第六章岩体的初始应力状态.

原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡状态的岩体，称为原岩。原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，又称为初始应力或地应力。围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体。围岩应力：洞室开挖后，周围岩体失去原来的支撑，开始向洞内位移，引起洞周一定范围内岩体应力改变，重新调整形成新的应力，称为围岩应力，也称次生应力或二次应力。自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。它是由岩体自重引起的。6.1几个基本概念构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布状态称为原岩应力场，又称为初始应力场。即未经采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。原岩应力≈自重应力＋构造应力迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。在均匀岩体中，岩体的垂直应力z等于上浮岩体的重量：iniizh1zz6.2岩体初始应力场及其影响因素6.2.1岩体自重应力场若认为岩体为均质、连续且各向同性体，各岩体单元横向变形为0，即x=y=0，则由广义胡克定律：11xxyzyyzxEE其中λ为侧压力系数，岩体（0.2-0.3），则（0.25-0.43）；另外，zzyx1解上式得水平应力x、y为：0zxyzxy岩体自重应力随着深度呈线性增加，浅部处于弹性状态；超某一临界深度（砂岩500m、花岗岩2500m），岩体处于潜塑状态或塑性状态（开挖前为弹性，开挖后呈塑性），此时，其近于0.5，则近于1.0，岩体所受垂直与水平应力相等，即静水压力状态，该现象瑞士地质学家海姆（A.Heim）1987年在研究阿尔卑斯山深大隧道时发现，称为海姆假说。构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力；地质构造水平包括水平运动（造山运动）与垂直运动（造陆运动），水平运动如板块移动、碰撞，对岩体构造应力的形成起控制作用，即构造应力以水平应力为主。目前，构造应力尚无法用数学力学的方法分析计算，只能采用现场应力量测方法求得，但构造应力的方向可根据地质力学的方法加以判断。例如，对于断层、褶曲等一般认为自重应力是主应力之一，另一主应力与断裂构造系正交。6.2.2构造应力场正断层：1自重应力，3与断层走向正交逆断层：3自重应力，1与断层走向正交平移断层：2自重应力，1与断层走向成30°~45°夹角，且1与2均为水平方向，岩脉、褶曲均可推断构造应力方向，见图6-3。正断层:上盘下降，下盘相对上升，多为张力和重力作用；逆断层：上盘上升，下盘相对下降，多为水平挤压作用。平移断层：应力是来自两旁的剪切力作用，其两盘顺断层面走向相对位移，而无上下垂直移动。除地质构造和自重应力外，地形、地质构造形态、岩体力学性质、水、温度等。（一）地形故，山峰处初始应力低，沟谷处初始应力高6.2.3影响岩体初始应力状态的因素（二）地质构造形态背斜褶曲，两翼自重应力大，中部低——承载拱受力特点；向斜褶曲，相反。断层，楔体A产生卸荷作用，自重应力降低；而楔体B产生加荷作用，自重应力升高。（三）岩体力学性质坚硬完整（积聚大量应变能）岩体，初始地应力高；软弱破碎岩体，初始地应力低；耶格提出初始地应力与岩体抗压强度成正比；E大于50GPa，1一般10~30MPa，E小于10GPa，1一般小于10MPa。（四）水岩体裂隙或孔隙中的水，静止时静水压力（地下水位的升降引起初始地应力的减增），流动时动水压力（给予周围岩体动水摩擦力和动水流向应力，增加初始应力）。（五）温度岩浆侵入或者随着深度的增加，温度升高，使岩体膨胀，产生热应力，增加初始应力；若地温梯度α=3°C/100m，岩体热膨胀系数β约为10-5，一般岩体弹性模量E=10GPa，则地温引起的温度应力T约为：T=αβEZ=0.03×10-5×104Z=0.003ZMPaZ为研究点处的深度，m。岩体的温度是压缩应力（热涨、岩体限制、受压），随深度增加而增加。温度应力约为自重应力的1/9左右，且呈静水压力状态。目前，原岩应力实测深度达3000m。在这一深度内，原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：绝大多数地区为以水平应力为主的三向不等压且非稳定（大小与方向随空间与时间变化而变化）应力场；在某些地震带，方向与大小随时间变化而变化非常明显，地震前应力大小积累增大，地震中集中应力释放而大幅降低，而方向地震时明显改变，地震后慢慢调整后恢复地震前状态。6.3岩体初始应力场的分布规律6.3.1岩体初始应力场是时间与空间的函数全世界实测V统计资料分析表明，深度25~2700m，V线性增加，大致为=27kN/m3计算的自重应力，部分地区存在偏差（测量误差、板块移动、岩浆侵入、扩容、不均匀膨胀等）。霍克（E.Hoek）与布朗（E.T.Brown）6.3.2实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量实测表明，大多地区两个主应力方向水平或接近水平，其与水平面夹角一般不大于30°。最大水平主应力h,max普遍大于垂直应力v，其比值一般为0.5~5.5，大多数情况，比值大于2。h,max与h,min的算术平均值h,av与v的比值一般为0.5~5.0，大多数为0.8~1.5。这说明在地壳浅部岩体平均水平应力普遍大于垂直应力。垂直应力大多时为最小主应力；少数时为中间主应力；个别时为最大主应力。这是由于构造应力主要以水平应力为主。6.3.3水平应力普遍大于垂直应力表6-1为世界部分国家水平应力与垂直应力比值统计。图6-8为世界部分国家取得的实测结果。6.3.4平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小图6-8表明，深度不大的情况下，h,av/v的值相当分散。随着深度增加，该值的变化范围逐步缩小，并趋近于l，这说明在地壳深部有可能出现静水压力状态。霍克和布朗根据图6-8所示结果回归出以下公式：,10015000.30.5havvHH式中，H为深度，m。通过研究南部非洲、美国、日本、冰岛及加拿大等地区的初始应力量测结果，得到地壳内水平应力随深度增加呈线性关系增大是普遍规律。斯蒂芬森（O.Stephansson）等人根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平主应力和最小水平主应力随深度H（m）变化的线性方程：,max,min6.70.0444()0.80.0329()hhHMPaHMPa6.3.5水平主应力随深度呈线性增加一般，最小水平主应力与最大水平主应力的比值相差较大，显示出很强的方向性，其比值通常为0.2~0.8，多数情况为0.4~0.8，见表6-2。6.3.6两个水平主应力一般相差较大量测目的：了解岩体中应力的大小与方向，为岩体工程受力状态及岩体支护与加固提供依据，也可预报岩体失稳和岩爆发生；分为初始地应力和地下工程应力分布量测。量测方法：一种是硐室表面测量，再把开挖扰动考虑进入（不准确，甚至完全错误；二是硐室表面打小孔进入原岩应力区后小孔内进行测量，应力解除法与水压致裂法）。具体的方法：据量测原理的不同有应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法、重力法共八类。6.4岩体初始应力的量测方法1、基本原理对测试段钻孔用特制封隔器密封起来，然后对密封段加高压水直至孔壁岩石产生张裂隙。根据裂隙的方向及泵压的大小分析确定原岩的应力状态。p水压致裂装置封隔器钻孔高压水6.4.2水压致裂法2、基本假设（1）一个主应力方向是垂直的，其大小等于上覆岩层的自重应力。而另外两个主应力是水平的，且破裂方向垂直于最小主应力方向。（2）岩体是均质、各向同性的线弹性体。3、适用条件：完整性好的脆性岩体。4、测试步骤（1）打钻孔并用封隔器密封待加压段，钻孔直径与封隔器直径一致，封隔器直径有38mm，5lmm，76mm，9lmm，110mm，130mm等。封隔器是两个膨胀橡胶塞，可用液体，也可用气体进行充压。橡胶塞之间的封堵段长度为0.5~1.0m。（2）向隔离段注射高压水，不断加大水压，至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力pi。（3）停止增压，关闭高压泵，压力迅速下降，裂隙停止扩展，并趋于闭合，当压力降到使裂隙处于临界闭合状态时的平衡压力，此时应力称为关闭压力，记为ps；最后卸压，使裂隙完全闭合。（4）重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力pr和随后的恒定关闭压力户ps。这种卸压-重新加压的过程重复2-3次，以提高测试数据的准确性。上述步骤(2)、(3)记录了压力—时间关系和流量—时间关系，见图6-10。初始开裂压力pi关闭压力ps裂隙重开时的压力pr孔隙水压力p0（5）将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。（6）测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小，测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。前三种方法代价昂贵，操作复杂，而印模器则比较简便、实用。其结构及形状与封隔器相似，其外面包裹一层可塑性橡皮或类似材料，将其连同加压管路一起送入水压致裂部位，然后将印模加压膨胀，使钻孔上的所有节理裂隙均印在印模器上。印模器装有定向系统，以确定裂隙的方位，一般情况下，水压致裂裂隙为一组径向相对的纵向裂隙，很容易辨认出来。5、水压致裂法测定系统6、应力计算两向受不相等的均布力σ1、σ2作用时的应力分量：2cos)31)(1(2)1(22222212221rrr2cos)31(2)1(244212221rr2sin)31)(1(2222221rr孔壁（ρ=r)应力分量：2cos)(20,02121式中：φ为周边一点与σ1的夹角。当φ＝0o时，σφ取极小值，此时1232（1）由弹性力学厚壁筒公式，在只受内压q1作用：,1112222qrRR1222211qrRR若R→∞,得到具有圆孔的无限大薄板，或具有圆形孔道的无限大弹性体，其解答为：,122qr122qr若ρ＝r,得到：,1q1q根据岩体力学应力符号规定，得孔壁切向应力：1q（2）p当钻孔受水压力P作用，且受水平原岩应力σ1、σ2作用，钻孔壁的最小切向应力为式（1）与（2）的叠加：岩体破裂条件：tp123于是：213itpp式中pi为孔壁发生初始裂缝时的水压力，σt为封隔段岩石抗拉强度。可见，当水压力达到pi时，孔壁将沿σ1的方位开裂。如果钻孔中有裂隙水，其水压力为P0，则：2103itpP（3）p继续注入高压水，裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定(PS),则有：2sP2103rpP如果测出封隔段岩石抗拉强度σt，即可由式（3）、（4）求出σ1和σ2。（4）因此，在初始裂隙产生后，将水压力卸除，使裂隙闭合，然后重新加压，使裂隙重新打开，这时水压力为pr，则有（5）由式（5）、（4）可求出σ1和σ2。联立解得：2sP2103rpP（4）（5）2103itpP（3）A、岩石抗拉强度：tirppB、最大水平应力：1max03HsitpppC、最小水平应力：sHpmin2可见，水压致裂法只能确定垂直于钻孔平面内的最大和最小主应力，实际上是一种二维应力测量方法。若要确定测点的三维应力状态，必须打互不平行的交汇于一点的的三个钻孔。这是非常困难的。7、水压致裂法评价优点：1、能测量深部岩体应力（5000m）；2、可以使用各种尺寸的勘探钻孔，在勘探阶段便可测定；3