《岩体力学课件--第七章岩体的初始应力背景为黑色》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩体力学课件--第七章岩体的初始应力背景为黑色（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/3/2,课件,1,1. 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,基本要求,第六章 岩体的初始应力状态,2019/3/2,课件,2,1 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 力，地质作用残存的应
2、力统称为构造应力。,2019/3/2,课件,3,研究岩体初始应力状态的工程意义： 正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化 合理设计地下工程的支护尺寸,2019/3/2,课件,4,2、 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：,2019/3/2,课件,5,x=1/Ex -（ y + z ）=0 y=1/E
3、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),2019/3/2,课件,6,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）
4、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。,2019/3/2,课件,7,（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,2019/3/2,课件,8,2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,Z0,K0Z0,2019/3/2,课件,9,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
5、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。,2019/3/2,课件,10,三、影响岩体初始应力状态的其他因素 （一）地形 山谷谷底的应力很大: 与岩体的均质程度有关（图6-6 ) 地形对岩体初始应力影响的另一特征: (图6-7）,2019/3/2,课件,11,（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
6、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,2019/3/2,课件,12,3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6-1,2019/3/2,课件,13,二、水压致裂法 （一）方法
7、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。,图6-11 压力过程泵压变化 及特征压力,2019/3/2,课件,14,（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)+ Pb a2/r2 +1/2(1h - 2h)(1- 4a2/r2 + 3a4/r4)cos2 =1/2(1h
8、+ 2h)(1+a3/r2)- Pb a2/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：,2019/3/2,课件,15,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： 32h 1h Pb +T0=0 （6-17） 或1h =32h Pb +T0 （6-18） 如果岩体中有孔隙水压力Pw时，则式6-18）变为： 1h =32h Pb +T0 P
9、w （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 =32h Pb0 Pw （6-20）,2019/3/2,课件,16,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 =Pso Pb Pb0 =T0 （6-23） 1h =32h Pb +T0,2019/3/2,课件,17,（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力 水压
10、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z1，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。,2019/3/2,课件,18,（四）水压致裂法的特点,2019/3/2,课件,19,（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
11、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。,2019/3/2,课件,20,图6-13 （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）,2019/3/2,课件,21,（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
12、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,6667）,2019/3/2,课件,22,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
13、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。,2019/3/2,课件,23,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(12)(1-2)cos21/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。,2019/3/2,课件,
14、24,四、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),式中：1x,yOA线上某点B的应力分量,2019/3/2,课件,25, 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
15、+2x=2 y=1y+2y=1 主要试验过程简述： 15略,2019/3/2,课件,26,主要试验过程简述(略),由应力应变曲线求岩体应力,1=1e+1p=GF+FO o=op+oe=KMtMN oC1 求出,2019/3/2,课件,27,4 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,2019/3/2,课件,28,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： 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,2019/3/2,课件,29,二、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）
