第四章第四章 岩体地应力及其测量方法岩体地应力及其测量方法土木建筑学院荣传新本章内容：本章内容： 4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 地应力场的分布规律地应力场的分布规律4.3 4.3 高地应力区特征高地应力区特征4.4 4.4 地应力测量方法地应力测量方法授课学时：授课学时：4 4学时学时44- -1 1 概述概述 1 1、基本概念、基本概念 原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡状态的岩体，称为原岩平衡状态的岩体，称为原岩 围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，称为围岩称为围岩 原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，又称为地应力又称为地应力 原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布状原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布状态称为原岩应力场，又称为地应力场即未经采动的岩态称为原岩应力场，又称为地应力场即未经采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态体在天然状态下所具有的应力状态自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。
它是由岩体自重引起的生的应力它是由岩体自重引起的自重应力场：自重应力在自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态空间有规律的分布状态称为自重应称为自重应力场构造构造应应力力：由地由地质质构造作用构造作用产产生的生的应应力称力称为为构造构造应应力或地壳中壳中长长期存在着一种期存在着一种促使构造运促使构造运动发动发生和生和发发展的内在力量展的内在力量，这这就是构造就是构造应应力构造构造应应力力场场：构造构造应应力在力在空空间间有有规规律的分布状律的分布状态态称称为为构造构造应应力力场场1 1 基本概念基本概念诱导诱导应力（二次应力）应力（二次应力）: :岩体开挖扰动岩体开挖扰动了了原岩的自然平原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的变化后的应力应力称为诱导应力或二次应力称为诱导应力或二次应力 原岩应力原岩应力自重应力构造应力自重应力构造应力 迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态 1 1 基本概念基本概念2 2、地应力的成因、组成成分和影响因素、地应力的成因、组成成分和影响因素一、地应力的成因一、地应力的成因 (1)大陆板块边界受压引起的应力场大陆板块边界受压引起的应力场(2)地幔热对流引起的应力场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(4)岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入引起的应力场(5)地温梯度引起的应力场地温梯度引起的应力场(6)地表剥蚀产生的应力场地表剥蚀产生的应力场二、自重应力和构造应力二、自重应力和构造应力（1 1）岩体的自重应力）岩体的自重应力在均匀岩体中，深度为在均匀岩体中，深度为z z处的岩体的竖向自重应力为：处的岩体的竖向自重应力为：在半无限体中任一微元体上的正应力均在半无限体中任一微元体上的正应力均为主应力，且有为主应力，且有得：得：其中其中为岩体静止侧压力系数。
为岩体静止侧压力系数根据虎克定律：根据虎克定律：在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：对于均质成层岩体：对于均质成层岩体：对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：则有则有 ：岩体自重应力的特点：岩体自重应力的特点：（a）水平应力）水平应力x、y小于垂直应力小于垂直应力z ；（b） x、y、z均为压应力；均为压应力；（c） z只与岩体密度和深度有关，而只与岩体密度和深度有关，而 x、y还同时与岩体还同时与岩体弹性常数弹性常数E、有关；有关；（d）结构面影响岩体自重应力分布结构面影响岩体自重应力分布在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，=0.200.35,在深部，在深部，岩体转入塑性状态，岩体转入塑性状态， =0.50 ，1，则有：则有： x= y= zz各向等压的应力状态，又称为静水压力状态各向等压的应力状态，又称为静水压力状态著名的著名的海姆假说（瑞士地质学家海姆假说（瑞士地质学家1878）（2 2）构造应力构造应力 a a、构造应力场的概念、构造应力场的概念 构造应力：构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。
由地质构造作用产生的应力称为构造应力或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力量，这就是构造应力 岩体构造应力是构造运动中积累或剩余的一种分布力岩体构造应力是构造运动中积累或剩余的一种分布力 构造应力场是构造运动中积累或剩余的一种应力场，相对构造应力场是构造运动中积累或剩余的一种应力场，相对于人类活动时期而言，除构造活动区外，它是剩余应力场于人类活动时期而言，除构造活动区外，它是剩余应力场b b、构造运动的起因、构造运动的起因 地质学家分析地球表层（包括地壳和地幔）结构及其运动规地质学家分析地球表层（包括地壳和地幔）结构及其运动规律和发展，提出了各种大地构造学说，最具代表的是地质力学学律和发展，提出了各种大地构造学说，最具代表的是地质力学学说和板块构造学说说和板块构造学说 (a)、地质力学学说、地质力学学说 该学说认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力：该学说认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力：一种是经向水平离心力；一种是纬向水平惯性力一种是经向水平离心力；一种是纬向水平惯性力这两种力是引这两种力是引起地壳岩体中出现构造应力的根本原因。
大量的实测资料说明岩起地壳岩体中出现构造应力的根本原因大量的实测资料说明岩体中水平应力大于垂直应力，说明构造应力以水平应力为主体中水平应力大于垂直应力，说明构造应力以水平应力为主b)、板块构造学说、板块构造学说 该学说认为板块运动的核心是海底扩张海底扩张是由于地幔该学说认为板块运动的核心是海底扩张海底扩张是由于地幔对流引起的对流引起的44- -2 2 地地应力分布规律应力分布规律目前，原岩应力的实测深度达目前，原岩应力的实测深度达30003000m m在这一深度内，原岩应力变化在这一深度内，原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：规律大致可归纳为以下几点：一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场, ,它是时间和空间的函数它是时间和空间的函数. .二、实测垂直应力二、实测垂直应力v v基本上等于上覆岩层的重力基本上等于上覆岩层的重力 在在252527002700m m深度内，深度内，v v 随深度线性增加，大致相当于按平均随深度线性增加，大致相当于按平均重度重度=27kN/m=27kN/m3 3计算出来的重力计算出来的重力HH, ,即即 v v2727H H三、水平应力三、水平应力H H普遍大于垂直应力普遍大于垂直应力v v, ,即即 侧压力系数侧压力系数H H/v v 1;1; 四、平均水平应力四、平均水平应力H与垂直应力与垂直应力v 的比值随深度增加而减的比值随深度增加而减小。
小五、最大、最小水平主应力随深度线性增加：五、最大、最小水平主应力随深度线性增加： HmaxHmax6.76.70.0444H(Mpa)0.0444H(Mpa) HminHmin0.80.80.0329H(Mpa)0.0329H(Mpa)六、两个水平应力的关系一般有六、两个水平应力的关系一般有七、地应力的分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、岩体结七、地应力的分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大是地形和断层的扰动影响最大 地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平行；行； 断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向4-3 高地应力区特征高地应力区特征n4.3.1 高地应力判别准则和高地应力现象n 1高地应力判别准则n 高地应力是一个相对的概念。
由于不同岩石具有不同的弹性模量，岩石的储能性能也不同一般来说，地区初始地应力大小与该地区岩体的变形特性有关，岩质坚硬，则储存弹性能多，地应力也大因此高地应力是相对于围岩强度而言的也就是说，当围岩内部的最大地应力与围岩强度(Rb)的比值达到某一水平时，才能称为高地应力或极高地应力即n2、高地应力现象n（1）岩芯饼化现象n（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的过程中时有岩爆发生岩爆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n (3)探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形，在中等强度以下的岩体中开挖探洞或隧洞，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洞体则产生较大的变形，位移显著，持续时间长，洞径明显缩小n (4)岩质基坑底部隆起、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底突然隆起、断裂，并伴有响声；或在基坑底部产生隆起剥离在岩体中，如有软弱夹层，则会在基坑斜坡上出现回弹错动现象n(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。
4.3.2 岩爆及其防治措施n围岩处于高应力场条件下所产生的岩片(块)飞射抛撤，以及洞壁片状剥落等现象叫岩爆岩体内开挖地下厂房、隧道、矿山地下巷道、采场等地下工程，引起挖空区围岩应力重新分布和集中，当应力集中到一定程度后就有可能产生岩爆在地下工程开挖过程中，岩爆是围岩各种失稳现象中反映最强烈的一种它是地下施工的一大地质灾害由于它的突发性，在地下工程中对施工人员和施工设备威胁最严重如果处理不当，就会给施工安全、岩体及建筑物的稳定带来很多困难，甚至会造成重大工程事故n由于岩爆是极为复杂的动力现象，至今对地下工程中岩爆的形成条件及机理还没有形成统一的认识有的学者认为岩爆是受剪破裂；也有的学者根据自己的观察和试验结果得出张破裂的结论；还有一种观点把产生岩爆的岩体破坏过程分为：劈裂成板条、剪(折)断成块、块片弹射三个阶段式破坏n1.岩爆的类型、性质和特点n岩爆的特征可从多个角度去描述，目前主要是根据现场调查所得到的岩爆特征，考虑岩爆危害方式、危害程度以及对其防治对策等因素，分为破裂松脱型、爆裂弹射型、爆炸抛射型n(1)破裂松脱型n 围岩成块状、板状、鳞片状，爆裂声响微弱，弹射距离很小，岩壁上形成破裂坑，破裂坑的深度主要受围岩应力和强度的控制。
n(2)爆裂弹射型n 岩片弹射及岩粉喷射，爆裂声响如同枪声、弹射岩片体积一般不超过0.33m3，直径510cm洞室开凿后，一般出现片状岩石弹射、崩落或成笋皮状的薄片剥落，岩片的弹射距离一般为25m岩块多为中间厚，周边薄的菱形岩片n(3)爆炸抛射型n 岩爆发生时巨石抛射，其声响如同炮弹爆炸，抛射岩块的体积数立方米到数十立方米，抛射距离几米到十几米 n此外，也有把岩爆分为应变型、屈服型及岩块突出型的n应变型，指坑道周边坚硬岩体产生应力集中，在脆性岩石中发生激烈的破坏，是最一般的岩爆现象；n屈服型，指在有相互平行的裂隙的坑道中，坑道壁的岩石屈服，发生突然破坏。