第六章岩体天然应力

2019/12/18《岩体力学》1第六章岩体中的天然应力§6.1概述§6.2岩体天然应力的分布特征§6.3岩体天然应力的确定第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》2§6.1概述一、定义1.天然应力(地应力、初始应力等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。2.重分布应力（二次分布应力、附加应力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。→←重分布应力↓↑∧++++++++++++++++++天然应力→←↓↑∧相对于第2洞室的天然应力第六章岩体天然应力2019/12/18《岩体力学》3二、天然应力的组成及起源1.组成：•岩体自重→自重应力•构造运动→构造应力•流体作用→渗流应力•其它（地温、地球化学作用等）2.起源（主要指构造运动的起源）：•板块运动•地幔热对流•地球自转速度变化)(zhgpwVhhVgh121拉张区挤压区第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》4三、天然应力的研究历史与研究意义1.研究历史①世界上:1878年海姆提出天然应力1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致裂法）。②中国：50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米（天津大港）。第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》52.研究意义•1）区域稳定•2）地下硐室稳定•3）边坡稳定•4）地基岩体稳定第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》6以东经100～105o为界分东西两区。强度上：西强东弱（西高东低）方向上：西：NNE-SSW为主，东：近E-W。一、分区性（以中国为例）§6.2岩体天然应力的分布特征第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》7第六章岩体中的天然应力•西南：•印度板块向NNE挤压（5mm/a）•东：•太平洋板块向W俯冲（1cm/a）•南：•菲律宾板块向N俯冲•北：•西伯利亚板块阻挡•1迹线：N-NE-SSE中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。2019/12/18《岩体力学》8上覆岩体自重V多为压应力V多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力gh7.2V第六章岩体中的天然应力二、铅直应力（V）2019/12/18《岩体力学》9三、水平应力（h）岩体中天然应力常以水平应力为主，即hv，特别是hmaxv,据统计资料：h/v≈0.8-3.0，说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制;水平应力具有强烈的各向异性，即h1≠h2，我国华北hmin/hmax≈0.2-0.8，华南hmin/hmax≈0.3-0.75。原因a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性;水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力为拉应力的现象。第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》10四、天然应力比值系数与深度z的关系)15005.0()1003.0(zzhav定义：天然水平应力与铅直应力的比值为天然应力比值系数()，它随深度增加而减小。第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》11五、主应力平面与水平面的关系据主应力平面与水平面的关系，天然应力状态划分为：水平应力场—两个应力轴近水平，或与水平面夹角很小，另一应力轴近铅直，三个应力轴与空间坐标一致，我国大陆范围内属这种应力场;非水平应力场—水平应力与水平面夹45°左右，另一轴与水平面夹0~45°左右，分布于板块边缘。第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》12六、高天然应力标志–开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；–收敛变形大，使开挖断面变小(缩径现象)；–软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合；–饼状岩心；–边坡上出现错动台阶；–原位变形曲线的变化。第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》13七、影响天然应力的因素1.地形起伏a.水平应力向负地形集中，向正地形释放b.在斜坡附近，应力方向发生偏转+++++++h第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》140000gzgzh2.地表剥蚀原地面现地面0zzzh0o·''h·hzzzgzzgzggzzzgzggzh1)()1(1')('000000剥蚀第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》15该式说明：剥蚀后，岩体中一点增大了，当△Z大到一定值时，必有1的情况出现。zzgzzzzgh11)(''000第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》163.结构面1………第六章岩体中的天然应力4.岩体性质硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反5.地下水产生渗流应力6.地温产生温度应力2019/12/18《岩体力学》17§6.3岩体天然应力的确定自重应力理论地震震源机制解地变形量测天然应力测量大地水准测量三角网测量GPS测量天然应力确定方法第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》18VhhVgz121z·hA一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面1、均质各向同性岩体第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》19VhhniiiVEEgz||2111hA·…11z22z33ziiz2、水平层状岩体第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》20VhVhVEEgz112||1hA…z·3、垂直层状岩体第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》21二、天然应力的量测天然应力的量测方法水压致裂法应力恢复法（扁千斤顶法）套芯应力解除法光弹法声发射法X射线法第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》22AAmaxhminh1、水压致裂法tpc1pSpc2p0水压力随时间的变化曲线第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》23tpc1pSpc2p0假设：天然应力为水平应力场，其铅直应力钻孔假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中的一个小圆孔。作用应力为，根据弹性理论中的柯西解，未加水压力时，A’A两点的应力为：，在水压力作用下，钻壁产生拉破裂的条件为:gzminmax,hhmaxmin3hhA1maxmin3cthhpA取“–”AAmaxhminh第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》24维持破裂展开，又不继续发展的条件为联立上两式有而：因此，可得测点的天然应力为21cctppshpmin2max3cshppminhspshpmin1max3ctshppshpmin2max3cshppgzv第六章岩体中的天然应力032maxminchhp2019/12/18《岩体力学》25破裂平行于，垂直于，破裂方向由压痕，井下电视确定。maxhminh优点：测深大，z可达数百米，目前最深达5108米；施工技术简单，不需要应力计等仪器。方向：据岩体破裂方向确定第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》26千斤顶油泵时间千斤顶压力pc步骤：①在岩壁上选择测点，固定A、B两点。d≈15厘米；②刻槽应力释放、变形d0d;③安装扁千斤顶;④加压应力恢复dd0，到d=d0时的千斤顶压力即为；R2、应力恢复法（扁千斤顶法）第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》27⑤重复测量另一个方向的W;⑥计算天然应力:假定天然应力为水平应力场,当测得侧壁应力R和底板应力W时,则有:RwhRwv83818183·vRWh第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》283、钻孔套芯应力解除法①基本原理++++++++++++++++++vh1h2h仪器h套芯解除钻孔同心套钻放应变计应力解除应力计算位移恢复第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》29设天然应力为水平应力场cubuau113x45°2cos(2)()3131maERu2cos(2)(2sin)31(2)31(2cos)31(2)31(cos)180cos(,sin)90cos()90(2cos(2)()45(2cos(2)(2cos(2)()3131)3131)3131)3131mcmcmbmaERuEmRubEmRuaERuERuERu∴∵②计算公式：应变计互成45°，据上式有第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》30用消元法解三元一次方程，得：应变计互为60°时，可按下列公式计算cacabcbbacacbbacauuuuutguuuuuuREuuuuuuRE22)()(214)()(214223221））cbacbaccbbacbaaccbbacbauuuuutguuuuuuuuuREuuuuuuuuuRE(2(32)()()(216)()()(21622232221cubuau113x60°第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》31选点、钻孔：130cm，深度一般小于30m;在孔底打一测量孔：36cm，深度一般50cm，并洗干净；安装应变计：并与应变仪连接，测记稳定初始读数；套钻解除：在应力解除过程中，测记应变计读数，至应变完全解除为止；折断岩心，在室内求取岩石的Em;按前述公式求解：天然应力hmax，hmin③测量步骤：第六章岩体中的天然应力2019/12/18《岩体力学》32优点：能较准确地量测出岩体中的天然应力缺点：只能量测浅部（30米以内〕天然应力，深度大了，套钻技术难度大、精度低。第六章岩体中的天然应力