巖體初始應(yīng)力狀態(tài)

1.掌握初始應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力的概念，掌握自重應(yīng)力的計(jì)算方法；2.了解原巖應(yīng)力的一般規(guī)律及影響原巖應(yīng)分布的因素；3.了解巖應(yīng)力的實(shí)測(cè)方法基本要求第六章巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)1巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的概念與意義

原巖：未受工程影響而又處于自然平衡狀態(tài)的巖體。原巖應(yīng)力（亦稱初始應(yīng)力或地應(yīng)力）：定義之一：原巖中存在的應(yīng)力。定義之二：巖體在天然狀態(tài)下所存在的內(nèi)應(yīng)力。一般習(xí)慣把原巖應(yīng)力分為自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。由上覆巖體的自重所引起的應(yīng)力稱為自重應(yīng)力；地層中由于過去地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生和現(xiàn)在正在活動(dòng)與變化的應(yīng)力，地質(zhì)作用殘存的應(yīng)力統(tǒng)稱為構(gòu)造應(yīng)力。研究巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的工程意義：正確確定開挖巖體過程中的巖體內(nèi)部應(yīng)力變化合理設(shè)計(jì)地下工程的支護(hù)尺寸

2、組成巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的各種應(yīng)力場(chǎng)及其計(jì)算

一、巖體自重應(yīng)力場(chǎng)1．假設(shè)巖體為均勻連續(xù)價(jià)值，并為半無限空間體在距地表深度H處，巖體的初始應(yīng)力場(chǎng)為z

=Hx

=y

=zxy=0式中：H——巖體單元的深度（m）

——上覆巖體的平均重力密度（kN/m3）——側(cè)壓力系數(shù)若巖體視為各向同性的彈性體，x=0，y=0，由廣義虎克定律：

x=1/E[x

-（

y

+z

）]=0

y=1/E[y

-（

x

+z

）]=0 由此得：

x

=y=/（1-）z=/（1-）H （6-3） 所以，側(cè)壓力系數(shù)=/（1-）2．成層巖體 （6-4）

（6-3）、（6-4）巖體在一定深度范圍內(nèi)成立。如果巖體由松散的碎石，砂及卵石組成，可以近似地認(rèn)為巖體是理想松散介質(zhì)，可由松散介質(zhì)極限平衡條件來建立垂直應(yīng)力與側(cè)向應(yīng)力的關(guān)系：

=x/z

=(1-sin)/(1+sin) (6-8)

對(duì)于具有一定粘聚力的松散巖體，側(cè)向應(yīng)力x與垂直應(yīng)力z之間的關(guān)系為 （6-9）

顯然，在一定深度范圍，側(cè)向應(yīng)力x有可能為負(fù)；令x=0，則由上式可得： （6-10）

當(dāng)H>H0時(shí)，才開始出現(xiàn)側(cè)向應(yīng)力x，并隨深度成正比增加。二、巖體構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)1．構(gòu)造應(yīng)力的確定構(gòu)造應(yīng)力尚無法用數(shù)學(xué)力學(xué)的方法進(jìn)行分析計(jì)算，而只能采用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力量測(cè)的方法來求得，但是構(gòu)造應(yīng)力的方向可以根據(jù)地質(zhì)力學(xué)的方法加以判斷。（a）正斷層（b）逆斷層（c）平推斷層（d）巖脈（e）褶皺

圖6-4由地質(zhì)特征推斷的應(yīng)力方向（a）~（e）均為平面圖2．地表剝蝕時(shí)側(cè)壓力系數(shù)的影響

圖6-5侵蝕對(duì)某一深度上的應(yīng)力的影響Z0K0Z0設(shè)某深度H0的一個(gè)巖石單元，該處初始側(cè)壓系數(shù)0

上覆巖體剝蝕了厚度H，使巖石單元受到卸載作用，卸載后，垂向應(yīng)力v減小了H，水平應(yīng)力n則減少了H/（1-）（按彈性卸載考慮）

則此時(shí)巖石單元的側(cè)壓力系數(shù)為： （6-11） 由于剝蝕后巖石單元埋深H=H0?H，所以：

可見，由于上覆巖體被剝蝕，使側(cè)壓力系數(shù)有增加的趨勢(shì)， 當(dāng)深度小于一定數(shù)值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水平應(yīng)力n大于垂直應(yīng)力v。三、影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的其他因素（一）地形山谷谷底的應(yīng)力很大:與巖體的均質(zhì)程度有關(guān)（圖6-6)地形對(duì)巖體初始應(yīng)力影響的另一特征:(圖6-7）（二）地質(zhì)條件對(duì)自重應(yīng)力的影響 圖6-8背斜:兩翼應(yīng)力增大,中部應(yīng)力降低; 向斜:兩翼應(yīng)力降低,核部應(yīng)力增大. 圖6-8斷層:山峰地應(yīng)力低,山谷地應(yīng)力高（三）水壓力和熱應(yīng)力3．巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)方法

一、巖體應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)方法概述

目的：了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向，從而為分析巖體工 程的受力狀態(tài)以及為支護(hù)及巖體加固提供依據(jù)。巖體應(yīng)力量測(cè)按目的可分為：巖體初始應(yīng)力量測(cè)和地下工程應(yīng) 力分布量測(cè)巖體應(yīng)力量測(cè)常用方法:應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法和水壓致裂法。

工程中某種應(yīng)力量測(cè)方法的精確度能控制誤差在0.4MPa以內(nèi)，其結(jié)果通常被認(rèn)為是令人滿意的。 常用地應(yīng)力測(cè)量方法表6-1

二、水壓致裂法（一）方法原理及技術(shù)基本原理：Po——孔隙水壓或地下水壓力。Pb——初始?jí)毫褖毫Αs——液體進(jìn)入巖體內(nèi)連續(xù)地將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開裂壓力。Pso——關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱關(guān)閉壓力。Pbo——開啟壓力。（二）基本理論和計(jì)算公式室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)資料表明：鉆孔壁在液壓下的初始開裂經(jīng)常是垂直的。設(shè)孔周水平地應(yīng)力為1h、2h孔壁還受有水壓Pb，此時(shí)，鉆孔周圍巖體內(nèi)應(yīng)力：

r=1/2(1h+2h)(1-a3/r2)+Pba2/r2

+1/2(1h-2h)(1-4a2/r2+3a4/r4)cos2

=1/2(1h+2h)(1+a3/r2)-Pba2/r2 （6-13）

-1/2(1h-2h)(1-3a4/r4)cos2

當(dāng)

=a，即孔壁處，則，

r=Pb

=

(1h+2h)-Pb-2(1h-2h)cos2 （6-14）當(dāng)=0時(shí)，有最小值，即： 按最大拉應(yīng)力理論有：

?To

（6-16） 時(shí)，孔隙開裂，式中，To為巖體抗拉強(qiáng)度。

據(jù)此，可求得孔壁破裂的應(yīng)力條件為：32h

?1h

?Pb+T0=0 （6-17）

或1h

=32h?Pb

+T0

（6-18）

如果巖體中有孔隙水壓力Pw時(shí)，則式6-18）變?yōu)椋? 1h

=32h

?Pb

+T0–Pw

（6-19）

若水泵重新加壓使裂縫重新開裂的壓力Pbo稱為開啟壓力，即 此時(shí)To=0，則式（6-19）

1h

=32h?Pb0–Pw

（6-20）

對(duì)比式（6-19）與式（6-20），可得， Pb

–Pb0=T0

（6-21） 在關(guān)閉壓力Pso這一特征點(diǎn)上，孔壁已開裂，即To=0，所以 ，此時(shí)，Pso等于與裂隙面垂直的應(yīng)力，亦即： 2h=Pso （6-22） 由此通過分析：可得出主應(yīng)力及巖體抗拉強(qiáng)度

值： 2h=Pso Pb

–Pb0=T0 （6-23） 1h

=32h?Pb

+T0

（三）根據(jù)水壓致裂法試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算地應(yīng)力

水壓致裂法的主要缺點(diǎn)是地主應(yīng)力方向難以確定，可由式（ 6-23）分析確定。（1）、一般z=h，作為地主應(yīng)力之一，若z1，則， 2h肯定為最小地主應(yīng)力。由開裂方向可確定，2h或1h的方位，則三個(gè)地主應(yīng)力的方位也可以相應(yīng)地確定。（2）若2h>h，且孔壁開裂后孔內(nèi)巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時(shí)，z=h為最小地應(yīng)力，2h與1h各為中間地主應(yīng)力及最大地主應(yīng)力，垂直開裂方向即為最大地主應(yīng)力方向。（四）水壓致裂法的特點(diǎn)（三）應(yīng)力解除法基本原理：釋放應(yīng)力，量測(cè)變形，彈性求解按探測(cè)深度可分：表面應(yīng)力解除法，淺孔應(yīng)力解除及深孔應(yīng)力解除。按測(cè)試度形式應(yīng)變的方法不同可分：孔徑變形測(cè)試，孔壁應(yīng)變測(cè)試及鉆孔應(yīng)力解除法等。鉆孔應(yīng)力解除法分：巖體孔底應(yīng)力解除法和巖體鉆孔套孔應(yīng)力解除法。（一）巖體孔底應(yīng)力解除法圖6-13適用條件：各種巖體條件，包括較為破碎的巖體。其測(cè)量和計(jì)算都較復(fù)雜。（略）圖6-13（二）巖體鉆孔套孔應(yīng)力解除法原理：進(jìn)行巖體中某點(diǎn)應(yīng)力量測(cè)時(shí)，先向該點(diǎn)鉆進(jìn)一定深度的超前小孔，在此小鉆孔中埋設(shè)鉆孔傳感器，再通過鉆取一段同心的管狀巖芯而使應(yīng)力解除，根據(jù)恢復(fù)應(yīng)變及巖石的彈性常數(shù)，即可求得該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力解除法所采用的鉆孔傳感器可分為：位移傳感器和應(yīng)變傳感器兩類。中科院武漢巖土所研究（制）的36-2型鉆孔變形計(jì)，其變形計(jì)的直徑為32mm，適應(yīng)的測(cè)量孔直徑為36mm?！稁r土力學(xué)》（中國(guó)水利水電出版社張振營(yíng)編著,66~67）說明：該方法要求在能取得完整巖芯的巖體中進(jìn)行，一般至少要 能取出達(dá)到大孔直徑2倍長(zhǎng)度的巖芯，因此在破碎和弱面多 的巖體中，或在極高的原巖應(yīng)力區(qū)巖芯發(fā)生“餅狀”斷裂的情 況下不宜使用。

該方法要求取出足夠長(zhǎng)的完整巖芯，一方面是保障直徑變化 測(cè)量的可靠性，確保處于彈懷狀態(tài)，彈性理論才是適用的； 另一方面要用它測(cè)定巖石的彈性模量。 本方法是量測(cè)垂直于鉆孔軸向平面內(nèi)的孔徑變形值，所以它 與孔底平面應(yīng)力解除法一樣，也需要有三個(gè)不同方向的鉆孔 進(jìn)行測(cè)定，才能最終得到巖體全應(yīng)力的六個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量。

為簡(jiǎn)化，設(shè)鉆孔方向與3方向一致，且認(rèn)為3=0，則此時(shí)通過孔徑位移值計(jì)算應(yīng)力的公式為： =d[(1+2)+2(1?2)(1-2)cos2]1/E 式中：——鉆孔直徑變化值,d——鉆孔直徑 ——測(cè)量方向與水平軸的夾角 E、——巖石彈性模量與泊松比實(shí)際上，軸線方向的應(yīng)力和變形對(duì)原巖應(yīng)力測(cè)量來說是很重要的待定參數(shù);吳振業(yè)新近給出了軸向應(yīng)力應(yīng)變分量的嚴(yán)密的公式，這里只列出有關(guān)孔徑變形法測(cè)量的公式如下：

式中：px、py、pxy為待確定的與鉆孔垂直截面上的原巖應(yīng)力分量。四、應(yīng)力恢復(fù)法目的：直接測(cè)定巖體應(yīng)力大小。用途：僅用于巖體表層，當(dāng)已知某巖體中的主應(yīng)力方向時(shí)，采用本方法較為方便。

基本原理：在槽的中垂線OA上的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)H，H穆斯海里什維理論，可把槽看作一條縫，得到： (6-27)式中：1x,y——OA線上某點(diǎn)B的應(yīng)力分量

——B點(diǎn)離槽中心O的距離的倒數(shù)。

當(dāng)在槽中埋設(shè)壓力枕，并由壓力枕對(duì)槽加壓，若施加壓力為P，則在OA線上B點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力分量為：

2x=-2p(4-42-1)/(2+1)3

2y=-2p(4+1)/(2+1)3 (6-28)當(dāng)壓力枕所施加的力p=1時(shí)，這時(shí)B點(diǎn)的總應(yīng)力分量為： x=1x+2x=2 y=1y+2y=1主要試驗(yàn)過程簡(jiǎn)述：

1~5略,6、由應(yīng)力—應(yīng)變曲線求巖體應(yīng)力1=1e+1p=GF+FOo=op+oe=KM+MN,oC14巖體初始應(yīng)力狀態(tài)分布的主要規(guī)律4巖體初始應(yīng)力狀態(tài)分布的主要規(guī)律一、垂直應(yīng)力隨深度的變化多數(shù)：v/H>1二、水平應(yīng)力隨深度的變化水平應(yīng)力隨深度增加呈線性關(guān)系增大。三、水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值K一般K>1，隨深度增加K=1四、兩個(gè)水平應(yīng)力之間的關(guān)系第五節(jié)高地應(yīng)力地區(qū)的主要巖石力學(xué)問題一、研究的必要性（一）、巖體地應(yīng)力是研究巖體力學(xué)中不可缺少的一部分。 與其它力學(xué)學(xué)科根本區(qū)別：巖體中具有初始應(yīng)力（二）、巖體的本構(gòu)關(guān)系、破壞準(zhǔn)則以及巖體中應(yīng)力傳播規(guī)律都要受到地應(yīng)力大小的變化而變化。低應(yīng)力、低偏壓下：率巖體脆性明顯、各向異性和非連續(xù)性也很明顯高應(yīng)力下：巖體塑性明顯，各向異性減弱，表現(xiàn)出連續(xù)性（三）、中、西部開發(fā)，在高地應(yīng)力地區(qū)出現(xiàn)特殊的地壓現(xiàn)象二、高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象（一）、高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則（1）、國(guó)際、國(guó)內(nèi)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（2）、國(guó)內(nèi)一般巖體工程以初始應(yīng)力在20~30MPa為高地應(yīng)力.

(3)、按《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218-94）

Rc/max<4，稱為極高初始地應(yīng)力;Rc/max

=4~7為高地應(yīng)力.

max為垂直洞軸線方向的最大初始地應(yīng)力,即1(二)、高地應(yīng)力現(xiàn)象1、巖芯餅化現(xiàn)象：產(chǎn)生條件：中等強(qiáng)度以下的巖體力學(xué)成因：剪脹破裂2、巖爆巖爆現(xiàn)象是在埋藏深度大和地應(yīng)力比較高的地下工程開挖過程中經(jīng)常會(huì)遇到的工程地質(zhì)問題之一。巖爆不是巖質(zhì)破壞或破損的體現(xiàn)，而是巖體內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能的突然釋放，是巖體應(yīng)力超過極限，具有爆裂和彈射巖石的現(xiàn)象。表現(xiàn)形式：圍巖呈透鏡狀或片狀削落。發(fā)生部位：主應(yīng)力方向線與隧洞外輪廓相切的部位（因該處應(yīng)力集中最大）力學(xué)機(jī)理：從巖石力學(xué)的觀點(diǎn)來看，認(rèn)為巖片是在壓應(yīng)力作用下的張破裂或剪破壞而形成的破碎片。圖6-25對(duì)于巖爆的預(yù)測(cè)必須結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行具體分析，如果沒有實(shí)測(cè)的地應(yīng)力資料，則可以從以下幾方面作出估計(jì)，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)巖爆的部位：(1)地形條件。垂直地應(yīng)力與地形有關(guān)，一般是埋深愈大，地應(yīng)力愈大。(2)構(gòu)造情況。地震區(qū)和構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的地應(yīng)力一般要大些。水平地應(yīng)力大時(shí),垂直應(yīng)力可能相應(yīng)增大。洞室軸線垂直于構(gòu)造主應(yīng)力布置時(shí),比平行主應(yīng)力方向布置時(shí)開挖周邊應(yīng)力大。(3)建筑物開挖情況。平行建筑物間的巖柱、隧洞從兩頭開挖接近貫通的部位、建筑物體變化處(如曲線處)等,都是應(yīng)力集中較大地點(diǎn),易于發(fā)生巖爆。(4)根據(jù)分析計(jì)算的巖體應(yīng)力條件是否接近或小于巖石的強(qiáng)度,預(yù)測(cè)巖爆可能出現(xiàn)的部位。@在具備產(chǎn)生巖爆的應(yīng)力條件時(shí)，巖石愈新鮮、完整和干燥，巖性愈脆硬，巖爆發(fā)生的可能性愈大。@在隧洞中，垂直地應(yīng)力很大，水平地應(yīng)力很小時(shí)，易在邊拱部位發(fā)生巖爆;@在地應(yīng)力非常不等向的地區(qū)，平行最大主應(yīng)力或中間主應(yīng)力方向的洞壁，常會(huì)發(fā)生巖爆；@而在水平應(yīng)力很大，垂直應(yīng)力小時(shí),在頂拱和地板部位易發(fā)生巖爆。在隧洞掘進(jìn)中，端面應(yīng)力較高，整個(gè)端面上易發(fā)生巖爆。@隧洞與陡坡平行，則靠近陡坡一側(cè)的頂拱易發(fā)生巖爆。@在隧洞分岔處的尖角部位，應(yīng)力較大，易發(fā)生巖爆。采用初始應(yīng)力和采用切向應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度之比的經(jīng)驗(yàn)判斷,由于它從實(shí)際工程總結(jié)出來,有較高實(shí)用性,常常被用來進(jìn)行巖爆的預(yù)測(cè)。一般有以下幾種經(jīng)驗(yàn)判斷:①伊阿多爾恰尼諾夫判斷: 當(dāng)g≤0.3c時(shí)，無巖射、削落; 當(dāng)g

<(0.5～0.8)c

時(shí),巖射、削落; 當(dāng)g<0.8c

時(shí),巖爆,強(qiáng)烈?guī)r射。

式中: g——圍巖最大壓應(yīng)力;c

——巖石單軸抗壓強(qiáng)度。②霍克判斷:當(dāng)Pz/c=0.1時(shí)，穩(wěn)定巷道；當(dāng)Pz/c=0.2時(shí)，少量片幫;當(dāng)Pz/c=0.3時(shí)，嚴(yán)重片幫；當(dāng)Pz/c=0.4時(shí)，需重型支護(hù)；當(dāng)Pz/c=0.5時(shí)，可能出現(xiàn)巖爆。式中:Pz——原巖垂直應(yīng)力。③巴頓判斷:巴頓按c(單軸抗壓強(qiáng)度)t(抗拉強(qiáng)度)分別與1(巖體最大初始應(yīng)力)的比值來判斷。表1巴頓判斷 c/1

t/1

巖爆級(jí)別 5～2.5 0.33～0.16 輕微

<2.5 <0.16 嚴(yán)重

④Ｉ.Ａ.特錢英奧判斷:|t+z|<0.3c,無巖爆發(fā)生。式中:t

——圍巖切向應(yīng)力;z——軸向應(yīng)力;c——單軸抗壓強(qiáng)度c——單軸抗壓強(qiáng)度。⑤國(guó)內(nèi)使用的經(jīng)驗(yàn)判斷:當(dāng)1

≥(0.15～0.2)Rc時(shí),發(fā)生巖爆。式中:1

——巖體初始應(yīng)力； Rc——巖塊單軸抗壓強(qiáng)度。

以上經(jīng)驗(yàn)判斷的不足之處在于它是以單一因素——應(yīng)力條件為依據(jù),應(yīng)力僅僅是巖爆形成的必要條件，而不是充分條件。（3）、探硐和地下隧洞產(chǎn)生剝離，巖體錘擊為嘶啞聲（中等強(qiáng)度）并伴有較大變形（軟巖）。（4）巖質(zhì)基坑底部隆起、剝離以及回彈錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。（5）野外原位測(cè)試測(cè)得的巖體物理力學(xué)指標(biāo)比實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊試驗(yàn)結(jié)果高。(3)、處理高地應(yīng)力應(yīng)注意的幾個(gè)問題1、巖體的潛塑狀態(tài)@K=H/v=1,靜水壓力狀態(tài);@

開挖后,1/=2

0,0為初始地應(yīng)力@ Rc2

0塑性狀態(tài)或破壞在初始應(yīng)力狀態(tài)下巖體單元處于穩(wěn)定（彈性）狀態(tài)而一旦開22311/=2

0圖6-28用應(yīng)力圓和莫爾包絡(luò)線判斷巖體是否破壞或進(jìn)入塑性狀態(tài)挖就會(huì)塑性（破壞）狀態(tài)的巖體處于潛塑狀態(tài)。即高地應(yīng)力狀態(tài)。高地應(yīng)力：與工程狀況（應(yīng)力重分布）以及巖體堅(jiān)硬程度（巖體的Rc、c、）有關(guān)。（二）、處理高地應(yīng)力的巖石力學(xué)原則第八章巖體力學(xué)在邊坡工程中的應(yīng)用 第一節(jié)邊坡的應(yīng)力分布一、邊坡的應(yīng)力分布分析邊坡應(yīng)力分布的方法：現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)量法、室內(nèi)光彈性法、模型應(yīng)力測(cè)試法、力學(xué)解析法、數(shù)值法等。數(shù)值法廣泛應(yīng)用，常用的有：有限元法、邊界元法、離散元法等。以有限元求解應(yīng)力分布用得最普遍。二、巖坡破壞形式的分類1、巖石崩塌是巖體在陡坡面