6巖體天然應(yīng)力

1、2021-6-14巖石力學(xué)與工程1第第6章章 巖體天然應(yīng)力巖體天然應(yīng)力 6.1 概概 述述 6.2 巖體中天然應(yīng)力的分布規(guī)律巖體中天然應(yīng)力的分布規(guī)律 6.3 巖體天然應(yīng)力測量巖體天然應(yīng)力測量 6.4 巖體中天然應(yīng)力的估算巖體中天然應(yīng)力的估算 6.5 巖體天然應(yīng)力場的回歸分析巖體天然應(yīng)力場的回歸分析 6.6 高地應(yīng)力的若干特征高地應(yīng)力的若干特征2021-6-14巖石力學(xué)與工程2一、定義一、定義1.天然應(yīng)力天然應(yīng)力(地應(yīng)力、初始應(yīng)力等）人類工程活地應(yīng)力、初始應(yīng)力等）人類工程活動之前存在于巖體中的應(yīng)力。動之前存在于巖體中的應(yīng)力。2.重分布應(yīng)力重分布應(yīng)力（二次分布應(yīng)力、附加應(yīng)力等）（二次分布應(yīng)力、附加

2、應(yīng)力等）由于工程活動改變了的巖體中的應(yīng)力。由于工程活動改變了的巖體中的應(yīng)力。 重分布應(yīng)力+ + + + + +天然應(yīng)力 相對于第2洞室的天然應(yīng)力2021-6-14巖石力學(xué)與工程31.研究歷史研究歷史 世界上世界上 :l1912年瑞士海姆提出天然應(yīng)力年瑞士海姆提出天然應(yīng)力l1926年前蘇聯(lián)金尼克提出了修正海姆假設(shè)年前蘇聯(lián)金尼克提出了修正海姆假設(shè)l1932年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成功地測定了巖體中的天然應(yīng)力功地測定了巖體中的天然應(yīng)力l1958年首次證實了巖體中構(gòu)造應(yīng)力的存在。年首次證實了巖體中構(gòu)造應(yīng)力的存在。l到目前天然應(yīng)力測點遍布全球，有幾十萬個測到

3、目前天然應(yīng)力測點遍布全球，有幾十萬個測點。大部分是淺部，最深點。大部分是淺部，最深5108米（美國密執(zhí)安米（美國密執(zhí)安水壓致裂法）。水壓致裂法）。二、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義二、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義HvhHHhv1 ,2021-6-14巖石力學(xué)與工程41.研究歷史研究歷史 中國：中國： 50年代末開始天然應(yīng)力量測，有幾萬個年代末開始天然應(yīng)力量測，有幾萬個測點，最深的有測點，最深的有3958米（天津大港）。米（天津大港）。 二、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義二、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義2021-6-14巖石力學(xué)與工程52.研究意義 1）區(qū)域穩(wěn)定）區(qū)域穩(wěn)定 2）地下洞室穩(wěn)定）地下洞室

4、穩(wěn)定 3）邊坡穩(wěn)定）邊坡穩(wěn)定 4）地基巖體穩(wěn)定）地基巖體穩(wěn)定二、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義二、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義2021-6-14巖石力學(xué)與工程6三、天然應(yīng)力的組成及起源三、天然應(yīng)力的組成及起源1.組成組成： 巖體自重巖體自重自重應(yīng)力自重應(yīng)力 構(gòu)造運動構(gòu)造運動構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力流體作用流體作用滲流應(yīng)力滲流應(yīng)力 其它其它（地溫（地溫、地球化學(xué)作用等）地球化學(xué)作用等）)(zhgpwVhhVgh121拉張區(qū)擠壓區(qū)2021-6-14巖石力學(xué)與工程7三、天然應(yīng)力的組成及起源三、天然應(yīng)力的組成及起源2.起源起源 地殼板塊運動及其相互擠壓地殼板塊運動及其相互擠壓 地幔熱對流地幔熱對流 地球重力地球

5、重力 巖漿侵入（巖漿侵入（是一局部應(yīng)力場是一局部應(yīng)力場） 地溫梯度（地溫梯度（也會產(chǎn)生局部應(yīng)力場也會產(chǎn)生局部應(yīng)力場） 地表剝蝕地表剝蝕2021-6-14巖石力學(xué)與工程8以東經(jīng)以東經(jīng)100100105105o o為界分東西兩區(qū)。為界分東西兩區(qū)。q 強度上：西強東弱（西高東低）強度上：西強東弱（西高東低）q 方向上：西：方向上：西： NNE-SSWNNE-SSW為主，東：近為主，東：近E-WE-W。地殼板塊運動及其相互擠壓地殼板塊運動及其相互擠壓（以中國為例）（以中國為例）2021-6-14巖石力學(xué)與工程9西南西南：印度板塊向：印度板塊向NNE擠壓（擠壓（5mm/a）東東：太平洋板塊向：太平洋板塊

6、向W俯沖（俯沖（1cm/a）南南：菲律賓板塊向：菲律賓板塊向N俯沖俯沖北北：西伯利亞板塊阻：西伯利亞板塊阻擋擋 1跡線跡線：N-NE-SSEv中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠壓，形成了中國大陸巖體中的天然應(yīng)力。壓，形成了中國大陸巖體中的天然應(yīng)力。2021-6-14巖石力學(xué)與工程106.2 巖體中天然應(yīng)力的分布規(guī)律巖體中天然應(yīng)力的分布規(guī)律1.地殼中主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，方向基本地殼中主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，方向基本上是垂直和水平的。上是垂直和水平的。2.天然應(yīng)力場是一個具有相對穩(wěn)定性的非天然應(yīng)力場是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場，是時間和空間的函數(shù)穩(wěn)定應(yīng)力

7、場，是時間和空間的函數(shù)2021-6-14巖石力學(xué)與工程116.2 巖體中天然應(yīng)力的分布規(guī)律巖體中天然應(yīng)力的分布規(guī)律3.垂直天然應(yīng)力隨深度呈線性增長垂直天然應(yīng)力隨深度呈線性增長上覆巖體自重上覆巖體自重 V多多為壓應(yīng)力為壓應(yīng)力 V多為最小主應(yīng)力，多為最小主應(yīng)力，少數(shù)為中間主應(yīng)力少數(shù)為中間主應(yīng)力與最大主應(yīng)力與最大主應(yīng)力gh7 . 2v2021-6-14巖石力學(xué)與工程124.水平天然應(yīng)力（水平天然應(yīng)力（ h）分布比較復(fù)雜分布比較復(fù)雜水平天然應(yīng)力以壓應(yīng)力為主水平天然應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，僅在一些裂谷，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力。區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力。l大部分巖體中的水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力大部分巖體中的水

8、平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，即h v，特別是 hmax v l巖體中兩個水平應(yīng)力巖體中兩個水平應(yīng)力 hmax 和和 hmin 通常不相等通常不相等, hmin/ hmax0.2-0.8。具有強烈的各向異性。在單薄的山體、谷波附近以及未受構(gòu)造變動的巖體中，天然水平應(yīng)力均小于天然垂直應(yīng)力。6.2 巖體中天然應(yīng)力的分布規(guī)律巖體中天然應(yīng)力的分布規(guī)律2021-6-14巖石力學(xué)與工程135.天然水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值天然水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值)15005 . 0()1003 . 0(zzhav稱為稱為天然應(yīng)力比值系數(shù)()，隨深度增加而減小。6.2 巖體中天然應(yīng)力的分布規(guī)律巖體中天然應(yīng)力的分布規(guī)律2021-6-

9、14巖石力學(xué)與工程146.一個相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)，最大主應(yīng)力方向是相對一個相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)，最大主應(yīng)力方向是相對穩(wěn)定的穩(wěn)定的7.區(qū)域構(gòu)造場常決定局部點的主應(yīng)力區(qū)域構(gòu)造場常決定局部點的主應(yīng)力8.天然應(yīng)力狀態(tài)一般處于三維狀態(tài)天然應(yīng)力狀態(tài)一般處于三維狀態(tài) 水平應(yīng)力場水平應(yīng)力場 兩個應(yīng)力軸近水平，或與水平兩個應(yīng)力軸近水平，或與水平面夾角很小，另一應(yīng)力軸近鉛直，三個應(yīng)力軸面夾角很小，另一應(yīng)力軸近鉛直，三個應(yīng)力軸與空間坐標(biāo)一致，我國大陸范圍內(nèi)屬這種應(yīng)力與空間坐標(biāo)一致，我國大陸范圍內(nèi)屬這種應(yīng)力場場; 非水平應(yīng)力場非水平應(yīng)力場水平應(yīng)力與水平面夾水平應(yīng)力與水平面夾45左右，左右，另一軸與水平面夾另一軸與水平面夾045

10、 左右，分布于板塊左右，分布于板塊邊緣。邊緣。6.2 巖體中天然應(yīng)力的分布規(guī)律巖體中天然應(yīng)力的分布規(guī)律2021-6-14巖石力學(xué)與工程15天天然然應(yīng)應(yīng)力力的的量量測測方方法法水壓致裂法水壓致裂法應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）套芯應(yīng)力解除法套芯應(yīng)力解除法光彈法光彈法聲發(fā)射法聲發(fā)射法X射線法射線法2021-6-14巖石力學(xué)與工程16千斤頂油泵時間千斤頂壓力 pc測點分離值 d0 d步驟：在巖壁上在巖壁上選擇測點選擇測點，固定，固定A、B兩點。兩點。d015cm刻槽刻槽 應(yīng)力釋放、變形應(yīng)力釋放、變形 d0 d;安裝扁千斤頂安裝扁千斤頂;加壓加壓 應(yīng)力恢復(fù)應(yīng)力恢復(fù) d d0時的千斤頂

11、壓力即為時的千斤頂壓力即為 R1 1、應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）、應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）2021-6-14巖石力學(xué)與工程17重復(fù)重復(fù) 測量另一個方向的測量另一個方向的 W ;計算天然應(yīng)力計算天然應(yīng)力:假定天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場假定天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場,當(dāng)測得側(cè)壁應(yīng)力當(dāng)測得側(cè)壁應(yīng)力 R和底板應(yīng)力和底板應(yīng)力 W 時時,則有則有:RwhRwv83818183vRWh2021-6-14巖石力學(xué)與工程182、鉆孔套芯應(yīng)力解除法基本原理+ + + + + +vh1h2h儀器h套芯解除鉆孔鉆孔同心套鉆同心套鉆放放應(yīng)變計應(yīng)變計應(yīng)力解除應(yīng)力解除應(yīng)力計算應(yīng)力計算位移恢復(fù)位移恢復(fù)2021-6-14巖石力學(xué)與工程19設(shè)

12、天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場設(shè)天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場（即按照平面應(yīng)力問題考慮）（即按照平面應(yīng)力問題考慮）cubuau113x45452cos(2)()3131mUER2cos(2)(2sin)31(2)31(2cos)31(2)31(cos)180cos(,sin)90cos()90(2cos(2)()45(2cos(2)(2cos(2)()31310)31310)3131)3131mcbamcmbmaERUEmRUEmRUERUERUERU計算公式：計算公式：應(yīng)變計互成45，據(jù)上式有2021-6-14巖石力學(xué)與工程20用消元法解三元一次方程，得用消元法解三元一次方程，得：應(yīng)變計互為應(yīng)變計互為60時時，

13、可按下列公式計算可按下列公式計算cacabcbbacacbbacaUUUUUtgUUUUUUREUUUUUURE22)()(214)()(214223221）cbacbaccbbacbaaccbbacbaUUUUUtgUUUUUUUUUREUUUUUUUUURE(2(32)()()(216)()()(21622232221cubuau113x60602021-6-14巖石力學(xué)與工程21h選點、鉆孔：選點、鉆孔：130cm ，深，深度一般小于度一般小于30m ;在孔底打一測量孔：在孔底打一測量孔：36cm，深度一般深度一般50cm，并洗干凈；，并洗干凈；安裝應(yīng)變計：并與應(yīng)變儀連安裝應(yīng)變計：并與應(yīng)

14、變儀連接，測記穩(wěn)定初始讀數(shù)；接，測記穩(wěn)定初始讀數(shù)；套鉆解除：在應(yīng)力解除過程套鉆解除：在應(yīng)力解除過程中，測記應(yīng)變計讀數(shù)，至應(yīng)中，測記應(yīng)變計讀數(shù)，至應(yīng)變完全解除為止；變完全解除為止；折斷巖心，在室內(nèi)求取巖石折斷巖心，在室內(nèi)求取巖石的的Em;按前述公式求解：天然應(yīng)力按前述公式求解：天然應(yīng)力 hmax， hmin測量步驟：測量步驟：2021-6-14巖石力學(xué)與工程22優(yōu)點優(yōu)點：能較準(zhǔn)確地量測出巖體中的天然應(yīng)力：能較準(zhǔn)確地量測出巖體中的天然應(yīng)力 缺點缺點：只能量測淺部（：只能量測淺部（30米以內(nèi)天然應(yīng)米以內(nèi)天然應(yīng)力力 ，深度大了，套鉆技術(shù)難度大、精度，深度大了，套鉆技術(shù)難度大、精度低。低。2、鉆孔套芯應(yīng)

15、力解除法、鉆孔套芯應(yīng)力解除法2021-6-14巖石力學(xué)與工程23AAmaxhminh3 3、水壓致裂法、水壓致裂法tpc1pS pc2p0水壓力隨時間的變化曲線2021-6-14巖石力學(xué)與工程24tpc1pS pc2p0假設(shè)：假設(shè)：天然應(yīng)力場鉛直應(yīng)力天然應(yīng)力場鉛直應(yīng)力鉆孔假設(shè)在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體鉆孔假設(shè)在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體中中 的一個小圓孔。水平應(yīng)力為的一個小圓孔。水平應(yīng)力為 ，根，根據(jù)彈性理論中的柯西解據(jù)彈性理論中的柯西解 ，未加水壓力時，未加水壓力時，AA兩點的應(yīng)力為：兩點的應(yīng)力為： ， 在水壓力在水壓力作用下，鉆壁產(chǎn)生拉破裂的條件為作用下，鉆壁產(chǎn)生拉破裂的條件

16、為: gzminmax,hhmaxmin3hhA1maxmin3cthhpA取取“”AAmaxhminhA2021-6-14巖石力學(xué)與工程25維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為 聯(lián)立上兩式有聯(lián)立上兩式有而：而：因此，可得測點因此，可得測點的天然應(yīng)力為的天然應(yīng)力為21cctppshpmin2max3cshppminhspshpmin1max3ctshppshpmin2max3cthppgzv2021-6-14巖石力學(xué)與工程26破裂平行于破裂平行于 ，垂直于，垂直于 ，破裂方向，破裂方向由壓痕，井下電視確定。由壓痕，井下電視確定。maxhminh優(yōu)點：測深大，測深

17、大，z可達(dá)數(shù)百米，目前最深達(dá)可達(dá)數(shù)百米，目前最深達(dá)5108米；施工技術(shù)簡單，不需要應(yīng)力計等儀米；施工技術(shù)簡單，不需要應(yīng)力計等儀器。器。方向方向：據(jù)巖體破裂方向確定：據(jù)巖體破裂方向確定2021-6-14巖石力學(xué)與工程271.垂直天然應(yīng)力估算垂直天然應(yīng)力估算zhAgzV地質(zhì)構(gòu)造簡單、地層平緩地質(zhì)構(gòu)造簡單、地層平緩正斷層時：正斷層時：逆斷層時：逆斷層時：gZv1gZv32021-6-14巖石力學(xué)與工程280000gzgzh2.水平天然應(yīng)力估算水平天然應(yīng)力估算原地面原地面現(xiàn)地面現(xiàn)地面0zzzh0ohhzzzgzzgzggzzzgzggzh1)()1(1)(000000剝蝕2021-6-14巖石力學(xué)與工

18、程29該式說明：剝蝕后，巖體中一點 增大了，當(dāng)Z大到一定值時，必有1的情況出現(xiàn)。zzgzzzzgh1 1)(0002021-6-14巖石力學(xué)與工程30標(biāo)志標(biāo)志 巖芯餅化現(xiàn)象；巖芯餅化現(xiàn)象； 開挖洞室時，常產(chǎn)生巖爆、剝離；開挖洞室時，常產(chǎn)生巖爆、剝離； 收斂變形大，使開挖斷面變小收斂變形大，使開挖斷面變小-縮頸；縮頸； 軟弱夾層內(nèi)的物質(zhì)被擠出，節(jié)理閉合軟弱夾層內(nèi)的物質(zhì)被擠出，節(jié)理閉合-回彈錯動；回彈錯動； 水下開挖無水滲出。水下開挖無水滲出。2021-6-14巖石力學(xué)與工程312021-6-14巖石力學(xué)與工程32高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則（重點）（1 1）目前國際國內(nèi)無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。）目前國際國內(nèi)無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。（2 2）國內(nèi)一般巖體工程以初始地