岩体初始应力状态

1、岩体力学Rock Mass Mechanics第六章：岩体的初始应力状态Initial stress state of Rock Mass本章内容本章内容6.1 几个基本概念6.2 岩体初始应力场及其影响因素6.3 岩体初始应力场的分布规律6.4 岩体初始应力的量测方法6.5 高地应力地区主要岩体力学问题本章内容及基本要求1、岩体初始应力场的构成；2、重力应力场和构造应力场的特点；3、原岩应力场的分布状态；4、应力解除法的基本原理。重点难点：重点难点：1、掌握本课程重点难点内容；2、了解原岩应力分布状态；3、了解影响原岩应力分布的因素；4、熟悉几种应力解除法（孔底应力解除法、孔壁应变法、孔径变

2、形法）测试原岩应力的方法和测试步骤。基本要求：基本要求：本章内容及基本要求原岩：原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡状态的岩体，称为原岩。 原岩应力：原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，又称为初始应力或地应力。围岩：围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体。围岩应力：围岩应力：洞室开挖后，周围岩体失去原来的支撑，开始向洞内位移，引起洞周一定范围内岩体应力改变，重新调整形成新的应力，称为围岩应力，也称次生应力或二次应力。自重应力：自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。它是由岩体自重引起的。 6.1 几个基本概念构造应力：构造应力：由地质构造作用产生的

3、应力称为构造应力。或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。原岩应力场：原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布状态称为原岩应力场，又称为初始应力场。即未经采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。构造应力场：构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。 原岩应力原岩应力自重应力构造应力自重应力构造应力 迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。6.1 几个基本概念 在均匀岩体中，岩体的垂直应力垂直应力 z z等于上浮岩体的重量：iniizh 1 zz 6.2 岩体初始应力场及其影响因素p6.2.1

4、岩体自重应力场 若认为岩体为均质、连续且各向同性体，各岩体单元横向变形为0，即x= y=0，则由广义胡克定律： 11xxyzyyzxEE 其中为侧压力系数，岩体（0.2,0.3），则（0.25,0.43）；另外， zzyx 1解上式得水平应力水平应力 x x、 y y为为：0 zxyzxy 6.2 岩体初始应力场及其影响因素p6.2.1 岩体自重应力场 岩体自重应力随着深度呈线性增加，浅部处于弹性状态；超某一临界深度（砂岩500m、花岗岩2500m），岩体处于潜塑状态或塑性状态潜塑状态或塑性状态（开挖前为弹性，开挖后呈塑性），此时，其近于0.5，则近于1.0，岩体所受垂直与水平应力相等，即静水

5、压力状态静水压力状态，该现象瑞士地质学家海姆（A.Heim）1987年在研究阿尔卑斯山深大隧道时发现，称为海姆假说海姆假说。6.2 岩体初始应力场及其影响因素p6.2.1 岩体自重应力场构造应力：构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力；地质构造水平包括水平运动（造山运动）与垂直运动（造陆运动），水平运动如板块移动、碰撞，对岩体构造应力的形成起控制作用，即构造应力以水平应力为主。目前，构造应力尚无法用数学力学的方法分析计算，只能采用现场应力量测方法求得，但构造应力的方向可根据地质力学的方法加以判断。例如，对于断层、褶曲等一般认为自重应力是主应力之一，另一主应力与断裂构造系正交。6.2 岩

6、体初始应力场及其影响因素p6.2.2 构造应力场正断层：正断层：1自重应力， 3与断层走向正交逆断层：逆断层：3自重应力， 1与断层走向正交平移断层：平移断层：2自重应力， 1与断层走向成3045夹角，且1与2均为水平方向，岩脉、褶曲岩脉、褶曲均可推断构造应力方向，见图6-3。6.2 岩体初始应力场及其影响因素p6.2.2 构造应力场正断层:上盘下降，下盘相对上升，多为张力和重力作用；逆断层：上盘上升，下盘相对下降，多为水平挤压作用。平移断层：应力是来自两旁的剪切力作用，其两盘顺断层面走向相对位移，而无上下垂直移动。 除地质构造和自重应力外，地形、地质构造形态、岩体力学性质、水、温度等。（一）

7、地形（一）地形故，山峰处初始应力低，沟谷处初始应力高山峰处初始应力低，沟谷处初始应力高6.2 岩体初始应力场及其影响因素p6.2.3 影响岩体初始应力状态的因素（二）地质构造形态（二）地质构造形态 背斜褶曲背斜褶曲，两翼自重应力大，中部低承载拱受力特点；向斜褶曲，相反。 断层断层，楔体A产生卸荷作用，自重应力降低；而楔体B产生加荷作用，自重应力升高。6.2 岩体初始应力场及其影响因素p6.2.3 影响岩体初始应力状态的因素（三）岩体力学性质（三）岩体力学性质 坚硬完整坚硬完整（积聚大量应变能）岩体，初始地应力高；软弱破碎软弱破碎岩体，初始地应力低； 耶格提出初始地应力与岩体抗压强度成正比；E大

8、于50GPa， 1一般1030MPa， E小于10GPa， 1一般小于10MPa。（四）水（四）水 岩体裂隙或孔隙中的水，静止时静水压力静水压力（地下水位的升降引起初始地应力的减增），流动时动水压力动水压力（给予周围岩体动水摩擦力和动水流向应力，增加初始应力）。6.2 岩体初始应力场及其影响因素p6.2.3 影响岩体初始应力状态的因素（五）温度（五）温度 岩浆侵入或者随着深度的增加，温度升高，使岩体膨胀，产生热应力热应力，增加初始应力； 若地温梯度=3C/100m，岩体热膨胀系数约为10-5，一般岩体弹性模量E=10GPa，则地温引起的温度应力T约为： T =E Z=0.0310-5104 Z

9、=0.003 Z MPa Z为研究点处的深度，m。 岩体的温度是压缩应力（热涨、岩体限制、受压），随深度增加而增加随深度增加而增加。温度应力约为自重应力的1/9左右，且呈静水压力状态。6.2 岩体初始应力场及其影响因素p6.2.3 影响岩体初始应力状态的因素 目前，原岩应力实测深度达3000m。在这一深度内，原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点： 绝大多数地区为以水平应力为主的三向不等压且非稳定（大小与方向随空间与时间变化而变化）应力场； 在某些地震带，方向与大小随时间变化而变化非常明显，地震前应力大小积累增大，地震中集中应力释放而大幅降低，而方向地震时明显改变，地震后慢慢调整后恢复地震前状态

10、。6.3 岩体初始应力场的分布规律p6.3.1岩体初始应力场是时间与空间的函数 全世界实测V统计资料分析表明，深度252700m， V线性增加，大致为=27kN/m3计算的自重应力，部分地区存在偏差（测量误差、板块移动、岩浆侵入、扩容、不均匀膨胀等）。 霍克（霍克（E.Hoek）与布朗）与布朗（E.T.Brown）6.3 岩体初始应力场的分布规律p6.3.2 实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量 实测表明，大多地区两个主应力方向水平或接近水平，其与水平面夹角一般不大于30。最大水平主应力h,max普遍大于垂直应力v ，其比值一般为0.55.5，大多数情况，比值大于2。 h,max与h,min的算

11、术平均值h,av与v的比值一般为0.55.0，大多数为0.81.5。这说明在地壳浅部岩体平均水平应力普在地壳浅部岩体平均水平应力普遍大于垂直应力遍大于垂直应力。 垂直应力大多时为最小主应力；少数时为中间主应力；个别时为最大主应力。这是由于构造应力这是由于构造应力主要以水平应力为主主要以水平应力为主。6.3 岩体初始应力场的分布规律p6.3.3水平应力普遍大于垂直应力 表6-1为世界部分国家水平应力与垂直应力比值统计。6.3 岩体初始应力场的分布规律p6.3.3 水平应力普遍大于垂直应力 图6-8为世界部分国家取得的实测结果。6.3 岩体初始应力场的分布规律p6.3.4平均水平应力与垂直应力的比

12、值 随深度增加而减小 图6-8表明，深度不大的情况下， h,av/v的值相当分散。随着深度增加，该值的变化范围逐步缩小，并趋近于l，这说明在地壳深部有可能出现静水压力在地壳深部有可能出现静水压力状态状态。 霍克和布朗根据图6-8所示结果回归出以下公式：,10015000.30.5h avvHH式中，H为深度，m。6.3 岩体初始应力场的分布规律p6.3.4平均水平应力与垂直应力的比值 随深度增加而减小 通过研究南部非洲、美国、日本、冰岛及加拿大等地区的初始应力量测结果，得到地壳内水地壳内水平应力随深度增加呈线性关系增大是普遍规律平应力随深度增加呈线性关系增大是普遍规律。 斯蒂芬森（O.Step

13、hansson）等人根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平主应力和最小水平主应力随深度H（m）变化的线性方程：,max,min6.7 0.0444()0.8 0.0329()hhHMPaHMPa6.3 岩体初始应力场的分布规律p6.3.5水平主应力随深度呈线性增加 一般，最小水平主应力与最大水平主应力的比值相差较大，显示出很强的方向性，其比值通常为0.20.8，多数情况为0.40.8 ，见表6-2。6.3 岩体初始应力场的分布规律p6.3.6 两个水平主应力一般相差较大量测目的：量测目的：了解岩体中应力的大小与方向，为岩体工程受力状态及岩体支护与加固提供依据，也可预报岩体失稳和岩爆发生；分

14、为初始地应力和地下工程应力分布量测。量测方法：量测方法：一种是硐室表面测量，再把开挖扰动考虑进入（不准确，甚至完全错误；二是硐室表面打小孔进入原岩应力区后小孔内进行测量，应力解除法与水压致裂法）。具体的方法：具体的方法：据量测原理的不同有应力恢复法、应应力解除法力解除法、应变恢复法应变恢复法、应变解除法、水压致裂水压致裂法法、声发射法声发射法、X射线法、重力法共八类。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.1 概述1 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，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小分析确定原岩的应力状态。p水压致水压致裂装置裂装置

15、封隔器封隔器钻孔钻孔高压水高压水6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.2 水压致裂法2 2、基本假设、基本假设 （1）一个主应力方向是垂直的，其大小等于上覆岩层的自重应力。而另外两个主应力是水平的，且破裂方向垂直于最小主应力方向。 （2）岩体是均质、各向同性的线弹性体。3 3、适用条件：、适用条件： 完整性好的脆性岩体。完整性好的脆性岩体。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.2 水压致裂法4、测试步骤、测试步骤（1）打钻孔并用封隔器密封待加压段，钻孔直径与封隔器直径一致，封隔器直径有38mm，5lmm，76mm，9lmm，110mm，130mm等。封隔器是两个膨胀橡胶塞，可用液体，也可用

16、气体进行充压。橡胶塞之间的封堵段长度为0.51.0m。（2）向隔离段注射高压水，不断加大水压，至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力pi。（3）停止增压，关闭高压泵，压力迅速下降，裂隙停止扩展，并趋于闭合，当压力降到使裂隙处于临界闭合状态时的平衡压力，此时应力称为关闭压力，记为ps；最后卸压，使裂隙完全闭合。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.2 水压致裂法（4）重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力pr和随后的恒定关闭压力户ps。这种卸压-重新加压的过程重复2-3次，以提高测试数据的准确性。上述步骤(2)、(3)记录了压力时间关系和流量时间关系，见图6-10。初始开裂压力

17、pi关闭压力ps裂隙重开时的压力pr孔隙水压力p06.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.2 水压致裂法（5）将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。（6）测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小，测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器印模器。前三种方法代价昂贵，操作复杂，而印模器则比较简便、实用。其结构及形状与封隔器相似，其外面包裹一层可塑性橡皮或类似材料，将其连同加压管路一起送入水压致裂部位，然后将印模加压膨胀，使钻孔上的所有节理裂隙均印在印模器上。印模器装有定向系统，以确定裂隙的方位，一般情况下，水压致裂裂隙为水压致裂裂隙为一组径向相对的

18、纵向裂隙一组径向相对的纵向裂隙，很容易辨认出来。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.2 水压致裂法5、水压致裂法测定系统、水压致裂法测定系统6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.2 水压致裂法6、应力计算、应力计算两向受不相等的均布力1、2作用时的应力分量： 2cos)31)(1(2)1(22222212221rrr 2cos)31 (2)1 (244212221rr 2sin)31)(1 (2222221rr 孔壁（孔壁（=r)应力分量：应力分量： 2cos)( 20, 02121 式中：为周边一点与1的夹角。当0o时，取极小值，此时123 2 （1）6.4 岩体初始应力的量测方法p6

19、.4.2 水压致裂法由弹性力学厚壁筒公式，在只受内压q1作用：,1112222qrRR 1222211qrRR 若R,得到具有圆孔的无限大薄板，或具有圆形孔道的无限大弹性体，其解答为：,122qr 122qr 若 r,得到：,1q 1q 根据岩体力学应力符号规定，得孔壁切向应力：1q （2）6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.2 水压致裂法p 当钻孔受水压力P作用，且受水平原岩应力1 、 2作用，钻孔壁的最小切向应力为式（1）与（2）的叠加：岩体破裂条件：t p 123 于是：于是：213itpp 式中pi为孔壁发生初始裂缝时的水压力，t为封隔段岩石抗拉强度。 可见，当水压力达到pi时，孔

20、壁将沿1的方位开裂。如果钻孔中有裂隙水，其水压力为P0，则：2103itpP（3）6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.2 水压致裂法p 继续注入高压水，裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定(PS),则有：2 sP2103rpP 如果测出封隔段岩石抗拉强度t，即可由式（3）、（4）求出1和2。（4） 因此，在初始裂隙产生后，将水压力卸除，使裂隙闭合，然后重新加压，使裂隙重新打开，这时水压力为pr，则有（5）由式（5）、（4）可求出1和2。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.2 水压致裂法 联立解得：2 sP2103rpP（4）（5）2

21、103itpP（3） A、 岩石抗拉强度：岩石抗拉强度：tirpp B、 最大水平应力：最大水平应力：1max03Hsitppp C、 最小水平应力：最小水平应力：sHp min2 可见，水压致裂法只能确定垂直于钻孔平面内的最大和最小主应力，实际上是一种二维应力测量方法。若要确定测点的三维应力状态，必须打互不平行的交汇于一点的的三个钻孔。这是非常困难的。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.2 水压致裂法7、水压致裂法评价、水压致裂法评价 优点： 1、能测量深部岩体应力（5000m）； 2、可以使用各种尺寸的勘探钻孔，在勘探阶段便可测定； 3、不需对钻孔进行应力解除，不需精密的仪器； 4、不

22、需要岩体弹性参数。缺点缺点 1、假定钻孔方向为主应力方法，因此，实测的三维主应力是近似的。 2、设备笨重，钻孔封隔加压技术较复杂。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.2 水压致裂法1、基本原理、基本原理 地下某点的岩体处于三向压缩状态，如用人为的方法解除其应力，必然发生弹性恢复，测定其恢复的应变，利用弹性力学公式则可算出岩体初始应力。zzyyxxzyx ,解除应力；弹性恢复，测出变形；根据变形，转求应力。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法（1）已知主应力方向的应力解除）已知主应力方向的应力解除 如图示平板：13, yx1 3 3 1 xy在受力状态下，贴上应变片此时：0

23、, 013 yx卸去外力，变形恢复，此时：13, yx根据广义虎克定律：根据广义虎克定律：)(1311 E)(1133 E解得：解得：)(13121 E)(11323 E(1)6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法由弹性原理： 2sin2sincos22xyyx 式中：为x轴成角度方向的线应变 。由上式可解得x,y,xy（2）未知主应力方向的应力解除）未知主应力方向的应力解除1 2 3 xy1 2 3 1121212sin2sincos xyyx 2222222sin2sincos xyyx 3323232sin2sincos xyyx (2)6.4 岩体初始应力的量测方法p6

24、.4.3 应力解除法解得x,y,xy,可按下式求出主应变1 2 和0221)2()2()(21xyyxyx yxxy 02tg223)2()2()(21xyyxyx 已知1,3,0 ,即可按(1)式求出主应变1 ,3 。(3)6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法（3）应变花种类）应变花种类 为计算方便，常把三个应变片布置成如图所示的形式。 即：等角应变花、直角应变花6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法A、直角应变花、直角应变花1 00，2 450，3 90029045245090031)()(22)(21 90045900022tg 将x,y,xy 代入(3

25、)式得：(4),0 x 2)(2145xyyx ,90y 将1,3,0 代入(1)式求出主应变1 ,3 ： 29045245090031)()(1212 E(5)6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法B、等角应变花、等角应变花100，2600，3120020120212060260012060031)()()(32)(31 由上式可解得x,y,xy ，并将其代入(3)式得：(7),0 x )33(4160 xyyx (6)33(41120 xyyx 6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法将（7）式 代入(1)式得： 20120212060260012060031

26、)()()()1(32)1(3 E 注意：按上式方法计算得出的1 ，3 是平面状态下（钻孔断面内）的次主应力，而不是该点的主应力。 次主应力：是某坐标面内两个正应力的极值，一般不等于主应力；次主应力面上仍有剪应力；只有在三个正交的平面上的剪应力都为零时，次主应力才等于主应力。(8)6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法孔底应力解除法测定岩体应力的步骤：1、打大孔至测点，磨平孔底。2、在孔底粘贴电阻应变花探头。3、解除应力，测量其应变。4、取出岩芯，测其弹性参数。5、计算岩体应力。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔底应力解除法孔底应力解除法对于等角应变花，

27、孔底平面内的应力按下式计算：对于等角应变花，孔底平面内的应力按下式计算： 1)22(311)22(31201206000120600Ex 1)22(311)22(31201206000120600Ey)()1(312060 Exy6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法- 孔底应力解除法孔底应力解除法对于直角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：)11(2900900 Ex )(2)1(290045 Exy)11(2900900 Eyx ,y ,z ,xy为孔底平面上开挖扰动的次次主应力主应力。(9)(9)6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔底应力解除法孔底应

28、力解除法孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算：zyxxcba zyxycab xyxyd 式中：x，y，z为孔底的原岩应力。其中，a,b,c,d系数无理论解，只有通过实验或数值分析求得。不同的研究者给出不同的值，古德曼解值：(9)(9)027. 0423. 191. 0473. 0;15. 0085. 030. 12dcba6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔底应力解除法孔底应力解除法 孔底应力解除法的评价: 优点：解除岩芯短，不需要打很长的套孔岩芯，适用于完整性差的岩体。 缺点：采用孔底应力解除时，单孔不能确定岩体应力的六个分量，必须进行三孔测定，才能确定岩体的原

29、岩应力；另外，在用三个钻孔测一点的应力状态时，孔底很难处在一个共面上，而影响测量结果；再之，无理论计算公式，只能用经验公式计算岩体的三维应力。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔底应力解除法孔底应力解除法 孔径变形法通过测定钻孔孔径变形求解岩体应力，其应力解除工序为：1、打大孔至测点，磨平孔底。2、打同心小孔，安装孔径变形计探头。3、延伸大钻孔解除应力，同时测量孔径变形。4、取出岩芯，测其弹性参数E、。5、计算岩体应力。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔径变形法孔径变形法 假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩体应力1 的夹角为1、2、3，测得的孔径

30、变形分别为u1、u2、u3，孔壁径向位移为其1/2。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔径变形法孔径变形法 由弹性力学公式，在二向应力1、3的作用下，无限大平板内圆孔周边径向位移 u 的计算公式为： 2cos)(23131Edu平面应力：平面应变：1 3 2cos)(2)1 (31312Edu式中：d圆孔直径；u圆孔周边的径向位移；u的方向与1的夹角。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔径变形法孔径变形法当1，2，3的间隔为600时，按下式计算岩体应力： 如果（d)式成立，则1为1 与u1的夹角，否则为2 与u1的夹角。 上式中的K，对于浅孔，可作平

31、面应力问题处理，K=d/EK=d/E ；对于深孔，可作平面应变问题处理，K=K=（1 12 2)d/E)d/E 。其中d为钻孔直径，为岩石的泊松比。(10)(10)6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔径变形法孔径变形法当1，2，3的间隔为450时，按下式计算岩体应力： 如果（d)式成立，则1为1 与u1的夹角，否则为2 与u1的夹角。 上式中的K，对于浅孔，可作平面应力问题处理，K=d/E ;对于深孔，可作平面应变问题处理，K=（12)d/E .其中d为钻孔直径，为岩石的泊松比。(11)6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔径变形法孔径变形法 按上式计

32、算得出的1 ， 2 是钻孔断面内的次主应力。 要确定一点的全应力，必须向测点打三个不同方向的钻孔，进行同样测定，然后再按最小二乘法求解（数学优化技术） 。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔径变形法孔径变形法 测试工序：测试工序： 孔壁应变法是通过测定钻孔孔壁的应变求解岩体应力的6个分量，其应力解除工序与孔径变形法相似：1、打大孔至测点，磨平孔底。2、打同心小孔，安装应变花探头。3、套孔解除应力，超过小孔底部5cm,同时测量孔壁应变。4、取出岩芯，测其弹性参数E、 。5、计算岩体应力。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔壁应变法孔壁应变法 应变计探头

33、孔壁布置3个应变花，每个应变花由3个应变片组成，采用直角应变花形式。孔壁应变花布置：孔壁应变花布置：6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔壁应变法孔壁应变法 一个无限体的钻孔，受到无限远处的三维应力场（原岩应力场x、y、z、xy 、 yz 、zx )作用时，孔边围岩应力（ r、z、r 、z、rz，采用柱坐标，柱坐标的z轴和直角坐标的z轴相一致）分布公式为：钻孔围岩应力分布公式：钻孔围岩应力分布公式：6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔壁应变法孔壁应变法 2sin)341 (2cos)341 (2)1 (24422442222rararararaxyyx

34、yxr 2sin)31 (2cos)31 (2)1 (2444422rararaxyyxyx zxyyxzrara 2sin42cos)( 22222 2cos)321 (2sin)321 (244224422rarararaxyyxr )1)(cossin(22rayzzxz )1)(sincos(22rayzzxrz (12)(12)6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔壁应变法孔壁应变法 当r=a时，即钻孔壁上的应力为：0 rzrr 2sin42cos)(2)(xyyxyx zxyyxz 2sin42cos)(2)cossin(2 yzzxz 可见，钻孔壁上各点处于二

35、向应力状态，在孔壁上的z-坐标平面内布置应变花测量应变以求应力是可行的。(13)6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔壁应变法孔壁应变法孔壁应力和孔壁应变的关系：孔壁应力和孔壁应变的关系：EEZ 在 -z 坐标系：)(2,90045900zz由虎克定律：EEZZ )(21145ZZEE(14)x)( zzy 6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔壁应变法孔壁应变法孔壁应力和原岩应力的关系：孔壁应力和原岩应力的关系： 由（14）式可由孔壁应变求出孔壁应力，由（13）式即可求出原岩应力，令式中=/2, , 7/4, 。EEZ EEZZ )(21145ZZEE

36、 (14)0 rzrr 2sin42cos)(2)(xyyxyx zxyyxz 2sin42cos)(22(sincos)zxyzz(13)6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔壁应变法孔壁应变法当=/2(15)yx 3zyxz )(2zxz 2 当=7/4(16)yx 3 zyxz )(2yzz 2 (17)xyyx 4)( zxyz 4)(2zxyzz 当= 可见，求解6个原岩应力分量，只需选取上面其中6方程即可。孔壁应变法只打一个钻孔就可以确定一点的应力状态。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.3 应力解除法-孔壁应变法孔壁应变法声发射声发射岩石受外荷载作用，其内

37、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。凯泽效应凯泽效应 1950年，德国人J.Kasiser发现多晶金属的应力从其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后，则大量产生声发射，这一现象称为凯泽效应。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.4 应力恢复法（自学）应力恢复法（自学）p6.4.5 声发射法声发射法凯泽点凯泽点从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯泽点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。 岩石也具有声发射现象。 凯泽效应为岩石应力测量提供了途经。即从原岩中

38、取样沿6个不同方向制备试件（每个方向试件为1525块）加压测试凯泽点计算地应力。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.5 声发射法声发射法注意：声发射法测定的为岩体先前受到的最大应力，而非现今地应力。6.4 岩体初始应力的量测方法p6.4.5 声发射法声发射法研究高地应力问题的必要性：研究高地应力问题的必要性：研究高地应力本身就是岩石力学的基本任务。岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地应力大小的变化而变化。随着采矿深度的增加，我国中西部的开发，尤其是水电工程建设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题提出了新课题。6.5 高地应力地区的主要岩体力学问题p6.

39、5.1 高应力区判别准则和高地应力现象 高应力判别准则高应力判别准则目前国际国内无统一的标准。 国内一般岩体工程以初始地应力在20-30MPa为高地应力(大于800米深)。不同岩石弹性模量不同，岩石的储能性能不同，地应力也不同，高地应力是相对于围岩强度而言的。高应力为一相对概念，埋深大不一定存在高应力问题，埋深小可能存在高应力问题。当围岩内部最大应力与围岩强度比值达到一定水平时，才能称为高应力，即： maxbR围岩强度比极高地应力高地应力一般地应力法国隧道协会4我国工程岩体分级基准（GB50218-94）7日本新奥法指南19966日本仲野分级46.5 高地应力地区的主要岩体力学问题p6.5.1

40、 高应力区判别准则和高地应力现象 高应力判别准则高应力判别准则高初始地应力岩体在开挖中出现的主要现象 应力情况主要现象强度比极高应力硬质岩：开挖过程有岩爆产生，有岩块弹出，硐室发生剥离，新生裂缝多，成洞性差，基坑开挖有剥离现象，成型性差。软质岩：岩芯有饼化现象，开挖工程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长。不易成洞，基坑发生显著隆起或剥离，不易成形。4高应力硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂纹增多，成洞性较差，基坑时有剥离现象，成形性一般尚可。软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖工程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差。基坑时有隆起现象，成形性较差。4-76.5 高地应力地区的主要岩体力学问题p6.5.1 高应力区判别准则和高地应力现象 高地应力现象高地应力现象岩芯饼化现象：是一种岩体力学现象，高地应力区所特有的钻进过程中岩芯裂成饼状的现象。中等强度以下岩体在高应力作