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1、第五章第五章 岩体天然应力与洞室围岩的应力分布岩体天然应力与洞室围岩的应力分布Chapter 5 Earth stress and stress distribution of Tunnel Surrounding Rock学习内容学习内容 垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说，垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说，岩体天然应力与地下、地面工程的关系和影响，应力解除岩体天然应力与地下、地面工程的关系和影响，应力解除法、恢复法、破裂法。法、恢复法、破裂法。学习对象学习对象岩石应力场、垂直应力、水平地应力、海姆假说以及岩石应力场、垂直应力、水平地应力、海姆假说以及岩体应力测量。
2、岩体应力测量。学习目的学习目的 理解和掌握有关概念，特别是掌握应力解除法、恢复理解和掌握有关概念，特别是掌握应力解除法、恢复法、破裂法。掌握垂直应力与水平地应力的特征，自重应法、破裂法。掌握垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说等。力与海姆假说等。学习提示学习提示Learning Hints5.1 概述概述5.1.1 概念概念 p 天然应力天然应力p 二次应力二次应力5.1 概述概述5.1.1 概念概念 5.1 概述概述5.1.1 概念概念 5.1.1 概念概念 天然应力的表示天然应力的表示5.1 概述概述5.1 概述概述5.1.2 形成因素形成因素 影响岩体天然应力大小和分布规律的因
3、素很多，主要有岩影响岩体天然应力大小和分布规律的因素很多，主要有岩体自重（自重应力）、地质构造运动（构造应力）等；此外，体自重（自重应力）、地质构造运动（构造应力）等；此外，成岩过程中的物理化学变化、地形地貌、地温梯度岩体特性的成岩过程中的物理化学变化、地形地貌、地温梯度岩体特性的等均对岩体天然应力有不同程度的影响。等均对岩体天然应力有不同程度的影响。5.1 概述概述5.1.3 研究岩体天然应力的意义研究岩体天然应力的意义5.1 概述概述5.1.3 研究岩体天然应力的意义研究岩体天然应力的意义p 地应力与地下洞室的关系地应力与地下洞室的关系1.纵轴线与纵轴线与1近于平行（二滩尾水洞崩塌；甘肃金
4、川近于平行（二滩尾水洞崩塌；甘肃金川隧洞）隧洞）2.水平应力与垂直应力比值与体形关系水平应力与垂直应力比值与体形关系 z h：高度大跨度小：高度大跨度小(自重应力为主自重应力为主)，近似椭圆形；，近似椭圆形； hz ：高度小跨度大：高度小跨度大(构造应力为主构造应力为主)，近似椭圆形；，近似椭圆形；5.1 概述概述5.1.3 研究岩体天然应力的意义研究岩体天然应力的意义p 地应力对工程的影响地应力对工程的影响1.我国二滩（玄武岩），美国大古星（花岗岩）坝基我国二滩（玄武岩），美国大古星（花岗岩）坝基开挖开挖像剥洋葱头一样，剥了一层又一层。像剥洋葱头一样，剥了一层又一层。处理方法：迅速浇注砼，高
5、压固结灌浆处理方法：迅速浇注砼，高压固结灌浆2.岩爆：在高地应力区岩爆：在高地应力区洞室开挖洞室开挖弹性能释放弹性能释放 大的岩块坠落，小岩块弹射大的岩块坠落，小岩块弹射（太平驿水电站）（太平驿水电站）5.2 岩体中的地应力分布岩体中的地应力分布5.2.1 自重应力与海姆假说自重应力与海姆假说5.2.1 自重应力与海姆假说自重应力与海姆假说 对于没有经受构造作用、产状较为平缓对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层，它们的应力状态十分接近于由弹性的岩层，它们的应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力状态。在深度理论所确定的应力状态。在深度z处：处：5.2 岩体中的地应力分布岩体中的地应力分布铅
6、直应力：铅直应力：水平应力：水平应力：p 自重应力自重应力静止侧压力系数静止侧压力系数 当当K01(即即=0.5)，出现，出现水平向应力与垂直向应力相水平向应力与垂直向应力相等，此为所谓的静水压力的等，此为所谓的静水压力的情况。情况。 5.2.1 自重应力与海姆假说自重应力与海姆假说5.2 岩体中的地应力分布岩体中的地应力分布p 海姆假说海姆假说5.2 岩体中的地应力分布岩体中的地应力分布5.2.1 地应力分布规律地应力分布规律1.三向不等压的空间地应三向不等压的空间地应力场，其大小和方向随力场，其大小和方向随时间和空间变化时间和空间变化;2.垂直与水平应力的关系垂直与水平应力的关系垂直应力垂
7、直应力z，主要受上覆岩体，主要受上覆岩体自重形成自重形成。水平水平应力应力x5.2.1 地应力分布规律地应力分布规律水平水平应力应力x 岩体中的水平应力，主岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等用，以及岩体的力学特性等因素的影响。因素的影响。 5.2 岩体中的地应力分布岩体中的地应力分布p 水平岩层水平岩层5.2.1 地应力分布规律地应力分布规律水平水
8、平应力应力x 岩体中的水平应力，主岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等用，以及岩体的力学特性等因素的影响。因素的影响。 5.2 岩体中的地应力分布岩体中的地应力分布p 河谷（河谷（4个分区：应力松弛区，个分区：应力松弛区，过渡区，平稳区，集中区）过渡区，平稳区，集中区）岸坡：岸坡： 1/坡岸，坡岸， 3 岸坡岸坡谷底：谷底： 1水平，水平，1= h
9、z （应力集（应力集中）中）5.2.1 地应力分布规律地应力分布规律5.2 岩体中的地应力分布岩体中的地应力分布5.2.1 地应力分布规律地应力分布规律水平水平应力应力x 岩体中的水平应力，主岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等用，以及岩体的力学特性等因素的影响。因素的影响。 5.2 岩体中的地应力分布岩体中的地应力分布p 水平向地质构造水平向地质构
10、造+自重自重1 /主要构造方向，且主要构造方向，且1 z p 若若0.5 k0=1 h=z 静静水压力（海姆假设）水压力（海姆假设）5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测 现场岩体应力可以现场岩体应力可以在钻孔中、露头上和在钻孔中、露头上和地下洞室的岩壁上测地下洞室的岩壁上测定，也可根据在地下定，也可根据在地下测定的位移进行计算。测定的位移进行计算。 目前常用方法是目前常用方法是钻孔应力解除法钻孔应力解除法，应应力恢复法力恢复法和和水压致裂水压致裂法法三种三种。5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测5.3.1 现场量测现场量测p 应力解除法应力解除法5.3.1 现场量测现场量测p 应力解除
11、法应力解除法 孔径应变法孔径应变法程序：程序： a：用：用130mm钻头钻孔至预定深度；钻头钻孔至预定深度； b：用：用36mm小钻头钻孔小钻头钻孔h2630cm，孔底磨平；，孔底磨平； c：安装孔径变形仪；：安装孔径变形仪； d：安装：安装130mm空心钻头套钻空心钻头套钻 e：折断岩芯：折断岩芯CASE 1 假定钻孔方向假定钻孔方向/3 5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测5.3.1 现场量测现场量测p 应力解除法应力解除法 孔径应变法孔径应变法 采用三孔交汇方法：每个孔（与采用三孔交汇方法：每个孔（与钻孔轴线垂直平面内）：钻孔轴线垂直平面内）： 两个正应力，一个剪应力（三个两个正应力
12、，一个剪应力（三个分量分量） 三个孔：三个孔：33 九个方程联立求空九个方程联立求空间主应力（间主应力（6个独立未知量）个独立未知量）CASE 2 若钻孔方向不平行于若钻孔方向不平行于3 5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测5.3.1 现场量测现场量测p 应力解除法应力解除法 孔底应变法孔底应变法量测量测a a、b b面内，在套钻过程中产生的应变面内，在套钻过程中产生的应变孔底主应变孔底主应变主应力主应力5.3.1 现场量测现场量测p 应力解除法应力解除法 孔壁应变法孔壁应变法5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测 孔壁应变法是只需孔壁应变法是只需
13、在一个钻孔中通过对在一个钻孔中通过对孔壁应变的量测，即孔壁应变的量测，即可确定岩体的六个空可确定岩体的六个空间应力分量。间应力分量。 （套钻（套钻解除应力解除应力测孔壁应变（初）测孔壁应变（初） 推算推算P P释放应力）释放应力）5.3.1 现场量测现场量测p 应力解除法应力解除法 孔壁应变法孔壁应变法5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测 设钻孔前岩体中有六个设钻孔前岩体中有六个应力分量，若在弹性岩体中应力分量，若在弹性岩体中钻一半径为钻一半径为r0r0的圆形孔则钻的圆形孔则钻孔附近应力不再保持原来的孔附近应力不再保持原来的状态。状态。 孔壁上坐标为孔壁上坐标为r0r0，Z Z的任意一点，
14、孔壁上的这些的任意一点，孔壁上的这些应力可以通过钻孔前岩体中应力可以通过钻孔前岩体中的六个应力分量表示如下：的六个应力分量表示如下：5.3.1 现场量测现场量测p 应力解除法应力解除法 孔壁应变法孔壁应变法5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测在一个测点三个方向测试应变：在一个测点三个方向测试应变： 切向切向(=/2)+轴向轴向(=0)+ 450方向方向(=/4) 根据应变换算成应力。根据应变换算成应力。计算出的地应力计算出的地应力5.3.1 现场量测现场量测p 应力解除法应力解除法 孔壁应变法孔壁应变法5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测 采用孔壁应变测试法测定岩体的三向应力的具体方法
15、是用钻机钻孔，钻孔需测定应力的深度 钻孔底面用金刚石钻头磨平后再用小的钻孔自孔底面沿孔轴方向继续钻一深度约为45cm的小钻孔。 在小钻孔的中部孔壁上选定三个测点并在每个测点上按前述规定方向安置三个应变元件。此时读出各测点的应变计的初读数， 最后再选用适当大小的钻头在小钻孔外围进行套钻并取出岩芯。此时再读出完全解除了应力之后岩芯中孔壁各应变元件的读数，然后用套取岩芯前后应变元件读数之差，按公式计算岩体初始应力。 5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测5.3.1 现场量测现场量测p 应力恢复法应力恢复法5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测5.3.1 现场量测现场量测p 水压破裂法水压破裂法5
16、.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测5.3.1 现场量测现场量测p 水压破裂法水压破裂法5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测5.3.1 现场量测现场量测p 水压破裂法水压破裂法1、基本原理、基本原理 对测试段钻孔用特制封隔器密封起来，对测试段钻孔用特制封隔器密封起来，然后对密封段加高压水直至孔壁岩石产然后对密封段加高压水直至孔壁岩石产生张裂隙。根据裂隙的方向及泵压的大生张裂隙。根据裂隙的方向及泵压的大小分析确定原岩的应力状态。小分析确定原岩的应力状态。水压致裂水压致裂装置装置封隔器封隔器钻孔钻孔高压水高压水2、基本假设、基本假设（1）一个主应力方向是垂直的，其大）一个主应力方向是垂直的，
17、其大小等于上覆岩层的自重应力。而另外两小等于上覆岩层的自重应力。而另外两个主应力是水平的，且破裂方向垂直于个主应力是水平的，且破裂方向垂直于最小主应力方向。即钻孔方向为某一主最小主应力方向。即钻孔方向为某一主应力方向。（应力方向。（2）岩体是均质、各向同）岩体是均质、各向同性的线弹性体。性的线弹性体。5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测5.3.1 现场量测现场量测p 水压致裂法水压致裂法5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测5.3.1 现场量测现场量测孔隙水压力孔隙水压力Ps关闭关闭压力压力Pic2使裂缝重使裂缝重新张开的新张开的压力压力pic1孔壁岩石孔壁岩石破裂压力破裂压力（a）裂缝
18、沿轴）裂缝沿轴向产生和延伸向产生和延伸（b）裂缝沿轴向产）裂缝沿轴向产生向水平方向延伸生向水平方向延伸5.4.1 室内量测室内量测5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测5.4.1 室内量测室内量测5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测声发射声发射声发射声发射岩石受外荷载作用，其内部储存的应变能因微裂隙产岩石受外荷载作用，其内部储存的应变能因微裂隙产生和发展而快速释放，从而产生弹性波，发出声响，称为声发射。生和发展而快速释放，从而产生弹性波，发出声响，称为声发射。凯塞效应凯塞效应凯塞效应凯塞效应 1950年，德国人年，德国人J.Kasiser发现多晶金属的应力从其发现多晶金属的应力从其历史最
19、高点水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应历史最高点水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象称为凯塞效应。后，则大量产生声发射，这一现象称为凯塞效应。凯塞点凯塞点凯塞点凯塞点从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯塞点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。塞点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。5.4.1 室内量测室内量测5.3 岩体地应力的量测岩体地应力的量测5.4 水平洞
20、室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算工程应用：工程应用： 关心的洞室的二次应力（重分布应力）关心的洞室的二次应力（重分布应力）初始应力初始应力+洞室的开挖附加应力。洞室的开挖附加应力。(洞室强度复核洞室强度复核围岩是否稳定围岩是否稳定) 在前面介绍了岩体地应力的形成与量测方在前面介绍了岩体地应力的形成与量测方法。法。5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算5.4.1 圆形洞室圆形洞室简化简化当洞室高度远小于洞室埋深时，应力沿高度的变化可忽略不计。一般认为埋深大于高度三倍时可忽略。5.4.1 圆形洞室圆形洞室p 初始地应力初始地应力5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计
21、算K00、1/3、15.4.1 圆形洞室圆形洞室 当洞室埋深当洞室埋深H30，近似认为洞顶洞底，近似认为洞顶洞底z近似相等，侧近似相等，侧压为均布，对于圆形洞室可简化压为均布，对于圆形洞室可简化“无限平板中含圆孔无限平板中含圆孔+外部均外部均布面力布面力”。借用弹性理论：。借用弹性理论：5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算5.4.1 圆形洞室圆形洞室讨论：讨论：5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算10 Case 15.4.1 圆形洞室圆形洞室讨论：讨论：5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算20 Case 2a. 围岩中的径向应力均小于岩体中的初始
22、应力围岩中的径向应力均小于岩体中的初始应力Hb. 围岩中的切向应力均大于岩体中的初始应力围岩中的切向应力均大于岩体中的初始应力 H，并在洞壁处达到最大，并在洞壁处达到最大2H；c. 若令若令r6r0代入，则代入，则r / 1.028H5.4.1 圆形洞室圆形洞室讨论：讨论：5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算30 Case 3最好直接由（最好直接由（5-14）计算或查有关手册、图表。）计算或查有关手册、图表。5.4.2 椭圆洞室椭圆洞室5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算5.4.2 椭圆洞室椭圆洞室5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算 设椭圆长半
23、轴设椭圆长半轴 ，短半，短半轴轴 ， -椭圆偏心角。椭圆偏心角。由弹性理论推导出椭圆上由弹性理论推导出椭圆上P点切向应力：点切向应力：5.4.2 椭圆洞室椭圆洞室5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算讨论：讨论：10 Case1 :令令 (洞顶洞顶)洞顶受拉；洞顶受拉；洞顶受压；洞顶受压；5.4.2 椭圆洞室椭圆洞室5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算讨论：讨论：20 Case2 :令令 (拱腰拱腰)拱腰受拉；拱腰受拉；拱腰受压；拱腰受压；5.4.2 椭圆洞室椭圆洞室讨论：讨论：30 Case3 :令令 切向应力切向应力相等相等5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算水平、铅直应力之比与长短轴之比的关系水平、铅直应力之比与长短轴之比的关系NOTE：设计中可根据：设计中可根据 通过调整长短轴之比使通过调整长短轴之比使椭圆洞椭圆洞 室切向均匀受力。室切向均匀受力。5.4.3 矩形洞室矩形洞室5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算NOTE：其中：其中根据矩形洞室宽长比根据矩形洞室宽长比B/L,查表计算（查表计算（ 还与还与 部位有关）。部位有关）。5.4.4 复式洞室复式洞室5.4 水平洞室围岩的应力计算水平洞室围岩的应力计算
