般要大些。水平地应力大时,垂直应力可能相应增大。洞室轴线垂直于构造主应力布置时,比平行主应力方向布置时开挖周边应力大。(3)建筑物开挖情况。平行建筑物间的岩柱、隧洞从两头开挖接近贯通的部位、建筑物体变化处(如曲线处)等,都是应力集中较大地点,易于发生岩爆。(4)根据