岩体的初始应力状态三

第三讲

岩体的初始应力状态一、

内容提要：本讲主要讲述岩体初始应力的基本概念、量测方法及岩体初始应力状态的分布规律；二、

重点、难点：岩体初始应力场及其计算；岩体初始应力的影响因素；岩体初始应力的分布规律；对于岩体初始应力水压致裂法及应力解除法的基本原理作一般了解；三、

内容讲解：一、岩体初始应力的基本概念(一)初始应力状态的概念与意义所谓岩体的初始应力，是指在天然状态下存在于岩体内部的应力。在地质学中，通常又称它为地应力。岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的。显然，岩体的地质构造应力是与岩体的特性(例如岩体中的裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等)有密切关系，也与正在发生过程中的地质构造运动以及与历次构造运动所形成的各种地质构造现象(例如断层、褶皱等)有密切关系。因此，岩体中每一单元的初始应力状态都是随该单元的位置不同而有所变化。此外，影响岩体初始应力状态的因素还有地形、地震力、水压力、热应力等，但这些因素所产生的地应力，大都是次要的，只是在特定的情况下才需考虑。因此，对于岩石工程来说，主要应考虑自重应力和地质构造应力。【例题1】下列各项有关岩体初始应力的叙述，正确的选项为（）。A.

岩体的初始应力是由岩体的自重和地质构造运动引起的；B.

地形、地震力、水压力、热应力等因素不会产生地应力；C.

岩体中每一单元的初始应力状态与该单元的位置无关；D.

对于岩石工程而言，主要应考虑自重和地质构造应力；答案:D【例题2】岩体的的初始应力主要由下列哪些因素引起（）。A.

地震力B.热应力C.地形D.构造运动答案:D地面和地下工程的稳定状态与岩体的初始应力状态密切相关。岩体在开挖以后，改变了岩体的初始应力状态，使岩体应力重新分布，有可能使得岩体中某些部位形成应力集中，从而引起岩体的变形或破坏。对于地下洞室工程来讲，我们把与洞室本身稳定性密切相关的岩体称为围岩。洞室的开挖引起围岩的应力变化，这将影响洞室本身的稳定状态。而且为了维持围岩的稳定，岩体工程能正常运营，必须进行人工支护。合理地设计支护结构，确定经济合理的衬砌尺寸，都与岩体的初始应力状态紧密相关。所以，研究岩体的初始应力状态，就是为了正确地确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化，合理地设计岩体工程的加固措施。(二)岩体初始应力场及其计算1.岩体自重应力场岩体自重应力场的计算，大都是建立在假定岩体为均匀连续介质基础之上的。因此，可以应用连续介质力学的原理来计算岩体的自重应力场。设岩体为半无限体，地面为水平面，距地表深度为H处，有一单元体，其上作用的应力【例题3】某场地土层自地表以下20m深度范围内均为粉质粘土，地下水位在地表以下10m处，水位以上土的天然重度＝18.6KN/m3，饱和重度为20.1KN/m3，试确定：1、地表以下10m处土的自重应力值为（）。A.186kpaB.201kpaC.86kpaD.101kpa答案：A2、地表以下15m处土的有效自重应力值为（）。A.279kpaB.302kpaC.129kpaD.237kpa答案：D【例题4】在地下某深度处，岩体自重应力场中，垂直应力为2000kpa，水平应力为500kpa，则该深度处的侧压力系数为(

)。A.1B.0.75C.0.5D.0.25答案：D若岩体由多层不同重力密度的岩层所组成(图15-3-2)。每层岩层的厚度依次为hl，h2，…，hi…，hn，各层的重力密度依次分别为y1，y2，…，yi…，yn，则岩体的自重初始应力为:国外有资料说明，工程的现场量测结果中，侧压力系数并不符合海姆假说。这种情况往往与地质构造应力有密切关系。如果岩体由松散的碎石、砂及卵石组成，可以近似地认为岩体是理想松散介质，可由松散介质极限平衡条件来建立垂直应力与侧向应力的关系：【例题6】对于理想的松散岩体，其侧压力系数的大小只与岩体的（）有关。A.泊松比B.粘聚力C.内摩擦角D.重力密度答案：C【例题7】对于理想的松散岩体，其侧压力系数的大小为（）。A.1B.0.5C.0.33D.0.25答案：C实际破碎岩体一般不能视为理想松散介质，而把它看作为具有一定粘聚力的松散介质。2.岩体的构造应力场地壳的各种地质构造是在大范围内的巨大的地质构造应力场作用下发生和形成的。在各个不同的地质年代里，都有不同的地质构造运动发生，地质构造运动过程一般需要很长时间。在同一个地区，一个构造运动结束之后，或者就在这个构造运动发生的过程中，又有新的构造运动发生，就会形成新的构造应力场与老构造应力场的叠加，形成复杂的复合构造应力场。各种复杂的地质构造就是在长期的地质构造运动作用下形成的。由于地质构造运动，岩体经受了相当大的外力作用，形成了各种地质构造，例如向斜、背斜和各种褶皱，以及产生断裂而形成各种节理及断层等。在地质构造应力场作用下，使岩体产生弹性变形和塑性变形，因而使岩体中储存着弹性能，岩体的塑性变形使部分能量转化为热能与位能，或者由于岩体的流变特性，使得构造应力场中的地质构造应力得以部分释放。因此，在地质构造运动中，岩体中储存的能量是通过弹性变形才能达到的，岩体的弹性变形越大，则岩体储藏的能量就越多。当岩体中的应力达到强度极限，岩体产生破坏。除岩体中保存一部分残余变形外，其储存的能量将部分或全部释放，构造应力也就部分或全部消失。若岩体中的应力尚未达到强度极限，但由于岩体的流变特性，也会使构造应力部分消失。因此，地质构造运动产生地质构造应力，但岩体中储存的构造应力不可能无限地积累起来，视所处地区不同或地质条件不同，岩体的构造应力可能全部或部分释放，成为残余应力。【例题9】在地质构造运动过程中，岩体当中的储存的能量是通过哪种方式形成的（）。A.弹性变形B.塑性变形C.流动变形D.残余变形答案：A【例题10】岩体当中的残余应力属于（）。A.自重应力B.构造应力C.地震力D.热应力答案：B因此，岩体构造应力可以分为现代构造应力及地质构造残余应力。由于地壳是处于不断运动之中，仅仅是存在相对活跃期或静止期，所以，要在岩体中区分哪些是现代构造应力和残余应力，就目前的认识水平而言，实际上是不可能的。目前，岩体的构造应力尚无法用数学力学的方法进行分析计算，而只能采用现场应力量测的方法来求得。但是，构造应力场的方向可以根据地质力学的方法加以判断。因为各种形态不同的地质构造是各地质历史时期的构造运动的产物。地质构造的遗迹，例如断层、褶曲等保留在岩体中，它的走向与形成时的应力有一定的关系。根据各种地质构造的分布和组成规律，分析历次构造运动，特别是近期构造运动，确定最新构造体系，进行地质力学分析，就可以根据构造线确定构造应力场的主轴方向。根据地质构造和岩石强度理论，一般认为自攀3宋．岩体初始应叛力的影响因素1)地形仿地形的起伏影众响岩体内的自中重应力。但这虏种地形的影响加只是在地表下悉一定深度范围材内较明显。如发图捐15-3-6倘所示。山谷的派谷底的应力由需于凹口的应力浪集中而很大。筛在均质岩层迎中场(独图坐15-3-6军(a)雹)伤，凹口的应力彩集中现象还比似较规则，而在退非均质岩层中降，岩体中的应孕力变化还会随蹈岩性的变化而岛变得更复振杂违(脊图庆15-3-6狭(b)动)峡。告图季15-3-7脖显示了地形对虑岩体初始应力绝影响的另一特壤征。即在水平饺地表附近的地布应力，其主应工力几乎与地面低线平行，第一币主应力为沿地胡面方向，与第座二、三主应力飞有较大差异；畜在深处，则呈唇静水压力状态面见屑图偷(15-3-向7(a)尸)凳。而斜坡的垂洗直方向上应力烘则几乎等于零狂。在斜坡上的产局部上凸部位唇，其应力急骤名减小，而在斜售坡下凹地方则适应力增大。在短山谷的尖槽底角下，则现场应应力会很大，接滋近或达到岩石亡强度。见舒图尖15-3-7艳(b)桃【例谢题饰1历2咐】由于地形的如起伏影响岩体伪内的自重应力与，在山谷的下工列各个部位，隙地应力最大的通是（）。拜A祝.苏谷底馋B奸.瓣斜坡庄C院.包山顶适D带.督斜坡上凸处枪答案伞：许A倘2轿)宴地质条件对自料重应力的影响湖地质构造对自本重应力也有影柳响。图秤15-3-8里所示为背斜褶臂曲的影响，在灶褶曲两翼显示狐出应力增大，尾而在褶曲中部被则应力降低。做也可以推测，坦在向斜的两翼画会出现应力降基低、而在向斜仿核部显示出应蜻力增大的现象通。伸【例设题负1顺3本】在背斜褶曲祖中，初始应力羞最大的部位是族（）。眉A嚼.哈翼的端部区B案.合翼的中部揉C贯.聋褶曲中部姥D通.栏褶曲部位裁答案井：畏B堆【例羞题也1戴4露】在向斜褶曲锐中，初始应力姿最大的部位是告（）。尿A夕.副翼的端部旷B筑.乎翼的中部粗C非.仇褶曲中部晶D拴.竖褶曲部位怒答案核：惰C航图弄15-3-9趣所示为断层对词自重应力的影感响。由于断层驾两侧的岩块形薯成了应力传递惜，使上大下小亦的楔垦体月A子产生了卸荷作墙用，致使地应悟力降低；而下趴大上小的楔搁体址B踢产生了加荷作万用，致使应力廉升高。同时也华产生了山峰处喝地应力低、沟装谷处地应力高痕的现象。蔑3翼)劫水压力和热应肢力多存在于岩体裂恳隙或孔隙中的族水，静止时呈哗现静水压力，阿流动时产生动丽水压力。在通赚常情况下，静爷水压力只是起鸡到减轻岩体质绍量的浮力作用衡，浮力的大小煮等于水的密度贱与所考虑带点的水头高度鸡的乘积。岩体拉中地下水位的多升降，可引起俱岩体重量的减殖少或增加，因针此，静水压力在要视具体情况方具体分析其产丑生的作用。诉动水压力是指鞠地下水在水头锤差的作用下，荣沿岩体的裂隙呆或孔隙流动时企，给予周围岩塞块表面的动水设摩擦力和动水铅流向应力。这扭种力对岩体工趟程的影响较小矩，一般可不予奇考虑。铸【例翻题探1闻5拿】对于岩体工云程而言，应考窜虑的水压力为铁（）。罪A肥.庆静水压力勉B蝇.帆动水压力绩C星.唯静水压力和屋动水压力无答案见：中A需岩体受局部加你温或冷却会产伶生膨胀或收缩怕，这样，会在冤岩体内部产生假热应力。例如颗，无论是大块纵侵入岩体还是思侵入岩流或小胖型岩脉，岩浆唯融流都会使周芝围岩体受热膨陡胀，周围岩体旷限制受热岩体漂的膨胀，从而桑在岩体中增加摘了热应力；当聋冷却时，又会务产生收缩，这魄样，会在岩体偷内部造成一些暑成岩裂闻隙栗(娇例如玄武岩的踏柱状节杆理充)卡，并在岩石本街身及周围岩体衬中保留部分残柴余热应力。此晨外，随着岩体慧的埋深增加，拆地温也会逐渐马上升，地温升当高也会使岩体偶内部地应力增源加，一般地温娱梯蝇度荣=纲3佳℃继／风l靠00m验，岩体的体膨拒胀系由数绞及约巷为印10拔-5盯，一般弹性模弃量沫E=10厌4顽MP夜a谢，所以，地温斑梯度引起的温殖度应力约为挖式中屯，口H渐为研究点深轿度摆(m饱)侧。占岩体的地温应田力是压缩应力皆，并随深度增锈加。在深度相妇同的情况下，逝约为垂直重力瓣应力庸的奖1缓／代9便左右，并且呈才静水压力状态沟【例狭题伶1塔6卧】岩体的地温墙应力是压缩应鼠力，随深度的挽变化规律为（饲）。诵A跑.障增加谊B兆.汉减小呀C染.奋不变照D伯.拨以上三种均此可产生跳答案话：铁A桨二、岩体初始勉应力量测方法税简介俭(弃一箭)搭岩体应力现场处量测方法概述馅岩体应力现场摊量测的目的是华在于了解岩体娘中存在的应力辩大小和方向，栋从而为分析岩劣体工程的受力注状态以及为支薄护及岩体加固党提供依据。岩从体应力量测还汁可以是预报岩盐体失稳破坏以陵及预报岩爆的敢有力工具。岩鲁体应力量测可仿以分为岩体初泼始应力量测和棉地下工程应力千分布量测。前笼者是为了测定扣岩体初始地应师力场，后者则叹为测定岩体开煮挖后引起的应烧力重分布状况丑。从岩体应力驱现场量测的技俘术来讲，这二况者并无原则区食别，只是要求断前者的测点，贴布置在未受开拖挖而产生影响界的岩体内。煮岩体应力量测品可以在钻孔中寒、露头上和地门下洞室的岩壁夏上进行，也可鄙以在地下工程远中根据两点间朗的位移来进行贩反算而求得。篇通常应用较多字的三种方法是秃应力解除法、萍应力恢复法和焦水压致裂法。纸每种方法都有葛不同的优点和确缺点，可以相堂互取长补短。呜因为岩体应力话存在于岩体中麦，是一种岩体颂内部的受力，竞并在受力过程饶中产生变形，翻这种变形大部凶分是可恢复的弓弹性变形，但倒也有部分是不衰可恢复的变形躺。所以，每一山种应力量测技灾术都要扰动岩就石，以便产生败能够进行现场捆量测匠的察“奸量骨”体(存大部分是测量抬位移值或应变揭值猪)灶，然后根据一凉定的理论模式宁进行分析计算拘。为了量测岩幼体中某个位置摘的应力，就必点须使用钻具钻惜孔或开挖，以敬便到达该测量同点，这必然会遍扰动岩体。因码此，对某个测笔点进行位移量落测，并根据某拒种理论模式进北行计算以后，再还必须根据开矿挖或钻进的方镰法和尺度，进存行修正。如果萝说，某种应力冒量测方法的精煤确度能控制误践差毕在参0.4MP黄a秀以内，其结果带通常被认为是历令人满意的。素【例月题薯1私7穷】通常应用较约多的岩体初始巩应力量测方法曲当中不包括（稼）。爹A.乐戚应力解除法趋B.斜份应力恢复法银C.艳脏水压致裂法标D漆.泛点载荷试验盛法质答案粘：霞D壶【例疏题芳1临9归】对于岩体的恼初始应力进行珠量测时，不能挤采取的方法是祖（）。龄A土.计在钻孔中进刘行注B调.广在露头上进衫行仇C秆.暖模拟真实环能境进行匀D添.木在地下洞室氧的岩壁上进行胜答案芳：番C慈【例哲题帮2乌0五】在对岩体初奏始应力进行量虚测时，所测量愚的成果为（夺）。耗A土.壤位移值慰B侄.傍应力值牵C池.顶重度值可D蓝.冻厚度值湿答案禁：匠A始目前已经形成搭了许多地应力该测量方法，这床些方法在有关偿的文献中已做凯了详细的介绍互，概括起来如申表洽15-3-1派。惩帜(杯二字)质水压致裂法吩1余．方法原理及撕技粥术疗冰跌疼水压致裂法的甩基本点是通过其液压泵向钻孔咸内拟定测量深昏度处加液压。剖将孔壁压裂，栗测定压裂过程绸中的各特征点味压力及开裂方笛位，然后根据漂测得的压裂过煮程中泵压表头旱读数，计算测炕点附近岩体中掏地应力大小和潮方向。压裂点集上、下用止水激封隔器密封，裙其结构如次图晴15-3-1钻0点所示。水压致同裂过程中泵压箩变化及其特征热压力示于僻图家15-3-1俯1逢。轮各特征压力的管物理意义注释窗如下：逃P魔0迫—涛岩体内孔隙水疗压或地下水压榴力；始P佩b创—掏注入钻孔内液德体压力将孔壁气压裂的初始压吨裂压力；么P读S臣—脾液体进入岩体助内连续地将岩值体劈裂的液体狐压力，称为稳沙定开裂压力；舞Ps匆0谊—哭关泵后压力表向上保持的压力仪，称为关闭压劲力。如果围岩碧渗透性大，该检压力将逐渐衰爸减。惕Pb链0己—涨停泵后重新开预泵将裂缝重新哭张开的压力，锅称为开启压力酬。科2穿．基本理论和壳计算公式论3侄．根据水压致余裂法试验结果受计算地应力枝水压致裂法的鱼缺点是地主应迈力方向难以确晃定。在短式该(天15-3-2衣3铸)拍的基础上，可缝以通过分析的合方法来初步解但决。爽4抚．水压致裂法皂的特点端1拿)丽设备简单。只维需用普通钻探爆打孔，用双止蚁水装置密封，鞋用液压泵通过裹压裂装置压裂挣岩体，不需要巴复杂的电磁测惜量设备。漠2盛)雪操作方便。只致通过液压泵向御钻孔内注液压先裂岩体，观测视压裂过程中泵赶压、液量即可葵。嫌3打)忽测值直观。它拿可根据压裂时纲泵总压进(善初始开裂泵压崇、稳定开裂泵犬压、关闭压力老、开启压百力扯)卧计算出地应力按值，不需要复危杂的换算及辅迫助测试，同时然还可求得岩体嫁抗拉强度。福4爷)今测值代表性大袍。所测得的地防应力值及岩体今抗拉强度是代范表较大范围内略的平均值，有夕较好的代表性吗。倒5孙)斧适应性强。这港一方法不需要弦电磁测量元件罢，不怕潮湿，金可在干孔及孔跑中有水条件下秩作试验，不怕索电磁干扰，不滩怕震动。爸因此，这一方丝法越来越受到邀重视和推广。出但它存在一个兵较大的缺陷，最即主应力方向克定不准。油【例铜题渔2型1叔】用水压致裂喝法量测岩体初郑始应力时存在纤着一个较大的独缺陷是（挖）。宅A来.慈主应力方向艰定不准唇B播.据设备简单便邪操作性较差径C貌.拴试验时怕电渗磁干扰，怕震优动遭D筋.多测量时较复距杂妙答案侦：盈A奶(服三汪)芳应力解除法死应力解除法是哨岩体应力量测甩中应用较广的妙方法。它的基柜本原理是：当维需要测定岩体颈中某点的应力雷状态时，人为虎地将该处的岩觉体单元与周围笛岩体分离，此姑时，岩体单元维上所受的应力缺将被解除。同据时，该单元体秒的几何尺寸也测将产生弹性恢扭复。应用一定粉的仪器，测定目这种弹性恢复柱的应变值或变扁形值，并且认玩为岩体是连续窜、均质和各向添同性的弹性体培，于是就可以骆借助弹性理论延的解答来计算可岩体单元所受槐的应力状态。螺应力解除法的群具体方法很多祥，按测试深度悄可以分为表面毛应力解除、浅状孔应力解除及封深孔应力解除投。按测试变形罗或应变的方法木不同，又可以巾分为孔径变形滩测试，孔壁应究变测试及钻孔眨应力解除法等随。有关这三种盈测试方法请参蒙见含“耍工程岩体试验垫方法标视准处”灾中岩体应力测醉试章节在此不舅作介绍。色【例置题洗2姜2戚】采用孔壁应厦变测试方法测越试孔壁应变时喜，该种方法属阅于（丸）。眨A擦.臭应力解除法遣B则.漂应力恢复法飘C拆.演水压致裂法屯答案奇：停A柔三、岩体初始剧应力状态的主卸要分布规律绒辈(粥一呜)择垂直应力随深跳度的变化疤岩体天然应力慈的垂直分量，饭一般认为等于摔该点的上覆岩瞧层的质伐量睡赶。但从国内实部测资西料搭(鱼工程岩体分级垦标测准猛(GB502错1葵6桂—示94肺)现条文说站明梁)恐看，族有人总结了世筛界范围内的资心料挠(2考5肆～张2700拳m接范围其内砌)循后得出，随深保度临H仍的增大呈线性匹关系增星加烤(龙图赴15-3-1芒3样)导，大概相当于奉按平均密度为粮2.7g息／池cm勿3理计算出来的重仙力胆当。撒【例符题圈2柏3五】垂直应力随根深度的变化规拍律为（臂）。胡A泉.析随深渗度少H沫的增大呈线性亦关系增加域B着.灾随深的度进H灵的增大呈线性闹关系减小愚C禽.滑与深惑度育H艘的变化无关绑答案能：叉A钩寺(列二编)爸水平应力随深秃度的变化障档通过研究南部副非洲、美国、咏日本、冰岛及贼加拿大等地区婶的应力测量结什果可以看出，听尽管随着地质尤环境的变化其战结果有所差异蓄，但揭示出地汽壳内水平应力图随深度增加呈殿线性关系增吓大蚁(美图坡15-3-1坦4卫)臭是普遍规律。际【例坑题庭2缺4额】水平应力随绣深度的变化规方律