巖體中的天然應(yīng)力

巖體中的天然應(yīng)力第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/202§6.1概述一、定義1.天然應(yīng)力(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。2.重分布應(yīng)力（二次分布應(yīng)力、附加應(yīng)力等）由于工程活動改變了的巖體中的應(yīng)力?！胤植紤?yīng)力↓↑∧++++++++++++++++++天然應(yīng)力→←↓↑∧相對于第2洞室的天然應(yīng)力第六章巖體中的天然應(yīng)力第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/203二、天然應(yīng)力的組成及起源1.組成：巖體自重→自重應(yīng)力構(gòu)造運動→構(gòu)造應(yīng)力流體作用→滲流應(yīng)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)第六章巖體中的天然應(yīng)力第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/204三、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義1.研究歷史

①世界上:1878年，海姆提出天然應(yīng)力1932年，美胡佛水壩下隧道中，首次成功測定了巖體中的天然應(yīng)力到目前天然應(yīng)力測點遍布全球，有幾十萬個測點。大部分是淺部，最深5108米（美國密執(zhí)安水壓致裂法）。②中國：50年代末開始天然應(yīng)力量測，有幾萬個測點，最深的有3958米（天津大港）。

第六章巖體中的天然應(yīng)力第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2052.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)定第六章巖體中的天然應(yīng)力第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/206以東經(jīng)100～105o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）§6.2

巖體天然應(yīng)力的分布特征第六章巖體中的天然應(yīng)力第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/207第六章巖體中的天然應(yīng)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(yīng)力。第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/208上覆巖體自重多為壓應(yīng)力多為最小主應(yīng)力，少數(shù)為中間主應(yīng)力與最大主應(yīng)力第六章巖體中的天然應(yīng)力二、鉛直應(yīng)力（V）第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/209三、水平應(yīng)力（h）常以水平應(yīng)力為主，即h>v，hmax>v

。h/v≈0.8-3.0

，即巖體主要受地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的控制；h具各向異性，即h1≠h2

，我國華北hmin/hmax≈0.2-0.8，華南hmin/hmax≈0.3-0.75

。原因a.巖體各向異性;b.構(gòu)造運動的方向性;h以壓應(yīng)力為主，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且多見一向壓，一向拉。在地表卸荷帶影響區(qū)，可能出現(xiàn)水平應(yīng)力為拉應(yīng)力。第六章巖體中的天然應(yīng)力第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2010四、天然應(yīng)力比值系數(shù)與深度z的關(guān)系天然應(yīng)力比值系數(shù)()：h/v，隨深度增加而減小。第六章巖體中的天然應(yīng)力第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2011五、主應(yīng)力平面與水平面的關(guān)系據(jù)主應(yīng)力平面與水平面的關(guān)系，天然應(yīng)力狀態(tài)劃分為：水平應(yīng)力場—一個應(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)力軸與空間坐標一致，我國大陸范圍內(nèi)屬這種應(yīng)力場;非水平應(yīng)力場—水平應(yīng)力與水平面夾45°左右，另一軸與水平面夾0~45左右，分布于板塊邊緣。第六章巖體中的天然應(yīng)力第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2012六、高天然應(yīng)力標志開挖洞室時，常產(chǎn)生巖爆、剝離；

(在高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應(yīng)力高度集中，使圍巖發(fā)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。)收斂變形大，使開挖斷面變??；軟弱夾層內(nèi)物質(zhì)被擠出，節(jié)理閉合；餅狀巖心；水下開挖無水滲出。第六章巖體中的天然應(yīng)力第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2013六、影響天然應(yīng)力的因素1.地形起伏a.水平應(yīng)力向負地形集中，向正地形釋放b.在斜坡附近，應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)+++++++++++++++++第六章巖體中的天然應(yīng)力第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/20142.地表剝蝕原地面現(xiàn)地面··剝蝕第六章巖體中的天然應(yīng)力第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2015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的情況出現(xiàn)。第六章體中的天然應(yīng)力第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/20163.結(jié)構(gòu)面………第六章巖體中的天然應(yīng)力4.巖體性質(zhì)

硬巖?？煞e累較高的應(yīng)力，而軟巖則相反5.地下水

產(chǎn)生滲流應(yīng)力6.地溫

產(chǎn)生溫度應(yīng)力第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2017§6.3

巖體天然應(yīng)力的確定自重應(yīng)力理論地震震源機制解地變形量測天然應(yīng)力測量大地水準測量三角網(wǎng)測量GPS測量天然應(yīng)力確定方法第六章巖體中的天然應(yīng)力第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2018二、天然應(yīng)力的量測天然應(yīng)力的量測方法水壓致裂法應(yīng)力恢復法（扁千斤頂法）套芯應(yīng)力解除法光彈法聲發(fā)射法X射線法第六章巖體中的天然應(yīng)力第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2019A1、水壓致裂法tpc1pSpc2p0水壓力隨時間的變化曲線第六章巖體中的天然應(yīng)力第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2020tpc1pSpc2p0假設(shè)：

天然應(yīng)力鉆孔假設(shè)在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)線彈性巖體中一小圓孔。作用應(yīng)力，據(jù)彈性理論中柯西解，未加水壓力時，A’A兩點應(yīng)力：，水壓力下，鉆壁產(chǎn)生拉破裂的條件:

取“–”A第六章巖體中的天然應(yīng)力第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2021維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件：聯(lián)立上兩式有而：因此，可得測點的天然應(yīng)力為第六章巖體中的天然應(yīng)力第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2022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(yīng)力計等儀器。方向：據(jù)巖體破裂方向確定第六章巖體中的天然應(yīng)力第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2023千斤頂油泵時間千斤頂壓力pc測點分離值d0d步驟：①在巖壁上選測點，固定A、B兩點，d≈15cm；②刻槽應(yīng)力釋放、變形d0

d;③安裝扁千斤頂;④加壓應(yīng)力恢復dd0，到d=d0時的千斤頂壓力即為；2、應(yīng)力恢復法（扁千斤頂法）第六章巖體中的天然應(yīng)力第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2024⑤重復測量另一個方向的W;⑥計算天然應(yīng)力：假定天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場,當測得側(cè)壁應(yīng)力R和底板應(yīng)力W

時,則:·第六章巖體中的天然應(yīng)力第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/20土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課——《巖體力學》253、鉆孔套芯應(yīng)力解除法①基本原理++++++++++++++++++儀器套芯解除鉆孔同心套鉆放應(yīng)變計應(yīng)力解除應(yīng)力計算位移恢復第六章巖體中的天然應(yīng)力第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2026設(shè)天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場45°45°②計算公式：應(yīng)變計互成45°，得第六章巖體中的天然應(yīng)力第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2027∴∵第六章巖體中的天然應(yīng)力第27頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/2028用消元法解方程，得：60°60°第六章巖體中的天然應(yīng)