第6章 巖體中的天然應(yīng)力new課件

第六章巖體中的天然應(yīng)力§6.1概述§6.2巖體天然應(yīng)力的分布規(guī)律§6.3巖體天然應(yīng)力的測量§6.4巖體天然應(yīng)力的估算

§6.5巖體天然應(yīng)力場的回歸分析§6.6高地應(yīng)力區(qū)的若干特征第6章巖體中的天然應(yīng)力new§6.1概述1、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6章巖體中的天然應(yīng)力new2、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(xué)作用等）拉張區(qū)擠壓區(qū)第六章巖體中的天然應(yīng)力(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)速度變化第6章巖體中的天然應(yīng)力new3、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，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(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6章巖體中的天然應(yīng)力new(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)定第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new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。1、分區(qū)性（以中國為例）§6.2

巖體天然應(yīng)力的分布規(guī)律第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new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6章巖體中的天然應(yīng)力new上覆巖體自重

V多為壓應(yīng)力

V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2、鉛直應(yīng)力（

V）第6章巖體中的天然應(yīng)力new3、水平應(yīng)力（

h）巖體中天然應(yīng)力常以水平應(yīng)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(yīng)力主要受地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的控制;水平應(yīng)力具有強烈的各向異性，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;水平天然應(yīng)力以壓應(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(yīng)力為拉應(yīng)力的現(xiàn)象。第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new4、天然應(yīng)力比值系數(shù)

與深度z的關(guān)系定義：天然水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力的比值為天然應(yīng)力比值系數(shù)()，它隨深度增加而減小。第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new5、主應(yīng)力與水平面的關(guān)系據(jù)主應(yīng)力與水平面的關(guān)系，可劃分為：水平應(yīng)力場—

兩個應(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6章巖體中的天然應(yīng)力new6、高天然應(yīng)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。第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new7、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6章巖體中的天然應(yīng)力new(2)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6章巖體中的天然應(yīng)力new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)。第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new(3)結(jié)構(gòu)面………第六章巖體中的天然應(yīng)力(4)巖體性質(zhì)

硬巖往往可積累較高的應(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6章巖體中的天然應(yīng)力new§6.3

巖體天然應(yīng)力的測量自重應(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6章巖體中的天然應(yīng)力newz·A1、根據(jù)自重應(yīng)力理論確定巖體中的天然應(yīng)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)各向同性巖體第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力newA·…(2)水平層狀巖體第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力newA…·(3)垂直層狀巖體第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new2、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(fù)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6章巖體中的天然應(yīng)力newA(1)水壓致裂法tpc1pSpc2p0圖7-3水壓力隨時間的變化曲線第六章巖體中的天然應(yīng)力圖7-4柯西解答受力圖示第6章巖體中的天然應(yīng)力new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(yīng)力降低，并在某些點出現(xiàn)拉應(yīng)力。隨著泵入的水壓力不斷升高，鉆孔孔壁的拉應(yīng)力也逐漸增大。當鉆孔中水壓力引起的孔壁拉應(yīng)力達到孔壁巖石抗拉強度σt時，就在孔壁形成拉裂隙。若設(shè)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)。第6章巖體中的天然應(yīng)力newtpc1pSpc2p0假設(shè)：

天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場，其鉛直應(yīng)力鉆孔假設(shè)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(yīng)力為，根據(jù)彈性理論中的柯西解，未加水壓力時，A’A兩點的應(yīng)力為：，在水壓力作用下，鉆壁產(chǎn)生拉破裂的條件為:

取“–”A第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new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(yīng)力為第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new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。缺點：水壓致裂法只能在鉆孔中進行，若在地下巷道巖壁中進行應(yīng)力量測時，可采用扁千斤頂法。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6章巖體中的天然應(yīng)力new千斤頂油泵時間千斤頂壓力pc測點分離值d0d步驟：①在巖壁上選擇測點，固定A、B兩點。d≈15厘米；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(fù)d

d0，到d=d0時的千斤頂壓力即為；(2)應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new⑤重復(fù)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,則有:·第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new(3)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(fù)第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new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°，據(jù)上式有第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new用消元法解三元一次方程，得：應(yīng)變計互為60°時，可按下列公式計算60°60°第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new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(yīng)變計：并與應(yīng)變儀連接，測記穩(wěn)定初始讀數(shù)；套鉆解除：在應(yīng)力解除過程中，測記應(yīng)變計讀數(shù)，至應(yīng)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(yīng)力

hmax，hmin

，而

v=gz③測量步驟：第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new優(yōu)點：能較準確地量測出巖體中的天然應(yīng)力缺點：只能量測淺部（30米以內(nèi)〕天然應(yīng)力，深度大了，套鉆技術(shù)難度大、精度低。第六章巖體中的天然應(yīng)力第6章巖體中的天然應(yīng)力new6.4巖體中天然應(yīng)力的估算（1）鉛直天然應(yīng)力估算

在地形比較平坦，未經(jīng)過強烈構(gòu)造變動的巖體中，天然主應(yīng)力方向可視為近鉛直和水平。這一結(jié)論的證據(jù)是：①在巖體中發(fā)育有傾角為60°左右的正斷層，而正斷層形成時的應(yīng)力狀態(tài)是鉛直方向為最大主應(yīng)力，水平方向作用有最小主應(yīng)力(書中圖6-10)；②巖體中傾角為30°左右的逆斷層存在，表明逆斷層在形成時的應(yīng)力狀態(tài)是垂直方向為最小主應(yīng)力，水平方向作用有最大主應(yīng)力(書中圖6-11)。

第6章巖體中的天然應(yīng)力new在這種條件下，鉛直天然應(yīng)力σv等于上覆巖體的自重，即：

σv＝ρgZ(7-15)式中：ρ為巖體的密度(g／cm3)；g為重力加速度(9.8m／s2)；Z為深度(m)。這種鉛直應(yīng)力的估算方法不適用于下列情況。(1)不適用溝谷附近的巖體。因為溝谷附近的斜坡上，最大主應(yīng)力σ1平行于斜坡坡面，而最小主應(yīng)力σ3垂直于坡面，且在斜坡表面上，其σ3值為零。(2)不適用于經(jīng)強烈構(gòu)造變動的巖體。如在褶皺強烈的巖體中，由于組成背斜巖體中的應(yīng)力傳遞轉(zhuǎn)嫁給向斜巖體。所以，背斜巖體中鉛直應(yīng)力σv常比巖體自重要小，甚至于出現(xiàn)σv等于零的情況。而向斜巖體中，尤其在向斜核部，其鉛直應(yīng)力常比按自重計算的值大60％左右，這已為實測資料所證實。第6章巖體中的天然應(yīng)力new（2）水平天然應(yīng)力估算由天然應(yīng)力比值系數(shù)λ的定義可知，如果已知λ值，而鉛直天然應(yīng)力可以由σv＝ρgZ估算出，則水平天然應(yīng)力σh＝λσv。所以水平天然應(yīng)力的估算，實際上就是確定λ值的問題。天然應(yīng)力比值系數(shù)λ與巖體的地質(zhì)構(gòu)造條件有關(guān)。在未經(jīng)過強烈構(gòu)造變動的新近沉積巖體中，天然應(yīng)力比值系數(shù)λ為：

λ＝μ/(1－μ)(7-16)式中：μ為巖體的泊松比。在經(jīng)歷多次構(gòu)造運動的巖體中，由于巖體經(jīng)歷了多次卸荷、加荷作用，因此λ＝μ/(1－μ)不適用。下面討論幾種簡單的情況。第6章巖體中的天然應(yīng)力new①隆起、剝蝕卸荷作用對λ值的影響這在前面已經(jīng)講過,在此不詳述。②斷層作用對λ值的影響在地殼表層巖體中，常發(fā)育有正斷層和逆斷層。正斷層形成時的應(yīng)力狀態(tài)是：σ1為鉛直，σ3為水平，因此由庫倫強度判據(jù)知：正斷層形成時的破壞主應(yīng)力與巖體強度參數(shù)間關(guān)系為：即第6章巖體中的天然應(yīng)力new因此，正斷層形成的天然應(yīng)力比值系數(shù)λa為：逆斷層形成時的應(yīng)力狀態(tài)為：最小主應(yīng)力σ3為鉛直，最大主應(yīng)力σ1為水平，即同理可得逆斷層形成時的天然應(yīng)力比值系數(shù)λp為：第6章巖體中的天然應(yīng)力new由上述分析可知，λu和λp是巖體中天然應(yīng)力比值系數(shù)的兩種極端情況。一般認為天然應(yīng)力比值系數(shù)λ是介于兩者之間，即

λa≤λ≤λp

(7-24)如把這一理論估算得出的結(jié)論，與Hoek—Brown根據(jù)全球?qū)崪y結(jié)果得出的平均天然應(yīng)力比值系數(shù)隨深度變化的經(jīng)驗關(guān)系相比，兩者的形式極為一致，即天然應(yīng)力比值系數(shù)與深度Z成反比。第6章巖體中的天然應(yīng)力new6.5巖體天然應(yīng)力場的回歸分析6.5.1計算模型的建立模型建立包括確定計算區(qū)域、邊界條件以及離散化。主要依據(jù)是工程范圍內(nèi)的地質(zhì)勘測和實測資料。圖6-13所示為有限元法回歸分析所采用的幾種荷載及位移邊界。荷載主要考慮自重及構(gòu)造應(yīng)力。自重通常由巖體容重給出，構(gòu)造力以水平作用的邊界力（或位移來考慮，圖6-13中b～d）。P（或U）可先給初值，其最終計算值取決于與相應(yīng)回歸系數(shù)的乘積。給定巖體的參數(shù)即可按圖6-13的模型求得應(yīng)力場的初始計算值。第6章巖體中的天然應(yīng)力new第6章巖體中的天然應(yīng)力new6.5.2天然應(yīng)力場的回歸分析天然應(yīng)力場可以認為是下列變量的函數(shù)：第6章巖體中的天然應(yīng)力new第6章巖體中的天然應(yīng)力new6.6高地應(yīng)力區(qū)的若干特征

隨著國家建設(shè)的進行，我國西部高山峽谷區(qū)的水電(如,拉西瓦水電站、小灣水電站、錦坪二級水電站等)、交通、采礦等工程活動愈來愈多，這些地方多處在高地應(yīng)力區(qū)。巖石工程在勘探初期，利用勘探工程揭露出來的現(xiàn)象可以收集到一些判斷該地區(qū)地應(yīng)力高低的有用資料。據(jù)大量的勘察資料與工程實踐表明地區(qū)高天然應(yīng)力常與如下現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)。（1）巖芯餅化現(xiàn)象餅狀巖芯即鉆探時取得的巖芯呈壓縮餅干狀，一片片地破壞。許多學(xué)者對此進行了力學(xué)分析，認為這是高地應(yīng)力的產(chǎn)物。一般來說，巖芯餅化主要與地應(yīng)力差有關(guān)，垂直于鉆進方向的應(yīng)力差越大，餅化就越嚴重。第6章巖體中的天然應(yīng)力new6.6高地應(yīng)力區(qū)的若干特征（2）地下硐室施工過程中出現(xiàn)巖爆，剝離由于高地應(yīng)力的存在，在地下硐室開挖過程中，會出現(xiàn)巖石的脆性破裂。積聚在巖石中的應(yīng)變能由于突然釋放而產(chǎn)生巖爆或剝離，特別是垂直最大水平主應(yīng)力開挖的硐室，更容易產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象。（3）隧洞、巷道、鉆孔的縮徑現(xiàn)象和前面所述的巖爆、剝離現(xiàn)象一樣，是洞（孔）壁應(yīng)力超過巖石強度所致。是軟巖產(chǎn)生流變或柔性剪切破壞的結(jié)果。第6章巖體中的天然應(yīng)力new6.6高地應(yīng)力區(qū)的若干特征按庫侖破壞條件第6章巖體中的天然應(yīng)力new6.6高地應(yīng)力區(qū)的若干特征（4）邊坡上出現(xiàn)錯動臺階葛洲壩廠房基坑開挖時，軟弱層上面的巖層出現(xiàn)回彈3～6cm（圖6-14），這是由于地應(yīng)力卸荷后，發(fā)生沿軟弱面的巖層錯動，如果地應(yīng)力卸荷出現(xiàn)的回彈變形是連續(xù)的，如圖6-15所示，則人們不易覺察與觀測到。在邊坡內(nèi)存在有軟弱夾層時，軟弱夾層的強度低、變形大，因而當開挖到軟弱夾層界面時，下部巖石變形小，