岩体天然应力与洞室围岩的应力分布

第五章岩体天然应力与洞室围岩的应力分布

Chapter5EarthstressandstressdistributionofTunnelSurroundingRock学习内容→

垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说，岩体天然应力与地下、地面工程的关系和影响，应力解除法、恢复法、破裂法。学习对象→

岩石应力场、垂直应力、水平地应力、海姆假说以及岩体应力测量。学习目的→

理解和掌握有关概念，特别是掌握应力解除法、恢复法、破裂法。掌握垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说等。学习提示

LearningHints§5.1概述5.1.1概念

天然应力

指在天然状态下,岩体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力（构成：自重应力+构造应力+…）。

由于人类活动（工程开挖，修建建筑物）影响一定范围的天然应力，这种岩体被挠动后的应力称为“重分布应力”或“二次应力”

地下洞室二次应力＝天然应力+开挖附加应力。

二次应力§5.1概述5.1.1概念§5.1概述5.1.1概念5.1.1概念天然应力的表示§5.1概述§5.1概述5.1.2形成因素

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（自重应力）、地质构造运动（构造应力）等；此外，成岩过程中的物理化学变化、地形地貌、地温梯度岩体特性的等均对岩体天然应力有不同程度的影响。§5.1概述5.1.3研究岩体天然应力的意义2. 坝基：二次应力场＝地应力+开挖效应+建筑物附加应力场边坡开挖： 坡面回弹变形→坡体二次应力＝地应力+开挖效应←释放荷载 稳定性评价：刚体质量消失基于应力的强度分析3. 地下洞室：地应力，围岩稳定分析（围岩的变形、稳定）的基本荷载（力源）.

二次应力＝初始地应力+开挖效应附加应力场§5.1概述5.1.3研究岩体天然应力的意义

地应力与地下洞室的关系纵轴线与σ1近于平行（二滩尾水洞崩塌；甘肃金川隧洞）水平应力与垂直应力比值与体形关系

σz

＞σh：高度大跨度小(自重应力为主)，近似椭圆形；

σh＞σz：高度小跨度大(构造应力为主)，近似椭圆形；§5.1概述5.1.3研究岩体天然应力的意义

地应力对工程的影响我国二滩（玄武岩），美国大古星（花岗岩）坝基开挖→像剥洋葱头一样，剥了一层又一层。

处理方法：迅速浇注砼，高压固结灌浆岩爆：在高地应力区→洞室开挖→弹性能释放大的岩块坠落，小岩块弹射（太平驿水电站）§5.2岩体中的地应力分布5.2.1自重应力与海姆假说

分析世界主要地区大量的地应力实测资料表明，在深度为25～2700m深度范围内，垂直地应力σv基本等于上覆岩层重量即σv=γH。

岩体中水平应力的分布和变化规律，是一个比较复杂的问题，根据已有的实测资料来看，岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响。5.2.1自重应力与海姆假说

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。在深度z处：§5.2岩体中的地应力分布铅直应力：水平应力：

自重应力静止侧压力系数

当K0＝1(即μ=0.5)，出现水平向应力与垂直向应力相等，此为所谓的静水压力的情况。5.2.1自重应力与海姆假说§5.2岩体中的地应力分布

海姆假说

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。§5.2岩体中的地应力分布5.2.1地应力分布规律三向不等压的空间地应力场，其大小和方向随时间和空间变化;垂直与水平应力的关系垂直应力σz，主要受上覆岩体自重形成。水平应力σx5.2.1地应力分布规律水平应力σx

岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响。§5.2岩体中的地应力分布

水平岩层5.2.1地应力分布规律水平应力σx

岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响。§5.2岩体中的地应力分布

河谷（4个分区：应力松弛区，过渡区，平稳区，集中区）岸坡：

σ1//坡岸，σ3⊥岸坡

谷底：

σ1水平，σ1=σh

＞σz

（应力集中）5.2.1地应力分布规律§5.2岩体中的地应力分布5.2.1地应力分布规律水平应力σx

岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响。§5.2岩体中的地应力分布

水平向地质构造+自重σ1//主要构造方向，且σ1

＞＞σz

若μ＝0.5k0=1σh=σz

静水压力（海姆假设）§5.3岩体地应力的量测

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。目前常用方法是钻孔应力解除法，应力恢复法和水压致裂法三种。§5.3岩体地应力的量测5.3.1现场量测

应力解除法孔径变形法

基本原理：（共同点）通过解除岩体中应力→量测孔径（孔底、孔壁）变形（应变）→利用弹性理论→反求外部释放应力（地应力）孔底应变法孔壁应变法5.三3.三1现场三量测应力三解除三法①孔径三应变三法程序三：a：用13三0m三m钻头三钻孔三至预三定深三度；b：用36三mm小钻三头钻三孔h＝26～30三cm，孔三底磨三平；c：安三装孔三径变三形仪三；d：安三装13三0m三m空心三钻头三套钻e：折三断岩三芯CA三SE三1假定三钻孔三方向//三σ3§5.三3岩体三地应三力的三量测5.三3.三1现场三量测应力三解除三法①孔径三应变三法采用三三孔三交汇三方法三：每三个孔三（与三钻孔三轴线三垂直三平面三内）三：三两个三正应三力，三一个三剪应三力（三三个三分量）三三个三孔：3×三3九个三方程三联立三求空三间主三应力三（6个独三立未三知量三）CA三SE三2若钻三孔方三向不三平行三于σ3§5.三3岩体三地应三力的三量测§5.三3岩体三地应三力的三量测5.三3.三1现场三量测应力三解除三法②孔底三应变三法量测a、b面内三，在三套钻三过程三中产三生的三应变→孔底三主应三变→主应三力5.三3.三1现场三量测应力三解除三法③孔壁三应变三法§5.三3岩体三地应三力的三量测孔壁三应变三法是三只需三在一三个钻三孔中三通过三对孔三壁应三变的三量测三，即三可确三定岩三体的三六个三空间三应力三分量三。（套三钻→解除三应力→测孔三壁应三变（三初）→推算P释放三应力三）5.三3.三1现场三量测应力三解除三法③孔壁三应变三法§5.三3岩体三地应三力的三量测设钻三孔前三岩体三中有三六个三应力三分量三，若三在弹三性岩三体中三钻一三半径三为r0的圆三形孔三则钻三孔附三近应三力不三再保三持原三来的三状态三。孔壁三上坐三标为r0，θ，Z的任三意一三点，三孔壁三上的三这些三应力三可以三通过三钻孔三前岩三体中三的六三个应三力分三量表三示如三下：5.三3.三1现场三量测应力三解除三法③孔壁三应变三法§5.三3岩体三地应三力的三量测在一三个测三点三三个方三向测三试应三变：切向(θ三=π三/2三)+轴向(θ三=0三)+450方向(θ=三π/三4)根据三应变三换算三成应三力。计算出的地应力5.三3.三1现场三量测应力三解除三法③孔壁三应变三法§5.三3岩体三地应三力的三量测采用三孔壁三应变三测试三法测三定岩三体的三三向三应力三的具三体方三法是三用钻三机钻三孔，三钻孔三需测三定应三力的三深度钻孔三底面三用金三刚石三钻头三磨平三后再三用小三的钻三孔自三孔底三面沿三孔轴三方向三继续三钻一三深度三约为45三cm的小三钻孔三。在小三钻孔三的中三部孔三壁上三选定三三个三测点三并在三每个三测点三上按三前述三规定三方向三安置三三个三应变三元件三。此三时读三出各三测点三的应三变计三的初三读数三，最后三再选三用适三当大三小的三钻头三在小三钻孔三外围三进行三套钻三并取三出岩三芯。三此时三再读三出完三全解三除了三应力三之后三岩芯三中孔三壁各三应变三元件三的读三数，三然后三用套三取岩三芯前三后应三变元三件读三数之三差，三按公三式计三算岩三体初三始应三力。§5.三3岩体三地应三力的三量测5.三3.三1现场三量测应力三恢复三法在量三测部三位→磨平→贴应三力片→初始三读数三；开挖三（沿三与待三测主三应力三垂直三方向三开槽三）→地应三力释三放→应变三增加三；利用三扁千三斤顶三反向三加压三（应三力恢三复）→使应三变读三数恢三复至三初始三读数三地三应力三＝反三向油三压特点三：适三合浅三表部三，当三非主三应力三面（三存在τ影响三）和三加载σ～ε与σ～ε卸载三不同三时，三误差三！！§5.三3岩体三地应三力的三量测5.三3.三1现场三量测水压三破裂三法水压三破裂三法是三二十三世纪三七十三年代三初期三从石三油钻三井探三采用三新技三术借三用而三来的三测定三深部三岩体三应力三的一三种方三法。三它借三助于三两个三可膨三胀的三橡胶三塞，三在需三要测三定应三力的三深度三上封三闭隔三离一三段钻三孔，三并用三水压三方法三对被三隔离三段孔三壁施三加压三力，三直至三孔壁三岩石三受拉三破裂三，最三后根三据破三裂压三力、三封井三压力三以及三橡胶三塞套三上压三痕的三方位三，确三定岩三体天三然主三应力三的大三小和三方位三。这种三方法三最早三是由三美国三学者8等提三出的三，Ha三im三so三n教授三也是三该方三法的三理论三与实三践的三有力三倡导三者。§5.三3岩体三地应三力的三量测5.三3.三1现场三量测水压三破裂三法§5.三3岩体三地应三力的三量测5.三3.三1现场三量测水压三破裂三法1、基三本原三理对测三试段三钻孔三用特三制封三隔器三密封三起来三，然三后对三密封三段加三高压三水直三至孔三壁岩三石产三生张三裂隙三。根三据裂三隙的三方向三及泵三压的三大小三分析三确定三原岩三的应三力状三态。水压致裂装置封隔器钻孔高压水2、基三本假三设（1）一三个主三应力三方向三是垂三直的三，其三大小三等于三上覆三岩层三的自三重应三力。三而另三外两三个主三应力三是水三平的三，且三破裂三方向三垂直三于最三小主三应力三方向三。即三钻孔三方向三为某三一主三应力三方向三。（2）岩三体是三均质三、各三向同三性的三线弹三性体三。§5.三3岩体三地应三力的三量测5.三3.三1现场三量测水压三致裂三法§5.三3岩体三地应三力的三量测5.三3.三1现场三量测孔隙三水压三力Ps关闭三压力Pic三2使裂三缝重三新张三开的压力pic三1孔壁三岩石三破裂三压力（a）裂三缝沿三轴向三产生三和延三伸（b）裂三缝沿三轴向三产生三向水三平方三向延三伸5.三4.三1室内三量测声发三射法(A三co三us三ti三c三Em三is三si三on，简三称AE法)是以三岩石三试件三的声三发射三凯赛(K三ai三se三r)效应三对岩三石已三受过三的最三大应三力的三记忆三为基三础，三用钻三孔岩三芯制三成试三件，三由实三验测三定原三地应三力的三方法三。其三特点三是不三需在三野外三作业三，不三破坏三钻孔三结构三，仅三需钻三孔岩三芯就三可进三行地三应力三测量三。可三广泛三应用三于油三气田三开采三、地三热能三开发三、矿三山、三水电三、核三废料三处理三等工三程中三的深三部应三力测三量。岩石三同金三属材三料一三样压三缩时三具有三声发三射的三凯塞三效应三，在三室内三对岩三心试三样进三行压三缩试三验，三声发三射活三动最三显著三的地三方（三称为Ka三is三er点）三所对三应的三外加三压应三力即三为试三验先三前所三受到三的最三大正三应力三。§5.三3岩体三地应三力的三量测5.三4.三1室内三量测§5.三3岩体三地应三力的三量测声发三射——岩石三受外三荷载三作用三，其三内部三储存三的应三变能三因微三裂隙三产生三和发三展而三快速三释放三，从三而产三生弹三性波三，发三出声三响，三称为三声发三射。凯塞三效应——19三50年，三德国三人J.三Ka三si三se三r发现三多晶三金属三的应三力从三其历三史最三高点三水平三释放三后，三再重三新加三载，三当应三力未三达到三先前三最大三应力三值时三，很三少有三声发三射产三生，三而当三应力三达到三和超三过历三史最三高水三平后三，则三大量三产生三声发三射，三这一三现象三称为三凯塞三效应三。凯塞三点——从很三少产三生声三发射三到大三量产三生声三发射三的转三折点三称为三凯塞三点，三该点三对应三的应三力即三为材三料先三前受三到的三最大三应力三。5.三4.三1室内三量测§5.三3岩体三地应三力的三量测岩石三也有三声发三射现三象。凯塞三效应三为岩三石应三力测三量提三供了三途经三。即三从原三岩中三取样——沿6个不三同方三向制三备试三件（三每个三方向三试件三为15～25块）——加压三测试——凯塞三点——计算三地应三力。§5.三4水平三洞室三围岩三的应三力计三算工程三应用三：关心三的洞三室的三二次三应力三（重三分布三应力三）＝三初始三应力+洞室三的开三挖附三加应三力。(洞室三强度三复核→围岩三是否三稳定)在前三面介三绍了三岩体三地应三力的三形成三与量三测方三法。§5.三4水平三洞室三围岩三的应三力计三算5.三4.三1圆形三洞室简化当洞三室高三度远三小于三洞室三埋深三时，三应力三沿高三度的三变化三可忽三略不三计。三一般三认为三埋深三大于三高度三三倍三时可三忽略三。5.三4.三1圆形三洞室初始三地应三力§5.三4水平三洞室三围岩三的应三力计三算K0＝0、1/三3、15.三4.三1圆形三洞室当洞三室埋三深H＞30，近三似认三为洞三顶～三洞底σz近似三相等三，侧三压为三均布三，对三于圆三形洞三室可三简化三“无三限平三板中三含圆三孔+外部三均布三面力三”。三借用三弹性三理论三：§5.三4水平三洞室三围岩三的应三力计三算5.三4.三1圆形三洞室讨论三：§5.三4水平三洞室三围岩三的应三力计三算10Ca三se三15.三4.三1圆形三洞室讨论三：§5.三4水平三洞室三围岩三的应三力计三算20Ca三se三2a.围岩三中的三径向三应力三均小三于岩三体中三的初三始应三力γHb.围岩三中的三切向三应力三均大三于岩三体中三的初三始应三力γH，并三在洞三壁处三达到三