2011年修改第4章之一.ppt

第4章 岩体的地应力及其测定方法,授课内容: 1、概述 2、地应力场的分布规律 3、高地应力区特征 4、地应力测试方法,一、初始应力的概念与意义,意义 （1）工程稳定性分析的原始参数。 （2）确定开挖方案与支护设计的必要参数。,初始应力：天然状态下岩体内的应力，人类工程活动之前就存在于岩体中的应力，又称地应力、原岩应力。 因素：自重 地质构造 地形地貌 地震力 水压力 地热。,第一节 概述,重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。又称二次分布应力、附加应力等。 天然应力， 开挖洞室后的应力场，为重分布 在附近开挖第 二个洞室，则视前一个洞室 没有工程活动 应力，与天然应力有所改变 开挖后的应力场为天 然应力，第二个洞室 开挖后的应力场为重分布 应力,二、天然应力的组成,天然应力一般由以下几部分组成： 由岩体自重引起的自重应力 由构造运动引起的构造应力 由流体作用引起的渗流应力 其它（如，地温引起的温差应力、地球化学作用引起的化学应力等）,三、天然应力的研究历史与研究意义,1、研究历史 （1）世界上 1878年海姆提出天然应力； l932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（美国密执安水压致裂法）。 （2）中国 20世纪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,（1）区域稳定 任何地区现代构造运动的性质和强度，均取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。从工程地质观点看，地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害。从岩体力学观点出发，地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。在一定的天然应力场基础上，常因修建大型水库改变了地区的天然应力场而引起水库诱发地震。 （2）地下洞室稳定 对于地下洞室而言，岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源。如果天然应力分布不均匀，可能在洞顶拉裂掉块，洞侧壁内鼓张裂和倒塌。,（3）边坡稳定 天然应力状态与岩体稳定性关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。越来越多的资料表明，在岩体高应力区，地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖，常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，使工程岩体失稳。 （4）地基岩体稳定 开挖基坑或边坡，由于开挖卸荷作用，将引起基坑底部发生回弹隆起，并同时引起坑壁或边坡岩体向坑内发生位移。,二、初始应力的组成与计算 1、岩体自重应力场,垂直应力：,平均密度，KN/m3,侧压力：,H总深度（m）,侧压力系数,的取值有4种可能,岩体自重垂直应力,（1）岩体假定处于弹性状态,由,推出,得：,岩体由多层不同性质岩层组成时(图6-2),第j层应力：,原始垂直应力和水平应力：,（2）Heim假设（塑性状态）,1878年瑞士地质学家A.海姆(A.Heim)首先提出了地应力的概念,并假设是一种静水应力状态.当原始应力超过一定的极限，岩体就会处于潜塑状态或塑性状态。,（相当于 ）,（3）岩体为理想松散介质（风化带、断层带） 极限平衡情况下得,（4）当松散介质有一定粘聚力时，极限状态下：,侧压力为：,注：当 说明无侧压力,无侧压力深度,构造应力场是指一定区域内具有生成联系的各种构造形迹在不同部位应力状态的总体。因此它是空间和时间的函数，是随构造形迹的发生发展而变化的非稳定应力场，实际应用中，可以近似地把构造应力场看成是不随时间而变化，只随空间而变化的应力场。,2、岩体构造应力:,中国大陆板块受到外部印度洋板块和太平洋板块两块板 快的推挤，速度为每年数厘米，同时受到了西伯利亚板 块和菲律宾板块的约束。,在这样的边界条件下，板块发生变形，产生水平受压应力 场，其主应力迹线如图。,印度洋板块和太平洋板块的移动促成了中国山脉的形成， 控制了我国地震的分布。,印度板块向亚洲板块俯冲，造成青藏高原快速隆升。 高原物质向东缓慢流动，在高原东缘沿龙门山构造带 向东挤压，遇到四川盆地之下刚性地块的顽强阻挡， 造成构造应力能量的长期积累，最终在龙门山北川-映 秀地区突然释放。,汶川大地震的成因,以2008年5月12日的汶川大地震为例,龙门山断裂带是一条特别大的裂缝，它绵延长约500 公里，宽达70公里，规模巨大，沿着四川盆地西北 缘底部切过，位置十分特殊，地壳厚度在此陡然变 化，在其以西为60-70公里，以东则在50公里以下。,此处，雪山耸列，江河 纵横，地形复杂，沟谷 交错,不知道经过了多少 次断裂才形成了如此地 貌。,(2)地幔热对流引起的应力场; 地下赋存着众多的放射性物质，由于放射性物质的衰变和岩石物理化学状态的改变，使岩层中积累了巨大的热能，再加上上部岩石的巨大压力，使地球内部物质具有了可塑性和流动性。,由于各部分岩石性质的不同，使温度、压力的分布不均衡，这样重力作用下，地球内部的塑性物质就会象液体一样发生对流。,地核中的高温物质上升到地幔，把热量传给地壳岩石，使高温物质发生水平向的移动，带动地壳随之移动，引起地壳下面的水平切向应力。当冷却后开始下沉时又会造成地壳下沉。下降部位同时会受到两侧来的压力，使得地壳产生挤压变形，形成褶皱。,地幔内部进行的热对流循环作用，必然会使内部物 质产生分异现象，这种分异现象是长期而缓慢进行 着的，并引起了地壳的沉降运动，这种沉降会在不 同地区产生挤压和引张，从而造成岩层的褶皱和破坏， 导致地震。,高温物质的对流运动需要积累相当多的热能，释放一次后，要有一段时期再次积累，因此地幔中的对流作用在时间和空间上都是不连续的，使构造运动出现不连续性，有活跃期和宁静期之分，统计，宁静期延续的时间往往比活跃期长数倍。这种构造活动的不连续性可能就是造成地震活动出现活跃期和宁静期的原因。,(3)岩浆浸入引起的应力场；,岩浆浸入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围岩层中产生相应的应力场。,(4)地温梯度引起的应力场;,地层温度随着深度增加而升高，由于温度梯度引起地层中不同深度产生相应膨胀，引起地层中的正应力。岩体局部寒热不均，产生收缩和膨胀，会导致内部产生局部应力场。 一般地温度： 岩体的体膨胀系数 ，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力约为：,温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。,(5)地表剥蚀引起的应力场。 地表因为岩体风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用。剥蚀后，由于岩体内颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度所引起的自重应力还要大得多的水平应力值。,3、影响岩体初应力状态的其它因素 （1）地形-自重的减小或增大,图地形对初应力的影响,水平应力向负地形集中，向正地形释放，见下图 在斜坡附近，应力方向发生偏转，见下图,（2）地质条件对初应力的影响。,图 背斜褶曲对地应力的影响,图 断层对地应力的影响,第二节 岩体天然应力的分布特征,一、中国天然应力的分区性 中国板块处在四大板块环绕中，西南面受 印度板块向NNE挤压（5mm/a），东面受 太平洋板块向W俯冲（1cm/a），南面受菲律宾板块向N俯冲，北面受 西伯利亚板块阻挡。如下图：,在它们碰撞挤压下，形成了中国大陆岩体中的天然应力，大致可以以东经100105为界分东西两区。东西两区的天然应力特征差别很大。例如： （1）天然应力强度：西强东弱（西高东低） （2）最大水平应力方向：西区以 NNE-SSW为主，东区近E-W方向，如下图：,二、铅直应力 铅直应力主要由上覆岩体自重构成，因此可用下式估算： 因此，铅直应力随深度的增加而线性增加。天然应力的实测结果也证实了这一点。铅直应力与埋藏深度关系的实测结果见图。 铅直应力多为压应力，且铅直应力多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力。,实测垂直应力随深度的变化,垂直应力 随深度线性增加。平均密度约为27KN/m3,三、水平应力（) 1、岩体中天然应力常以水平应力为主，即 ，特别是 垂直 ,据统计资料： /垂直0.8-3.0 ，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; 2、水平应力具有强烈的各向异性，即水平h1水平h2 ，我国华北水平hmin/水平hmax0.2-0.8，华南水平hmin/水平hmax0.3-0.75 。原因a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性; 3、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。,二、水平应力随深度的变化,平均水平应力随深度而增加,四、天然应力比值系数与深度z 的关系 1、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。 2、特点：天然应力比值系数随深度增加而减小。见右下图。,返回,1、地应力是一个具有相对稳定的非稳定应力场； 2、实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量； 3、水平应力普遍大于垂直应力； 4、平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小； 5、最大水平主应力与最小水平主应力也随深度增加而增长； 6、最大水平主应力与最小水平主应力之