第6章 岩体中的天然应力new

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规律§6.3岩体天然应力的测量§6.4岩体天然应力的估算§6.5岩体天然应力场的回归分析§6.6高地应力区的若干特征§6.1概述1、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中的天然应力2、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）)(zhgpwVhhVgh121拉张区挤压区第六章岩体中的天然应力(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3、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(2)研究意义•①区域稳定•②地下洞室稳定•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。1、分区性（以中国为例）§6.2岩体天然应力的分布规律第六章岩体中的天然应力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。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2、铅直应力（V）3、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4、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5、主应力与水平面的关系据主应力与水平面的关系，可划分为：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6、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；–软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合；–饼状岩心；–水下开挖无水渗出。第六章岩体中的天然应力7、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0000gzgzh(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。1)(''0gzzzzgh第六章岩体中的天然应力zz100(3)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§6.3岩体天然应力的测量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VhhVgz121z·hA1、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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VhVhVEEgz112||1hA…z·(3)垂直层状岩体第六章岩体中的天然应力2、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AAmaxhminh(1)水压致裂法tpc1pSpc2p0图7-3水压力随时间的变化曲线第六章岩体中的天然应力图7-4柯西解答受力图示原理：•水压致裂法是把高压水泵入到由栓塞隔开的试段中。当钻孔试段中的水压升高时，钻孔孔壁的环向压应力降低，并在某些点出现拉应力。随着泵入的水压力不断升高，钻孔孔壁的拉应力也逐渐增大。当钻孔中水压力引起的孔壁拉应力达到孔壁岩石抗拉强度σt时，就在孔壁形成拉裂隙。若设形成孔壁拉裂隙时，钻孔的水压力为pc1，拉裂隙一经形成后，孔内水压力就要降低，然后达到某一稳定的压力ps，称为“封井压力”。这时，如人为地降低水压，孔壁拉裂隙将闭合，若再继续泵入高压水流，则拉裂隙将再次张开，这时孔内的压力为pc2(图7-3)。tpc1pSpc2p0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第六章岩体中的天然应力破裂平行于，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。缺点：水压致裂法只能在钻孔中进行，若在地下巷道岩壁中进行应力量测时，可采用扁千斤顶法。方向：据岩体破裂方向确定第六章岩体中的天然应力千斤顶油泵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⑤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:·vRWh第六章岩体中的天然应力(3)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设天然应力为水平应力场cubuau113x45°∴∵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cubuau113x60°第六章岩体中的天然应力选点、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，hmin，而v=gz③测量步骤：第六章岩体中的天然应力优点：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6.4岩体中天然应力的估算（1）铅直天然应力估算在地形比较平坦，未经过强烈构造变动的岩体中，天然主应力方向可视为近铅直和水平。这一结论的证据是：①在岩体中发育有倾角为60°左右的正断层，而正断层形成时的应力状态是铅直方向为最大主应力，水平方向作用有最小主应力(书中图6-10)；②岩体中倾角为30°左右的逆断层存在，表明逆断层在形成时的应力状态是垂直方向为最小主应力，水平方向作用有最大主应力(书中图6-11)。•在这种条件下，铅直天然应力σv等于上覆岩体的自重，即：•σv＝ρgZ(7-15)•式中：ρ为岩体的密度(g／cm3)；g为重力加速度(9.8m／s2)；Z为深度(m)。•这种铅直应力的估算方法不适用于下列情况。•(1)不适用沟谷附近的岩体。因为沟谷附近的斜坡上，最大主应力σ1平行于斜坡坡面，而最小主应力σ3垂直于坡面，且在斜坡表面上，其σ3值为零。•(2)不适用于经强烈构造变动的岩体。如在褶皱强烈的岩体中，由于组成背斜岩体中的应力传递转嫁给向斜岩体。所以，背斜岩体中铅直应力σv常比岩体自重要小，甚至于出现σv等于零的情况。而向斜岩体中，尤其在向斜核部，其铅直应力常比按自重计算的值大60％左右，这已为实测资料所证实。（2）水平天然应力估算•由天然应力比值系数λ的定义可知，如果已知λ值，而铅直天然应力可以由σv＝ρgZ估算出，则水平天然应力σh＝λσv。所以水平天然应力的估算，实际上就是确定λ值的问题。•天然应力比值系数λ与岩体的地质构造条件有关。在未经过强烈构造变动的新近沉积岩体中，天然应力比值系数λ为：•λ＝μ/(1－μ)(7-16)•式中：μ为岩体的泊松比。•在经历多次构造运动的岩体中，由于岩体经历了多次卸荷、加荷作用，因此λ＝μ/(1－μ)不适用。下面讨论几种简单的情况。•①隆起、剥蚀卸荷作用对λ值的影响•这在前面已经讲过,在此不详述。•②断层作用对λ值的影响•在地壳表层岩体中，常发育有正断层和逆断层。正断层形成时的应力状态是：σ1为铅直，σ3为水平，因此3hagZ1vgZ由库伦强度判据知：正断层形成时的破坏主应力与岩体强度参数间关系为：即213tan(45/2)c2tan(45/2)cagZgZ•因此，正断层形成的天然应力比值系数λa为：•逆断层形成时的应力状态为：最小主应力σ3为铅直，最大主应力σ1为水平，即•同理可得逆断层形成时的天然应力比值系数λp为：1(45/2)[(45/2)]cactgctggZ3hagZ1vgZ21(45/2)cptggZ•由上述分析可知，λu和λp是岩体中天然应力比值系数的两种极端情况。一般认为天然应力比值系数λ是介于两者之间，即•λa≤λ≤λp(7-24)•如把这一理论估算得出的结论，与Hoek—Brown根据全球实测结果得出的平均天然应力比值系数随深度变化的经验关系相比，两者的形式极为一致，即天然应力比值系数与深度Z成反比。6.5岩体天然应力场的回归分析6.5.1计算模型的建立模型建立包