6讲 岩体的初始应力状态(下)

1、岩体初始应力的影响因素3岩体初始应力的影响因素地形地形的起伏影响岩体内的自重应力。但这种地形的影响只是在地表下一定深度范围内较明显。如图15-3-6所示山谷的谷底的应力由于凹口的应力集中而很大。在均质岩层中(图15-3-6(a)，凹口的应力集中现象还比较规则，而在非均质岩层中，岩体中的应力变化还会随岩性的变化而变得更复杂(图15-3-6(b)。图15-3-7显示了地形对岩体初始应力影响的另一特征。即在水平地表附近的地应力，其主应力几乎与地面线平行，第一主应力为沿地面方向，与第二、三主应力有较大差异；在深处，则呈静水压力状态见图(15-3-7(a)。而斜坡的垂直方向上应力则几乎等于零。在斜坡上的

2、局部上凸部位，其应力急骤减小，而在斜坡下凹地方则应力增大。在山谷的尖槽底下，则现场应力会很大，接近或达到岩石强度。见图15-3-7(b)L5-5-5左均爲JW/in-6.M跺融rkM/m*k=4J.MIWRm【例题12】由于地形的起伏影响岩体内的自重应力，在山谷的下列各个部位，地应力最大的是（）。谷底斜坡山顶斜坡上凸处答案：A2）地质条件对自重应力的影响地质构造对自重应力也有影响。图15-3-8所示为背斜褶曲的影响，在褶曲两翼显示出应力增大，而在褶曲中部则应力降低。也可以推测，在向斜的两翼会出现应力降低、而在向斜核部显示出应力增大的现象。【例题13】在背斜褶曲中，初始应力最大的部位是（）。翼的

3、端部翼的中部褶曲中部褶曲部位答案：B【例题14】在向斜褶曲中，初始应力最大的部位是（）。翼的端部翼的中部褶曲中部褶曲部位答案：C图15-3-9所示为断层对自重应力的影响。由于断层两侧的岩块形成了应力传递，使上大下小的楔体A产生了卸荷作用，致使地应力降低；而下大上小的楔体B产生了加荷作用，致使应力升高。同时也产生了山峰处地应力低、沟谷处地应力高的现象。V厂LlfViiVTrTTiTiTrrfnT3）水压力和热应力存在于岩体裂隙或孔隙中的水，静止时呈现静水压力，流动时产生动水压力。在通常情况下，静水压力只是起到减轻岩体质量的浮力作用，浮力的大小等于水的密度与所考虑点的水头高度的乘积。岩体中地下水位

4、的升降可引起岩体重量的减少或增加，因此，静水压力要视具体情况具体分析其产生的作用。动水压力是指地下水在水头差的作用下，沿岩体的裂隙或孔隙流动时，给予周围岩块表面的动水摩擦力和动水流向应力。这种力对岩体工程的影响较小，一般可不予考虑。【例题15】对于岩体工程而言，应考虑的水压力为（）。静水压力动水压力静水压力和动水压力答案：A岩体受局部加温或冷却会产生膨胀或收缩，这样，会在岩体内部产生热应力。例如，无论是大块侵入岩体还是侵入岩流或小型岩脉，岩浆融流都会使周围岩体受热膨胀，周围岩体限制受热岩体的膨胀，从而在岩体中增加了热应力；当冷却时，又会产生收缩，这样，会在岩体内部造成一些成岩裂隙（例如玄武岩的

5、柱状节理），并在岩石本身及周围岩体中保留部分残余热应力。此外，随着岩体的埋深增加，地温也会逐渐上升，地温升高也会使岩体内部地应力增加，一般地温梯度谡=3C/100m,岩体的体膨胀系数“约为10-5,般弹性模量E=104MPa,所以，地温梯度引起的温度应力约为$=Hfl/GE=0.03ICxi0HMPa=O+QQ3HM丹式中，H为研究点深度（m）。岩体的地温应力是压缩应力,并随深度增加。在深度相同的情况下,约为垂直重力应力的1/9左右,并且呈静水压力状态,即crT7.=crrn=crrs=qT【例题16】岩体的地温应力是压缩应力,随深度的变化规律为（）。增加减小不变以上三种均可产生答案：A岩体初

6、始应力量测方法简介二、岩体初始应力量测方法简介（一）岩体应力现场量测方法概述岩体应力现场量测的目的是在于了解岩体中存在的应力大小和方向,从而为分析岩体工程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。岩体应力量测还可以是预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具。岩体应力量测可以分为岩体初始应力量测和地下工程应力分布量测。前者是为了测定岩体初始地应力场,后者则为测定岩体开挖后引起的应力重分布状况。从岩体应力现场量测的技术来讲,这二者并无原则区别,只是要求前者的测点,布置在未受开挖而产生影响的岩体内。岩体应力量测可以在钻孔中、露头上和地下洞室的岩壁上进行,也可以在地下工程中根据两点间的位移来进行反算而求得

7、。通常应用较多的三种方法是应力解除法、应力恢复法和水压致裂法。每种方法都有不同的优点和缺点,可以相互取长补短。因为岩体应力存在于岩体中,是一种岩体内部的受力,并在受力过程中产生变形,这种变形大部分是可恢复的弹性变形，但也有部分是不可恢复的变形。所以，每一种应力量测技术都要扰动岩石，以便产生能够进行现场量测的“量”（大部分是测量位移值或应变值），然后根据一定的理论模式进行分析计算。为了量测岩体中某个位置的应力，就必须使用钻具钻孔或开挖，以便到达该测量点，这必然会扰动岩体因此，对某个测点进行位移量测，并根据某种理论模式进行计算以后，还必须根据开挖或钻进的方法和尺度，进行修正。如果说，某种应力量测方

8、法的精确度能控制误差在0.4MPa以内，其结果通常被认为是令人满意的。【例题17】通常应用较多的岩体初始应力量测方法当中不包括（）。应力解除法应力恢复法水压致裂法点载荷试验法答案：D【例题19】对于岩体的初始应力进行量测时，不能采取的方法是（）。在钻孔中进行在露头上进行模拟真实环境进行在地下洞室的岩壁上进行答案：C【例题20】在对岩体初始应力进行量测时，所测量的成果为（）。位移值应力值重度值厚度值答案：A目前已经形成了许多地应力测量方法，这些方法在有关的文献中已做了详细的介绍，概括起来如表15-3-1。地应力测量方法一览表表15-3-1测量原理测量方法解除方法使用条件可信度1钢环变形计套孔解除

9、要求不严较咼2钢弦应力计套孔解除要求不严较咼一、测量变形3压磁应力计套孔解除岩石完整较咼4液压计套孔解除要求较咼参考5孔底应变丛孔底解除岩石完整较低二、测量应变6.光弹双向应变计孔底解除岩石完整参考7孔壁之轴应变丛套孔解除岩石完整较低8光弹柱塞套孔解除适用于软岩参考二、包体变形9罗恰光弹应力计套孔解除适用于软岩参考10水压致裂不用解除要求不咼较咼四、破裂11压裂声发射不用解除要求较咼较低（二）水压致裂法1方法原理及技术水压致裂法的基本点是通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压。将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表头读数，计算测点附近岩体中地应力大小

10、和方向。压裂点上、下用止水封隔器密封，其结构如图15-3-10所示。水压致裂过程中泵压变化及其特征压力示于图15-3-11。各特征压力的物理意义注释如下：P岩体内孔隙水压或地下水压力；0P注入钻孔内液体压力将孔壁压裂的初始压裂压力；bPS液体进入岩体内连续地将岩体劈裂的液体压力，称为稳定开裂压力；Ps0关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如果围岩渗透性大，该压力将逐渐衰减。P0停泵后重新开泵将裂缝重新张开的压力，称为开启压力。b2基本理论和计算公式大量室内及现场实验资料证明，不论垂直地应力耳为主应力之一，则其他两个地主应力为在水平面的平面内。当孔壁出现垂直裂缝时，设孔周两个水平地应力分别为

11、応和疔“，孔壁还受有水压Pb(图15-3-12)。此时,根据特征应力值可确定岩体的抗拉强度及水平地应力的大小。Pb-Pb0=To巧血=3-Pt+To15-3-93根据水压致裂法试验结果计算地应力15-3-11乐裂过代毎抵变优及特後抵力15-3-12扎壁并型为学視型水压致裂法的缺点是地主应丈I方向难以确定-在式(15-3-23)的基础上，可以通过分析的方法来初步解决-般来讲=作为地主应力之一我们可以将bg与及b囱作比较，若兀$%，则可以肯定此时丄两最小地主应力；进一歩将応作比鮫，也就可以依次确定地应力的三个主应力口因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定，b豔的方位或疔他的方向，所以三个地主应力的方

12、位也可以相应确定口如果叫泪、并且孔壁开裂后孔內岩体出现水平裂縫，则此时bg=煜为最小地应丈I,b赛与疔臥各为中主应力及最犬地主应力，垂直开裂方向即犬地主应力方向-4水压致裂法的特点1）设备简单。只需用普通钻探打孔，用双止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩体，不需要复杂的电磁测量设备。2）操作方便。只通过液压泵向钻孔内注液压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可。3）测值直观。它可根据压裂时泵压（初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力）计算出地应力值，不需要复杂的换算及辅助测试，同时还可求得岩体抗拉强度。4）测值代表性大。所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好的

13、代表性。5）适应性强。这一方法不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下作试验，不怕电磁干扰，不怕震动。因此，这一方法越来越受到重视和推广。但它存在一个较大的缺陷，即主应力方向定不准。【例题21】用水压致裂法量测岩体初始应力时存在着一个较大的缺陷是（）。主应力方向定不准设备简单便操作性较差试验时怕电磁干扰，怕震动测量时较复杂答案：A（三）应力解除法应力解除法是岩体应力量测中应用较广的方法。它的基本原理是：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为地将该处的岩体单元与周围岩体分离，此时，岩体单元上所受的应力将被解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器，测定这种弹性恢

14、复的应变值或变形值，并且认为岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。应力解除法的具体方法很多，按测试深度可以分为表面应力解除、浅孔应力解除及深孔应力解除。按测试变形或应变的方法不同，又可以分为孔径变形测试，孔壁应变测试及钻孔应力解除法等。有关这三种测试方法请参见“工程岩体试验方法标准”中岩体应力测试章节在此不作介绍。【例题22】采用孔壁应变测试方法测试孔壁应变时，该种方法属于（）。应力解除法应力恢复法水压致裂法答案：A三、岩体初始应力状态的主要分布规律（一）垂直应力随深度的变化岩郎天然应力的垂直分壘，一般认次等于该点.的上覆岩层的质量煜-但

15、从国內实测瓷料（工程岩体分级标准GB咒条文说明）看，垂直应力分壘与上覆岩层的质量疸的比值在0.43-19.8的范围內，其中，yH）1.2的（b”/煜）0.8的约占13%,这说明多数情况是（b”/yH）io有人总结了世界范围内的资料（252700m范围内）后得出，随深度H的增大呈线性关系增加（图15-3-13）,大概相当于按平均密度为2.7g/cm3计算出来的重力。【例题23】垂直应力随深度的变化规律为（）。随深度H的增大呈线性关系增加随深度H的增大呈线性关系减小与深度H的变化无关答案：A（二）水平应力随深度的变化通过研究南部非洲、美国、日本、冰岛及加拿大等地区的应力测量结果可以看出，尽管随着地

16、质环境的变化其结果有所差异，但揭示出地壳内水平应力随深度增加呈线性关系增大（图15-3-14）是普遍规律。【例题24】水平应力随深度的变化规律为（）。随深度H的增大呈线性关系增加随深度H的增大呈线性关系减小与深度H的变化无关答案：A（三）水平应力与垂直应力的比值K水平应力与垂直应力的比值K是随深度而变化的，如图15-3-15所示。在接近地表及浅层地层中，所测的地应力资料统计表明，大多数的实测结果表明了比值K1,即水平应力垂直地应力。但随着深度增加，就会出现K=1的状况，这个深度称为临界深度。测量地区不同，临界深度也不同。冰岛的实测资料临界深度大约为200m。在南非和日本曾测得临界深度为500m

17、左右；在美国的水压致裂法测定资料表明，临界深度为1000m左右。而在加拿大和斯堪底纳维亚测得的资料，在深度2000m内，水平应力始终占优势，即临界深度在2000m以上。与垂直应力分量之比作为地表以下深度的函数引自hoek和Blownl978平均水平应力巧种垂直应力碍TOC o 1-5 h z【例题25】根据实测资料分析，在浅层地层中水平应力与垂直应力的比值K的大小一般情况下为（）。K1KV1K=1答案：A0,53M100015M1.52-02.53.05J20W2500廈洲*加盘大*类国。厮地底炳推亚甫非其治地扛图153-15图屮的点表示二亍水平应力分嚴的平均测量值与垂克应丈廿宦之比作均魅表之

18、下探度的函数引自Meek和15山呵49池（四）两个水平应力之间的关系关于两个水平应力b亟与b血间的关系，一般来讲，无论是大区域或较小区域范围内，其大小和方向都有变化。一般，嘶/Olfe=0.2-0.8!而大冬数曲0.47.九根据不完全统计，我国与欧洲的资料列干表竹-2。两个水平应力分量之间的关系表15-3-2实测地点统计数目OHy/Hx比值S1.00.750.750.500.500.250.250合计斯堪的纳维亚等地511467136100北美2222246239100中国251256248100当然，有时出现两个水平应力相等的情况，这主要在构造简单，地层平缓的地区。【例题26】在一般情况下，

19、两个水平应力之间的关系为()。A.cr/crffe1Be肉/oife1B/QB：1C.OHy/临=1答案：c一、单选题:1、下列关于岩石初始应力的描述中，哪个是正确的()垂直应力一定大于水平应力构造应力以水平应力为主自重应力以压应力为主，亦可能有拉压力自重应力和构造应力分布范围基本一致你的答案：标准答案：b本题分数：1.00分，你答题的情况为错误所以你的得分为0分解析：2、测定岩体的初始应力时，最普遍采用的方法是()。A.应力恢复法B.应力解除法C.弹性波法D.模拟试验你的答案：标准答案：b本题分数：1.00分，你答题的情况为错误所以你的得分为0分解析：3、当利用下列量测方法时进行岩体初始应力

20、量测时，可信度较高的是（）。A.液压计B.孔底应变丛C.光弹柱塞D.水压致裂你的答案：标准答案：d本题分数：1.00分，你答题的情况为错误所以你的得分为0分解析：4、利用水平应力与垂直应力的比值K可以判定临界深度，当K等于（）时的深度即为临界深度。00.511.5你的答案：标准答案：c本题分数：1.00分，你答题的情况为错误所以你的得分为0分解析：5、当对岩体初始应力进行量测时，必须要做的是（）。确定量测方法选定理论模式选定一定的仪器扰动岩石你的答案：标准答案：d本题分数：1.00分，你答题的情况为错误所以你的得分为0分解析：6、由于地形对地应力的影响，在水平地表附近的地应力，地应力方向为（）。主应力几乎与地面线平行，第一主应力为沿地面方向主应力几乎与地面线平行，第一主应力与地面方向垂直主