第1节 初始应力状态的概念和意义第2节 组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算 第3节 岩体初始应力状态的现场测量方法 第4节 岩体初始应力状态分布的主要规律第5节 高地应力地区的主要岩石力学问题,第六章 岩体的初始应力状态,本章重点：岩体的初始应力状态的概念、计算及现场测量方法初始应力状态的概念,岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的重要因素2、初始应力（地应力）的成因,1)大陆板块边界受压引起的应力场,式中 ， 为上覆岩层的容重，H为深度 重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化2)地幔热对流引起的应力场,3)由地心引力引起的应力场 由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够 计算的应力场地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即,4)岩浆侵入引起的应力场,地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用剥蚀后，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度所引起的自重应力还要大得多的水平应力值。
因此，在某些地区，大的水平应力除与构造应力有关外，还和地表剥蚀有关岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围地层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂的熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等的均匀压力，但是炽热的岩浆侵入后即逐渐冷凝收缩，并从接触界面处逐渐向内部发展不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程 与上述三种应力场不同，由岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场地层的温度随着深度增加而升高，一般温度梯度为3/100m由于温度梯度引起地层中不同深度不相同的膨胀，从而引起地层中的压应力，其值可达相同深度自重应力的数分之一另外，岩体局部寒热不均，产生收缩和膨胀，也会导致岩体内部产生局部应力场6)地表剥蚀产生的应力场,5)地温梯度引起的应力场,3、研究初始应力（地应力）的意义,1) 初始应力与区域稳定的关系,从工程地质观点看，地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害任何地区现代构造运动的性质和强度，均取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质从岩体力学观点出发，地震是岩体中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,地区的地震地质条件(尤其是岩体天然应力条件),水库水体重量作用,库水引起断裂构造带中水压力增大,岩体物理力学性质的改变,天然应力状态与岩体稳定性关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。
2) 初始应力与岩体稳定性的关系,岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源a）地下洞室,通常把应力的这种变化叫应力重分布，把应力重分布影响范围的岩体叫围岩围岩内的应力叫围岩应力（二次应力）洞室的开挖引起围岩的应力和变形，这不仅会影响洞室本身的稳定状态，而且为了维持围岩的稳定，必须进行人工支护，建造一定的支护结构或衬砌，合理地设计支护结构，确定经济合理的衬砌尺寸，都与岩体的初始应力状态紧密相关这种应力降低和升高的程度随着远离硐室逐渐减弱，到达一定距离后基本无影响硐室开挖后,周围岩石,径向发生伸长变形,切向发生压缩变形,径向上的压缩应力降低,切向上的压缩应力升高,天然应力状态的影响，主要取决于垂直洞轴方向的水平天然应力 和铅直天然应力 的比值，以及它们的绝对值大小从理论上讲，对于圆形洞室来说，当天然应力绝对值不大时： / 1时，围岩的重分布应力较均匀，围岩稳定性好； / 1/3时，洞室顶部将出现拉应力，洞侧壁将会出现大于2.67 的压应力，可能在洞顶拉裂掉块，洞侧壁内鼓张裂和倒塌如果地区的铅直应力为最小主应力，由于 / 1，所以洞轴线与最大主应力方向一致的洞室围岩稳定性，要较轴线垂直于最大主应力方向的洞室围岩稳定性好。
例如，前苏联希宾地块拉斯武姆齐尔矿在挖掘主巷道与辅助巷道时，曾出现了非常强烈的岩爆研究表明，岩爆发生在弹脆性的霓霞石 磷霞岩组成的水平巷道顶面，而且最强烈的岩爆出现在南北方向的主巷道中，而东西方向巷道中几乎没有该矿的岩体应力量测结果表明，南北方向巷道 / 比值约为2.54.3，东西方向巷道 / 比值约为0.831.0因此，该区南北向巷道轴线近似垂直最大主应力方向， / 比值较大，且应力绝对值也较大，是导致该区南北向巷道顶板发生岩爆的根本原因当 / 1.0，且应力达到一定数值时，围岩将具有较大承受内水压力的承载力可资利用因此，岩体中具有较高天然水平应力时，对有压隧洞围岩稳定有利b）有压隧道,总之，岩体的天然应力状态，对工程建设有着重要意义为了合理地利用岩体天然应力的有利方面，根据岩体天然应力状态，在可能的范围内合理地调整地下洞室轴线、坝轴线以及人工边坡走向，较准确地预测岩体中重分布应力和岩体变形，正确地选择加固岩体的工程措施因此，对重要工程，均应把岩体天然应力量测与研究当作一项必须进行的工作来安排 另外，地应力状态对油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。
如开挖基坑或边坡，由于开挖卸荷作用，将引起基坑底部发生回弹隆起，并同时引起坑壁或边坡岩体向坑内发生位移或开挖地基中由于断层的出现，导致基坑底面沿断层错开基坑岩体回弹隆起、位错和变形的结果，将使地基岩体的透水性增大，力学性能恶化，甚至使建筑物变形破坏c）对地表工程而言,第2节 组成岩体初始应力状态的 各种应力场及其计算,岩体自重应力场及其计算 岩体的构造应力场 影响岩体初始应力状态的其他因素,修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应力)是泊松效应的结果，其值应为 乘以一个修正系数他根据弹性力学理论，认为这个系数为 ，,1、岩体自重应力场及其计算,1）海姆假说,式中 ，,为水平应力；,为垂直应力；,为上覆岩层的容重；H为深度2）1926年，苏联学者金尼克,即：,则,为常数，称为侧压力系数为垂直应力；,若把岩体视为各向同性的弹性体，由于岩体单元在各个方向都受到与其相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即 则由广义虎克定律，可以求出 及 ：,为水平应力；,2）1926年，苏联学者金尼克,侧压力系数,由以上公式可知，岩体的自重应力随深度呈线性增长在一定深度范围内，岩体基本上处于弹性状态。
当埋深较大且超过一定深度时，岩体的自重应力就会超过其弹性限度，岩体转化为塑性状态在三向等压状态下，大多数岩石处于弹性状态，在三向不等压状态下， 超出屈服应力时，岩石呈现明显的塑性特性；而在单向应力状态下，岩石大多数呈脆性状态实际上，一般把破碎岩体看作为具有一定粘聚力的松散介质，则 和 的关系为,为松散岩体的内摩擦角3）岩体由松散的碎石、砂及卵石组成,式中 ，,一般 为300左右，,为松散岩体的粘聚力式中 ，,所以，具有粘聚力的松散岩体，只有在H0以下，侧向应力才开始出现，并随深度成正比增加岩体构造应力场：一定区域内具有成生联系的各种构造形迹在不同部位应力状态的总体2、岩体构造应力场,目前 ，岩体的构造应力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，岩体应力量测工作费用昂贵，一般中小型工程或在可行性研究阶段，天然应力的量测不可能进行因此，在无实测资料的情况下，如何根据岩体地质构造条件和演化历史来估算岩体中天然应力所以，岩体的构造应力场是时间和空间的函数，是随构造形迹的发生发展而变换的非稳定应力场但就人类工程活动的时间与构造形迹的形成时间相比，可以近似地、相对地把构造应力场看成是不随时间而变化，只随空间而变化的应力场。
岩体地质构造应力,岩体的特性(如岩体中的裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等),历次构造运动,现今构造运动,形成的各种地质构造现象(例如断层、褶皱等),在地形比较平坦，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这一结论的证据是：在岩体中发育有倾角为600左右的正断层，而正断层形成时的应力状态是铅直方向为最大主应力，水平方向作用有最小主应力(左图)，岩体中倾角为300左右的逆断层存在，表明逆断层在形成时的应力状态是垂直方向为量小主应力，水平方向作用有最大主应力(中图)1）垂直天然应力估算,(a)不适用沟谷附近的岩体因为沟谷附近的斜坡上，最大主应力平行于斜坡坡面最小主应力垂直于坡面，且在斜坡表面上，其值为零 (b)不适用于经强烈构造变动的岩体如在褶皱强烈的岩体中，由于组成背斜岩体中的应力传递转嫁给向斜岩体所以，背斜岩体中铅直应力常比岩体自重要小，甚至于出现等于零的情况而向斜岩体中，尤其在向斜核部，其铅直应力常比按自重计算的值大60左右，这已为实测资料所证实如果已知 值，而水平天然应力可以由 估算2）水平天然应力估算,在经历多次构造运动的岩体中，由于岩体经历了多次卸荷、加荷作用，因此 下面讨论几种简单的情况。
考虑在某深度H0的一个岩石单元，该处的侧压力系数的初始值为 上覆岩体剥蚀了厚度 ，使岩石单元受到卸载作用(图65)卸载后，垂向应力 减小了 ， 水平应力 则减少了 a）隆起、剥蚀卸荷作用对 值的影响,(一)岩体隆起剥蚀作用的结果，使岩体中天然应力比值系数增大了 (二)如果在地质历史时期中，岩体遭受剥蚀的厚度达到某一临界值以后，则将会出现 1的情况大量的实测资料也表明，在地表附近的岩体中，常出现 1的情况，说明了这一结论此时，岩石单元的侧压力系数为：,在地壳表层岩体中，常发育有正断层和逆断层正断层形成时的应力状态是： 为垂直， 为水平因此,（b）断层作用对 值的影响,由库仑强度准则知，正断层形成时的破坏主应力与岩体强度参数间关系为,即,因此，正断层形成的天然应力比值系数 为：,同理可得逆断层形成的天然应力比值系数一）地形,3、影响初始应力状态的其它因素,（一）地形,3、影响初始应力状态的其它因素,（二）地质条件,3、影响初始应力状态的其它因素,（三）水压力和热应力,第3节 岩体初始应力状态的现场测量方法,水压致裂法 应力解除法应力恢复法（扁千斤顶法）,水压致裂法,一、水压致裂法的原理与步骤,一、水压致裂法的原理与步骤,初始压裂压力,稳定开裂压力,关闭压力,开启压力,岩体内孔隙水压力或地下水压力,大量室内和现场试验证明，钻孔壁在液压下的初始开裂都经常是垂直的。
所以，水压致裂法的计算基本理论是以垂直向的地应力 为主应力之一，则其它两个地主应力为在水平面的平面内当孔壁出现垂直裂缝时，设孔周两个水平地应力分别为 和 ，孔壁还受有水压 (图612)此时，钻孔周围岩体内应力为：,二、基本理论和计算公式,当 时，即在孔壁处，则,二、基本理论和计算公式,当 时，即在孔壁处，则,当 时， 有最小值，则,按最大拉应力理论，有 时，孔壁开裂， 为岩体抗拉强度则孔壁开裂的应力条件：,当岩体中有孔隙水压力 时，上式变为,（1）,在关闭压力 这一特征点上，孔壁已开裂过，即 ，此时 等于与裂隙面垂直的应力，即,二、基本理论和计算公式,若岩体在水压力下已经开裂，岩体裂缝的扩展使水压由 下降至 （稳定开裂压力）停泵后水压继续下降至 （关闭压力）若水泵重新加压使裂缝重新开启时，压力为 （开启压力），此时，上式变为：,（1）,（2）,比较式（1）和（2），可得,（3）,（4）,至此，我们已经通过图(6-11)上的各特征点压力及理论分析求得主应力及岩体抗拉强度：,三、水压致裂法地应力的确定,1、将 作为主应力之一开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定 的方位或 的方位，所以三个地主应力的方位也可以相应确定。
若 ，则,2、若 ，且孔壁开裂后孔内岩体出现水平裂缝，,若 ，将 与 比较，即可确定三个主。