巖石力學(xué)基礎(chǔ)教程 教學(xué)課件 侯公羽 第6章 地應(yīng)力

在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187或者直接輸入下面地址：第6章地應(yīng)力6.1地應(yīng)力的概念與意義6.1.1地應(yīng)力的基本概念地應(yīng)力可以概要定義為存在于巖體中未受人工開挖擾動影響的自然應(yīng)力，或稱原巖應(yīng)力。地應(yīng)力場呈三維狀態(tài)有規(guī)律地分布于巖體中。當(dāng)工程開挖后，圍巖的應(yīng)力受到開挖擾動的影響而重新分布，重分布后形成的應(yīng)力則稱為二次應(yīng)力或誘導(dǎo)應(yīng)力。6.1.2地應(yīng)力的成因、組成成分和影響因素1．地應(yīng)力的成因（1）大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場（2）地幔熱對流引起的應(yīng)力場（3）由地心引力引起的應(yīng)力場（4）巖漿侵入引起的應(yīng)力場（5）地溫梯度引起的應(yīng)力場（6）地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場中國大陸板塊印度洋板塊和大平洋板塊的推擠，同時受到了西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束。在這樣的邊界條件下，板塊發(fā)生變形，產(chǎn)生水平受壓應(yīng)力場。其主應(yīng)力跡線如圖6.1所示地幔熱對流引起地殼下面的水平切向應(yīng)力。由地心引力引起的應(yīng)力場稱為自重應(yīng)力場，自重應(yīng)力場是各種應(yīng)力場中唯一能夠計算的應(yīng)力場。由巖漿侵入引起的應(yīng)力場是一種局部應(yīng)力場。圖6.1中國板塊主應(yīng)力跡線圖2．自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力對上述地應(yīng)力的組成成分進(jìn)行分析，依據(jù)促成巖體中初始地應(yīng)力的主要因素，可以將巖體中初始地應(yīng)力場劃分為兩大組成部分，即自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場。二者疊加起來便構(gòu)成巖體中初始地應(yīng)力場的主體。（1）巖體的自重應(yīng)力研究巖體的自重應(yīng)力時，一般把巖體視為均勻、連續(xù)且各向同性的彈性體，因而可以引用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理來探討巖體的自重應(yīng)力問題。將巖體視為半無限體，即上部以地表為界，下部及水平方向均無界限。那么，巖體中某點的自重應(yīng)力可按以下方法求得。設(shè)距地表深度為處取一單元體，如圖6.2所示，巖體自重在地下深為處產(chǎn)生的垂直應(yīng)力為單元體上覆巖體的重量，即：式中，為上覆巖體的平均重力密度（）；為巖體單元的深度（m）。（6.2）把巖體視為各向同性的彈性體，由于巖體單元在各個方向都受到與其相鄰巖體的約束，不可能產(chǎn)生橫向變形，即。而相鄰巖體的阻擋就相當(dāng)于對單元體施加了側(cè)向應(yīng)力及，考慮廣義虎克定律則有：由此可得式中，E為巖體的彈性模量，為巖體的泊松比。令，則有：稱為側(cè)壓力系數(shù)，其定義為某點的水平應(yīng)力與該點垂直應(yīng)力的比值。（6.3a）（6.3b）（6.4）（6.5）圖6.2巖體自重垂直應(yīng)力圖6.3巖體自重垂直應(yīng)力若巖體由多層不同重力密度的巖層所組成（圖6.3）。各巖層的厚度為（=1，2，…，），重度為（=1，2，…，），泊松比為（=1，2，…，），則第層底面巖體的自重初始應(yīng)力為（6.6）一般巖體的泊松比為0.2~0.35，故側(cè)壓系數(shù)通常都小于1，因此在巖體自重應(yīng)力場中，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力，都是主應(yīng)力，約為的25%~54%。只有巖石處于塑性狀態(tài)時，值才增大。當(dāng)=0.5時，=1，它表示側(cè)向水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力相等（），即所謂的靜水應(yīng)力狀態(tài)（海姆假說）。（2）構(gòu)造應(yīng)力地殼形成之后，在漫長的地質(zhì)年代，在歷次構(gòu)造運動下，有的地方隆起，有的地方下沉。這說明在地殼中長期存在著一種促使構(gòu)造運動發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場。目前，世界上測定原巖應(yīng)力最深的測點已達(dá)5000m，但多數(shù)測點的深度在1000m左右。我國地質(zhì)學(xué)家李四光認(rèn)為，因地球自轉(zhuǎn)角度的變化而產(chǎn)生地殼水平方向的運動是造成構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主的重要原因。6.2地應(yīng)力的主要分布規(guī)律（1）地應(yīng)力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場，它是時間和空間的函數(shù)。（2）實測垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量。圖6.4世界各國垂直應(yīng)力隨深度H的變化規(guī)律圖（3）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。表6.1世界各國水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值統(tǒng)計表實測資料表明，在絕大多數(shù)（幾乎所有）地區(qū)均有兩個主應(yīng)力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，其與水平面的夾角一般不大于，最大水平主應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力；與之比值一般為0.5~5.5，在很多情況下比值大于2，參見表6.l。（4）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加而減小，但在不同地區(qū)，變化的速度很不相同。圖6.5為世界不同地區(qū)取得的實測結(jié)果。圖6.5世界各國平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度的變化規(guī)律圖霍克和布朗根據(jù)圖6.5所示結(jié)果回歸出下列公式來表示/隨深度變化的取值范圍：式中，H為深度，單位為m。（6.8）（5）最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長關(guān)系。斯蒂芬森（O.Stephansson）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(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度變化的線性方程：最大水平主應(yīng)力最小水平主應(yīng)力式中，H為深度，單位為m。（6）最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性。一般為0.2~0.8，多數(shù)情況下為0.4~0.8，參見表6.2。表6.2世界部分國家和地區(qū)兩個水平主應(yīng)力的比值統(tǒng)計表（7）地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會受到地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的擾動影響最大。6.3高地應(yīng)力區(qū)域的主要巖石力學(xué)問題6.3.1高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象l．高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則當(dāng)圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力與圍巖強度（）的比值達(dá)到某一水平時，才能稱為高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力。圍巖強度比表6.3是一些以圍巖強度比為指標(biāo)的地應(yīng)力分級標(biāo)準(zhǔn)，可以參考。表6.3以圍巖強度比為指標(biāo)的地應(yīng)力分級基準(zhǔn)圍巖強度比與圍巖開挖后的破壞現(xiàn)象有關(guān)，特別是與巖爆、大變形有關(guān)。前者是在堅硬完整的巖體中可能發(fā)生的現(xiàn)象，后者是在軟弱或土質(zhì)地層中可能發(fā)生的現(xiàn)象。表6.4所示是在工程巖體分級基準(zhǔn)中的有關(guān)描述，而日本仲野則是以是否產(chǎn)生塑性地壓來判定的（見表6.5）。表6.4高初始地應(yīng)力巖體在開挖中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象表6.5不同圍巖強度比開挖中出現(xiàn)的現(xiàn)象·2．高地應(yīng)力現(xiàn)象（1）巖芯餅化現(xiàn)象。（2）巖爆。（3）探洞和地下隧洞的洞壁產(chǎn)生剝離，巖體錘擊為嘶啞聲井有較大變形，在中等強度以下的巖體中開挖探洞或隧洞，高地應(yīng)力狀況不會像巖爆那樣劇烈，洞壁巖體產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，有時裂縫一直延伸到巖體淺層內(nèi)部，錘擊時有破啞聲。在軟質(zhì)巖體中洞體則產(chǎn)生較大的變形，位移顯著，持續(xù)時間長、洞徑明顯縮小。（4）巖質(zhì)基坑底部隆起、剝離以及回彈錯動現(xiàn)象。（如圖6.6）（5）野外原位測試測得的巖體物理力學(xué)指標(biāo)比實驗室?guī)r塊試驗結(jié)果高。（圖6.7）圖6.6基坑邊坡回彈錯動圖6.7高地應(yīng)力條件下巖體變形線6.3.2巖爆及其防治措施1．概述圍巖處于高應(yīng)力場條件下所產(chǎn)生的巖片（塊）飛射拋撒，以及洞壁片狀剝落等現(xiàn)象叫巖爆。據(jù)不完全統(tǒng)計，在我國的大部分重要煤礦中，煤爆和巖爆的發(fā)生地點一般在200m至1500m深處的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層突然變化、水平煤層突然彎曲變成陡傾等部位。由于巖爆是極為復(fù)雜的動力現(xiàn)象，至今對地下工程中巖爆的形成條件及機理還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識。有的學(xué)者認(rèn)為巖爆是受剪破裂；也有的學(xué)者根據(jù)自己的觀察和試驗結(jié)果得出張破裂的結(jié)論；還有一種觀點把產(chǎn)生巖爆的巖體破壞過程分為：劈裂成板條、剪（折）斷成塊、塊片彈射三個階段式破壞。2．巖爆的類型、性質(zhì)和特點目前主要是根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查所得到的巖爆特征，考慮巖爆危害方式、危害程度以及對其防治對策等因素，分為破裂松脫型、爆裂彈射型、爆炸拋射型。此外，也有把巖爆分為應(yīng)變型、屈服型及巖塊突出型的，如圖6.8所示。巖爆的規(guī)?；旧峡梢苑譃槿?，即小規(guī)模的、中等規(guī)模的和大規(guī)模的，如圖6.9所示。圖6.8巖爆發(fā)生機理

圖6.9巖爆規(guī)模劃分3．巖爆產(chǎn)生的條件（l）地下工程開挖、洞室空間的形成是誘發(fā)巖爆的幾何條件；（2）圍巖應(yīng)力重分布和集中將導(dǎo)致圍巖積累大量彈性變形能，這是誘發(fā)巖爆的動力條件；（3）巖體承受極限應(yīng)力產(chǎn)生初始破裂后剩余彈性變形能的集中釋放量即決定巖爆的彈射程度；（4）巖爆通過何種方式出現(xiàn)，這取決于圍巖的巖性、巖體結(jié)構(gòu)特征、彈性變形能的積累和釋放時間的長短。4．巖爆發(fā)生的判據(jù)我國工程巖體分類標(biāo)準(zhǔn)采用的判據(jù)如下：（1）當(dāng)時，無巖爆；（2）當(dāng)時，可能會發(fā)生輕微巖爆或中等巖爆；（3）當(dāng)時，可能會發(fā)生嚴(yán)重巖爆。式中，為巖石單軸抗壓強度；為最大地應(yīng)力。5．巖爆的防治通過大量的工程實踐及經(jīng)驗的積累，目前已有許多行之有效的治理巖爆的措施，歸納起來有：加固圍巖、加防護(hù)措施、完善施工方法、改善圍巖應(yīng)力條件以及改變圍巖性質(zhì)等。6.4地應(yīng)力測量方法6.4.1地應(yīng)力測量的基本原理6.4.2水壓致裂法1．測量原理水壓致裂法在20世紀(jì)50年代被廣泛應(yīng)用于油田生產(chǎn)，通過在鉆井中制造人工的裂隙來提高石油的產(chǎn)量。哈伯特（M.K.Hubbert）和威利斯（D.G.Wiliis）在實踐中發(fā)現(xiàn)了水壓致裂裂隙和原巖應(yīng)力之間的關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)又被費爾赫斯特（C.Fairhurst）和海姆森（B.C.Haimson）用于地應(yīng)力測量。從彈性力學(xué)理論可知，當(dāng)一個位于無限體中的鉆孔受到無窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場（，）的作用時，離開鉆孔端部一定距離的部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)。在這些部位，鉆孔周邊的應(yīng)力為式中，，為鉆孔周邊的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；為周邊一點與軸的夾角。由式（4-10）可知，當(dāng)時，取得極小值，即如果采用圖6.12所示的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來，并向該段鉆孔注入高壓水，當(dāng)水壓超過和巖石抗拉強度T之和后，在處，也即所在方位將發(fā)生孔壁開裂。設(shè)鉆孔壁發(fā)生初始開裂時的水壓為，則有如果繼續(xù)向封隔段注入高壓水，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂隙深度達(dá)到3倍鉆孔直徑時，此處已接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定，將該恒定壓力記為，則由圖6.12可見，應(yīng)和原巖應(yīng)力相平衡，即（6.10）（6.11）（6.12）（6.13）（6.14）由（4-13）和（4-14）式，只要測出巖石抗拉強度T，即可由和，求出和，這樣和的大小和方向就全部確定了。在鉆孔中存在裂隙水的情況下，如封隔段處的裂隙水壓力為，則（4-13）式變?yōu)楦鶕?jù)式（6.14）和式（6.15）求和，需要知道封隔段巖石的抗拉強度，這往往是很困難的。為了克服這一困難，在水壓致裂試驗中增加一個環(huán)節(jié)，即在初始裂隙產(chǎn)生后將水壓卸除，使裂隙閉合，然后再重新向封隔段加壓，使裂隙重新打開，記裂隙重開時的壓力為，則有這樣，由式（6.14）和（6.16）求和就無須知道巖石的抗拉強度。因此，由水壓致裂法測量原巖應(yīng)力將不涉及巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，而完全由測量和記錄的壓力值來決定。（6.15）（6.16）圖6.12水壓致裂應(yīng)力測量原理2．水壓致裂法的特點（1）設(shè)備簡單。只需用普通鉆探方法打鉆孔，用雙止水裝置密封，用液壓泵通過壓裂裝置壓裂巖體，不需要復(fù)雜的電磁測量設(shè)備。（2）操作方便。只通過液壓泵向鉆孔內(nèi)注液壓裂巖體，觀測壓裂過程中泵壓、液量即可。（3）測值直觀。它可根據(jù)壓裂時泵壓〔初始開裂泵壓、穩(wěn)定開裂泵壓、關(guān)閉壓力、開啟壓力）計算出地應(yīng)力值，不需要復(fù)雜的換算及輔助測試，同時還可求得巖體抗拉強度。（4）測值代表性大。所測得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強度是代表較大范圍內(nèi)的平均值，有較好的代表性。（5）適應(yīng)性強。這一方法不需要電磁測量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有水條件下作試驗，不怕電磁干擾，不怕震動。因此，這一方法越來越受到重視和推廣。但它存在一個較大的缺陷，就是主應(yīng)力方向測定得不準(zhǔn)。6.4.3應(yīng)力解除法1.巖體孔底應(yīng)力解除法巖體孔底應(yīng)力解除法是向巖體中的測點先鉆進(jìn)一個平底鉆孔，在孔底中心處粘貼應(yīng)變傳感器（例如電阻應(yīng)變花探頭或是雙向光彈應(yīng)變計）、通過鉆出巖芯，使受力的孔底平面完全卸載，從應(yīng)變傳感器獲得的孔底平面中心處的恢復(fù)應(yīng)變。再根據(jù)巖石的彈性常數(shù)，可求得孔底中心處的平面應(yīng)力狀態(tài)?？椎讘?yīng)力解除法主要工作步驟如圖6.13，應(yīng)變觀測系統(tǒng)如圖6.14。圖6.13孔底應(yīng)力解除法主要工作步驟1.安裝器；2.探頭；3.溫度補償器圖6.14孔底應(yīng)變觀測系統(tǒng)簡圖1—控制箱；2—電阻應(yīng)變儀；3—預(yù)調(diào)平衡箱2.巖體鉆孔套孔應(yīng)力解除法該巖體應(yīng)力測定方法的主要工作步驟如圖6.15所示。圖6.15鉆孔套孔應(yīng)力解除的主要工作步驟1—套鉆大孔；2—取巖芯并將孔底磨平；3—套鉆小孔；4—取小孔巖芯；5—粘貼元件量測初讀數(shù)；6—應(yīng)力解除；7—取巖芯；8—測出終讀數(shù)應(yīng)力解除法所采用的鉆孔傳感器可分為位移（孔徑）傳感器和應(yīng)變傳感器兩類。中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所沒計制造的鉆孔徑變形計是上述第一類傳感器，測量元件分鋼環(huán)式和懸臂鋼片式兩種（如圖6.16）。圖6.16鉆孔變形計（a）鋼環(huán)式；（b）懸臂鋼片式該鉆孔變形計用來測定鉆孔中巖體應(yīng)力解除前后孔徑的變化值（徑向位移值）。鉆孔變形計置于中心小孔需要測量的部位，變形計的觸腳方位由前端的定向系統(tǒng)來確定。通過觸腳測出孔徑位移值，其靈敏度可達(dá)mm。6.4.4聲發(fā)射法1．測試原理材料在受到外荷載作用時，其內(nèi)部貯存的應(yīng)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。1950年，德國人凱澤（J.Kaiser）發(fā)現(xiàn)多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到先前最大應(yīng)力值時，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到和超過歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象叫做凱澤效應(yīng)。從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點稱力凱澤點，該點對應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。后來國外許多學(xué)者證實了在巖石壓縮試驗中也存在凱澤效應(yīng)，許多巖石如花崗巖、大理巖、石英巖、砂巖、安山巖、輝長巖、閃長巖、片麻巖、輝綠巖、灰?guī)r、礫巖等也具有顯著的凱澤效應(yīng)，從而為應(yīng)用這一技術(shù)測定巖體初始應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。2．測試步驟（l）試件制備為了消除由于試件端部與壓力試驗機上、下壓頭之間摩擦所產(chǎn)生的噪聲和試件端部應(yīng)力集中，試件兩端澆鑄由環(huán)氧樹脂或其他復(fù)臺材料制成的端帽（如圖6.18）。從現(xiàn)場鉆孔提取巖石試樣，試樣在原環(huán)境狀態(tài)下的方向必須確定將試樣加工成圓柱體試件，徑高比為1:2~1:3。圖6.18聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)框圖1、2—上、下壓頭；3、4—換能器A、B；5、6—前置發(fā)大器A、B；7、8—輸入鑒別單元A、B；9—定區(qū)檢測單元；10—計數(shù)控制單元A；11