岩体力学天然应力

1、第6章 岩体中的天然应力6.1 概 述6.2 岩体天然应力的分布特征6.3 岩体天然应力的确定10/1/202216.1 概 述一、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+天然应力相对于第2洞室的天然应力10/1/20222二、天然应力组成及起源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）拉张区挤压区2.起源（主要指构造运动的起源）： 板块运动 地幔热对流 地球自转速度变化10/1/20223西南：印度板块向NNE挤压（5mm

2、/a）东：太平洋板块向W俯冲（1cm/a）南：菲律宾板块向N俯冲北：西伯利亚板块阻挡 1迹线：N-NE-SSE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。10/1/20224三、天然应力的研究历史与研究意义1.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（美国密执安水压致裂法）。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）。 10/1/202252.研究意义 1）区域稳定 2）地下洞室稳定

3、 3）边坡稳定 4）地基岩体稳定10/1/20226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。一、 分区性（以中国为例）6.2 岩体天然应力的分布特征10/1/20227以东经100105o为界分东西两区。强度上：西强东弱方向上：西： NNE-SSW为主， 东：近E-W。10/1/20228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最大主应力二、铅直应力 （V）10/1/20229三、 水平应力（ h）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/v 0.8-3.0 ，

4、说明：水平天然应力主要受构造应力场控制；水平应力具有强烈的各向异性，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。10/1/202210四、天然应力比值系数与深度z 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。10/1/202211五、主应力与水平面的关系据主应力与水平面的关系，可划分为：水平应力场 两个应力

5、轴近水平，或与水平面夹角很小，另一应力轴近铅直，三个应力轴与空间坐标一致，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。10/1/202212六、高天然应力标志开挖洞室时，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；饼状岩心；水下开挖无水渗出。10/1/202213七、影响天然应力的因素1.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+ + + + + + + + + +10/1/2022142. 地表剥蚀原地面现地面剥蚀10/1/202215该式说明：剥蚀

6、后，岩体中一点 增大了，当Z大到一定值时，必有1的情况出现。10/1/2022163.结构面4.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 产生渗流应力6.地温 产生温度应力10/1/2022176.3 岩体天然应力确定自重应力理论地震震源机制解地变形量测天然应力测量大地水准测量三角网测量GPS测量天然应力确定方法10/1/202218zA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、当地侵蚀基准面以上1、均质各向同性岩体10/1/202219A2、水平层状岩体10/1/202220A3、垂直层状岩体10/1/202221二、天然应力量测天然应力的量测方法水压

7、致裂法应力恢复法（扁千斤顶法）套芯应力解除法光弹法声发射法X射线法10/1/202222A1、水压致裂法tpc1pS pc2p0水压力随时间的变化曲线10/1/202223tpc1pS pc2p0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： 取“”A10/1/202224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：10/1/202225破裂平行于 ，垂直于 ，破裂方向由压痕，井下电视确定

8、。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方向：据岩体破裂方向确定10/1/202226千斤顶油泵千斤顶压力 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 ；2、应力恢复法（扁千斤顶法）10/1/202227重复 测量另一个方向的 W ；计算天然应力；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：10/1/2022283、钻孔套芯应力解除法基本原理+仪器套芯解除钻孔同心套钻放应变计应力解除应力计算位移恢复10/1/202229设天然应力为水平应力场4545计算公式：应变计互成45，据上式有10/1/202230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606010/1/202231选点、钻孔：130cm ，深度一般小于30m ；在孔底打一测量孔：36cm，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