岩体天然应力解析课件

1、第6章 岩体天然应力6.1 概 述6.2 岩体中天然应力的分布规律6.3 岩体天然应力测量6.4 岩体中天然应力的估算6.5 岩体天然应力场的回归分析6.6 高地应力的若干特征10/12/20221岩石力学与工程第6章 岩体天然应力6.1 概 述10/10/2026.1 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10/12/20222岩石力学与工程6.1 概 述一、定义重分布应力+1.研究历史 世界上 :1912年瑞士海姆提出天然应力

2、1926年前苏联金尼克提出了修正海姆假设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1958年首次证实了岩体中构造应力的存在。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）。二、天然应力的研究历史与研究意义10/12/20223岩石力学与工程1.研究历史 二、天然应力的研究历史与研究意义10/101.研究历史 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）。 二、天然应力的研究历史与研究意义10/12/20224岩石力学与工程1.研究历史 二、天然应力的研究历史与研究意义10/10/22

3、.研究意义 1）区域稳定 2）地下洞室稳定 3）边坡稳定 4）地基岩体稳定二、天然应力的研究历史与研究意义10/12/20225岩石力学与工程2.研究意义 二、天然应力的研究历史与研究意义10/10/三、天然应力的组成及起源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10/12/20226岩石力学与工程三、天然应力的组成及起源拉张区挤压区10/10/20226三、天然应力的组成及起源2.起源地壳板块运动及其相互挤压 地幔热对流地球重力岩浆侵入（是一局部应力场）地温梯度（也会产生局部应力场）地表剥蚀10/12/20227岩石力学与工程三

4、、天然应力的组成及起源2.起源10/10/20227岩石以东经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。地壳板块运动及其相互挤压（以中国为例）10/12/20228岩石力学与工程以东经100105o为界分东西两区。地壳板块运动及其相互挤西南：印度板块向NNE挤压（5mm/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。10/12/20229岩石力学与工程西南：印度板块向NNE挤压（5mm/a）中国板

5、块处在四大板块6.2 岩体中天然应力的分布规律1.地壳中主应力以压应力为主，方向基本上是垂直和水平的。2.天然应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，是时间和空间的函数10/12/202210岩石力学与工程6.2 岩体中天然应力的分布规律1.地壳中主应力以压应力6.2 岩体中天然应力的分布规律3.垂直天然应力随深度呈线性增长上覆岩体自重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10/12/202211岩石力学与工程6.2 岩体中天然应力的分布规律3.垂直天然应力随深度呈4.水平天然应力（h）分布比较复杂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。大部分岩体中的

6、水平应力大于垂直应力，即h v，特别是 hmax v 岩体中两个水平应力hmax 和hmin 通常不相等, hmin/ hmax0.2-0.8。具有强烈的各向异性。在单薄的山体、谷波附近以及未受构造变动的岩体中，天然水平应力均小于天然垂直应力。6.2 岩体中天然应力的分布规律10/12/202212岩石力学与工程4.水平天然应力（h）分布比较复杂6.2 岩体中天然应5.天然水平应力与垂直应力的比值称为天然应力比值系数()，随深度增加而减小。6.2 岩体中天然应力的分布规律10/12/202213岩石力学与工程5.天然水平应力与垂直应力的比值称为天然应力比值系数()，6.一个相当大的区域内，最大

7、主应力方向是相对稳定的7.区域构造场常决定局部点的主应力8.天然应力状态一般处于三维状态水平应力场 两个应力轴近水平，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。6.2 岩体中天然应力的分布规律10/12/202214岩石力学与工程6.一个相当大的区域内，最大主应力方向是相对稳定的6.2 天然应力的量测方法水压致裂法应力恢复法（扁千斤顶法）套芯应力解除法光弹法声发射法X射线法6.3 岩体天然应力测量10/12/202215岩石力学与工程天然应力的量测方法水压致裂

8、法应力恢复法（扁千斤顶法）套芯应力千斤顶油泵时间千斤顶压力 pc测点分离值 d0 d步骤：在岩壁上选择测点，固定A、B两点。d015cm刻槽 应力释放、变形 d0 d;安装扁千斤顶;加压 应力恢复 d d0时的千斤顶压力即为 1、应力恢复法（扁千斤顶法）10/12/202216岩石力学与工程千斤顶油泵时间千斤顶压力 pc测点分离值 d0 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:10/12/202217岩石力学与工程重复 测量另一个方向的 W ;10/10/202、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

9、力解除应力计算位移恢复10/12/202218岩石力学与工程2、钻孔套芯应力解除法+仪器套芯解除钻孔同心套钻放设天然应力为水平应力场（即按照平面应力问题考虑）4545计算公式：应变计互成45，据上式有10/12/202219岩石力学与工程设天然应力为水平应力场（即按照平面应力问题考虑）4545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606010/12/202220岩石力学与工程用消元法解三元一次方程，得：606010/10/2022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

10、始读数；套钻解除：在应力解除过程中，测记应变计读数，至应变完全解除为止；折断岩心，在室内求取岩石的Em;按前述公式求解：天然应力hmax， hmin测量步骤：10/12/202221岩石力学与工程选点、钻孔：130cm ，深度一般小于30m ;测量步优点：能较准确地量测出岩体中的天然应力 缺点：只能量测浅部（30米以内天然应力 ，深度大了，套钻技术难度大、精度低。2、钻孔套芯应力解除法10/12/202222岩石力学与工程优点：能较准确地量测出岩体中的天然应力 2、钻孔套芯应力解除A3、水压致裂法tpc1pS pc2p0水压力随时间的变化曲线10/12/202223岩石力学与工程A3、水压致裂

11、法tpc1pS pc2p0水压力随时间的变tpc1pS pc2p0假设：天然应力场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。水平应力为 ，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“”AA10/12/202224岩石力学与工程tpc1pS pc2p0假设：天然应力场铅直应力取“”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10/12/202225岩石力学与工程维持破裂展开，又不继续发展的条件为 破裂平行于 ，垂直于 ，破裂方向由压痕，井下电视确定。优点：测深大，z可达数

12、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10/12/202226岩石力学与工程破裂平行于 ，垂直于 6.4 岩体天然应力的估算1.垂直天然应力估算zA地质构造简单、地层平缓正断层时：逆断层时：10/12/202227岩石力学与工程6.4 岩体天然应力的估算1.垂直天然应力估算zA2.水平天然应力估算原地面现地面剥蚀10/12/202228岩石力学与工程2.水平天然应力估算原地面现地面剥蚀10/10/2022该式说明：剥蚀后，岩体中一点 增大了，当Z大到一定值时，必有1的情况出现。10/12/202229岩石力学与工程该式说明：剥蚀后，岩体中一点 增大了，当Z大到一定值时，标志岩芯饼化现象；开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；收敛变形大，使开挖断面变小-缩颈；软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合-回弹错动；水下开挖无水渗出。6.6 高地应力的若干特征10/12/202230岩石力学与工程标志6.6 高地应力的若干特征10/10/2022310/12/202231岩石力学与工程10/10/202231岩石力学与工程高地应力判别准则（重点）（1）目前国际国