巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁第三講

巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)

一、

內(nèi)容提要：

本講主要講述巖體初始應(yīng)力的基本概念、量測主意及巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的分布邏輯；

二、

重點、難點：

巖體初始應(yīng)力場及其計算；巖體初始應(yīng)力的影響因素；巖體初始應(yīng)力的分布邏輯；對于巖體初始應(yīng)力水壓致裂法及應(yīng)力解除法的基本原理作普通了解；

三、

內(nèi)容講解：一、巖體初始應(yīng)力的基本概念

(一)初始應(yīng)力狀態(tài)的概念與意義

所謂巖體的初始應(yīng)力，是指在天然狀態(tài)下存在于巖體內(nèi)部的應(yīng)力。在地質(zhì)學(xué)中，通常又稱它為地應(yīng)力。

巖體的初始應(yīng)力主要是由巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造運動所引起的。顯然，巖體的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力是與巖體的特性(例如巖體中的裂隙發(fā)育密度與方向，巖體的彈性、塑性、粘性等)有密切關(guān)系，也與正在發(fā)生過程中的地質(zhì)構(gòu)造運動以及與歷次構(gòu)造運動所形成的各種地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象(例如斷層、褶皺等)有密切關(guān)系。因此，巖體中每一單元的初始應(yīng)力狀態(tài)都是隨該單元的位置不同而有所變化。此外，影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的因素還有地形、地震力、水壓力、熱應(yīng)力等，但這些因素所產(chǎn)生的地應(yīng)力，大都是次要的，只是在特定的情況下才需考慮。因此，對于巖石工程來說，主要應(yīng)考慮自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力。

【例題1】下列各項有關(guān)巖體初始應(yīng)力的講述，準(zhǔn)確的選項為（）。

A.

巖體的初始應(yīng)力是由巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造運動引起的；

B.

地形、地震力、水壓力、熱應(yīng)力等因素不會產(chǎn)生地應(yīng)力；

C.

巖體中每一單元的初始應(yīng)力狀態(tài)與該單元的位置無關(guān)；

D.

對于巖石工程而言，主要應(yīng)考慮自重和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力；

答案:D

【例題2】巖體的的初始應(yīng)力主要由下列哪些因素引起（）。

A.

地震力

B.熱應(yīng)力

C.地形

D.構(gòu)造運動

答案:D

地面和地下工程的穩(wěn)定狀態(tài)與巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。巖體在開挖以后，改變了巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)，使巖體應(yīng)力重新分布，有可能使得巖體中某些部位形成應(yīng)力擴(kuò)散，從而引起巖體的變形或破壞。對于地下洞室工程來講，我們把與洞室本身穩(wěn)定性密切相關(guān)的巖體稱為圍巖。洞室的開挖引起圍巖的應(yīng)力變化，這將影響洞室本身的穩(wěn)定狀態(tài)。而且為了維持圍巖的穩(wěn)定，巖體工程能正常運營，必須舉行人工支護(hù)。合理地設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)，決定經(jīng)濟(jì)合理的襯砌尺寸，都與巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)緊密相關(guān)。所以，研究巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)，就是為了準(zhǔn)確地決定開挖巖體過程中的巖體內(nèi)部應(yīng)力變化，合理地設(shè)計巖體工程的加固措施。

(二)巖體初始應(yīng)力場及其計算

1.巖體自重應(yīng)力場

巖體自重應(yīng)力場的計算，大都是建立在假定巖體為勻稱延續(xù)介質(zhì)基礎(chǔ)之上的。因此，可以應(yīng)用延續(xù)介質(zhì)力學(xué)的原理來計算巖體的自重應(yīng)力場。設(shè)巖體為半無限體，地面為水平面，距地表深度為H處，有一單元體，其上作用的應(yīng)力

【例題3】某場地土層自地表以下20m深度范圍內(nèi)均為粉質(zhì)粘土，地下水位在地表以下10m處，水位以上土的天然重度＝18.6KN/m3，飽和重度為20.1KN/m3，試決定：1、地表以下10m處土的自重應(yīng)力值為（）。A.186kpa

B.201kpa

C.86kpa

D.101kpa

答案：A2、地表以下15m處土的有效自重應(yīng)力值為（）。A.279kpa

B.302kpa

C.129kpa

D.237kpa

答案：D【例題4】在地下某深度處，巖體自重應(yīng)力場中，垂直應(yīng)力為2000kpa，水平應(yīng)力為500kpa，則該深度處的側(cè)壓力系數(shù)為(

)。A.1

B.0.75

C.0.5

D.0.25

答案：D若巖體由多層不同重力密度的巖層所組成(圖15-3-2)。每層巖層的厚度依次為hl，h2，…，hi…，hn，各層的重力密度依次分離為y1，y2，…，yi…，yn，則巖體的自重初始應(yīng)力為:

國外有資料說明，工程的現(xiàn)場量測結(jié)果中，側(cè)壓力系數(shù)并不符合海姆假說。這種情況往往與地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力有密切關(guān)系。倘若巖體由松散的碎石、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：

【例題6】對于理想的松散巖體，其側(cè)壓力系數(shù)的大小只與巖體的（）有關(guān)。A.泊松比

B.粘聚力

C.內(nèi)摩擦角

D.重力密度

答案：C【例題7】對于理想的松散巖體，其側(cè)壓力系數(shù)的大小為（）。A.1

B.0.5

C.0.33

D.0.25

答案：C實際破碎巖體普通不能視為理想松散介質(zhì)，而把它看作為具有一定粘聚力的松散介質(zhì)。

2.巖體的構(gòu)造應(yīng)力場

地殼的各種地質(zhì)構(gòu)造是在大范圍內(nèi)的龐大的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場作用下發(fā)生和形成的。在各個不同的地質(zhì)年代里，都有不同的地質(zhì)構(gòu)造運動發(fā)生，地質(zhì)構(gòu)造運動過程普通需要很長時光。在同一個地區(qū)，一個構(gòu)造運動結(jié)束之后，或者就在這個構(gòu)造運動發(fā)生的過程中，又有新的構(gòu)造運動發(fā)生，就會形成新的構(gòu)造應(yīng)力場與老構(gòu)造應(yīng)力場的疊加，形成復(fù)雜的復(fù)合構(gòu)造應(yīng)力場。各種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造就是在持久的地質(zhì)構(gòu)造運動作用下形成的。

因為地質(zhì)構(gòu)造運動，巖體經(jīng)歷了相當(dāng)大的外力作用，形成了各種地質(zhì)構(gòu)造，例如向斜、背斜和各種褶皺，以及產(chǎn)生斷裂而形成各種節(jié)理及斷層等。在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場作用下，使巖體產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，因而使巖體中儲存著彈性能，巖體的塑性變形使部分能量轉(zhuǎn)化為熱能與位能，或者因為巖體的流變特性，使得構(gòu)造應(yīng)力場中的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力得以部分釋放。因此，在地質(zhì)構(gòu)造運動中，巖體中儲存的能量是通過彈性變形才干達(dá)到的，巖體的彈性變形越大，則巖體儲藏的能量就越多。當(dāng)巖體中的應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限，巖體產(chǎn)生破壞。除巖體中保存一部分殘余變形外，其儲存的能量將部分或所有釋放，構(gòu)造應(yīng)力也就部分或所有出現(xiàn)。若巖體中的應(yīng)力尚未達(dá)到強(qiáng)度極限，但因為巖體的流變特性，也會使構(gòu)造應(yīng)力部分出現(xiàn)。因此，地質(zhì)構(gòu)造運動產(chǎn)生地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，但巖體中儲存的構(gòu)造應(yīng)力不可能無限地堆積起來，視所處地區(qū)不同或地質(zhì)條件不同，巖體的構(gòu)造應(yīng)力可能所有或部分釋放，成為殘余應(yīng)力。

【例題9】在地質(zhì)構(gòu)造運動過程中，巖體當(dāng)中的儲存的能量是通過哪種方式形成的（）。

A.彈性變形

B.塑性變形

C.流動變形

D.殘余變形

答案：A

【例題10】巖體當(dāng)中的殘余應(yīng)力屬于（）。

A.自重應(yīng)力

B.構(gòu)造應(yīng)力

C.地震力

D.熱應(yīng)力

答案：B

因此，巖體構(gòu)造應(yīng)力可以分為現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力及地質(zhì)構(gòu)造殘余應(yīng)力。因為地殼是處于不斷運動之中，僅僅是存在相對活躍期或靜止期，所以，要在巖體中區(qū)別哪些是現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力和殘余應(yīng)力，就目前的認(rèn)識水平而言，實際上是不可能的。

目前，巖體的構(gòu)造應(yīng)力尚無法用數(shù)學(xué)力學(xué)的主意舉行分析計算，而只能采用現(xiàn)場應(yīng)能力測的主意來求得。但是，構(gòu)造應(yīng)力場的方向可以按照地質(zhì)力學(xué)的主意加以判斷。因為各種形態(tài)不同的地質(zhì)構(gòu)造是各地質(zhì)歷史時期的構(gòu)造運動的產(chǎn)物。地質(zhì)構(gòu)造的遺跡，例如斷層、褶曲等保留在巖體中，它的走向與形成時的應(yīng)力有一定的關(guān)系。按照各種地質(zhì)構(gòu)造的分布和組成邏輯，分析歷次構(gòu)造運動，異常是近期構(gòu)造運動，決定最新構(gòu)造體系，舉行地質(zhì)力學(xué)分析，就可以按照構(gòu)造線決定構(gòu)造應(yīng)力場的主軸方向。按照地質(zhì)構(gòu)造和巖石強(qiáng)度理論，普通認(rèn)為自

3．巖體初始應(yīng)力的影響因素1)地形地形的起伏影響巖體內(nèi)的自重應(yīng)力。但這種地形的影響只是在地表下一定深度范圍內(nèi)較顯然。如圖15-3-6所示。山谷的谷底的應(yīng)力因為凹口的應(yīng)力擴(kuò)散而很大。在均質(zhì)巖層中(圖15-3-6(a))，凹口的應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象還比較規(guī)矩，而在非均質(zhì)巖層中，巖體中的應(yīng)力變化還會隨巖性的變化而變得更復(fù)雜(圖15-3-6(b))。

圖15-3-7顯示了地形對巖體初始應(yīng)力影響的另一特征。即在水平地表附近的地應(yīng)力，其主應(yīng)力幾乎與地面線平行，第一主應(yīng)力為沿地面方向，與第二、三主應(yīng)力有較大差異；在深處，則呈靜水壓力狀態(tài)見圖(15-3-7(a))。而斜坡的垂直方向上應(yīng)力則幾乎等于零。在斜坡上的局部上凸部位，其應(yīng)力急驟減小，而在斜坡下洼地方則應(yīng)力增大。在山谷的尖槽底下，則現(xiàn)場應(yīng)力會很大，臨近或達(dá)到巖石強(qiáng)度。見圖15-3-7(b)【例題12】因為地形的起伏影響巖體內(nèi)的自重應(yīng)力，在山谷的下列各個部位，地應(yīng)力最大的是（）。A.谷底

B.斜坡

C.山頂

D.斜坡上凸處

答案：A2)地質(zhì)條件對自重應(yīng)力的影響地質(zhì)構(gòu)造對自重應(yīng)力也有影響。圖15-3-8所示為背斜褶曲的影響，在褶曲兩翼顯示出應(yīng)力增大，而在褶曲中部則應(yīng)力降低。也可以預(yù)測，在向斜的兩翼會浮上應(yīng)力降低、而在向斜核部顯示出應(yīng)力增大的現(xiàn)象?！纠}13】在背斜褶曲中，初始應(yīng)力最大的部位是（）。A.翼的端部

B.翼的中部

C.褶曲中部

D.褶曲部位

答案：B【例題14】在向斜褶曲中，初始應(yīng)力最大的部位是（）。

A.翼的端部

B.翼的中部

C.褶曲中部

D.褶曲部位

答案：C

圖15-3-9所示為斷層對自重應(yīng)力的影響。因為斷層兩側(cè)的巖塊形成了應(yīng)力傳遞，使上大下小的楔體A產(chǎn)生了卸荷作用，致使地應(yīng)力降低；而下大上小的楔體B產(chǎn)生了加荷作用，致使應(yīng)力升高。同時也產(chǎn)生了山峰處地應(yīng)力低、溝谷處地應(yīng)力高的現(xiàn)象。3)水壓力和熱應(yīng)力存在于巖體裂隙或孔隙中的水，靜止時展示靜水壓力，流動時產(chǎn)生動水壓力。在通常情況下，靜水壓力只是起到減輕巖體質(zhì)量的浮力作用，浮力的大小等于水的密度與所考慮點的水頭高度的乘積。巖體中地下水位的升降，可引起巖體分量的減少或增強(qiáng)，因此，靜水壓力要視詳細(xì)情況詳細(xì)分析其產(chǎn)生的作用。動水壓力是指地下水在水頭差的作用下，沿巖體的裂隙或孔隙流動時，賦予周圍巖塊表面的動水摩擦力和動水流向應(yīng)力。這種力對巖體工程的影響較小，普通可不予考慮?！纠}15】對于巖體工程而言，應(yīng)考慮的水壓力為（）。A.靜水壓力

B.動水壓力

C.靜水壓力和動水壓力

答案：A巖體受局部加溫或冷卻會產(chǎn)生膨脹或收縮，這樣，會在巖體內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。例如，無論是大塊侵入巖體還是侵入巖流或小型巖脈，巖漿融流都會使周圍巖體受熱膨脹，周圍巖體限制受熱巖體的膨脹，從而在巖體中增強(qiáng)了熱應(yīng)力；當(dāng)冷卻時，又會產(chǎn)生收縮，這樣，會在巖體內(nèi)部造成一些成巖裂隙(例如玄武巖的柱狀節(jié)理)，并在巖石本身及周圍巖體中保留部分殘余熱應(yīng)力。此外，隨著巖體的埋深增強(qiáng)，地溫也會逐漸升高，地溫升高也會使巖體內(nèi)部地應(yīng)力增強(qiáng)，普通地溫梯度=3℃／l00m，巖體的體膨脹系數(shù)約為10-5，普通彈性模量E=104MPa，所以，地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為式中，H為研究點深度(m)。巖體的地溫應(yīng)力是壓縮應(yīng)力，并隨深度增強(qiáng)。在深度相同的情況下，約為垂直重力應(yīng)力的1／9左右，并且呈靜水壓力狀態(tài)

【例題16】巖體的地溫應(yīng)力是壓縮應(yīng)力，隨深度的變化邏輯為（）。A.增強(qiáng)

B.減小

C.不變

D.以上三種均可產(chǎn)生答案：A

二、巖體初始應(yīng)能力測主意簡介

(一)巖體應(yīng)力現(xiàn)場量測主意概述

巖體應(yīng)力現(xiàn)場量測的目的是在于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)及巖體加固提供根據(jù)。巖體應(yīng)能力測還可以是預(yù)告巖體失穩(wěn)破壞以及預(yù)告巖爆的有力工具。巖體應(yīng)能力測可以分為巖體初始應(yīng)能力測和地下工程應(yīng)力分布量測。前者是為了測定巖體初始地應(yīng)力場，后者則為測定巖體開挖后引起的應(yīng)力重分布情況。從巖體應(yīng)力現(xiàn)場量測的技術(shù)來講，這二者并無原則區(qū)別，只是要求前者的測點，布置在未受開挖而產(chǎn)生影響的巖體內(nèi)。

巖體應(yīng)能力測可以在鉆孔中、露頭上和地下洞室的巖壁上舉行，也可以在地下工程中按照兩點間的位移來舉行反算而求得。通常應(yīng)用較多的三種主意是應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法和水壓致裂法。每種主意都有不同的優(yōu)點和缺點，可以互相取長補(bǔ)短。因為巖體應(yīng)力存在于巖體中，是一種巖體內(nèi)部的受力，并在受力過程中產(chǎn)生變形，這種變形大部分是可恢復(fù)的彈性變形，但也有部分是不可恢復(fù)的變形。所以，每一種應(yīng)能力測技術(shù)都要擾動巖石，以便產(chǎn)生能夠舉行現(xiàn)場量測的“量”(大部分是測量位移值或應(yīng)變值)，然后按照一定的理論模式舉行分析計算。為了量測巖體中某個位置的應(yīng)力，就必須使用鉆具鉆孔或開挖，以便到達(dá)該測量點，這必然會擾動巖體。因此，對某個測點舉行位移量測，并按照某種理論模式舉行計算以后，還必須按照開挖或鉆進(jìn)的主意和尺度，舉行修正。倘若說，某種應(yīng)能力測主意確實切度能控制誤差在0.4MPa以內(nèi)，其結(jié)果通常被認(rèn)為是令人愜意的。

【例題17】通常應(yīng)用較多的巖體初始應(yīng)能力測主意當(dāng)中不包括（）。

A.應(yīng)力解除法

B.應(yīng)力恢復(fù)法

C.水壓致裂法

D.點載荷實驗法

答案：D

【例題19】對于巖體的初始應(yīng)力舉行量測時，不能采取的主意是（）。

A.在鉆孔中舉行

B.在露頭上舉行

C.模擬真切環(huán)境舉行

D.在地下洞室的巖壁上舉行

答案：C

【例題20】在對巖體初始應(yīng)力舉行量測時，所測量的成績?yōu)椋ǎ?/p>

A.位移值

B.應(yīng)力值

C.重度值

D.厚度值

答案：A

目前已經(jīng)形成了許多地應(yīng)力測量主意，這些主意在有關(guān)的文獻(xiàn)中已做了詳細(xì)的推薦，概括起來如表15-3-1。

(二)水壓致裂法

1．主意原理及技術(shù)

水壓致裂法的基本點是通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定測量深度處加液壓。將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點壓力及開裂方位，然后按照測得的壓裂過程中泵壓表頭讀數(shù)，計算測點附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點上、下用止水封隔器密封，其結(jié)構(gòu)如圖15-3-10所示。水壓致裂過程中泵壓變化及其特征壓力示于圖15-3-11。各特征壓力的物理意義注釋如下：

P0—巖體內(nèi)孔隙水壓或地下水壓力；

Pb—注入鉆孔內(nèi)液體壓力將孔壁壓裂的初始壓裂壓力；

PS—液體進(jìn)入巖體內(nèi)延續(xù)地將巖體劈裂的液體壓力，稱為穩(wěn)

定開裂壓力；

Ps0—關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱為關(guān)閉壓力。倘若圍巖

滲透性大，該壓力將逐漸衰減。

Pb0—停泵后重新開泵將裂縫重新張開的壓力，稱為開啟壓力。

2．基本理論和計算公式

3．按照水壓致裂法實驗結(jié)果計算地應(yīng)力

水壓致裂法的缺點是地主應(yīng)力方向難以決定。在式(15-3-23)的基礎(chǔ)上，可以通過分析的主意來初步解決。

4．水壓致裂法的特點

1)設(shè)備容易。只需用普通鉆探打孔，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。它可按照壓裂時泵壓(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(qiáng)度。

4)測值代表性大。所測得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強(qiáng)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(qiáng)。這一主意不需要電磁測量元件，不怕濕潤，可在干孔及孔中有水條件下作實驗，不怕電磁干擾，不怕震動。

因此，這一主意越來越受到重視和推廣。但它存在一個較大的缺陷，即主應(yīng)力方向定不準(zhǔn)。

【例題21】用水壓致裂法量測巖體初始應(yīng)力時存在著一個較大的缺陷是（）。

A.主應(yīng)力方向定不準(zhǔn)

B.設(shè)備容易便操作性較差

C.實驗時怕電磁干擾，怕震動

D.測量時較復(fù)雜

答案：A

(三)應(yīng)力解除法

應(yīng)力解除法是巖體應(yīng)能力測中應(yīng)用較廣的主意。它的基本原理是：當(dāng)需要測定巖體中某點的應(yīng)力狀態(tài)時，人為地將該處的巖體單元與周圍巖體分離，此時，巖體單元上所受的應(yīng)力將被解除。同時，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測定這種彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，并且認(rèn)為巖體是延續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答來計算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。

應(yīng)力解除法的詳細(xì)主意無數(shù)，按測試深度可以分為表面應(yīng)力解除、淺孔應(yīng)力解除及深孔應(yīng)力解除。按測試變形或應(yīng)變的主意不同，又可以分為孔徑變形測試，孔壁應(yīng)變測試及鉆孔應(yīng)力解除法等。有關(guān)這三種測試主意請參見“工程巖體實驗主意標(biāo)準(zhǔn)”中巖體應(yīng)力測試章節(jié)在此不作推薦。

【例題22】采用孔壁應(yīng)變測試主意測試孔壁應(yīng)變時，該種主意屬于（）。

A.應(yīng)力解除法

B.應(yīng)力恢復(fù)法

C.水壓致裂法

答案：A三、巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的主要分布邏輯(一)垂直應(yīng)力隨深度的變化

巖體天然應(yīng)力的垂直分量，普通認(rèn)為等于該點的上覆巖層的質(zhì)量。但從國內(nèi)實測資料(工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)(GB50216—94)條文說明)看，有人總結(jié)了世界范圍內(nèi)的資料(25～2700m范圍內(nèi))后得出，隨深度H的增大呈線性關(guān)系增強(qiáng)(圖15-3-13)，大概相當(dāng)于按平均密度為2.7g／cm3計算出來的重力?！纠}23】垂直應(yīng)力隨深度的變化邏輯為（）。A.隨深度H的增大呈線性關(guān)系增強(qiáng)

B.隨深度H的增大呈線性關(guān)系減小

C.與深度H的變化無關(guān)

答案：A

(二)水平應(yīng)力隨深度的變化

通過研究南部