第6章岩体天然应力

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1、第第6 6章章 岩体天然应力岩体天然应力2011.5.22011.5.21 概述概述2 岩体中天然岩体中天然应力的分布力的分布规律律3 岩体天然岩体天然应力力测量量4 岩体中天然岩体中天然应力的估算力的估算5 岩体天然岩体天然应力力场的回的回归分析分析6 高地高地应力的若干特征力的若干特征1 概述概述一、定义一、定义1.天然应力天然应力(地应力、初始应力等）人类工地应力、初始应力等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。程活动之前存在于岩体中的应力。 2.重分布应力重分布应力（二次分布应力、附加应力等）（二次分布应力、附加应力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。由于工程活动改变了的岩体中的应力

2、。 重分布应力+ + + + + + + +天然应力 相对于第2洞室的天然应力二、天然应力的研究历史及意义二、天然应力的研究历史及意义1、研究历史、研究历史 国际：国际：最早的地应力模型是1912年瑞士地质学家Haim提出的各向等压假说，认为水平地应力和垂直地应力相等，且均等于上覆岩层的单位重量1926年前苏联学者金尼克根据线弹性理论修正了海姆的静水压力假设，即认为水平地应力大小应取决于当前岩层的泊松比，水平地应力与垂直地应力之比为/（1-)1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力 .20世纪50年代,哈斯特利用压磁应力计在瑞典拉伊斯瓦尔铅矿和斯堪的纳维亚半岛4个

3、矿区进行了大规模地应力测量,并首次发表了近地表地层中的实测水平应力高于垂直应力的成果,此后地应力测量才迅速在欧洲、北美洲、南澳洲和亚洲开展.1957年，美国哈伯特和威利斯提出用水压致裂法测量岩体天然应力的理论。1975年，盖依等人根据岩体应力的实测数据的分析，提出了临界深度的概念，即认为在该深度以上，水平应力大于垂直应力；在该深度以下，水平应力小于垂直应力。临界深度随地区不同而不同。目前地应力测点遍布全球，有几十万个。大部分是浅目前地应力测点遍布全球，有几十万个。大部分是浅部，最深部，最深5108米米(美国密执安水压致裂法美国密执安水压致裂法)。国内：国内：我国地应力测量与研究起于20 世纪5

4、0 年代末,李四光和陈宗基为主要创始人,首次于19621964年在三峡平善坝址获得了岩体面应力实测结果. 1964年在大冶铁矿进行了国内首次应力解除法测量. 到了70年代后,我国地应力测量快速发展。1980年10月在河北易县首次成功进行了水压致裂法地应力测量,现测量深度已突破2 000 m. 1984年引进并改进了瑞典的深钻孔水下三向应变计,使其最大测量深达530 m. 之后,空心包体应变计研制成功.国际上对深钻、超深钻的划分标准 （3 000 m以下为中浅钻, 5 000 m以上为超深钻）,我国还停留在中浅钻孔地应力测试水平.2 研究意义研究意义三、天然应力的成因三、天然应力的成因2 岩体中

5、天然岩体中天然应力的分布力的分布规律律一、地壳中主应力以压应力为主，方向基本上是垂直和水平的。二、天然应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，是时间和空间的函数。三、垂直天然应力四、水平天然应力五、天然水平应力与垂直应力的比值天然应力比值系数（地应力测压系数）天然应力比值系数（地应力测压系数）与深度的关系与深度的关系 六、一个相当大的区域内，最大主应力方向是相对稳定的 七、区域构造场常常决定局部点的主应力 河谷构造应力的主要部分随剥蚀卸载很快释放掉。接近河谷岸坡表面存在的地应力分布差异很大。已经发现在接近河谷岸坡表面部分为岩石风化和地应力偏低带，往下则逐渐过渡到地应力平稳区。八、天然应力状态

6、3 岩体天然岩体天然应力力测量量一、应力恢复法（扁千斤顶法）基本原理二、套心法（钻孔套心应力解除法）类型据据传传感感器器和和测测量量物物理理量量不不同同理论计算缺点三、水压致裂法是国际岩石力学学会试验方法委员会推荐的岩石应力测量方法（一）水压致裂法基本原理 利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度封隔一段钻孔，然后泵入液体对该段钻孔施压，直至压裂，根据压裂参数计算地应力。4 岩体中天然岩体中天然应力的估算力的估算一、垂直天然应力估算二、水平天然应力估算1、隆起、剥蚀卸载作用对 值的影响2、断层作用对 值的影响 在地壳表层岩体中，常发育有正断层和逆断层。在地壳表层岩体中，常发育有正断层和逆断

7、层。正断层形成时的应力状态是：正断层形成时的应力状态是：1为铅直，为铅直，3为为水平，因此水平，因此 由库伦强度判据知：正断层形成时的破坏主应力与岩体由库伦强度判据知：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因此，正断层形成的天然应力比值系数aa为：为：逆断层形成时的应力状态为：最小主应逆断层形成时的应力状态为：最小主应力力33为铅直，最大主应力为铅直，最大主应力11为水平，为水平，即即同理可得逆断层形成时的天然应力比值同理可得逆断层形成时的天然应力比值系数系数pp为：为：由上述分析可知，由上述分析可知，uu和和pp是岩体中天然应

8、是岩体中天然应力比值系数的两种极端情况。一般认为天然力比值系数的两种极端情况。一般认为天然应力比值系数应力比值系数是介于两者之间，即是介于两者之间，即apap (7-24)(7-24)如把这一理论估算得出的结论，与如把这一理论估算得出的结论，与HoekHoekBrownBrown根据全球实测结果得出的平均天然应根据全球实测结果得出的平均天然应力比值系数随深度变化的经验关系相比，两力比值系数随深度变化的经验关系相比，两者的形式极为一致，者的形式极为一致，即天然应力比值系数与即天然应力比值系数与深度深度Z Z成反比。成反比。6.5 岩体天然岩体天然应力力场的回的回归分析分析6.5.1 计算模型的建

9、立计算模型的建立 模型建立包括确定计算区域、边界条件以及离散化。模型建立包括确定计算区域、边界条件以及离散化。主要依据是工程范围内的地质勘测和实测资料。图主要依据是工程范围内的地质勘测和实测资料。图6-13所示为有限元法回归分析所采用的几种荷载及位移边界。所示为有限元法回归分析所采用的几种荷载及位移边界。荷载主要考虑自重及构造应力。自重通常由岩体容重给荷载主要考虑自重及构造应力。自重通常由岩体容重给出，构造力以水平作用的边界力（或位移来考虑，图出，构造力以水平作用的边界力（或位移来考虑，图6-13中中bd）。）。P（或（或U）可先给初值，其最终计算值取）可先给初值，其最终计算值取决于与相应回归

10、系数的乘积。给定岩体的参数即可按图决于与相应回归系数的乘积。给定岩体的参数即可按图6-13的模型求得应力场的初始计算值。的模型求得应力场的初始计算值。6.5.2 天然应力场的回归分析天然应力场的回归分析天然应力场可以认为是下列变量的函数：天然应力场可以认为是下列变量的函数：6.6 高地高地应力区的若干特征力区的若干特征 随着国家建设的进行，我国西部高山峡谷区的水随着国家建设的进行，我国西部高山峡谷区的水电电(如如,拉西瓦水电站、小湾水电站、锦坪二级水电站拉西瓦水电站、小湾水电站、锦坪二级水电站等等)、交通、采矿等工程活动愈来愈多，这些地方多处、交通、采矿等工程活动愈来愈多，这些地方多处在高地应

11、力区。岩石工程在勘探初期，利用勘探工程在高地应力区。岩石工程在勘探初期，利用勘探工程揭露出来的现象可以收集到一些判断该地区地应力高揭露出来的现象可以收集到一些判断该地区地应力高低的有用资料。据大量的勘察资料与工程实践表明地低的有用资料。据大量的勘察资料与工程实践表明地区高天然应力常与如下现象相关联。区高天然应力常与如下现象相关联。（1）岩芯饼化现象）岩芯饼化现象 饼状岩芯即钻探时取得的岩芯呈压缩饼干状，一饼状岩芯即钻探时取得的岩芯呈压缩饼干状，一片片地破坏。许多学者对此进行了力学分析，认为这片片地破坏。许多学者对此进行了力学分析，认为这是高地应力的产物。一般来说，岩芯饼化主要与地应是高地应力的

12、产物。一般来说，岩芯饼化主要与地应力差有关，垂直于钻进方向的应力差越大，饼化就越力差有关，垂直于钻进方向的应力差越大，饼化就越严重。严重。（2 2）地下硐室施工过程中出现岩爆，剥离）地下硐室施工过程中出现岩爆，剥离 由于高地应力的存在，在地下硐室开挖过程中，由于高地应力的存在，在地下硐室开挖过程中，会出现岩石的脆性破裂。积聚在岩石中的应变能由会出现岩石的脆性破裂。积聚在岩石中的应变能由于突然释放而产生岩爆或剥离，特别是垂直最大水于突然释放而产生岩爆或剥离，特别是垂直最大水平主应力开挖的硐室，更容易产生岩爆现象。平主应力开挖的硐室，更容易产生岩爆现象。（3 3）隧洞、巷道、钻孔的缩径现象）隧洞、

13、巷道、钻孔的缩径现象 和前面所述的岩爆、剥离现象一样，是洞和前面所述的岩爆、剥离现象一样，是洞（孔）壁应力超过岩石强度所致。是软岩产生流变（孔）壁应力超过岩石强度所致。是软岩产生流变或柔性剪切破坏的结果。或柔性剪切破坏的结果。按库仑破坏条件按库仑破坏条件 （4）边坡上出现错动台阶）边坡上出现错动台阶葛洲坝厂房基坑开挖时，软弱层上面的岩层出现回弹葛洲坝厂房基坑开挖时，软弱层上面的岩层出现回弹36cm（图（图6-14），这是由于地应力卸荷后，发生沿软），这是由于地应力卸荷后，发生沿软弱面的岩层错动，如果地应力卸荷出现的回弹变形是连弱面的岩层错动，如果地应力卸荷出现的回弹变形是连续的，如图续的，如图

14、6-15所示，则人们不易觉察与观测到。在边所示，则人们不易觉察与观测到。在边坡内存在有软弱夹层时，软弱夹层的强度低、变形大，坡内存在有软弱夹层时，软弱夹层的强度低、变形大，因而当开挖到软弱夹层界面时，下部岩石变形小，而上因而当开挖到软弱夹层界面时，下部岩石变形小，而上部岩层变形大，从而出现了间距部岩层变形大，从而出现了间距l的台阶，根据这一错的台阶，根据这一错台现象，由图台现象，由图6-16的力学模型所表示，图中的力学模型所表示，图中h为软弱夹为软弱夹层上覆连续岩层厚度，层上覆连续岩层厚度，为软弱夹层的抗剪强度，则为软弱夹层的抗剪强度，则:（5）原位变形曲线的变化）原位变形曲线的变化 图图6-

15、17所示的所示的a曲线为低地应力情况下裂隙比较发育曲线为低地应力情况下裂隙比较发育的岩块压缩变形曲线；的岩块压缩变形曲线；b曲线为低地应力下的完整岩块曲线为低地应力下的完整岩块压缩变形曲线；压缩变形曲线；c曲线为在高地应力情况下岩块压缩变形曲线为在高地应力情况下岩块压缩变形曲线，开始变形很小，表现为曲线，开始变形很小，表现为轴上有截距。即岩石试轴上有截距。即岩石试件处于预压缩状态，具有较高的预压缩应力。件处于预压缩状态，具有较高的预压缩应力。 除以上现象外，在高天然应力地区，还有一些现象，除以上现象外，在高天然应力地区，还有一些现象，如水下开挖无漏水现象、泥化夹层中的泥被挤压等等。如水下开挖无漏水现象、泥化夹层中的泥被挤压等等。这些都可用于初步判断岩体高天然应力的存在。这些都可用于初步判断岩体高天然应力的存在。