岩石力学5课件

第五章岩体天然应力与洞室围岩的应力分布一、岩体的应力类型地应力是工程前、后岩体中应力的总称。⑴构造应力—由地壳构造运动在岩体中所引起的应力。⑵自然（作用）应力—自重、温度变化、地震、固结、沉积、变质、结晶、脱水所引起的应力。⑶附加应力—人类活动（工程）作用。工程施工前就存在与岩体内的应力称初始应力或天然应力。第一节概述二、概念在天然状态下,岩体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体初始应力。人类进行工程建设将引起一定范围内岩体初始应力的改变，工程建设扰动后的岩体应力称为重新分布应力或二次应力。影响岩体天然应力大小和分布规律的因素很多，主要有岩体自重、构造作用类型、强度和持续时期的长短等。自重引起的岩体应力称为自重应力；由于岩体构造作用引起的应力称为岩体构造应力。此外，成岩过程中的物理化学变化、地形地貌、地温梯度等均对岩体天然应力有不同程度的影响。人们将水平应力与垂直应力的比值称为侧压比（用λ表示），通过实测资料发现，它与深度存在以下关系：见图5-1所示。由图可见：H小于1000时，侧压比较为分散。随着深度的增大，侧压比趋近于1。二、自重应力与海姆假说现取水平应力和铅直应力之比，称为侧压力系数，记为K0对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层，它们的应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力状态。因此，如果以坐标平面xy为地表面，z轴垂直向下的半无限体，在深度为z处的垂直应力σz，显然可按下式计算：式中：γ---岩体容重水平应力为：

式中：K0---岩石的静止侧压力系数μ---岩石的泊松比，一般为0.2-0.3，此时K0为0.25-0.4。当K0=1时，就出现水平向应力与垂直向应力相等的所谓的静水压力式的情况，这也是海姆所提出的假说，他根据在开挖贯穿阿尔卑斯山的大型隧洞的观察中，发现隧洞的各个方向上都承受很高的压力，于是提出了著名的海姆假说：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。3.2岩爆发生的判据⑴当Rc/σmax＞7时，无岩爆；⑵当Rc/σmax=4～7时，可能发生轻微或中等岩爆；⑶当Rc/σmax＜4时，可能发生严重岩爆3.3岩爆的防治⑴围岩加固措施；⑵改善围岩应力条件；（隧道选线、合理的断面形状、施工方式、应力解除）⑶改善围岩性质⑷施工安全措施图6-26基坑边坡回弹错动三、岩体应力与工程的关系建筑物修造，会引起岩体应力的重新分布，形成新的应力状态，这会产生岩体的变形或破坏。进行稳定分析岩体天然应力是必须的基本资料。岩体天然应力与地下洞室的关系最为密切，地下洞室的开挖过程，实际上就是该处天然应力释放过程。由于岩体内的能量得到释放，形成新的应力状态，产生围岩的变形。洞室周边的应力与围岩深部的应力相比，前者常处于不利的受力状态。如果这种应力状态超过岩体的强度条件，就可能发生破坏，甚至引起围岩的失稳。对于圆形有压隧洞，人们总希望尽可能使隧洞横断面上的垂直初始应力与侧向水平初始应力大致相等。从理论上讲，此时围岩中的重分布应力比较均匀，围岩的稳定性最好。并且初始应力值达到一定数值时，岩体强度又较高，那么围岩将具有较大的承载能力可资利用。在有压水工隧洞设计中是一个有利因素，使岩体可以分担更多的内水压力，而衬砌可以减薄。坚硬完整的岩体，如果天然应力很高，则可以聚集大量的能量。地下洞室开挖过程中，在围岩应力较大的部位，岩石被挤压到超过它的弹性限度，积聚的能量会突然释放出来，形成“岩爆”现象，它不仅危及施工人员和设备的安全，并且给生产造成巨大损失。在岩基上修建大坝，由于基坑开挖的卸荷作用，将会引起基坑底部、岩体发生回弹隆起，或坑壁岩层移动，这种岩体变形，在水平主应力较大，岩体中存在着近于水平产状的软弱面时，特别明显。这不仅使岩体的工程性质恶化，而且还会影响未来建筑物的受力状态和稳定。第三节岩体应力的现场量测

在进行工程设计时，岩体中初始应力的大小及其分布状态，是不可缺少的重要资料，这一部分工作一般由勘察、试验研究部门来承担。因为初始应力不容易计算，最好而且最可靠的办法是现场量测。另外对于已经建成使用的工程，为了检测岩体中应力的变化和活动情况，以及对理论计算进行校核，也需要对岩体应力进行量测。现场岩体应力可以在钻孔中、露头上和地下洞室的岩壁上测定，也可根据在地下测定的位移进行计算。地应力测量方法，包括多种测试手段和许多测量工具。目前常用的方法是应力解除法，应力恢复法。所有应力测量技术都要扰动岩石。3实验步骤：如图5-2所示1利用钻头自边墙钻一深度为Z的钻孔，并用嵌有细粒金刚石的钻头将孔底磨平抛光。2在钻孔底面贴上三个互成120度交角的电阻应变片。3通过电阻应变仪读出相应的三个应变片的初始读数。4用与钻孔直径相同的套钻钻头进行套钻。（孤立岩柱-岩芯，岩体作用于岩芯上的应力就被解除，岩芯也就产生相应的变形）5在应变仪上可读出相应的三个读数，它们分别与套钻前的三个初始读数的差，就表示岩芯分别沿三个不同方向的应变值。4计算：根据材料力学原理，大小主应变可用下式计算：最大主应变与ε1之间的夹角α由5-5式计算：2.孔壁应变测试法测试原理见107页，一个测点可以建立三个关系式，三个测点可以建立9个关系式，选出6个关系式就可计算出6各应力分量。该方法的优点：只需在一个钻孔内通过对洞壁3个点应变的量测，即可完全确定岩体的6各孔间应力分量。求得最大，最小主应变值后，可按下式计算相应于这两个方向的最大最小主应力值：上式可计算量测浅处岩体应力时采用（按照平面应力问题计算）；对深出岩体应力的量测则要按照平面变形问题计算主应力，这时5-6式中E和μ分别用E/（1-μ2）和μ/（1-μ）代替。具体测试方法是用钻机钻孔，如图5-5所示。钻孔底面用金刚石钻头磨平后再用小的钻孔自孔底面沿孔轴方向继续钻一深度约为45cm的小钻孔。这时就在小钻孔的中部孔壁上选定三个测点并在每个测点上按前述规定方向安置三个应变元件。此时读出各测点的应变计的初读数，并将应变计的测量导线引出孔外，然后封住小钻孔的孔口，以防水流入小钻孔而损坏孔内的应变元件，最后再选用适当大小的钻头在小钻孔外围进行套钻并取出岩芯。此时再读出完全解除了应力之后岩芯中孔壁各应变元件的读数，然后用套取岩芯前后应变元件读数之差，按相应的公式计算岩体初始应力。2、步骤:1在岩体表面上布置一组或多组测量点，贴应变片，读出初始值；2顺着与所测应力相垂直的方向设置一道深槽，目的是解除槽壁应力，读出应变计读数；3将扁千斤顶置于槽中，施加荷载，直至应变计读数恢复至初始读数为至。这时千斤顶施加于槽壁上的单位压力即为槽壁上原有的法向应力。这种方法可以不用测岩体的应力应变关系而直接得出岩体的应力。工程实例：孔径变形法在二滩水电站测试结果及分析二滩水电站位于四川攀枝花市，坝高245m，地下厂房长240m、宽27.5m、高约65m，与主厂房配套的还有主变室和尾水调压室，连同连接管道，形成一个复杂的洞室群。二滩水电站坝址位于雅砻江与金沙河交汇处，高山峡谷中，两岸临江坡高400～500m，河谷呈不对称V形河谷。处于受雅砻江、西番田和金河-菁河等几个断裂带所包围的共和断块上。该断块周围的深大断裂具有地质历史上的长期活动性，根据板块理论，二滩地区处于印度板块和欧亚板块的挤压带上，构造运动使岩体内存在着较高的挤压应力。第四节水平洞室围岩的应力计算围岩定义：地下工程施工影响范围内的岩土体称为围岩。围岩稳定：指一定时间内，在地质力或工程荷载作用下，岩土体不产生破裂或失稳。在岩体内开挖洞室的结果是破坏了岩体原来的平衡状态，引起应力的重新分布，使围岩产生变形。当重新分布后的应力达到或超过岩石的强度极限时，除弹性变形外，还将产生较大的塑性变形。在设计各种类型的洞室时，为了分析洞室的稳定性，一方面研究岩体的强度特性，另一方面必须掌握围岩的初始应力和重分布应力。本节主要介绍水平洞室围岩的重分布应力及其分布规律岩体中的三种应力场：（即对应于三种不同侧压力系数的初始应力场）K0=0—距地表较浅的岩体中会产生此应力场；K0=1/3—没有经受构造作用的深部岩体呈现的应力场；K0=1—在很深的岩体中出现、海姆假说（静水压力）情况。三种应力场见图5-7。从图5-7可以看出，当洞室高度h远小于洞室的埋藏深度H时，沿洞室高度的应力变化可以忽略不计。若干分析资料表明，在岩体的自重应力场中，当洞室埋置深度H大于洞室高度的三倍时，可近似洞室围岩的受力状态如图5-8所示。作上述简化后，就可依次讨论圆形洞室、椭圆形洞室、矩形洞室以及复式洞式的围岩应力计算。一、圆形洞室r0---洞室半径r---自洞中心算起的径向距离θ---自水平轴算起的极坐标中的角度Ph、Pv---分别表示垂直与水平正应力，如果岩体的初始应力仅由重力形成，则Pv=γHPh---K0γH(H为洞室平均埋深)σr、σθ---分别为径向应力和切向应力τrθ---剪应力当K0=1的情况，这时Ph=Pv=γH，可得：二、椭圆形洞室对于椭圆洞室，运用弹性理论也可推出围岩应力计算公式，这里仅给出椭圆洞壁处的切向应力σt如下：式中：q1、q2---分别表示椭圆在x轴和y轴方向的半轴β---椭圆偏心角。

三、矩形洞室与圆形洞室和椭圆形洞室相比，矩形洞室的围岩应力要复杂的多。应用理论方法很难得到解答，通常采用光弹实验来确定。三种侧压力系数条件下椭圆形、矩形洞室洞边最大切向应力集中系数㈠K0=0宽高比＜1椭圆优于矩形宽高比＞1圆角矩形比椭圆形为好㈡K0=1/3宽高比＜1.4椭圆优于矩形宽高比＞1.4圆角矩形比椭圆形为好宽高比=1/3椭圆形最大切向应力出现最小值㈢K0=1宽高比=1圆形洞室出现最小值优先考虑宽高比＞2.5圆角矩形比椭圆形为好

㈠K0=0无论矩形或椭圆形在洞室顶部都出现应力集中系数为1或接近于1的拉应力集中现象㈡K0=1/3对椭圆形洞室宽高比＞1时，洞顶才出现拉应力。这时的拉应力虽低于K0=0时的拉应力，但应力值总是随宽高比的增大而增大。㈢K0=1各种洞形的围岩均不出现拉应力。

四、复式洞式复式洞室是指若干相互平行的洞室所组成的洞室体系，应力分布比单个洞室复杂的多，不易用数学式表达，围岩应力要用光弹实验来定。1最大边界压应力发生在洞室边墙上，位于中部洞室边墙上的压应力为最大。2K0=0时