岩土力学sixth.

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1、第六章 岩体的初始应力状态 第一节 初始应力态的概念与意义状 第二节 初始应力状态的应力场计算 第三节 岩体初始应力状态的现场量测方法 第三节 初始应力现场量测方法 第五节 岩体初始应力状态分布的主要规律 第六节 高地应力地区的主要岩石力学问题 1 第一节 初始应力状态的概念与意义 开挖后，引起岩体的变形和破坏，是由于力的 作用 1原岩应力（初始应力）天然环境下地壳体 中某一点所具有的应力状态，也称为地应力 2次生应力受井巷开挖、资源开采等工程影 响，在开采影响范围内，原岩应力平衡状态 破坏重新形成的平衡状态的应力，叫次生应 力，也叫采动应力。 3应力重新分布：由原岩应力平衡状态到次生 应力平

2、衡状态的转化过程，叫应力重新分布。 2 4原岩应力的组成 1）自重应力某一点的自重应力是上覆岩层 的自重所引起，与上覆岩层的质量和藏深 度有关 2） 构造应力地质构造运动引起的地下某点 的应力。与岩体的特性（节理分布、岩体 弹塑性、粘性特性）和地质构造现象有关 3） 其它作用地形、地震、水、地温等均可 产生地应力 三种作用中，自重应力与地质构造应力是主要的 、普遍存在的地应力 3 第二节 初始应力状态的应力场计算 5围岩地下开挖后影响开挖范围稳定 性的周围岩体 6研究初始应力状态的意义确定应力 变化、设计工程支护 一、岩体自重应力场 1海姆静水压力假说 1879年，瑞士地质学家，海姆（Haim

3、）， 提出原岩应力各向等压假说 4 图6-1 岩体自重垂直应力 5 铅重和水平应力 岩石密度，单均（2.52.7t/m3） g 重力加密度，9.8m/s2 重力密度，N/m3 z 自地表起至地下某一点的深度，m 即：铅重应力等于上覆岩层的重量，水平应力 与铅垂应力均衡（相等） 6 推导 ： 100米处岩体应力： 即100m深处的岩层垂直应力为2.5MPa 注意：上式是按层岩条平均计算，例有几个 层，分别为 7 则： （6-2） 2金尼克假说 根据线弹性约束条件推断： 已知： （铅垂应力是自重应力） 在均匀的、各向同性的岩体中，各单元受到约束， 水平方向应变 即 ： 水平方向变形与另外两个方向的

4、力有关 8 广义虎克定律（弹性力学应 力关系） 即： 令 = 侧压系数 u = 0.20.3， =0.250.43 即 按照金尼克的线弹性岩体假设 水平应力 9 水平应力小于垂直应力，侧压系数 1，之下 1 1 0 时，孔壁产生开裂 应力条件： （6-17） or （注：T01，即水平应力 垂直地应力。但随着深度增加，就会出现K=1的状况， 这个深度称为临界深度。测量地区不同，临界深度也不同 。冰岛的实测资料表明临界深度大约为200m。在南非和 日本曾测得临界深度为500m左右；在美国的水压致裂法 测定资料表明，临界深度为1000m左右。而在加拿大和斯 堪底维亚测得的资料，在深度2000m内，

5、水平应力始终占 优势，即临界深度在2000m以上。 49 四、两个水平应力之间的关系 关于两上水平应力 与 间的关系，一般来讲 ，无论是大区域或较小区域范围内，其大小和方 向都有变化。一般， / =0.20.8，而大多数 为0.40.7。根据不完全统计，我国与欧洲的资 料列于表6-2。 表6-2 两上水平应力分量之间的关系 / 实测 地点统计 数 目 / 的比值（%） 1.0 0.75 0.75 0.50 0.5 0.25 0.250合计 斯堪的纳维亚 等地 511467136100 北 美2222246239100 中 国551256248100 50 第六节 高地应力地区的主要岩石力 学问

6、题 一、研究高地应力问题的必要性 （一）研究地应力是研究岩体力学不可缺少的 一部分。岩体力学与其他力学学科的最根本的 区别在于：岩体中具有初始地应力，所有一切 岩体力学现象都与地应力的大小有关。因此， 研究高地应力问题本身就是力学的基本任务。 （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。 51 例如，在低地应力和低偏压情况下，岩体的脆断特性 表现明显，受节理面制约而表现的各向异性和非连续 性也很明显，岩体破坏时，峰值强度与残余强度之间 数值差较大。在高地应力条件下，岩体的脆性表现不 太明显，而塑性表现明显，节理面的存在所引起的各 向异性也会明显减弱，

7、表现出连续介质的特性。而且 会呈现出会高地应力的特殊现象，有必要进行深入研 究。 （三）随着我国中、西部的开发，尤其是水电系统的 工程建设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给 光体工程稳定问题提出了新课题。由于缺乏研究，对 于高地应力地区出现的岩石力学问题缺乏有力的对策 和措施，工程建设的发展需要研究高地应力问题。 52 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）不同学科与不同工程，对高地应力问题的表现和理解不 同，判别标准也不同。所以，目前国际国内尚无统一的标准。 （2）国内一般岩体工程以初始地应力在2030MPa为高地应 力，因为在这样的应力水准下就易于出现高地应

8、力现象。 （3）由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储能也不同。一 般来说，地区初始地应力大小尚与该地区岩体的变形特性有关 ，岩质坚硬，则就储存弹性能多，地应力也大。一般判别高地 应力用比值 来衡量，按工程岩体分级标准（ GB50218-94）： 4，称为极高初始地应力，=47 为高地应力。上式中， 为岩石单轴饱和抗压强度；为垂 直洞轴线方向的最大初始地应力，即 。 53 （二）高地应力现象 （1）岩芯饼化现象。在中等强度以下的岩体中进行勘探时， 常可见到岩芯饼化现象。美国L.Obert和D.E.Stophenson（ 1965年）用实验验证的方法同样获得了饼状岩芯，并确定了饼 状岩芯是高地应力

9、产物；从岩石力学破裂成因来分析，岩芯饼 化是剪张破裂产物。除此以外，还能发现钻孔缩径现象。 （2）岩爆。在岩性坚硬完整或较完整的高地应力地区开挖隧 洞或探洞时，在开挖过程中，时有岩爆发生。岩爆现象表现为 随着巨大的响声，岩片以极快的速度向洞室内飞散开来，岩片 呈透镜状或叶片状，其边缘像刀刃一样锐利。因此，岩爆就是 岩石被挤压到弹性限度，岩体内积聚的能量突然释放所造成的 一种岩石破坏现象。岩爆的发生常常造成隧洞或坑道的破坏， 砸坏施工机械，并严重威胁着洞内工作人员的安全。从爆落岩 片开头和留在洞壁的凹坑形状比较分析，以岩石力学的观点来 看，认为岩片是在压应力作用下的张破裂或剪切破坏而形成的 破裂

10、碎片。以岩爆发生的部位来看，经常是在主地应力方向线 与隧洞外轮廓相切的部位（见图6-25），因为这是应力集中最 大的部位。 54 （3）探硐和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为 嘶哑并有较大变形，在中等强度以下的岩体中 ，开 挖探硐或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈 ，洞壁岩体产生剥离现象，有时裂缝一直延伸到岩 体浅层内部，锤击时有破哑声。在软质岩体中则产 生洞体较大的变形，位移显著，持续时间长，洞径 明显缩小。 （4）岩质基坑底部降起、剥离以及回弹错动现象。 在坚硬岩体表面开挖基坑或槽，在开挖过程中会产 生坑突然隆起、断裂，半伴有响声；或在基坑底部 产生隆起剥离。在岩体中，如有软弱夹层，

11、则会在 基坑斜坡上出现回弹错动现象（见图6-26）。 55 （5）野外原位测试测得的岩体物理力学指 标比实验室岩块试验结果高。由于高地应 力的存在，致使岩体的声波速度、弹性模 量等参数增高，甚至比实验室无应力状态 岩块测得的参数高。野外原位变形测试线 曲线的形状也会变化，在坐标轴上有截距 （图6-27）。 56 图6-26 基坑边坡回弹错动 图6-27 高地应力条件下岩体变形曲线 57 三、研究高地应力应注意的几个问题 （一）关于岩体的潜塑状态 由第二章所述岩石强度理论可知，岩石（体） 发生何种破坏以及何种破坏形式，都可以通过 莫尔包络线来判断。由实验结果作出莫尔强度 线（图6-28），然后根

12、据岩体中的最大应力状 态在同一图中绘出应力圆，若应力圆位于莫尔 包络线（图6-28曲线2-2）以内，岩体处于弹性 状态并不发生破坏；若应力圆与曲线2-2相切或 相交，则岩体出现塑性状态或断裂破坏。 58 由本章第二节及第四节有关内容可知，岩体的初始应力状 态是十分复杂的。一般来说，垂直应力大体等于上覆岩层 的重量 。而水平应力也是随埋深而增加的， 。在地壳表层，有K1的情况，也有K1的情况；随着深 度增加，则会出现K=1，即静水压力状态。出现K=1的深 度称为临界深度，世界各地的临界深度是不同的，有的地 区较浅，仅200m左右，有的地区则在2000m以上。岩体 在未经开挖前，它的初始应状态一般

13、可由垂直应力 与 水平应力 为主应力状态构成的应力圆来表示。在K=1 的情况下，无论 和 绝对值为多大，由于 = ，应力状态所构成的应力圆只是横坐标轴上的一个点，应 力绝对值大小则反映在坐标轴上的位置不同。 59 所以，在这种应力状态下，岩体单元永远呈稳定状 态，不会产生破坏。一旦岩体被开挖，开挖面附近 的岩体单元由于一部分受力的岩体被挖去而产生不 平衡力，岩体中的应力要重新调整，这被称为应力 重分布。应力重分布以后岩体单元的应力状态作为 主应力 =0或 =0而存在，另一垂直方向的应 力则作为另一主应力。若该主应力为拉应力，则组 成的应力圆为单向受拉状态；若该主应力为压应力 ，则组成的应力圆为

14、单向受压状态。该主应力的大 小依据初始应力 ， 的大小、洞形及岩体单元 在洞周的位置不同而变化。若初始地应力为 ， 应力重分布后的另一应力一般等于（-13） ， 并依此可构成应力圆，由莫尔包络线来判断岩体单 元的稳定状态。以另一侧的主应力 为例， 就可以由 和 =0而构成应力圆。 60 岩体单元是否会进入塑性状态（应力圆与莫尔包 络线相切），就取决于初始地应力 的大小与 岩体单轴抗压强度 的大小。如 ，则 应力重分布后应力圆在包络线范围内，岩体单元 仍处于弹性状态（图6-28）若 ，应力 圆就会与强度包络线相遇，则应力重分布后岩体 单元就会进入塑性状态或产生破坏（图6-28）。 我们把在初始应

15、力状态下岩体单元处于稳定（弹 性）状态而一旦开挖就会处于塑性（破坏）状态 的岩体，称为岩体处于潜塑状态。很显然，这种 处于潜塑状态的岩体实际上就是处于高地应力状 态。从而也可以理解，高地应力的概念不仅取决 于初始地应力的绝对值，而且与工程状况（应力 重分布状况不同）以及岩体坚硬程度（岩体的 ，c， 值）有关。 61 图6-28 用应力圆和莫尔包络线判断岩体是否破坏或进入塑性状态 62 （二）处理高地应力的岩石力学原则 高地应力问题是近一、二十年才碰到的工程岩石力学 问题，而且一旦遇到岩爆或大面积剥离，就会使施工 人员受到伤害或工程稳定性得不到保证，所对对此问 题应引起足够重视。但有关处理的报导不多，我们只 能根据现有工程所采用的处理原则进行一些归纳，供 参考 （1）在工程勘测期间，及早发现高地应力问题，以便及早作 出对应措施和准备工作。 （2）由岩爆等产生的工程伤害性的高地应力现象，从岩石力 学观点来讲，其基本特点是岩体完整坚硬、积聚了大量能量。 因而，对应处理的基本思想是及早降低应力，释放能量。具体 做法有：在开挖面上及时打超前密集小孔；或从开挖面向内钻 孔和在一定深度内放炮，使在洞室四周一定范围内形成破碎带 ，从而降低洞周的应力。 63 （3）及时采取临时或永久性防护措施，使岩爆与施工人员一 定程度隔离开来；对大型洞室，为了保护施工工人员及机械， 可及早布置加挂