第四章地应力及其原理(2016

1、2022-3-161第四章第四章 岩体地应力及其测量方法岩体地应力及其测量方法学习指导：学习指导：主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。重重 点点 岩体的初始应力概念岩体的初始应力概念 岩体初始应力的测量方法岩体初始应力的测量方法4 岩体地应力及其测量方法岩体地应力及其测量方法 4.1概述概述 4.1.1 基本概念基本概念 地应力：地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力状态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地应力或

2、原岩应力。 次生应力：次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。 应力重分布：应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。 4 4.2 .2 地应力概论地应力概论 一、一、 地应力地应力 地应力分为地应力分为自重应力场自重应力场和和构造应力场。构造应力场。 自重应力自重应力: :由上覆岩体的自重所引起的应力；由上覆岩体的自重所引起的应力； 构造应力构造应力: :地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的应力，地质作用残存的应力。动与变化的应力，地质作用残存的应力。 二二. 地应力的特点及其

3、重要性地应力的特点及其重要性 地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑和其他各种地下地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑和其他各种地下工程或露天岩石开挖工程变形和破坏的原始动力，工程或露天岩石开挖工程变形和破坏的原始动力， 是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩石工程开挖设计和决策的必要前提条件。石工程开挖设计和决策的必要前提条件。 2 地应力的特点及其重要性地应力的特点及其重要性 为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工，为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工，就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查，就必须对影响工

4、程稳定性的各种因素进行充分调查， 只有详细了解了这些工程影响因素，通过定量计算和分只有详细了解了这些工程影响因素，通过定量计算和分析，才能做出既经济又安全实用的工程设计。析，才能做出既经济又安全实用的工程设计。 例如：对于矿山来说，只有掌握了具体工程区域例如：对于矿山来说，只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才能合理确定矿山总体布置，确的地应力条件，才能合理确定矿山总体布置，确定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸等。定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸等。 在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状态态，最理想的走向是与最大主应力方向平行最理想的走向是

5、与最大主应力方向平行， 当然，在实际工程中还要综合考虑工程需要和其当然，在实际工程中还要综合考虑工程需要和其它影响因素。它影响因素。 综上所述，地应力的特点及其重要性如下：综上所述，地应力的特点及其重要性如下： 1、地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力；、地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力； 2、地位相当于工程中习惯性理解的外荷载，但又与、地位相当于工程中习惯性理解的外荷载，但又与材力、弹力中泛指的外荷载有所不同；材力、弹力中泛指的外荷载有所不同； 3、地下工程是先受力，后开挖，并且地应力从开挖、地下工程是先受力，后开挖，并且地应力从开挖前到最终一直对围岩起着作用；前到最终一直对围岩起着作用

6、； 4、地应力是涉及地壳问题、地下工程问题理论分析、地应力是涉及地壳问题、地下工程问题理论分析、计算中最基础的原始资料。计算中最基础的原始资料。 4.3 地应力的成因地应力的成因 1）海姆假设：）海姆假设： 在前言中我们已经介绍过，人们认识地应力还只是近在前言中我们已经介绍过，人们认识地应力还只是近百年的事，百年的事，1878年瑞士的地质科学家海姆（年瑞士的地质科学家海姆（A.Heim）在）在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察与分析，首次提大型越岭隧道的施工过程中，通过观察与分析，首次提出了地应力的概念，出了地应力的概念，1）海姆假设：）海姆假设：假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意一点的应

7、力在各假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，并且等于单位面积上覆盖岩层的重量，即：个方向上均相等，并且等于单位面积上覆盖岩层的重量，即：式中：式中： 水平应力；水平应力； 垂直应力；垂直应力； 覆盖岩层的容覆盖岩层的容重；重； 覆盖岩层的深度。覆盖岩层的深度。hvHhvH 海姆认为：海姆认为： （1）原岩应力各向等压，即静水压力状态。）原岩应力各向等压，即静水压力状态。 （2）上覆岩体的重量，历经漫长的地质年代后，由）上覆岩体的重量，历经漫长的地质年代后，由于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导致于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导致水平应力最终与铅重应

8、力相均衡。水平应力最终与铅重应力相均衡。 这一法则，仍被许多岩石力学家在认识深部地应力这一法则，仍被许多岩石力学家在认识深部地应力状态时所接受。状态时所接受。 2）金尼克假设）金尼克假设 1926年，原苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设，年，原苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设， 他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆盖岩层的重量，他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆盖岩层的重量， 而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为 乘以一个修正系数。乘以一个修正系数。H 2）金尼克假设）金尼克假设 金尼克根据弹性理论（假定岩体是均匀的、连续的弹

9、性介质金尼克根据弹性理论（假定岩体是均匀的、连续的弹性介质体，得出水平应力总归小于铅垂应力的结论），体，得出水平应力总归小于铅垂应力的结论）， 认为这个认为这个测压系数测压系数等于等于 ，即：，即： 式中：式中： 上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊松比的常值范围上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊松比的常值范围为为0.150.30。1,1vhHH 此时，当此时，当 时，时， ，即，即海姆假说只是金尼克假海姆假说只是金尼克假说的一个特例说的一个特例。 同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公式来定量地计算地应力的大小，并且也都认为地应力只式来定量地计算地应力

10、的大小，并且也都认为地应力只与重力有关，即以垂直应力为主，他们不同点只在于测与重力有关，即以垂直应力为主，他们不同点只在于测压系数的不同。压系数的不同。0.5hvH小结小结 地应力分布理论：地应力分布理论：1 1）海姆假设：）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静首次提出了地应力的概念，静水压力假设）水压力假设） 海姆假说：海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。2 2）金尼克假设：）金尼克假设：（弹性力学假设）弹性力学假设） ， v v 为上覆岩层的柏松比。为上覆

11、岩层的柏松比。修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。HvhHvHh1 我国的地质学家李四光：李四光： 20年代指出“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量分量”。 50年代，年代，哈斯特哈斯特在测试地应力时也发现地壳上部的最大在测试地应力时也发现地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且主应力几乎处处是水平或接近

12、水平的，而且最大水平应最大水平应力主应力一般为垂直应力的力主应力一般为垂直应力的12倍倍。 这样就从根本上动摇了地应力是静水压应力的理论和垂这样就从根本上动摇了地应力是静水压应力的理论和垂直应力为主的观点。直应力为主的观点。3 3）李四光：）李四光：在在构造应力的作用构造应力的作用仅影响地壳上层一仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。直应力分量。4 4）哈斯特：）哈斯特：地应力测量发现存在于地壳上部的地应力测量发现存在于地壳上部的最最大主应力几乎处处是水平或接近水平的大主应力几乎处处是水平或接近水平的，从根本上动

13、，从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。点。 5 5）近期研究：）近期研究：重力作用和构造运动是引起地应力的主要重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以原因，其中尤以水平方向的构造运动水平方向的构造运动对地应力的形成对地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要由影响最大。当前的应力状态主要由最近一次的构造运最近一次的构造运动动所控制，但也与历史上的构造运动有关。所控制，但也与历史上的构造运动有关。c c 地应力分布理论：地应力分布理论： 因此，因此，重力作用重力作用和和构造运动构造运动是引起地应力是引起地应力的主要原因

14、，的主要原因， 地应力的大小和方向不可能通地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得，要了过数学计算或模型分析的方法来获得，要了解一个地区的地应力状态，唯一的方法就是解一个地区的地应力状态，唯一的方法就是进行进行地应力测量地应力测量。 自重应力和构造应力：自重应力和构造应力：（1 1）岩体的自重应力）岩体的自重应力在均匀岩体中，深度为在均匀岩体中，深度为z z处的岩体的竖向自重应力为：处的岩体的竖向自重应力为：Hz0, yxyx 在半无限体中任一微元体上的正应在半无限体中任一微元体上的正应力均为主应力，且有力均为主应力，且有0 zxyzxy zzyx 1得：得： 0)(1 zy

15、xyxE 其中其中为岩体静止侧压力系数。为岩体静止侧压力系数。根据虎克定律：根据虎克定律：在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：Hzzzyx 10 zxyzxy iniizh 1 iniinnznyxh11对于均质成层岩体：对于均质成层岩体：对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：0/ EEEzyxyx yx 则有则有 ：zyxEE /1iniizh 1 岩体自重应力的特点：岩体自重应力的特点：（a）水平应力）水平应力x、y小于垂直应力小于垂直应力z ；（b） x、y、z均为压应力；均为压应力；（c） z只与岩体容重和深度有

16、关，而只与岩体容重和深度有关，而 x、 y还同时与岩体弹性常数还同时与岩体弹性常数E、有关；有关；（d）结构面影响岩体自重应力分布。）结构面影响岩体自重应力分布。 4.4. 地应力的成因地应力的成因 产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不是十分清楚。产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不是十分清楚。 近近30多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种运动过程密切相关。与地球的各种运动过程密切相关。 包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地球非均匀扩

17、容等。地球旋转、岩浆侵入和地球非均匀扩容等。 另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可以引起相应的应力场。下面就几种主要成因进行分化等也可以引起相应的应力场。下面就几种主要成因进行分述：述： （1）大陆板块边界受压引起的应力场）大陆板块边界受压引起的应力场 中国大陆板块受到外部印度洋板块和太平洋板块中国大陆板块受到外部印度洋板块和太平洋板块两板块的挤压，推挤速度为每年数厘米，同时还受两板块的挤压，推挤速度为每年数厘米，同时还受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。我国大陆板块发我国大陆板块发生变形

18、，产生水生变形，产生水平压应力场，其平压应力场，其主应力迹线如图主应力迹线如图4-1所示。所示。（2 2）地幔热对流引起的应力场）地幔热对流引起的应力场 由硅镁组成的地幔因温度由硅镁组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上很高，具有可塑性，并可以上下下对流和蠕动对流和蠕动。当地幔深处的。当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就分上升流到达地幔顶部时，就分为两股方向为两股方向相反的平流相反的平流，经一，经一定流程直到与另定流程直到与另一对流圈一对流圈的反的反向平流相遇，一起向平流相遇，一起转为下降流转为下降流回到地球深处，形成回到地球深处，形成封闭的循封闭的循环体系环体系。地幔热对流引起地壳。地幔

19、热对流引起地壳下面的下面的水平切向力水平切向力。 （3）由地心引力引起的应力场）由地心引力引起的应力场 由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。 重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，垂直应力的主要组成部分， 但垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板但垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度等，均

20、会引起垂直方向应力的变化。不均和水压梯度等，均会引起垂直方向应力的变化。 由地心引力引起的应力场由地心引力引起的应力场 垂直应力垂直应力：平均容重，平均容重，KN/mKN/m3 3HH总深度（总深度（m m） 图图 岩体自重垂直应力岩体自重垂直应力HG （4）岩浆侵入引起的应力场）岩浆侵入引起的应力场 岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩过程，由于不同的岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩过程，由于不同的热膨胀系数及热力学过程等，均会在周围地层中产生相热膨胀系数及热力学过程等，均会在周围地层中产生相应的应力场，但它是一种局部应力场。应的应力场，但它是一种局部应力场。 岩浆倾入岩浆倾入挤压、挤压、冷凝收缩和成岩

21、冷凝收缩和成岩，均，均在周围地层产生相应在周围地层产生相应的应力场。的应力场。 与上述三种应力场与上述三种应力场不同，由岩浆侵入引不同，由岩浆侵入引起的应力场是一种起的应力场是一种局局部应力场。部应力场。 （5）地温梯度引起的应力场）地温梯度引起的应力场 地层的温度随着深度的增加而升高，一般的温度梯度地层的温度随着深度的增加而升高，一般的温度梯度为每百米为每百米3。 由于温度梯度而引起地层中不同深度不同的膨胀，从由于温度梯度而引起地层中不同深度不同的膨胀，从而引起地层中的局部压应力产生。而引起地层中的局部压应力产生。 随埋深增加，地温增高，岩体性质改变产生附加应力随埋深增加，地温增高，岩体性质

22、改变产生附加应力。 一般地温梯度：一般地温梯度： 岩体的体膨胀系岩体的体膨胀系数：数： ，岩体弹模，岩体弹模E=10E=104 4MPaMPa； 地温梯度引起的温度应力约为：地温梯度引起的温度应力约为： zMPazMPaEzT003.0101003.045 z-z-深度深度/m/m。温度应力是同深度的垂直应力的温度应力是同深度的垂直应力的1/91/9，并呈静水压力状态。，并呈静水压力状态。-510 100/3mC （6）地表剥蚀产生的应力场）地表剥蚀产生的应力场 地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用，由于岩体内的颗粒结构的

23、变化和应力松弛赶不上剥蚀作用，由于岩体内的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重应力还要大得多的水平应力。 因此，在某些地区，大的水平应力除了与构造应因此，在某些地区，大的水平应力除了与构造应力有关，还和地表剥蚀有关。力有关，还和地表剥蚀有关。 区域初始应力场有一致性，而区域内局部地点的区域初始应力场有一致性，而区域内局部地点的初始应力又有很大差别，主要是由地质因素造成的。初始应力又有很大差别，主要是由地质因素造成的。孤立山体：孤立山体：岩体自重起主导作用，岩体自重起主导

24、作用，V H陡峭河谷陡峭河谷：底部出现应力集中，最大主应力与河谷底部出现应力集中，最大主应力与河谷轴近似垂直。如二滩水电站处于河谷地段的应力集轴近似垂直。如二滩水电站处于河谷地段的应力集中范围达中范围达500m，深度，深度250m断裂带：断裂带：残留较大构造应力。如云南鲁布革电残留较大构造应力。如云南鲁布革电站工程中岩体最大主应力与断层走向近似垂直，站工程中岩体最大主应力与断层走向近似垂直，积聚于上盘岩体中。积聚于上盘岩体中。地壳表面剥蚀：地壳表面剥蚀：垂直应力减少，近地表处，垂直应力减少，近地表处， H V此外，地震活跃地区，初始应力大小和方向还此外，地震活跃地区，初始应力大小和方向还随时间

25、而变化。随时间而变化。 通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些基本规律：基本规律： （1 1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是时）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。间和空间的函数。 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应力的大小和方向是随着时不等压应力场。三个主应力的大小和方向是随着时间和空间而变化的，因而它是一个非稳定的应力场，间和空间而变化的，因而它是一个非稳

26、定的应力场，4.2 地应力场的分布规律地应力场的分布规律 从小范围来看，它在空间上的变化是比较明显的，从小范围来看，它在空间上的变化是比较明显的，但就某个地区整体而言，其变化并不大。但就某个地区整体而言，其变化并不大。 在某些在某些地震活跃地区地震活跃地区，地应力的大小和方向随，地应力的大小和方向随时间的变化是很明显的。时间的变化是很明显的。 地震前，应力处于累积阶段，应力值不断升高，地震前，应力处于累积阶段，应力值不断升高，而地震时使集中应力得到释放，应力值大幅度下降，而地震时使集中应力得到释放，应力值大幅度下降，要过一段时间后才能恢复到震前状态。要过一段时间后才能恢复到震前状态。2 2）实

27、测铅垂应力基本等于上覆岩层重量）实测铅垂应力基本等于上覆岩层重量 对全世界实测统计资料的分析表明，在深度为对全世界实测统计资料的分析表明，在深度为25252700m2700m的范围内，垂直应力呈线性增长，大致符合海的范围内，垂直应力呈线性增长，大致符合海姆的假设规律，姆的假设规律， 但在某些地区的测量结果有一定的偏差，这些但在某些地区的测量结果有一定的偏差，这些偏差除测量误差外，板块移动、岩浆运动和不均匀偏差除测量误差外，板块移动、岩浆运动和不均匀膨胀、扩容等都会产生垂直应力异常。膨胀、扩容等都会产生垂直应力异常。 图图4-24-2是霍克（是霍克（E.HoekE.Hoek）和布朗（）和布朗（E

28、.T.BrownE.T.Brown）总结出来的世界各国值随深度总结出来的世界各国值随深度H H的变化规律。的变化规律。2 2）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量 Hv 世界各国垂直应力随深度变化的规律世界各国垂直应力随深度变化的规律垂直应力 随深度线性增加。平均容重约为27KN/m3HkPav27 （3）水平应力普遍大于铅垂应力）水平应力普遍大于铅垂应力 实测资料表明，在绝大多数地区均有两个主应力位实测资料表明，在绝大多数地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一般不于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于大于3030，最大

29、水平主应力普遍大于垂直应力，它们的，最大水平主应力普遍大于垂直应力，它们的比值一般在比值一般在0.50.55.55.5之间，在很多情况下比值大于之间，在很多情况下比值大于2 2。 垂直应力在大多数情况下为最小主应力，在少数情垂直应力在大多数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力，只在个别情况下为最大主应力。况下为中间主应力，只在个别情况下为最大主应力。 这说明，水平方向的这说明，水平方向的构造运动构造运动对地壳浅层地应力的对地壳浅层地应力的形成起形成起控制控制作用。作用。世界各国水平主应力与垂直主应力之间关系表世界各国水平主应力与垂直主应力之间关系表（4 4）平均水平应力与铅垂应力的比值

30、随深度增加而减）平均水平应力与铅垂应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。小，但在不同地区，变化的速度很不相同。该图表明，在深度不该图表明，在深度不大的情况下，两者的大的情况下，两者的比值相当分散。随着比值相当分散。随着深度的增加，该值的深度的增加，该值的变化范围逐步缩小，变化范围逐步缩小，并向并向1 1附近集中，这说附近集中，这说明在地壳深部有可能明在地壳深部有可能出现静水压应力状态出现静水压应力状态。垂直应力平均水平应力K3.0100K H5.01500K H4 4）平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小，且趋近于）平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小，且趋

31、近于1 1五、最大、最小水平主应力随深度线性增加：五、最大、最小水平主应力随深度线性增加： HmaxHmax6.76.70.0444H(Mpa)0.0444H(Mpa) HminHmin0.80.80.0329H(Mpa)0.0329H(Mpa)六、六、最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。示出很强的方向性。 多数情况是多数情况是0.4-0.8。8 . 02 . 0maxmin HH 七、地应力除上述分布规律外，还受地形、岩体结构、七、地应力除上述分布规律外，还受地形、岩体结构、断层等方面的扰动影响。断层等方面的扰

32、动影响。 地形：对原始地应力的影响是十分复杂，地形：对原始地应力的影响是十分复杂，谷底是谷底是应力集中部位应力集中部位，越靠近谷底其应力集中程度也会，越靠近谷底其应力集中程度也会越明显。越明显。 随着深度的增加或远离谷底边坡，则地应力分布随着深度的增加或远离谷底边坡，则地应力分布状态逐渐趋于规律化，并显示出和区域应力场的状态逐渐趋于规律化，并显示出和区域应力场的一致性。一致性。断层和结构面：地断层和结构面：地应力分布状态也会出现明显的扰应力分布状态也会出现明显的扰动。动。 断层端部、拐角处及交汇处断层端部、拐角处及交汇处将出现应力集中的将出现应力集中的现象，现象，主应力方向大多平行或垂直于断层

33、走向。主应力方向大多平行或垂直于断层走向。 由于断层带中的岩体一般都比较软弱和破碎，不由于断层带中的岩体一般都比较软弱和破碎，不能承受高的应力和不利于能量积累，所以此处成为能承受高的应力和不利于能量积累，所以此处成为应力降低带。应力降低带。 随着断层性质的不同，其影响也不一样，随着断层性质的不同，其影响也不一样， 压性断层：压性断层：其中的应力状态与周围岩体比较接近，其中的应力状态与周围岩体比较接近， 只是主应力的大小比周围岩体有所下降；只是主应力的大小比周围岩体有所下降； 张性断层：张性断层：其中的地应力大小和方向与周围岩体相其中的地应力大小和方向与周围岩体相比均要发生显著的变化。比均要发生

34、显著的变化。4-3 高地应力区特征高地应力区特征maxbR围岩强度比4.3.1 4.3.1 高地应力判别准则和高地应力现象高地应力判别准则和高地应力现象 1 1高地应力判别准则高地应力判别准则 高地应力是一个相对的概念。由于不同岩石具有不同的弹性高地应力是一个相对的概念。由于不同岩石具有不同的弹性模量，岩石的储能性能也不同。一般来说，地区初始地应力大模量，岩石的储能性能也不同。一般来说，地区初始地应力大小与该地区岩体的变形特性有关，岩质坚硬，则储存弹性能多，小与该地区岩体的变形特性有关，岩质坚硬，则储存弹性能多，地应力也大。因此高地应力是相对于围岩强度而言的。也就是地应力也大。因此高地应力是相

35、对于围岩强度而言的。也就是说，当围岩内部的最大地应力与围岩强度说，当围岩内部的最大地应力与围岩强度(Rb)(Rb)的比值达到某一的比值达到某一水平时，才能称为高地应力或极高地应力。即水平时，才能称为高地应力或极高地应力。即 2 2、高地应力现象、高地应力现象 （1 1）岩芯饼化现象）岩芯饼化现象 （2 2）岩爆。）岩爆。在岩性坚硬完整或较完整的高地应力在岩性坚硬完整或较完整的高地应力 地区开挖隧洞或探洞的过程中时有岩爆发生。地区开挖隧洞或探洞的过程中时有岩爆发生。岩爆岩爆 是岩石被挤压到弹性限度，岩体内积聚的能量突然是岩石被挤压到弹性限度，岩体内积聚的能量突然 释放所造成的一种岩石破坏现象。释

36、放所造成的一种岩石破坏现象。3)3)探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形，在中等强度以下的岩体中开挖探洞声并有较大变形，在中等强度以下的岩体中开挖探洞或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩体产生剥离现象体产生剥离现象 有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有破有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有破哑声。在软质岩体中洞体则产生较大的变形，位移显哑声。在软质岩体中洞体则产生较大的变形，位移显著，持续时间长，洞径明显缩小。著，持续时间长，洞径明显缩小。 (4)(4)岩质基坑底部

37、隆起、剥岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象。离以及回弹错动现象。 在坚硬岩体表面开挖基坑在坚硬岩体表面开挖基坑或槽，在开挖过程中会产生坑或槽，在开挖过程中会产生坑底突然隆起、断裂，并伴有响底突然隆起、断裂，并伴有响声；或在基坑底部产生隆起剥声；或在基坑底部产生隆起剥离。在岩体中，如有软弱夹层，离。在岩体中，如有软弱夹层，则会在基坑斜坡上出现回弹错则会在基坑斜坡上出现回弹错动现象。动现象。 (5)(5)野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实 验室岩块试验结果高。验室岩块试验结果高。 岩体内开挖地下厂房、隧道、矿山地下巷道、采场等地下工程，引起挖空区围岩应

38、力重新分布和集中，当应力集中到一定程度后就有可能产生岩爆。在地下工程开挖过程中，岩爆是围岩各种失稳现象中反映最强烈的一种。它是地下施工的一大地质灾害。由于它的突发性，在地下工程中对施工人员和施工设备威胁最严重。4.3.2 岩爆及其防治措施岩爆及其防治措施 岩爆：岩爆： 围岩处于高应力场条件下所产生的岩片(块)飞射抛撤，以及洞壁片状剥落等现象叫岩爆。 LOREM 有的学者认为岩爆是受剪破裂；也有的有的学者认为岩爆是受剪破裂；也有的学者根据自己的观察和试验结果得出张破裂学者根据自己的观察和试验结果得出张破裂的结论；还有一种观点把产生岩爆的岩体破的结论；还有一种观点把产生岩爆的岩体破坏过程分为：劈裂

39、成板条、剪坏过程分为：劈裂成板条、剪( (折折) )断成块、断成块、块片弹射三个阶段式破坏。块片弹射三个阶段式破坏。地下工程中岩爆的形成条件及机理地下工程中岩爆的形成条件及机理：3( (3)3)爆炸抛射型爆炸抛射型 岩爆发生时巨石抛射，其声响如同炮弹爆炸，抛射岩块的体积数立方米到数十立方米，抛射距离几米到十几米。 (1)(1)破裂松脱型破裂松脱型 围岩成块状、板状、鳞片状，爆裂声响微弱，弹射距离很小，岩壁上形成破裂坑，破裂坑的深度主要受围岩应力和强度的控制。1(2)(2)爆裂弹射型爆裂弹射型 岩片弹射及岩粉喷射，爆裂声响如同枪声、弹射岩片体积一般不超过0.33m3，直径510cm。洞室开凿后，一般出现片状岩石弹射、崩落或成笋皮状的薄片剥落，岩片的弹射距离一般为25m。岩块多为中间厚，周边薄的菱形岩片。2目前主要是根据现场调查所得到的岩爆特征，目前主要是根据现场调查所得到的岩爆特征，考虑岩考虑岩爆危害方式、危害程度以及对其防治对策等因素爆危害方式、危害程度以及对其防治对策等因素. .应变型，指坑道周边坚硬岩体产生应力集中，在应变型，指坑道周边坚硬岩体产生应力集中，在脆性岩石中发生激烈的破坏，是最一般的岩爆现脆性岩石中发生激烈的破坏，是最一般的岩爆现象；象；屈服型，指在有相互平行