巖體的初始應力狀態(tài)細講

1、第六章 巖體的初始應力狀態(tài)第一節(jié) 概述 第二節(jié) 巖體的初始應力場及其影響因素第三節(jié) 巖體的初始應力場的分布規(guī)律第四節(jié) 巖體初始應力場的量測方法第五節(jié)高應力地區(qū)主要巖體力學問題第一節(jié) 概述 巖體的初始應力，是指巖體在天然狀態(tài)下所存在的內(nèi)在應力，在地質(zhì)學中，通常又稱它為地應力。巖體的初始應力主要是由巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造運動所引起的。影響巖體的初始應力狀態(tài)的因素還有地形、地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、水、溫度等。對于巖體工程來說主要考慮：1. 自重應力2. 構(gòu)造應力巖體的初始應力場一、巖體自重應力場一、巖體自重應力場設(shè)巖體為半無限均質(zhì)體，地面為水平面，距地面深度H處，有一單元體，其上作用的應力為x，y，z，形成巖體

2、單元的自重應力狀態(tài)（圖6-1）。垂直應力z為單元體上覆巖體的重量，即第二節(jié) 巖體初始應力場及其影響因素zH 式中 上覆巖體的重度（kN/m3) H巖體單元的深度（m）圖6-1第二節(jié) 巖體初始應力場及其影響因素若巖體由多層不同重度的巖層組成（圖6-2），則1nziiih 式中 i第i層巖體的重度(kN/m3) hi第i層巖體厚度（m）圖6-2若把巖體視為均勻的彈性體，由于單元受到與其相鄰巖體的約束，故橫向應變等于0，由廣義虎克定律1)01)0 xxyzyyxzEE 第二節(jié) 巖體初始應力場及其影響因素聯(lián)立方程，解得1xyz 令1 稱為側(cè)壓力系數(shù)，數(shù)值等于某點的水平應力與該點垂直應力的比值。一般巖石

3、的泊松比=0.20.3，因此為0.250.43。第二節(jié) 巖體初始應力場及其影響因素在一定深度范圍內(nèi)巖體基本上處于彈性狀態(tài)；當埋深較大時，巖體將處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)。潛塑狀態(tài)是指初始應力狀態(tài)下巖體處于彈性狀態(tài)，但開挖卸荷后即處于塑性狀態(tài)。由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的深度，對不同巖體而言是不一樣的，砂巖約為500m，花崗巖約為2500m，而粘土質(zhì)軟巖可能在地表深度以下不深處表現(xiàn)為塑性變形特性。巖體處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)時，其泊松比近于0.5，側(cè)壓力系數(shù)也近于1,表明巖體所受的垂直自重應力與水平應力相等，即處于靜水壓力狀態(tài)，稱為海姆假說。二、巖體構(gòu)造應力場二、巖體構(gòu)造應力場地殼中的各種地質(zhì)構(gòu)造，如褶

4、皺、斷層、構(gòu)造節(jié)理等，是在地質(zhì)構(gòu)造運動作用下形成的。地質(zhì)構(gòu)造運動，包括水平運動（造山運動）和垂直運動（造陸運動）兩種形式。通常，水平方向的構(gòu)造運動對巖體構(gòu)造應力的形成起控制作用，即構(gòu)造應力以水平方向為主。第二節(jié) 巖體構(gòu)造應力場目前，巖體的構(gòu)造應力尚無法用數(shù)學力學的方法進行分析計算，而只能采用現(xiàn)場應力量測的方法求得。但是構(gòu)造應力場的方向可以根據(jù)地質(zhì)力學的方法加以判斷。第二節(jié) 巖體構(gòu)造應力場根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和巖石強度理論，一般認為自重應力是主應力之一，另一主應力與斷裂構(gòu)造體系正交。對于正斷層，自重應力為最大主應力，即1=H，最小主應力3則與斷層走向相交；對于逆斷層，自重應力為最小主應力，最大主應力與斷

5、層走向正交；對于平移斷層，自重應力是中主應力2，1與斷層走向成3045夾角，且1與3均為水平方向。其他，如巖脈和褶皺，均可推斷構(gòu)造應力的方向（圖6-3）。第二節(jié) 巖體構(gòu)造應力場地殼垂直運動引起地面抬升，使地殼表面巖體經(jīng)受剝蝕，可使巖體初始應力場發(fā)生變化。0000001()1hzZZZ 三、影響巖體初始應力狀態(tài)的因素三、影響巖體初始應力狀態(tài)的因素 巖體初始應力狀態(tài)主要受地質(zhì)構(gòu)造和自重作用的影響，除此之外，受地形、地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、巖體力學性質(zhì)、水、溫度等因素的影響。第二節(jié) 巖體構(gòu)造應力場1、地形（1）地表水平情況下初始應力分布，其一主應力為水平分布，另一主應力垂直分布。（2）斜坡溝谷地形初始應力分布

6、在斜坡面附近，最大主應力方向與斜坡面大致平行；在溝谷底部應力集中，最大主應力方向近于水平分布。山峰處巖體初始應力低，溝谷處巖體初始應力高。第二節(jié) 巖體構(gòu)造應力場2、地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)背斜褶曲，其兩翼自重應力大，而中部自重應力低。斷層組合對自重應力的影響第二節(jié) 巖體構(gòu)造應力場3、巖體的力學性質(zhì)堅硬的巖體具有較高的初始地應力，軟弱的或破碎的巖體具有較低的初始地應力。4、水靜水壓力由于浮力的作用減輕了巖體的重量；巖體中地下水位的升降，可引起巖體重量的減少或增加，從而減少或增加巖體的自重應力。5、溫度巖漿侵入使巖體受熱膨脹，周圍巖體限制受熱巖體的膨脹，從而在巖體中增加熱應力。巖體的溫度應力是壓縮應力，并隨著

7、深度的增加而增加。溫度應力約為自重應力的1/9左右，呈靜水壓力狀態(tài)。一、巖體初始應力場是時間和空間的函數(shù)一、巖體初始應力場是時間和空間的函數(shù)巖體初始應力在絕大部分地區(qū)是以水平應力為主的三向不等壓應力場。三大主應力的大小和方向是隨著時間和空間的變化而變化的，為非穩(wěn)定的應力場。第三節(jié) 巖體初始應力場的分布規(guī)律二、實測垂直應力基二、實測垂直應力基本等于上覆巖層的重本等于上覆巖層的重量量統(tǒng)計資料分析，深度在252700m范圍內(nèi)，v呈線性增長，大致相當于按巖體平均重度27kN/m3計算出來的自重應力。第三節(jié) 巖體初始應力場的分布規(guī)律三、水平應力普遍大于垂直應力三、水平應力普遍大于垂直應力資料表明兩個主應

8、力與水平面的夾角不大于30。最大水平主應力普遍大于垂直主應力，兩者比值一般為0.55.5，大多數(shù)情況下，比值大于2。世界部分國家水平主應力與垂直主應力比值統(tǒng)計表世界部分國家水平主應力與垂直主應力比值統(tǒng)計表國家名稱h，max/vh，av/v1.2合計中國2.09324028100澳大利亞2.9502278100加拿大2.5600100100美國3.29184141100挪威3.56171766100瑞典4.9900100100南非2.50412435100前蘇聯(lián)4.30512920100其他地區(qū)1.9637.537.525100第三節(jié) 巖體初始應力場的分布規(guī)律四、平均水平應力與垂直應力的比值隨深

9、度的增加而減小四、平均水平應力與垂直應力的比值隨深度的增加而減小第三節(jié) 巖體初始應力場的分布規(guī)律五、水平主應力隨深度呈線性增長的關(guān)系五、水平主應力隨深度呈線性增長的關(guān)系斯蒂芬森等人根據(jù)實測結(jié)果給出了芬諾斯堪的亞古陸最大水平主應力h,max和最小水平應力h,min隨深度H變化的線性方程,max,min6.70.04440.80.0329hhHH六、兩個水平主應力一般相當差較大六、兩個水平主應力一般相當差較大第三節(jié) 巖體初始應力場的分布規(guī)律世界部分國家和地區(qū)兩個水平主應力比值統(tǒng)計表世界部分國家和地區(qū)兩個水平主應力比值統(tǒng)計表實測地點統(tǒng)計數(shù)目h,min/h,min(%)1.00.750.750.500

10、.500.250.250合計斯堪的納維亞等511467136100北美2222246239100中國251256248100中國華北地區(qū)186612211100第四節(jié)巖體初始應力的量測方法1.目的： （1）了解巖體中存在的應力大小和方向 （2）為分析巖體的工程受力狀態(tài)以及為支護及巖體加固提供依據(jù) （3）預報巖體失穩(wěn)破壞以及預報巖爆的有力工具（一）方法原理及技術(shù)通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定量測深度加液壓將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點壓力及開裂方位，然后根據(jù)測得的壓裂過程中泵壓表的讀數(shù)，計算測點附近巖體中地應力大小和方向。壓裂點上下用止水封隔器密封，其結(jié)構(gòu)如圖6-9所示。水壓致裂過程中泵壓變化及其

11、特征壓力示于圖6-10。一、水壓致裂法第四節(jié)巖體初始應力的量測方法（二）測試步驟第四節(jié)巖體初始應力的量測方法（三）應用水壓致裂法的特點： 測試方法簡單；孔壁受力范圍廣； 測試精度不高；是一種二維應力量測方法 水壓致裂法認為初始開裂發(fā)生在鉆孔壁切向應力最小的部位，亦即平行于最大主應力的方向，這是基于巖石為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的假設(shè)。 水壓致裂法適用于完整的脆性巖體。第四節(jié)巖體初始應力的量測方法二、應力解除法第四節(jié)巖體初始應力的量測方法按測試變形或應變的方法不同，可分為： 孔底應力解除法 孔壁應力解除法 孔徑應力解除法第四節(jié)巖體初始應力的量測方法（一）孔底應力解除法 把應力解除法用到鉆孔孔底就稱為

12、孔底應力解除法。 這種方法是先在圍巖中鉆孔，在孔底平面上粘貼應變傳感器，然后用套鉆使孔底巖心與母巖分開，進行卸載，觀測卸載前后的應變，間接求出巖體中的應力。第四節(jié)巖體初始應力的量測方法具體測試步驟如下：（1）用76mm金剛石空心鉆頭鉆孔至預定深度，取出巖芯。（2）鉆桿上改裝磨平鉆頭將孔底磨平、打光，沖洗鉆孔，用熱風吹干，再用丙酮擦洗孔底。（3）將環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑涂到孔底和應變傳感器探頭上，用安裝器將傳感器粘貼在孔底。經(jīng)20h后，測取初始應變讀數(shù)。（4）用空心金剛石套孔鉆頭鉆進，深度為巖芯直徑的2倍，并取出巖芯。（5）測量解除后的應變值，測定巖石的彈性模量第四節(jié)巖體初始應力的量測方法求巖體應力步驟

13、：由孔底應變計算出孔底平面應力；利用孔底應力與巖體應力之間的關(guān)系計算出巖體應力分量根據(jù)實驗研究和有限元分析對孔底應力加以校正 單一鉆孔孔底應力解除法，只有在軸線與一個巖體的主應力方向平行的情況下，才能測得另外兩個主應力的大小和方向。 三個鉆孔相互斜交或正交，測量三維狀態(tài)下巖體中任一點的應力狀態(tài)第四節(jié)巖體初始應力的量測方法（二）孔壁應變法 孔壁應變法是在鉆孔壁上粘貼三向應變計，通過測量應力解除前后的應變，來推算巖體應力，利用單一鉆孔可獲得一點的空間應力分量。具體測試步驟： 用90mm金剛石空心鉆頭鉆孔，磨平孔底 用36mm金剛石鉆頭在大孔中心鉆450mm長小孔，清洗孔壁 將三向應變計裝在安裝器上

14、，送入小孔中，讀數(shù)，封孔 用90mm空心套鉆驚醒應力解除 取出巖芯，拔出封孔栓，測量應力解除后的應變值第四節(jié)巖體初始應力的量測方法孔壁應變法特點： 只需打一個鉆孔 測試工作量小 精度高 適用于整體性好的巖石 不適用于有地下水的場合第四節(jié)巖體初始應力的量測方法（三）孔徑變形法 孔徑變形法，是在巖體小鉆孔中埋入變形計，測量應力解 除前后的孔徑變化量，來確定巖體應力的方法。孔徑變形法的特點：零點穩(wěn)定性好直線性、重復性和防水性較好實用性強，操作簡便，能測量應變?nèi)^程應力解除巖芯較長不宜在破碎的巖層中應用第四節(jié)巖體初始應力的量測方法三、應力恢復法 應力恢復法是用來直接測定巖體應力大小的一種測試方法，目前

15、，此法僅用于巖體表層，當已知某巖體中的主應力方向時，采用本方法較為方便。第四節(jié)巖體初始應力的量測方法四、聲發(fā)射法 材料在受到外載荷作用時，其內(nèi)部貯存的應變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，從而發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射凱澤效應： 多金屬的應力從其應力最高水平釋放后，再重新加載，當應力未達到先前最大應力值時，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當應力達到和超過歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射第四節(jié)巖體初始應力的量測方法測試步驟：（1）試件制備 從現(xiàn)場鉆孔提取巖石試樣，將試樣加工成圓柱體試件，徑高比為1:21:3 。 試件兩端澆鑄由環(huán)氧樹脂或其他復合材料制成的端帽。（2）聲發(fā)射測試 將試件放在但壓縮試驗機上加壓，并同時監(jiān)測加壓過程

16、中從試件中產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象。 凱澤效應一般發(fā)生在加載初期，故加載系統(tǒng)應選用小噸位的應力控制系統(tǒng)，并保持加載速率恒定（3）計算地應力 由聲發(fā)射監(jiān)測所獲得的應力聲發(fā)射事件數(shù)曲線，即可確定每次實驗的凱澤點，并進而確定該試件軸線方向先前受到的最大應力值。第四節(jié)巖體初始應力的量測方法 修正巖體非線性、不連續(xù)性、不均質(zhì)性和各向異性的影響的主要方法：巖體非線性的影響及其正確的巖體彈性模量和泊松比確定方法建立巖體不連續(xù)性、不均質(zhì)性和各向異性模型并運用相應程序計算地應力根據(jù)巖體力學實驗確定的現(xiàn)場巖體不連續(xù)性、不均質(zhì)性和各向異性修正測量應變值用數(shù)值分析方法修正巖體不連續(xù)性、不均質(zhì)性和各向異性和非線性彈性的影響第四

17、節(jié)巖體初始應力的量測方法第五節(jié) 高應力地區(qū)主要巖體力學問題一、研究高地應力問題的必要性一、研究高地應力問題的必要性u研究地應力是研究巖體力學不可缺少的一部分。研究地應力是研究巖體力學不可缺少的一部分。巖體力學跟其他力學學科的根本區(qū)別在于巖體巖體力學跟其他力學學科的根本區(qū)別在于巖體中中具有具有初始地應力。初始地應力。u巖體的本構(gòu)關(guān)系、破壞準則以及巖體中應力的傳播巖體的本構(gòu)關(guān)系、破壞準則以及巖體中應力的傳播規(guī)律都隨地應力的變化而變化。規(guī)律都隨地應力的變化而變化。u隨著我國中西部的開發(fā)，在高應力地區(qū)出現(xiàn)特殊的隨著我國中西部的開發(fā)，在高應力地區(qū)出現(xiàn)特殊的地壓現(xiàn)象，給巖體工程穩(wěn)定問題提出了新課題。地壓現(xiàn)

18、象，給巖體工程穩(wěn)定問題提出了新課題。第五節(jié) 高應力地區(qū)主要巖體力學問題二、高應力判別準則和高應力現(xiàn)象二、高應力判別準則和高應力現(xiàn)象1、高應力判別準則高地應力是一個相對的概念，當圍巖內(nèi)部的圍巖強度c與最大地應力max的比值（稱圍巖強度比）達到某一水平時，才能稱為高地應力或極高地應力。以圍巖強度比為指標的地應力分級標準以圍巖強度比為指標的地應力分級標準極高地應力高地應力一般地應力法國隧道協(xié)會4工程巖體分級標準(GB50218-94)7日本新奧法指南(1996年)6日本仲野分級方法4高和極高地應力巖體在開挖中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象高和極高地應力巖體在開挖中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象應力情況主 要 現(xiàn) 象Rc/max極高

19、應力1、硬質(zhì)巖：開挖過程中時有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差；基坑有剝離現(xiàn)象，成形性差 2、軟質(zhì)巖：巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時間長，不易成洞；基坑發(fā)生顯著隆起或剝離，不易成形Rc/max4高應力1、硬質(zhì)巖：開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂縫較多，成洞性較差；基坑時有剝離現(xiàn)象，成形性一般尚好 2、軟質(zhì)巖：巖芯時有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時間較長，成洞性差；基坑有隆起現(xiàn)象，成形性較差47第五節(jié) 高應力地區(qū)主要巖體力學問題第五節(jié) 高應力地區(qū)主要巖體力學問題2、高地應力現(xiàn)象 巖

20、心餅化現(xiàn)象。餅化巖心中間厚，四周薄，斷口新鮮；餅的厚度隨巖芯直徑和地應力的增大而增大。從巖石破裂成因來分析，巖芯餅化是剪脹破裂產(chǎn)物。除此之外，還能發(fā)現(xiàn)鉆孔縮頸現(xiàn)象。 巖爆。巖爆是巖石被擠壓到彈性限度，巖體內(nèi)積聚的能量突然釋放所造成的一種巖石破壞現(xiàn)象。 探洞和地下隧洞的洞壁產(chǎn)生脫離。第五節(jié) 高應力地區(qū)主要巖體力學問題 巖石基坑底部隆起、剝離以及回彈錯動現(xiàn)象。在巖體中，如有軟弱夾層，則會在基坑斜坡上出現(xiàn)回彈錯動現(xiàn)象。 野外原位測試測得的巖體物理力學指標比實驗室?guī)r塊試驗結(jié)果高。由于高地應力的存在，致使巖體的聲波速度、彈性模量等參數(shù)增高，甚至比實驗室無應力狀態(tài)巖塊測得的參數(shù)高。野外原位變形測試曲線的形狀也會變化，在 軸上有距三、巖爆及防治措施三、巖爆及防治措施第五節(jié) 高應力地區(qū)主要巖體力學問題1 1、巖爆類型、巖爆類型u破裂松脫型圍巖成塊狀、板狀、鱗片狀，爆裂響聲微弱，彈射距離小，巖壁上形成破裂坑，破裂坑的深度主要受圍巖應力和強度控制