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1、第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力7.1 概概 述述7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定7.1 概概 述述一、定义一、定义1.天然应力(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。2.重分布应力（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。 重分布应力+ + + + + +天然应力7.1 概概 述述二、天然应力的组成及起源二、天然应力的组成及起源 1.组成： 岩体自重自重应力 构造运动构造应力流体作用渗流应力 其它（地温、地球化学作用等）2.起源（主要指构造运动的起源）：板块运动 地幔热对流 地
2、球自转速度变化拉张区挤压区7.1 概概 述述三、天然应力的研究历史与研究意义三、天然应力的研究历史与研究意义1.研究历史研究历史 世界上 :1878年海姆提出天然应力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到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致法）。中国：50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米（天津大港）。 2.研究意义研究意义 1）区域稳定 2）地下洞室稳定 3）边坡稳定 4）地基岩体稳定 7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征以东经100105o为界分东西两区。强度上：西强
3、东弱（西高东低）方向上：西： NNE-SSW为主，东：近E-W。一一、 分分区区性性（以以中中国国为为例例）中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。西南：印度板块向NNE挤压（5mm/a）东：太平洋板块向W俯冲（1cm/a）南：菲律宾板块向N俯冲北：西伯利亚板块的阻挡 1迹线：N-NE-SSE7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征板块运动以东经100105o为界分东西两区。强度上：西强东弱（西高东低）方向上：西： NNE-SSW为主， 东：近E-W。二、二、铅直应力铅直应力 （ V）上覆岩体自重 V多为压应力 V多为最小主应力，少数为中间主应力与
4、最大主应力7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征岩体中天然应力常以水平应力为主，即h v，特别是 hmax v ,据统计资料： h/v0.8-3.0 ，说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制;水平应力具有强烈的方向性和各向异性，即h1 h2 ，我国华北hmin/ hmax0.2-0.8，华南hmin/ hmax0.3-0.75 。原 因a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性;水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力为拉应力的现象。三、三、 水平应力（水平应力（ h）7.2 岩体天
5、然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征岩体中天然应力常以水平应力为主，即h v水平应力具有强烈的方向性和各向异性水平天然应力以压应力为主四四、天天然然应应力力比比值值系系数数 与与深深度度z 的关系的关系定义：天然水平应力与铅直应力的比值为天然应力比值系数 ，它 随深度增加而减小。7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征五、应力轴与水平面的关系五、应力轴与水平面的关系（天然应力状态）（天然应力状态）据应力轴与水平面的关系，天然应力状态划分为：水平应力场 两个应力轴近水平，或与水平面夹角很小，另一应力轴近铅直，他的三个应力轴与空间坐
6、标一致。地壳表层分布广泛，我国大陆范围内属这种应力场;非水平应力场水平应力与水平面夹45左右，另一轴与水平面夹045 左右，分布于板块边缘。7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征六、六、高天然应力高天然应力的标志：的标志：开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；收敛变形大，使开挖断面变小；软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合；饼状岩芯；水下开挖无水渗出；隧道、巷道、钻孔的缩径现象。7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征七、影响天然应力的因素七、影响天然应力的因素1.地形起伏地形起伏a.水平应力向负地形集中，向正地形释放b.在斜坡附近，应力方向发生偏转+ + + + + + + +
7、 + +7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征该式说明：剥蚀后，岩体中一点 增大了，当Z大到一定的情况下，必有1的情况出现;2.地表剥蚀地表剥蚀原地面原地面现地面现地面剥蚀7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征3.结构面结构面4.岩体性质岩体性质 硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反5.地下水地下水 产生渗流应力6.地温地温 产生温度应力7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定自重应力理论自重应力理论地震震源机制解地震震源机制解地变形量测地变形量测天然应力测量天然应力测量大地水准测量大地水准测量三角网测量三角
8、网测量GPS测量测量天然天然应力应力确定确定方法方法zAA一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面2、水平层状岩体、水平层状岩体1、均质各向同性岩体、均质各向同性岩体7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定3、垂直层状岩体、垂直层状岩体A如果除自重应力外，还有渗流应力、地温应力等时，分别叠加即为天然应力。7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定二、天然应力的量测二、天然应力的量测天天然然应应力力的的量量测测方方法法水压致裂法水压致裂法应力恢复法（扁千斤顶法）应力恢复
9、法（扁千斤顶法）套芯应力解除法套芯应力解除法光弹法光弹法声发射法声发射法X射线法射线法7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定1、水压致裂法、水压致裂法水压力随时间的变化曲线tpc1ps pc2p0假设：假设： 天然应力为水平应力场，其铅直应力钻孔假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中 的一个小圆孔。作用应力为 ，根据弹性理论中的柯西解 ，未加水压力时，AA两点的应力为： ，在水压力作用下，钻壁产生拉破裂的条件为: A7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定tpc1ps pc2p0取取“”维持破裂展开，又不继续发展的条件为 联立上两式有而：因此，可得测点的天然应力为tpc1ps pc
10、2p07.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定方向：据岩体破裂方向确定破裂平行于 ，垂直于 ，破裂方向由压痕，井下电视确定。优点：测深大，z可达数百米，目前最深达5108米；施工技术简单，不需要应力计等仪器。7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定2、应力恢复法（扁千斤顶法）、应力恢复法（扁千斤顶法）千斤顶油泵时间千斤顶压力 pc测点分离值 d0 d步骤：在岩壁上选择测点，固定A、B两点。d15厘米；刻槽 应力释放、变形 d0 d;安装扁千斤顶;加压 应力恢复 d d0，到d=d0时的千斤顶压力即为 ；7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定重复 测量一个方向的 W ；计算天然应力
11、：假定天然应力为水平应力场，当测得侧壁应力R和底板应力W 时，则有：7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定3、钻孔、钻孔套芯应力解除法套芯应力解除法钻孔套芯应力解除法：钻孔套芯应力解除法：基本原理基本原理+ + + + + +仪器套芯解除钻孔钻孔同心套钻同心套钻放应变计放应变计应力解除应力解除应力计算应力计算位移恢复位移恢复7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定设天然应力为水平应力场，在其中打一钻孔4545计算公式：计算公式：应变计互成45，据上式有7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定用消元法解三元一次方程，得：应变计互为60时，可按下列公式计算60607.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定.选点;.钻孔： 130mm ，深度一般小于30m ;.在孔底打一测量孔：36mm，深度一般50cm，并洗干净；.安装应变计：并与应变仪连接，测记稳定初始读数；.套钻解除：在应力解除过程中，测记应变计读数，至应变完全解除为止；.折断岩心，在室内求取岩石的Em;.按前述公式求解：天然应力hmax， hmin ，而v=gz测测量量步步骤骤：优点：能较准确地量测出岩体中的天然应力 ；缺点：只能量测浅部（30米以内天然应力 ，深度大了，套钻技 术难度大、精度低。
