巖體中的天然應力課件

1、第七章 巖體中的天然應力7.1 概 述7.2 巖體天然應力的分布特征7.3 巖體天然應力的確定7.1 概 述一、定義1.天然應力(地應力、初始應力、原巖應力等）人類工程活動之前存在于巖體中的應力。2.重分布應力（二次分布應力、附加應力等）由于工程活動改變了的巖體中的應力。重分布應力+天然應力相對于第2洞室的天然應力第七章 巖體中的天然應力二、天然應力的組成及起源1.組成： 巖體自重自重應力 構(gòu)造運動構(gòu)造應力流體作用滲流應力 其它（地溫、地球化學作用等）2.起源（主要指構(gòu)造運動的起源）：板塊運動 地幔熱對流 地球自轉(zhuǎn)速度變化拉張區(qū)擠壓區(qū)第七章 巖體中的天然應力三、天然應力的研究歷史與研究意義1.

2、研究歷史 世界上 :1878年海姆提出天然應力1932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力到目前天然應力測點遍布全球，有幾十萬個測點。大部分是淺部，最深5108米（美國密執(zhí)安水壓致裂法）。中國：20世紀50年代末開始天然應力量測，有幾萬個測點，最深的有3958米（天津大港）。 第七章 巖體中的天然應力2.研究意義 1）區(qū)域穩(wěn)定 2）地下洞室穩(wěn)定 3）邊坡穩(wěn)定 4）地基巖體穩(wěn)定第七章 巖體中的天然應力以東經(jīng)100105o為界分東西兩區(qū)。強度上：西強東弱（西高東低）方向上：西： NNE-SSW為主，東：近E-W。一、 分區(qū)性（以中國為例）7.2 巖體天然應力的分布特征第七

3、章 巖體中的天然應力第七章 巖體中的天然應力西南：印度板塊向NNE擠壓（5mm/a）東：太平洋板塊向W俯沖（1cm/a）南：菲律賓板塊向N俯沖北：西伯利亞板塊阻擋 1跡線：N-NE-SSE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力。上覆巖體自重V多為壓應力V多為最小主應力，少數(shù)為中間主應力與最大主應力第七章 巖體中的天然應力二、鉛直應力 （V）三、 水平應力（ h）巖體中天然應力常以水平應力為主，即h v，特別是 hmax v ,據(jù)統(tǒng)計資料： h/v 0.8-3.0 ，說明巖體中水平天然應力主要受地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應力場的控制;水平應力具有強烈的各向異性，即h1 h2

4、，我國華北hmin/ hmax0.2-0.8，華南hmin/ hmax0.3-0.75 。原 因a.巖體各向異性;b.構(gòu)造運動的方向性;水平天然應力以壓應力為主，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應力，且是以一向壓，一向拉多見。另外在地表卸荷帶影響區(qū)，也可能出現(xiàn)水平應力為拉應力的現(xiàn)象。第七章 巖體中的天然應力四、天然應力比值系數(shù)與深度z 的關(guān)系定義：天然水平應力與鉛直應力的比值為天然應力比值系數(shù)()，它隨深度增加而減小。第七章 巖體中的天然應力五、主應力平面與水平面的關(guān)系據(jù)主應力平面與水平面的關(guān)系，天然應力狀態(tài)劃分為：水平應力場 兩個應力軸近水平，或與水平面夾角很小，另一應力軸近鉛直，三個應力軸與空

5、間坐標一致，我國大陸范圍內(nèi)屬這種應力場;非水平應力場水平應力與水平面夾45左右，另一軸與水平面夾045 左右，分布于板塊邊緣。第七章 巖體中的天然應力六、高天然應力標志開挖洞室時，常產(chǎn)生巖爆、剝離；收斂變形大，使開挖斷面變?。卉浫鯅A層內(nèi)的物質(zhì)被擠出，節(jié)理閉合；餅狀巖心；水下開挖無水滲出。第七章 巖體中的天然應力七、影響天然應力的因素1.地形起伏a.水平應力向負地形集中，向正地形釋放b.在斜坡附近，應力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)+ + + + + + + + + +第七章 巖體中的天然應力2.地表剝蝕原地面現(xiàn)地面剝蝕第七章 巖體中的天然應力該式說明：剝蝕后，巖體中一點 增大了，當Z大到一定值時，必有1的情況出

6、現(xiàn)。第七章 巖體中的天然應力3.結(jié)構(gòu)面第七章 巖體中的天然應力4.巖體性質(zhì) 硬巖往往可積累較高的應力，而軟巖則相反5.地下水 產(chǎn)生滲流應力6.地溫 產(chǎn)生溫度應力7.3 巖體天然應力的確定自重應力理論地震震源機制解地變形量測天然應力測量大地水準測量三角網(wǎng)測量GPS測量天然應力確定方法第七章 巖體中的天然應力zA一、根據(jù)自重應力理論確定巖體中的天然應力地質(zhì)構(gòu)造簡單、地層平緩、當?shù)厍治g基準面1、均質(zhì)各向同性巖體第七章 巖體中的天然應力A2、水平層狀巖體第七章 巖體中的天然應力A3、垂直層狀巖體第七章 巖體中的天然應力二、天然應力的量測天然應力的量測方法水壓致裂法應力恢復法（扁千斤頂法）套芯應力解除法

7、光彈法聲發(fā)射法X射線法第七章 巖體中的天然應力1、水壓致裂法原理：水壓致裂法是把高壓水泵入到由栓塞隔開的試段中。當鉆孔試段中的水壓升高時，鉆孔孔壁的環(huán)向壓應力降低，并在某些點出現(xiàn)拉應力。隨著泵入的水壓力不斷升高，鉆孔孔壁的拉應力也逐漸增大。當鉆孔中水壓力引起的孔壁拉應力達到孔壁巖石抗拉強度t時，就在孔壁形成拉裂隙。若設形成孔壁拉裂隙時，鉆孔的水壓力為pc1，拉裂隙一經(jīng)形成后，孔內(nèi)水壓力就要降低，然后達到某一穩(wěn)定的壓力ps，稱為“封井壓力”。這時，如人為地降低水壓，孔壁拉裂隙將閉合，若再繼續(xù)泵入高壓水流，則拉裂隙將再次張開，這時孔內(nèi)的壓力為pc2(圖7-3)。tpc1pS pc2p0水壓力隨時間

8、的變化曲線tpc1pS pc2p0假設： 天然應力為水平應力場，其鉛直應力鉆孔假設在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體中 的一個小圓孔。作用應力為 ，根據(jù)彈性理論中的柯西解 ，未加水壓力時，AA兩點的應力為： ， 在水壓力作用下，鉆壁產(chǎn)生拉破裂的條件為: 取“”A第七章 巖體中的天然應力維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為 聯(lián)立上兩式有而：因此，可得測點的天然應力為第七章 巖體中的天然應力破裂平行于 ，垂直于 ，破裂方向由壓痕，井下電視確定。優(yōu)點：測深大，z可達數(shù)百米，目前最深達5108米；施工技術(shù)簡單，不需要應力計等儀器。方向：據(jù)巖體破裂方向確定第七章 巖體中的天然應力千斤頂油泵時間千斤頂壓力

9、pc測點分離值 d0 d步驟：在巖壁上選擇測點，固定A、B兩點。d15厘米；刻槽 應力釋放、變形 d0 d;安裝扁千斤頂;加壓 應力恢復 d d0，到d=d0時的千斤頂壓力即為 ；2、應力恢復法（扁千斤頂法）第七章 巖體中的天然應力重復 測量另一個方向的 W ;計算天然應力:假定天然應力為水平應力場,當測得側(cè)壁應力R和底板應力W 時,則有:第七章 巖體中的天然應力3、鉆孔套芯應力解除法基本原理+儀器套芯解除鉆孔同心套鉆放應變計應力解除應力計算位移恢復第七章 巖體中的天然應力設天然應力為水平應力場4545計算公式：應變計互成45，據(jù)上式有第七章 巖體中的天然應力用消元法解三元一次方程，得：應變計

10、互為60時，可按下列公式計算6060第七章 巖體中的天然應力選點、鉆孔：130cm ，深度一般小于30m ;在孔底打一測量孔：36cm，深度一般50cm，并洗干凈；安裝應變計：并與應變儀連接，測記穩(wěn)定初始讀數(shù)；套鉆解除：在應力解除過程中，測記應變計讀數(shù)，至應變完全解除為止；折斷巖心，在室內(nèi)求取巖石的Em;按前述公式求解：天然應力hmax， hmin測量步驟：第七章 巖體中的天然應力優(yōu)點：能較準確地量測出巖體中的天然應力 缺點：只能量測淺部（30米以內(nèi)天然應力 ，深度大了，套鉆技術(shù)難度大、精度低。第七章 巖體中的天然應力第七章復習思考題1、 研究巖體中的天然應力具有什么工程意義？ 2、巖體天然應

11、力得分布特征如何？ 3、巖體天然應力的各種量測方法，各有什么特點？ 4、在什么情況下，可以按自重應力理論計算天然應力？ 5、某巖體，在深度100m內(nèi)，密度為2.54g/cm3，在深度100200m內(nèi)，密度為2.71g/cm3，天然應力比值系數(shù)為1.89，試按自重應力理論計算深度50m、150m處的天然應力大??？ 1、 巖體2、 彈性3、 脆性4、 三軸抗壓強度5、 抗壓強度6、 抗拉強度7、 抗剪強度8、 莫爾強度理論9、 強度判據(jù)10、穩(wěn)定性系數(shù)11、蠕變12、殘余強度13、天然應力14、剪切剛度15、強度理論16、剪切剛度17、八面體強度理論18、極限強度19、 蠕變20、 孔隙比21、 法向剛度22、 圍巖應力23、 軟化系數(shù)24、變形模量25、26、 長期強度27、 圍巖28、 主應力29、 主平面30、 結(jié)構(gòu)面31、 滑坡32、 塑性33、34、 變形模量35、 彈性模量36、 動彈性模量37、 天然應力38、 強度曲線39、 內(nèi)摩擦角40、 切線模量41、 巖體力學42、 單軸抗壓強度43、 重分布應力44、 圍巖壓力45、 圍巖抗力46、 強度47、 彈性極限48、 強度極限 49、 脆性破壞5