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1、第三讲 岩体的初始应力状态一、内容提要：本讲主要讲述岩体初始应力的基本概念、量测方法及岩体初始应力状态的分布规律；二、重点、难点：岩体初始应力场及其计算；岩体初始应力的影响因素；岩体初始应力的分布规律；对于岩体初始应力水压致裂法及应力解除法的基本原理作一般了解；三、内容讲解：一、岩体初始应力的基本概念(一)初始应力状态的概念与意义所谓岩体的初始应力，是指在天然状态下存在于岩体内部的应力。在地质学中，通常又称它为地应力。岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的。显然，岩体的地质构造应力是与岩体的特性(例如岩体中的裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等)有密切关系，也与正在发生
2、过程中的地质构造运动以及与历次构造运动所形成的各种地质构造现象(例如断层、褶皱等)有密切关系。因此，岩体中每一单元的初始应力状态都是随该单元的位置不同而有所变化。此外，影响岩体初始应力状态的因素还有地形、地震力、水压力、热应力等，但这些因素所产生的地应力，大都是次要的，只是在特定的情况下才需考虑。因此，对于岩石工程来说，主要应考虑自重应力和地质构造应力。【例题1】下列各项有关岩体初始应力的叙述，正确的选项为（）。A.岩体的初始应力是由岩体的自重和地质构造运动引起的；B.地形、地震力、水压力、热应力等因素不会产生地应力；C.岩体中每一单元的初始应力状态与该单元的位置无关；D.对于岩石工程而言，主
3、要应考虑自重和地质构造应力；答案: D【例题2】岩体的的初始应力主要由下列哪些因素引起（）。A.地震力B.热应力C.地形D.构造运动答案: D地面和地下工程的稳定状态与岩体的初始应力状态密切相关。岩体在开挖以后，改变了岩体的初始应力状态，使岩体应力重新分布，有可能使得岩体中某些部位形成应力集中，从而引起岩体的变形或破坏。对于地下洞室工程来讲，我们把与洞室本身稳定性密切相关的岩体称为围岩。洞室的开挖引起围岩的应力变化，这将影响洞室本身的稳定状态。而且为了维持围岩的稳定，岩体工程能正常运营，必须进行人工支护。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。所以，研究岩体
4、的初始应力状态，就是为了正确地确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化，合理地设计岩体工程的加固措施。(二)岩体初始应力场及其计算1.岩体自重应力场岩体自重应力场的计算，大都是建立在假定岩体为均匀连续介质基础之上的。因此，可以应用连续介质力学的原理来计算岩体的自重应力场。设岩体为半无限体，地面为水平面，距地表深度为H处，有一单元体，其上作用的应力【例题3】某场地土层自地表以下20m深度范围内均为粉质粘土，地下水位在地表以下10m处，水位以上土的天然重度 18.6KN/m3，饱和重度为20.1 KN/m3，试确定：1、地表以下10m处土的自重应力值为（）。A.186kpaB. 201kpaC. 86
5、kpaD. 101kpa答案：A2、地表以下15m处土的有效自重应力值为（）。A.279kpaB. 302kpaC. 129kpaD.237kpa答案：D【例题4】在地下某深度处，岩体自重应力场中，垂直应力为2000kpa，水平应力为500kpa，则该深度处的侧压力系数为( )。A.1B.0.75C.0.5D.0.25答案：D若岩体由多层不同重力密度的岩层所组成(图15-3-2)。每层岩层的厚度依次为hl，h2，hi，hn，各层的重力密度依次分别为 y1， y2， yi，yn，则岩体的自重初始应力为:国外有资料说明，工程的现场量测结果中，侧压力系数并不符合海姆假说。这种情况往往与地质构造应力有
6、密切关系。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：【例题6】对于理想的松散岩体，其侧压力系数的大小只与岩体的（）有关。A.泊松比B.粘聚力C.内摩擦角D.重力密度答案：C【例题7】对于理想的松散岩体，其侧压力系数的大小为（）。A.1B.0.5C.0.33D.0.25答案：C实际破碎岩体一般不能视为理想松散介质，而把它看作为具有一定粘聚力的松散介质。2.岩体的构造应力场地壳的各种地质构造是在大范围内的巨大的地质构造应力场作用下发生和形成的。在各个不同的地质年代里，都有不同的地质构造运动发生，地质构造运动过程一般
7、需要很长时间。在同一个地区，一个构造运动结束之后，或者就在这个构造运动发生的过程中，又有新的构造运动发生，就会形成新的构造应力场与老构造应力场的叠加，形成复杂的复合构造应力场。各种复杂的地质构造就是在长期的地质构造运动作用下形成的。由于地质构造运动，岩体经受了相当大的外力作用，形成了各种地质构造，例如向斜、背斜和各种褶皱，以及产生断裂而形成各种节理及断层等。在地质构造应力场作用下，使岩体产生弹性变形和塑性变形，因而使岩体中储存着弹性能，岩体的塑性变形使部分能量转化为热能与位能，或者由于岩体的流变特性，使得构造应力场中的地质构造应力得以部分释放。因此，在地质构造运动中，岩体中储存的能量是通过弹性
8、变形才能达到的，岩体的弹性变形越大，则岩体储藏的能量就越多。当岩体中的应力达到强度极限，岩体产生破坏。除岩体中保存一部分残余变形外，其储存的能量将部分或全部释放，构造应力也就部分或全部消失。若岩体中的应力尚未达到强度极限，但由于岩体的流变特性，也会使构造应力部分消失。因此，地质构造运动产生地质构造应力，但岩体中储存的构造应力不可能无限地积累起来，视所处地区不同或地质条件不同，岩体的构造应力可能全部或部分释放，成为残余应力。【例题9】在地质构造运动过程中，岩体当中的储存的能量是通过哪种方式形成的（）。A.弹性变形B.塑性变形C.流动变形D.残余变形答案：A【例题10】岩体当中的残余应力属于（）。
9、A.自重应力B.构造应力C.地震力D.热应力答案：B因此，岩体构造应力可以分为现代构造应力及地质构造残余应力。由于地壳是处于不断运动之中，仅仅是存在相对活跃期或静止期，所以，要在岩体中区分哪些是现代构造应力和残余应力，就目前的认识水平而言，实际上是不可能的。目前，岩体的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，构造应力场的方向可以根据地质力学的方法加以判断。因为各种形态不同的地质构造是各地质历史时期的构造运动的产物。地质构造的遗迹，例如断层、褶曲等保留在岩体中，它的走向与形成时的应力有一定的关系。根据各种地质构造的分布和组成规律，分析历次构造运动，特
10、别是近期构造运动，确定最新构造体系，进行地质力学分析，就可以根据构造线确定构造应力场的主轴方向。根据地质构造和岩石强度理论，一般认为自3岩体初始应力的影响因素1)地形地形的起伏影响岩体内的自重应力。但这种地形的影响只是在地表下一定深度范围内较明显。如图15-3-6所示。山谷的谷底的应力由于凹口的应力集中而很大。在均质岩层中(图15-3-6(a)，凹口的应力集中现象还比较规则，而在非均质岩层中，岩体中的应力变化还会随岩性的变化而变得更复杂(图15-3-6(b)。图15-3-7显示了地形对岩体初始应力影响的另一特征。即在水平地表附近的地应力，其主应力几乎与地面线平行，第一主应力为沿地面方向，与第二
11、、三主应力有较大差异；在深处，则呈静水压力状态见图(15-3-7(a)。而斜坡的垂直方向上应力则几乎等于零。在斜坡上的局部上凸部位，其应力急骤减小，而在斜坡下凹地方则应力增大。在山谷的尖槽底下，则现场应力会很大，接近或达到岩石强度。见图15-3-7(b)【例题12】由于地形的起伏影响岩体内的自重应力，在山谷的下列各个部位，地应力最大的是（）。A.谷底B.斜坡C.山顶D.斜坡上凸处答案：A2)地质条件对自重应力的影响地质构造对自重应力也有影响。图15-3-8所示为背斜褶曲的影响，在褶曲两翼显示出应力增大，而在褶曲中部则应力降低。也可以推测，在向斜的两翼会出现应力降低、而在向斜核部显示出应力增大的
12、现象。【例题13】在背斜褶曲中，初始应力最大的部位是（）。A.翼的端部B.翼的中部C.褶曲中部D.褶曲部位答案：B【例题14】在向斜褶曲中，初始应力最大的部位是（）。A.翼的端部B.翼的中部C.褶曲中部D.褶曲部位答案：C图15-3-9所示为断层对自重应力的影响。由于断层两侧的岩块形成了应力传递，使上大下小的楔体A产生了卸荷作用，致使地应力降低；而下大上小的楔体B产生了加荷作用，致使应力升高。同时也产生了山峰处地应力低、沟谷处地应力高的现象。3)水压力和热应力存在于岩体裂隙或孔隙中的水，静止时呈现静水压力，流动时产生动水压力。在通常情况下，静水压力只是起到减轻岩体质量的浮力作用，浮力的大小等于
13、水的密度与所考虑点的水头高度的乘积。岩体中地下水位的升降，可引起岩体重量的减少或增加，因此，静水压力要视具体情况具体分析其产生的作用。动水压力是指地下水在水头差的作用下，沿岩体的裂隙或孔隙流动时，给予周围岩块表面的动水摩擦力和动水流向应力。这种力对岩体工程的影响较小，一般可不予考虑。【例题15】对于岩体工程而言，应考虑的水压力为（）。A.静水压力B.动水压力C.静水压力和动水压力答案：A岩体受局部加温或冷却会产生膨胀或收缩，这样，会在岩体内部产生热应力。例如，无论是大块侵入岩体还是侵入岩流或小型岩脉，岩浆融流都会使周围岩体受热膨胀，周围岩体限制受热岩体的膨胀，从而在岩体中增加了热应力；当冷却时
14、，又会产生收缩，这样，会在岩体内部造成一些成岩裂隙(例如玄武岩的柱状节理)，并在岩石本身及周围岩体中保留部分残余热应力。此外，随着岩体的埋深增加，地温也会逐渐上升，地温升高也会使岩体内部地应力增加，一般地温梯度 =3l00m，岩体的体膨胀系数 约为10-5，一般弹性模量E=104MPa，所以，地温梯度引起的温度应力约为式中，H为研究点深度(m)。岩体的地温应力是压缩应力，并随深度增加。在深度相同的情况下，约为垂直重力应力的19左右，并且呈静水压力状态【例题16】岩体的地温应力是压缩应力，随深度的变化规律为（）。A.增加B.减小C.不变D.以上三种均可产生答案：A二、岩体初始应力量测方法简介(一
15、)岩体应力现场量测方法概述岩体应力现场量测的目的是在于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。岩体应力量测还可以是预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具。岩体应力量测可以分为岩体初始应力量测和地下工程应力分布量测。前者是为了测定岩体初始地应力场，后者则为测定岩体开挖后引起的应力重分布状况。从岩体应力现场量测的技术来讲，这二者并无原则区别，只是要求前者的测点，布置在未受开挖而产生影响的岩体内。岩体应力量测可以在钻孔中、露头上和地下洞室的岩壁上进行，也可以在地下工程中根据两点间的位移来进行反算而求得。通常应用较多的三种方法是应力解除法、应力恢复法和水压致裂法。每种
