岩石应力状态(2011)

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1、第六章 岩体的初始应力状态 第一节 初始应力的概念与意义n 意义（1）工程稳定性分析的原始参数。（2）确定开挖方案与支护设计的必要参数。 初始应力：天然状态下岩体内的应力，又称 地应力、原岩应力。 因素：自重 地质构造 地形地貌 地震力 水压力 地热。返回第二节 初始应力的组成与计算1、岩体自重应力场垂直应力：平均密度，KN/m3侧压力：H总深度（m）侧压力系数的取值有4种可能图6-1 岩体自重垂直应力（1）岩体假定处于弹性状态 由推出得：岩体由多层不同性质岩层组成时(图6-2) 第j层应力：原始垂直应力和水平应力：图6-2自重垂直应力分布（2）Heim假设（塑性状态）当原始应力超过一定的极限

2、，岩体就会处 于潜塑状态或塑性状态。（相当于 ） （3）岩体为理想松散介质（风化带、断层带）由极限平衡理得（4）当松散介质有一定粘聚力时 注：当 说明无侧压力侧压力为 ：无侧压力深度 2、岩体构造应力（判断、测试，不能计算） 当构造应力存在时 。3、影响岩体初应力状态的其它因素 （1）地形-自重的减小或增大图67 地形对初应力的影响（2）地质条件对初应力的影响。 图6-8背斜褶曲对地应 力的影响图6-9 断层对地 应力的影响（3）水压力、热应力孔隙水压力、流动水压力(影响小，可不计) 、静水压力（悬浮作用）热膨冷缩在岩体中产 生热应力。地温升高会使岩体内地应力增加， 一般地温梯度： 岩体的体膨

3、胀系 数： ，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引 起的温度应力约为：z-深度/m。温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静 水压力状态。 返回第三节 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 1.目的：（1）了解岩体中存在的应力大小和方向（2）为分析岩体的工程受力状态以及为 支护及岩体加固提供依据（3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的 有力工具2. 方法分类(表6-1)二、水压致裂法（一）方法原理及技术 要点：通过液压泵向钻孔内拟定量测深度加 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 泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力大 小和方

4、向。压裂点上下用止水封隔器密封，其 结构如图6-10所示。水压致裂过程中泵压变化 及其特征压力示于图6-11。P0PbPs Ps0P0Pb0Ps图 6-11 压裂过程泵压变化及特征压力图 6-10 止水、压裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0 各特征压力的物理意义 P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力 Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压 力 Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压 ，称为稳定开裂压力 Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭 压力。如围岩渗透性大，该压力将逐渐衰减 Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为 开启压力（二）基本理论和计算公式当孔壁出现 垂直裂缝

5、时，设孔 周边两个 水平地应 力分别为 和 ，孔壁还 受有水压 Pb.如图6- 12。图 6-12 孔壁开裂力学模型a钻孔周围岩体内应力 (Kirsch.G-基尔斯解)在孔壁上r=a，有 ：当 时有最大拉应力 ：按最大拉应力理论，有(6-15)(6-16) 将(6-15)代入(6-16)得孔壁开裂应力条件(6-18)即孔壁开裂在与 垂直, 的面上式中：T0-岩体的抗强度若岩体中有孔隙水压力Pw，（6-18）式变成 ：(6-19) 由图6-11知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压 力Pb0，则上式变成： (6-20)19和20两式对比得： Pb Pb0=T0(6-21)在关闭压力Pb0点上，孔壁已经

6、开裂，则 T0=0,稳定开裂压力由P0下降到Ps0。此时，ps0 等于与裂缝垂直的应力，即： 求得主应力及岩体抗拉强度（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力 （1）一般来讲 作为地主应力之一。我 们可以将 与 作比较，若 ，则 可以肯定此时 为最小主应力；进一步将 与 作比较，也就可以以此确定地应力的 三个主应力。因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定 的方位或 的方向，所以三个地主应力的 方位也就可以相应确定。 （2）如果 ，并且孔壁开裂后孔内 岩体出现水平裂缝，则此时 为最小 地应力， 与 各为中间主应力及最大 地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。 （四）水压致裂法的特点n 设备简单

7、操作方便 测值直观 适应性强受到重视和推广n 缺陷：主应力方向不准三、应力解除法1. 基本原理：当需要测定岩体中某点的应力 状态时，人为的将该处岩体单 元和周围的岩体分离，此时， 岩体单元上所受的拉力将被解 除。同时，该单元体的几何尺 寸也将产生弹性恢复。应用一 定的仪器，测定弹性恢复的应 变值或变形值，并且认为岩体 时连续、均质和各向同性的弹 性体，于是就可以借助弹性理 论的解答计算岩体单元所受的 应力状态。切断联系解除应力应变恢复测试应变计算应力流程 要点2. 应力解除法分类 按测试深度表面应力解除浅孔应力解除深孔应力解除按测试应变 或变形孔径变形测试孔壁应变测试孔底应力解除法孔壁 应力解

8、除法测1个平面 3个方向上 的应变1平面3方向 上的径位移3平面9个方向应变原理要点 向岩体中的测点先 钻进一个平底钻孔，在孔底中 心处粘贴应变传感器；套孔钻 出岩芯，使孔底平面完全卸载 ，应变传感器测得孔底平面中 心恢复应变；在室内测得岩石 的弹性常数；计算孔底中心处 的平面应力状态。由于孔底应 力解除法只需要钻进一段不长 的岩芯，所以对较破碎的岩体 也能应用。（1）岩体孔底应力解除法在孔底平 面粘贴3 应变片 应变花一个平面 有3个独立 的应力分 量工作步骤应变观测系统（2）套孔应力解除法原理要点 对岩体中某点进行应力量测时， 先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此 小孔中埋设钻孔传感器，再

9、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。孔径变形测试，孔壁应力解除法，均属于 套孔应力解除法。前者测试套孔应力解除 后的孔径变化；后者测试套孔应力解除后 的孔壁应变。其操作步骤和原理基本相同表面应力解除法直角应 变花等边三角 形应变花应力解除槽钻孔的深 度必须超 过开挖 影 响区，才 能测到岩 体内的原 始应力， 否则测出 的是二次 应力。工作步骤套孔应力解除工作步骤 套孔应力解除使用的传感器孔径变形测试采用位移传感器；孔壁应力 解除采用应变传感器。，孔径变形测 试传感器布置孔壁应力解除法传感器布置计算公式应力解除法，由测试数据换算成

10、应力， 根据测试参数的不同可以分为两类：(1)由 应变换算成应力；(2)径向位移换算成应力 。换算的基本理论和方法都在弹性力学中 学过，这仅以(2)为例。由孔径变形测试换算初始应力，在大多数 试验场合下，往往进行简化计算例如假定 钻孔方向和 一致，并认为 ，则（6-24）式中： -钻孔直径变化值 -钻孔直径-量测方向和水平轴的夹角-岩石弹性模量与泊松比在实际计算中，由于考虑到应 力解除是逐步向深处进行的， 实际上不是平面变形而是平面 应力，则有式中：式中： 分别为在0度，45度和90度三 个方向上同时测定的孔径变化。空间原始应力测试测试空间原始应 力 ，孔壁应变 法只须1钻孔， 孔底应变法和孔

11、 径变形法需要3 个钻孔四、应力恢复法 应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小 的一种测试方法，目前此法仅用于岩体表层 ，应力。当己知某岩体中的主应力方向时， 采用本法比较方便。如图6-18，当洞室某侧墙上的表层围岩应 力的主应力 方向各为垂直于水平 方向时，就可用到应力恢复法测得 的大 小。图6-18 应力恢复法原理图基本原理： 在侧墙上沿测点o，先沿水平方向开一个解除 槽，则在槽的上下附近，围岩应力得到部分 解除，应力状态重新分布。在槽的中心线OA 上的应力状态，根据H.N.穆斯海里什维里理 论，把槽看作一条缝，得到：（627）式中 OA线上某点B上的应力分量 B点离槽中心O的距离的倒数 。

12、 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 （628） 当压力枕所施加的力 时，这时B点的 总应力分量为 可见当压力枕所施加的力 时，则岩体中的应力状态已完全恢复，所求的应力 即由P值而得知，这就是应力恢复法的基本原 理。 实验过程 1. 在选定的试验点上，沿解除槽的中垂线上安装 好量测元件（见图6-19）2.记录量测元件应变计的读数。 3.开凿解除凿，岩体产生变形并记录应变计上 的读数。 4.在开挖好的解除凿中埋设压力枕，并用水泥 砂浆充填空隙。 5.待充填水泥浆达到一定强度后，即将压力枕 联接油泵，通过压力枕对岩体施压。随着压 力枕所施加

13、的力p的增加，岩体变形逐渐恢复 。逐点记录压力p与恢复变形的关系。6.假设岩体为理想弹性体，则当应变计回复到初 始读数时，此时压力枕对岩体所施加的压力p即 为所求岩体的主应力。如图6-20所示，ODE 为压力枕加荷曲线 ， 压力枕不仅加压到 初始读数（D点） ，即恢复了弹性 变形 ，而且 继续加压到E点，得 到全应变 ：由应力-应变曲 线求岩体应力图6-20由压力枕逐步卸载，得卸荷曲线EF,并得知，这样就可以求得产生全应变 所相应的弹性应变 与残余塑性 应变 之值。为了求得产生 所相应的 全应变量，可以作一条水平线KN与压力枕的OE和 EF线相交，并使MN= ,则此时KM就为残余 塑性应变 ，

14、相应的全应变量 由 就可知在OE线上求得C点，并求得与C点对 应的p值，即所求的 值。返回第四节 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规律实测垂直应力随深度的变化垂直应力 随深度线 性增加。 平均密度 约为 27KN/m3二、水平应力随深度的变化平均水平应力随深度而增加三、水平应力与垂直应力的比值K 在接近地表及浅层地层中，水平应力大于垂 直应力。但随深度增加就会出现K =1的状况 。四、两水平应力之间的比例返回第五节 高地应力地区的主要岩石力学问题一、研究高地应力问题的必要性 研究高地应力本事就是岩石力学的基本 任务。 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。 随着采矿深度的增加、我国中西部的开 发，尤其是水电工程建设，在高地应力 地区出现特殊的地压现象，给岩体工程 稳定问题提出了新课题。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）目前国际国内无统一的标准。（2）国内一般岩体工程以初始地应力在 20-30MPa为高地应力(大于800米深)。（3）由于不同岩石，弹性模量不同，岩石 的储能性能也不同。按工程岩体分级标 准（GB50218-94）： 称为极高 初始地应力， 为高地应力。 其中： 为岩石单轴饱和抗压强度；