岩体力学课件--第七章岩体的初始应力(背景为黑色).ppt

1. 1. 掌握初始应力、构造应力的概念，掌掌握初始应力、构造应力的概念，掌 握自重应握自重应 力的计算方法；力的计算方法； 2. 2. 了解原岩应力的一般规律及影响原岩应分布的因了解原岩应力的一般规律及影响原岩应分布的因 素；素； 3. 3. 了解岩应力的实测方法了解岩应力的实测方法 Date岩体力学 1 1 岩体初始应力状态的概念与意义岩体初始应力状态的概念与意义 原原岩岩： 未受工程影响而又处于自然平衡状态的未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体。岩体。 原岩原岩应力应力（亦称初始应力或地应力）：（亦称初始应力或地应力）： 定义之一：定义之一：原岩中存在的原岩中存在的应力。应力。 定义之二：岩体在天然定义之二：岩体在天然状态下所存在的内应力。状态下所存在的内应力。 一般习惯把原岩一般习惯把原岩应力分为应力分为自重应力场自重应力场和和构造应力场构造应力场。 由上覆岩体的自重所引起的应力称为自重应力；由上覆岩体的自重所引起的应力称为自重应力； 地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的 力，地质作用残存的应力统称为构造应力。力，地质作用残存的应力统称为构造应力。 Date岩体力学 研究岩体初始应力状态的工程意义：研究岩体初始应力状态的工程意义： 1.1.正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变 化化 2.2.合理设计地下工程的支护尺寸合理设计地下工程的支护尺寸 Date岩体力学 2 2、 组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算 一、岩体自重应力场一、岩体自重应力场 1 1假设岩体为均匀连续价值，并为半无限空间体假设岩体为均匀连续价值，并为半无限空间体 在距地表深度在距地表深度HH处，岩体的初始应力场为处，岩体的初始应力场为 z z = = HH x x = = y y = = z z xyxy=0 =0 式中：式中：HH岩体单元的深度（岩体单元的深度（mm） 上覆岩体的平均重力密度（上覆岩体的平均重力密度（kNkN/m/m 3 3 ） 侧压力系数侧压力系数 若岩体视为各向同性的弹性体，若岩体视为各向同性的弹性体， x x = 0= 0， y y = 0= 0，由广义虎克定律：由广义虎克定律： Date岩体力学 x=1/Ex -（ y + z ）=0 y=1/Ey -（ x + z ）=0由此得： x = y = /（1- ） z = /（1- ）H（6-3） 所以，侧压力系数= /（1- ） 2成层岩体 （6-4） （6-3）、（6-4）岩体在一定深度范围内成立。 如果岩体由松散的碎石，砂及卵石组成，可以近似地认为岩 体是理想松散介质，可由松散介质极限平衡条件来建立垂直应力 与侧向应力的关系： = x / z =(1-sin)/ (1+sin)(6-8) Date岩体力学 对于具有一定粘聚力的松散岩体，侧向应力对于具有一定粘聚力的松散岩体，侧向应力 x x 与垂直应力与垂直应力 z z 之间的关系为之间的关系为 （6-96-9） 显然，在一定深度范围，側向应力显然，在一定深度范围，側向应力 x x 有可能为负；有可能为负； 令令 x x =0=0，则由上式可得：则由上式可得： （6-106-10） 当当HH HH 0 0 时，才开始出现侧向应力时，才开始出现侧向应力 x x ，并随深度成正比增加。并随深度成正比增加。 二、岩体构造应力场二、岩体构造应力场 1 1构造应力的确定构造应力的确定 构造应力尚无法用数学力学的方法进行分析计算，而只能采构造应力尚无法用数学力学的方法进行分析计算，而只能采 用现场应力量测的方法来求得，但是构造应力的方向可以根据地用现场应力量测的方法来求得，但是构造应力的方向可以根据地 质力学的方法加以判断。质力学的方法加以判断。 Date岩体力学 （a a）正断层（正断层（b b）逆断层（逆断层（c c）平推断层（平推断层（d d）岩脉（岩脉（e e）褶皱褶皱 图图6-4 6-4 由地质特征推断的应力方向（由地质特征推断的应力方向（a a） （e e）均为平面图均为平面图 Date岩体力学 2 2地表剥蚀时侧压力系数的影响地表剥蚀时侧压力系数的影响 图图6-5 6-5 侵蚀对某一深度上的应力的影响侵蚀对某一深度上的应力的影响 Z0 K0Z0 Date岩体力学 设某深度设某深度HH 0 0 的一个岩石单元，该处初始侧压系数的一个岩石单元，该处初始侧压系数 0 0 上覆岩体剥蚀了厚度上覆岩体剥蚀了厚度 HH，使岩石单元受到卸载作用，卸载后，使岩石单元受到卸载作用，卸载后， 垂向应力垂向应力 v v 减小了减小了HH，水平应力水平应力 n n 则减少了则减少了HH / /（1- 1- ）（）（ 按弹性卸载考虑）按弹性卸载考虑） 则此时岩石单元的侧压力系数为则此时岩石单元的侧压力系数为： （6-116-11） 由于剥蚀后岩石单元埋深由于剥蚀后岩石单元埋深 H=HH=H 0 0 HH，所以：所以： 可见，由于上覆岩体被剥蚀，使侧压力系数可见，由于上覆岩体被剥蚀，使侧压力系数 有增加的趋势，有增加的趋势， 当深度小于一定数值时，会出现水平应力当深度小于一定数值时，会出现水平应力 n n 大于垂直应力大于垂直应力 v v 。 Date岩体力学 三、影响岩体初始应力状态的其他因素三、影响岩体初始应力状态的其他因素 （一）地形（一）地形 1. 1. 山谷谷底的应力很大山谷谷底的应力很大: : 与岩体的均质程度有关（图与岩体的均质程度有关（图6-6 )6-6 ) 2. 2. 地形对岩体初始应力影响的另一特征地形对岩体初始应力影响的另一特征: (: (图图6-76-7） Date岩体力学 （二）地质条件对自重应力的影响（二）地质条件对自重应力的影响 图图6-8 6-8 背斜背斜: : 两翼应力增大两翼应力增大, , 中部应力降低中部应力降低; ; 向斜向斜: : 两翼应力降低两翼应力降低, , 核部应力增大核部应力增大. . 图图6-8 6-8 断层断层: : 山峰地应力低山峰地应力低, , 山谷地应力高山谷地应力高 （三）水压力和热应力（三）水压力和热应力 Date岩体力学 3 3岩体初始应力状态的现场量测方法岩体初始应力状态的现场量测方法 一、岩体应力现场量测方法概述一、岩体应力现场量测方法概述 目的：了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工目的：了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工 程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。 岩体应力量测按目的可分为岩体应力量测按目的可分为：岩体初始应力量测和地下工程应：岩体初始应力量测和地下工程应 力分布量测力分布量测 岩体应力量测常用方法岩体应力量测常用方法: : 应力解除法、应力恢复法和水压致裂法应力解除法、应力恢复法和水压致裂法 。 工程中某种应力量测方法的精确度能控制误差在工程中某种应力量测方法的精确度能控制误差在0.40.4MPaMPa以内，以内， 其结果通常被认为是令人满意的。其结果通常被认为是令人满意的。 常用地应力测量方法表常用地应力测量方法表6-16-1 Date岩体力学 二、水压致裂法二、水压致裂法 （一）方法原理及技术（一）方法原理及技术 基本原理基本原理 ： P Po o 孔隙水压或地下水压力。孔隙水压或地下水压力。 P Pb b 初始压裂压力。初始压裂压力。 P P s s 液体进入岩体内连续地液体进入岩体内连续地 将岩体劈裂的液压，称为稳定将岩体劈裂的液压，称为稳定 开裂压力。开裂压力。 P P soso 关泵后压力表上保持的关泵后压力表上保持的 压力，称关闭压力。压力，称关闭压力。 P P bobo 开启压力。开启压力。 P0 P O Ps Ps0 Pb0 Ps P0 t 图图6-11 6-11 压力过程泵压变化压力过程泵压变化 及特征压力及特征压力 Date岩体力学 （二）基本理论和计算公式（二）基本理论和计算公式 室内及现场资料表明：钻孔壁在液压下的初始开裂经常是垂直的室内及现场资料表明：钻孔壁在液压下的初始开裂经常是垂直的 。 设孔周水平地应力为设孔周水平地应力为 1 1h h 、 2h2h孔壁还受有水压 孔壁还受有水压P P b b ，此时，钻孔周此时，钻孔周 围岩体内应力：围岩体内应力： r r =1/2=1/2( ( 1h1h + + 2h2h)(1-a )(1-a 3 3/r /r2 2 )+ )+ P P b b a a2 2/r /r2 2 +1/2(+1/2( 1h1h - - 2h2h)(1- 4a )(1- 4a 2 2/r /r2 2 + 3a + 3a 4 4/r /r4 4 )cos2)cos2 =1/2=1/2( ( 1h1h + + 2h2h)(1+a )(1+a 3 3/r /r2 2 )- )- P P b b a a2 2/r /r2 2 （6-136-13） -1/2(-1/2( 1h1h - - 2h2h)(1- 3a )(1- 3a 4 4/r /r4 4 )cos2)cos2 当当 = = a a，即孔壁处，则，即孔壁处，则， r r = = P P b b = = ( ( 1h1h + + 2h2h)- )- P P b b -2 ( -2 ( 1h1h - - 2h2h) cos2 ) cos2 （6-146-14） 当当 = 0= 0时，时， 有最小值，即：有最小值，即： Date岩体力学 按最大拉应力理论有：按最大拉应力理论有： T T o o （6-166-16） 时，孔隙开裂，式中，时，孔隙开裂，式中，T T o o 为岩体抗拉强度。为岩体抗拉强度。 据此，可求得孔壁破裂的应力条件为：据此，可求得孔壁破裂的应力条件为： 3 3 2 2h h 1 1h h P Pb b + +T T 0 0 =0=0 （6-176-17） 或或 1 1h h =3=3 2 2h h P Pb b +T+T 0 0 （6-186-18） 如果岩体中有孔隙水压力如果岩体中有孔隙水压力P P w w 时，则式时，则式6-186-18）变为）变为： 1 1h h =3=3 2 2h h P Pb b +T+T 0 0 P Pw w （6-196-19） 若水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力若水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力P Pbo bo称为开启压力， 称为开启压力，即即 此时此时T T o o =0 =0 ，则式（则式（6-196-19） 1 1h h =3=3 2 2h h P Pb b0 0 P Pw w （6-206-20） Date岩体力学 对比式（对比式（6-196-19）与式（）与式（6-206-20），可得），可得， P Pb b PP b b0 0 =T=T 0 0 （6-216-21） 在在关闭压力关闭压力P Pso so这一特征点上，孔壁已开裂，即 这一特征点上，孔壁已开裂，即 T To o =0=0，所以所以，此时，此时，P Pso so等于与裂隙面垂直的应力，亦即 等于与裂隙面垂直的应力，亦即 2 2h h = =P P soso （ （6-226-22） 由此通过分析：可得出主应力及岩体抗拉强度由此通过分析：可得出主应力及岩体抗拉强度 值值 2 2h h = =P P soso P Pb b PP b b0 0 =T=T 0 0 （6-236-23） 1 1h h =3=3 2 2h h P Pb b +T+T 0 0 Date岩体力学 （三）根据水压致裂法试验结果计算地应力三）根据水压致裂法试验结果计算地应力 水压致裂法的主要缺点是地主应力方向难以确定，可水压致裂法的主要缺点是地主应力方向难以确定，可 由式（由式（6-236-23）分析确定。）分析确定。 （1 1）、一般）、一般 z z = = h h，作为地主应力之一，若作为地主应力之一，若 z z 1 1 ， 则，则， 2 2h h 肯定为最小地主应力。肯定为最小地主应力。 由开裂方向可确定由开裂方向可确定， 2 2h h 或或 1 1h h 的方位，则三个地主的方位，则三个地主 应力的应力的 方位也可以相应地确定。方位也可以相应地确定。 （2 2）若）若 2 2h h h h，且孔壁开裂后孔内岩体出现水平裂缝且孔壁开裂后孔内岩体出现水平裂缝 ，则此时，则此时， z z = = h h为最小地应力，为最小地应力， 2 2h h 与与 1 1h h 各为中间地各为中间地 主应力及最大地主应力，垂直开裂方向即为最大地主主应力及最大地主应力，垂直开裂方向即为最大地主 应力方向。应力方向。 Date岩体力学 （四）水压致裂法的特点（四）水压致裂法的特点 Date岩体力学 （三）应力解除法（三）应力解除法 基本原理：释放应力，量测变形，弹性求解基本原理：释放应力，量测变形，弹性求解 按探测深度可分：按探测深度可分： 表面应力解除法，浅孔应力解除及深孔应力解除。表面应力解除法，浅孔应力解除及深孔应力解除。 按测试度形式应变的方法不同可分：按测试度形式应变的方法不同可分： 孔径变形测试，孔壁应变测试及钻孔应力解除法等孔径变形测试，孔壁应变测试及钻孔应力解除法等 。 钻孔应力解除法分：钻孔应力解除法分： 岩体孔底应力解除法和岩体钻孔套孔应力解除法。岩体孔底应力解除法和岩体钻孔套孔应力解除法。 Date岩体力学 图图6-136-13 （一）岩体孔底应力解除法（一）岩体孔底应力解除法 图图6-136-13 适用条件：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。适用条件：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。 其测量和计算都较复杂。（略）其测量和计算都较复杂。（略） Date岩体力学 （二）岩体钻孔套孔应力解除法二）岩体钻孔套孔应力解除法 原理原理：进行岩体中某点应力量测时，先向该点钻：进行岩体中某点应力量测时，先向该点钻 进一定深度的超前小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传进一定深度的超前小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传 感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解 除，根据恢复应变及岩石的除，根据恢复应变及岩石的弹性常数弹性常数，即可求得该，即可求得该 点的应力状态。点的应力状态。 应力解除法所采用的钻孔传感器可分为：应力解除法所采用的钻孔传感器可分为：位移位移 传感器和应变传感器两类。传感器和应变传感器两类。 中科院武汉岩土所研究（制）的中科院武汉岩土所研究（制）的36-236-2型钻孔变形型钻孔变形 计，其变形计的直径为计，其变形计的直径为3232mmmm，适应的测量孔直径为适应的测量孔直径为 3636mmmm。岩土力学岩土力学（中国水利水电出版社（中国水利水电出版社 张振张振 营营 编著编著,6667,6667） Date岩体力学 说明说明 ：该方法要求在能取得完整岩芯的岩体中进行，：该方法要求在能取得完整岩芯的岩体中进行， 一般至少要一般至少要能取出达到大孔直径能取出达到大孔直径2 2倍长度的岩芯，因此在倍长度的岩芯，因此在 破碎和弱面多破碎和弱面多的岩体中，或在极高的原岩应力区岩芯的岩体中，或在极高的原岩应力区岩芯 发生发生“ “饼状饼状” ”断裂的情断裂的情况下不宜使用。况下不宜使用。 该方法要求取出足够长的完整岩芯，一方面是保障该方法要求取出足够长的完整岩芯，一方面是保障 直径变化直径变化测量的可靠性，确保处于弹怀状态，弹性理论测量的可靠性，确保处于弹怀状态，弹性理论 才是适用的；才是适用的；另一方面要用它测定岩石的弹性模量。另一方面要用它测定岩石的弹性模量。 本方法是本方法是量测垂直于钻孔轴向平面内的孔径变形值量测垂直于钻孔轴向平面内的孔径变形值 ，所以它与孔底平面应力解除法一样，也需要有三个不同，所以它与孔底平面应力解除法一样，也需要有三个不同 方向的钻孔方向的钻孔 进行测定，才能最终得到岩体全应力的六个进行测定，才能最终得到岩体全应力的六个 独立的应力分量。独立的应力分量。 Date岩体力学 为简化，设钻孔方向与为简化，设钻孔方向与 3 3 方向一致，且认为方向一致，且认为 3 3 =0=0，则此时，则此时 通过孔径位移值计算应力的公式为：通过孔径位移值计算应力的公式为： = =d(d( 1 1+ + 2 2 )+2()+2( 1 1 2 2 )(1-)(1- 2 2 )cos2)cos2 1/E1/E 式中：式中： 钻孔直径变化值钻孔直径变化值, , d d 钻孔直径钻孔直径 测量方向与水平轴的夹角测量方向与水平轴的夹角 E E、 岩石弹性模量与泊松比岩石弹性模量与泊松比 实际上，轴线方向的应力和变形对原岩应力测量来说是很实际上，轴线方向的应力和变形对原岩应力测量来说是很 重要的待定参数重要的待定参数; ; 吴振业吴振业新近给出了轴向应力应变分量的严密的新近给出了轴向应力应变分量的严密的 公式，这里只列出有关孔径变形法测量的公式如下：公式，这里只列出有关孔径变形法测量的公式如下： 式中：式中：p p x x 、p p y y 、p pxy xy为待确定的与钻孔垂直截面上的原岩应力分量 为待确定的与钻孔垂直截面上的原岩应力分量 。 Date岩体力学 四、应力恢复法四、应力恢复法 目的：直接测定岩体应力大小。目的：直接测定岩体应力大小。 用途：仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用用途：仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用 本方法较为方便。本方法较为方便。 基本原理：基本原理： 在槽的中垂线在槽的中垂线OAOA上的应力状态上的应力状态 ，根据，根据HH，HH穆斯海里什维理论，可穆斯海里什维理论，可 把槽看作一条缝，得到：把槽看作一条缝，得到： (6-27)(6-27) 式中：式中： 1 1x x , , y y OAOA线上某点线上某点B B的应的应 力分量力分量 Date岩体力学 B B点离槽中心点离槽中心OO的距离的倒数。的距离的倒数。 当在槽中埋设压力枕，并由压力枕对槽加压，若施加当在槽中埋设压力枕，并由压力枕对槽加压，若施加 压力为压力为P P，则在则在OAOA线上线上B B点产生的应力分量为：点产生的应力分量为： 2x2x= = -2p( -2p( 4 4 -4 -4 2 2 -1-1)/()/( 2 2 +1) +1) 3 3 2y2y= =-2p( -2p( 4 4 +1+1)/()/( 2 2 +1) +1) 3 3 (6-28)(6-28) 当压力枕所施加的力当压力枕所施加的力p=p= 1 1 时，这时时，这时B B点的总应力分量为点的总应力分量为 ： x x= = 1x1x + + 2x2x = = 2 2 y y= = 1y1y + + 2y2y = = 1 1 主要试验过程简述：主要试验过程简述： 1515略略, , Date岩体力学 p 0e N G C D KM O 0p 0e 1p1e 1 P=1 F 主要试验过程简述主要试验过程简述( (略略) ) 由应力由应力应变曲线求岩体应力应变曲线求岩体应力 1=1e+1p=GF+FO o=op+oe=KMtMN oC1 求出求出 Date岩体力学 4 4 岩体初始应力状态分布的主要规律岩体初始应力状态分布的主要规律 一、垂直应力随深度的变化一、垂直应力随深度的变化 多数：多数： v v / / H1H1 二、水平应力随深度的变化二、水平应力随深度的变化 水平应力随深度增加呈线性关系增大。水平应力随深度增加呈线性关系增大。 三、水平应力与垂直应力的比值三、水平应力与垂直应力的比值K K 一般一般K K11，随深度增加随深度增加K K=1=1 四、两个水平应力之间的关系四、两个水平应力之间的关系 Date岩体力学 第五节第五节 高地应力高地应力地区的主要岩石力学问题地区的主要岩石力学问题 一、研究的必要性一、研究的必要性 （一）、岩体（一）、岩体地应力地应力是研究岩体力学中不可缺少的一部分。是研究岩体力学中不可缺少的一部分。 与其它力学学科根本区别：岩体中具有初始应力与其它力学学科根本区别：岩体中具有初始应力 （二）、岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规（二）、岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规 律都要受到地应力大小的变化而变化。律都要受到地应力大小的变化而变化。 低应力、低偏压下低应力、低偏压下： 岩体脆性明显、各向异性和非连续性也很明显岩体脆性明显、各向异性和非连续性也很明显 高应力下：高应力下： 岩体塑性明显，各向异性减弱，表现出连续性岩体塑性明显，各向异性减弱，表现出连续性 （三）、中、西部开发，在高地应力地区出现特殊的地压（三）、中、西部开发，在高地应力地区出现特殊的地压现现 象象 Date岩体力学 二、高地应力判别准则和高地应力现象二、高地应力判别准则和高地应力现象 （一）、高地应力判别准则（一）、高地应力判别准则 （1 1）、国际、国内尚无统一标准）、国际、国内尚无统一标准 （2 2）、国内一般岩体工程以初始应力在）、国内一般岩体工程以初始应力在20302030MPaMPa 为高地应力为高地应力. . (3) (3)、按、按工程岩体分级标准工程岩体分级标准（GB50218-94GB50218-94） R R c c / / maxmax4 4，称为极高初始地应力称为极高初始地应力; ; R R c c / / maxmax =47 =47 为高地应力为高地应力. . maxmax为垂直洞轴线方向的最大初始地应力 为垂直洞轴线方向的最大初始地应力, ,即即 1 1 Date岩体力学 ( (二二) )、高地应力现象高地应力现象 1 1、岩芯饼化岩芯饼化现象：现象： 产生条件：中等强度以下的岩体产生条件：中等强度以下的岩体 力学成因：剪胀破裂力学成因：剪胀破裂 2 2、岩爆岩爆 岩爆现象是在埋藏深度大和地应力比较高的地下工岩爆现象是在埋藏深度大和地应力比较高的地下工 程开挖过程中经常会遇到的工程地质问题之一程开挖过程中经常会遇到的工程地质问题之一 。 岩爆不是岩质破坏或破损的体现岩爆不是岩质破坏或破损的体现，而是岩体内积聚而是岩体内积聚 的弹性应变能的突然释放的弹性应变能的突然释放，是岩体应力超过极限是岩体应力超过极限，具有具有 爆裂和弹射岩石的现象。爆裂和弹射岩石的现象。 Date岩体力学 表现形式表现形式：围岩呈透镜状或片状削落：围岩呈透镜状或片状削落 。 发生部位：主应力方向线与隧洞外轮廓相切的部位（因发生部位：主应力方向线与隧洞外轮廓相切的部位（因 该处应力集该处应力集 中最大）中最大） 力学机理：力学机理：从岩石力学的观点来看，认为岩片是在压应从岩石力学的观点来看，认为岩片是在压应 力作用下的张破裂或剪破坏而形成的破碎片。力作用下的张破裂或剪破坏而形成的破碎片。 图图6-256-25 岩爆发生部位岩爆发生部位 图图6-25 6-25 二滩引水隧洞岩爆发生部位示意图二滩引水隧洞岩爆发生部位示意图 1 1 Date岩体力学 对于岩爆的预测对于岩爆的预测( (略略) ) 必须结合工程实际进行具体分析，如果没有实测必须结合工程实际进行具体分析，如果没有实测 的地应力资料，则可以从以下几方面作出估计，预测的地应力资料，则可以从以下几方面作出估计，预测 可能出现岩爆的部位：可能出现岩爆的部位： (1)(1)地形条件。垂直地应力与地形有关，一般是埋深愈地形条件。垂直地应力与地形有关，一般是埋深愈 大，地应力愈大。大，地应力愈大。 (2)(2)构造情况。地震区和构造活动区的地应力一般要大构造情况。地震区和构造活动区的地应力一般要大 些。水平地应力大时些。水平地应力大时, ,垂直应力可能相应增大。洞室轴垂直应力可能相应增大。洞室轴 线垂直于构造主应力布置时线垂直于构造主应力布置时, ,比平行主应力方向布置时比平行主应力方向布置时 开挖周边应力大。开挖周边应力大。 (3)(3)建筑物开挖情况。平行建筑物间的岩柱、隧洞从两建筑物开挖情况。平行建筑物间的岩柱、隧洞从两 头开挖接近贯通的部位、建筑物体变化处头开挖接近贯通的部位、建筑物体变化处( (如曲线处如曲线处) )等等 , ,都是应力集中较大地点都是应力集中较大地点, ,易于发生岩爆。易于发生岩爆。 Date岩体力学 (4)(4)根据分析计算的岩体应力条件是否接近或小于岩根据分析计算的岩体应力条件是否接近或小于岩 石的强度石的强度, ,预测预测 岩爆可能出现的部位。岩爆可能出现的部位。 在具备产生岩爆的应力条件时，岩石愈新鲜、完在具备产生岩爆的应力条件时，岩石愈新鲜、完 整和干燥，岩性愈脆硬，岩爆发生的可能性愈大。整和干燥，岩性愈脆硬，岩爆发生的可能性愈大。 在隧洞中，垂直地应力很大，水平地应力很小时在隧洞中，垂直地应力很大，水平地应力很小时 ，易在边拱部位发生岩爆，易在边拱部位发生岩爆; ; 在地应力非常不等向的地区，平行最大主应力或在地应力非常不等向的地区，平行最大主应力或 中间主应力方向的洞壁，常会发生岩爆；中间主应力方向的洞壁，常会发生岩爆； Date岩体力学 而在水平应力很大，垂直应力小时而在水平应力很大，垂直应力小时, ,在顶拱和地板部位易发在顶拱和地板部位易发 生岩爆。在隧洞掘进中，端面应力较高，整个端面上易发生岩爆。在隧洞掘进中，端面应力较高，整个端面上易发 生岩爆。生岩爆。 隧洞与陡坡平行，则靠近陡坡一侧的顶拱易发生岩爆。隧洞与陡坡平行，则靠近陡坡一侧的顶拱易发生岩爆。 在隧洞分岔处的尖角部位，应力较大，易发生岩爆。在隧洞分岔处的尖角部位，应力较大，易发生岩爆。 采用初始应力和采用切向应力与单轴抗压强度之比的经验判采用初始应力和采用切向应力与单轴抗压强度之比的经验判 断断, , 由于它从实际工程总结出来由于它从实际工程总结出来, ,有较高实用性有较高实用性, ,常常被用来常常被用来 进行岩爆的预测。一般有以下几种经验判断进行岩爆的预测。一般有以下几种经验判断: : 伊阿多尔恰尼诺夫判断伊阿多尔恰尼诺夫判断: : 当当 g g 0.3 0.3 c c 时时，无岩射、削落无岩射、削落; ; 当当 g g (0.5(0.50.8) 0.8) c c 时时, ,岩射、削落岩射、削落; ; 当当 g g 0.8 0.8 c c 时时, ,岩爆岩爆, ,强烈岩射。强烈岩射。 式中式中: : g g 围岩最大压应力围岩最大压应力; ; c c 岩石单轴抗压强度岩石单轴抗压强度 。 Date岩体力学 霍克判断霍克判断: : 当当P P z z / / c c =0.1 =0.1时时，稳定巷道稳定巷道； 当当P P z z / / c c =0.2 =0.2时时，少量片帮少量片帮; ; 当当P P z z / / c c =0.3 =0.3时时，严重片帮严重片帮； 当当P P z z / / c c =0.4 =0.4时时，需重型支护需重型支护； 当当P P z z / / c c =0.5 =0.5时时，可能出现岩爆。可能出现岩爆。 式中式中: : P P z z 原岩垂直应力。原岩垂直应力。 巴顿判断巴顿判断: :巴顿按巴顿按 c c ( (单轴抗压强度单轴抗压强度) ) t t ( (抗拉强度抗拉强度) )分别与分别与 1 1 ( (岩体岩体 最大初始应力最大初始应力) )的比值来判断。表的比值来判断。表1 1 巴顿判断 巴顿判断 c c / / 1 1 t t / / 1 1 岩爆级别岩爆级别 5 52.5 2.5 0.330.330.160.16轻微轻微 2.52.50.160.16严重 严重 Date岩体力学 .特钱英奥判断: | t + z|0.3 c , 无岩爆发生。 式中: t 围岩切向应力; z 轴向应力; c 单轴抗压强度c 单轴抗 压强度。 国内使用的经验判断: 当1 (0.150.2)Rc时, 发生岩爆。 式中: 1 岩体初始应力； Rc岩块单轴抗压强度。 以上经验判断的不足之处在于它是以单一因素应力 条件为依据, 应力仅仅是岩爆形成的必要条件，而不是充分 条件 。 Date岩体力学 （3 3）、探硐和地下隧洞产生剥离，岩体锤击为嘶哑声（中等强）、探硐和地下隧洞产生剥离，岩体锤击为嘶哑声（中等强 度）并伴有较大变形（软岩）。度）并伴有较大变形（软岩）。 （4 4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象。）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象。 （5 5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验 结果高。结果高。 (3)(3)、处理、处理高地应力高地应力应注意的几个问题应注意的几个问题 1 1、岩体的潜塑状态、岩体的潜塑状态 K= K= H/ v=1 , 静水压力状态静水压力状态; 开挖后开挖后, 1/=2 0 , 0为初始初始地应力地应力 R R c c 2 0 塑性状态或破坏塑性状态或破坏 在在初始初始应力状态下岩体单元处应力状态下岩体单元处 于稳定（弹性）状态而一旦开于稳定（弹性）状态而一旦开 Date岩体力学 (3)(3)、处理、处理高地应力高地应力应注意的几个问题应注意的几个问题 1 1、岩体的潜塑状态、岩体的潜塑状态 K= K= H/ v=1 , 静水压力状态静水压力状态; 开挖后开挖后, 1/=2 0 , 0为初始初始地应力地应力 R R c c 2 0 塑性状态或破坏塑性状态或破坏 在在初始初始应力状态下岩体单元处于稳定应力状态下岩体单元处于稳定 （弹性）状态而一旦开挖就会塑性（弹性）状态而一旦开挖就会塑性 （破坏）状态的岩体处于潜塑状态。（破坏）状态的岩体处于潜塑状态。 即即高地应力高地应力状态。状态。 高地应力：高地应力：与工程状况（与工程状况（应力重分布应力重分布） 以及岩体坚硬程度（以及岩体坚硬程度（岩体的岩体的R R c c 、c c、） 有关有关 2 231 1/=2 0 图图6-28 6-28 用应力圆和莫尔包络线判用应力圆和莫尔包络线判 断岩体是否破坏或进入塑性状态断岩体是否破坏或进入塑性状态 Date岩体力学 （二）、处理高地应力的岩石力学原则（二）、处理高地应力的岩石力学原则( (自学自学) ) Date岩体力学 第八章第八章 岩体力学在边坡工程中的应用岩体力学在边坡工程中的应用 第一节第一节 边坡的应力分布边坡的应力分布 一、边坡的应力分布一、边坡的应力分布 分析边坡应力分布的方法：分析边坡应力分布的方法： 现场应力测量法、室内光现场应力测量法、室内光 弹性法、模型应力测试法、力学解析法、数值法等。弹性法、模型应力测试法、力学解析法、数值法等。 数值法广泛应用，常用的有：有限元法、边界元法数值法广泛应用，常用的有：有限元法、边界元法 、离散元法等。、离散元法等。 以有限元求解应力分布用得最普遍。以有限元求解应力分布用得最普遍。 Date岩体力学 Date岩体力学 二、岩坡破坏形式的分类二、岩坡破坏形式的分类 1 1、岩石崩塌、岩石崩塌 是岩体在陡坡面上脱落而下的一种边坡破坏形式，常发生于是岩体在陡坡面上脱落而下的一种边坡破坏形式，常发生于 陡坡顶部裂隙发育处陡坡顶部裂隙发育处 2 2、平移滑动、平移滑动 是一部岩体沿着地质软弱面，如层面、断层、裂隙或节理的是一部岩体沿着地质软弱面，如层面、断层、裂隙或节理的 滑动，其特点：块体运动沿着平面滑动滑动，其特点：块体运动沿着平面滑动 3 3、旋转滑动、旋转滑动 其滑面通常成弧形状，岩体沿此弧形滑面而滑移其滑面通常成弧形状，岩体沿此弧形滑面而滑移 4 4、岩块流动、岩块流动 常发生在均质的硬岩层中常发生在均质的硬岩层中 5 5、岩层曲折、岩层曲折 Date岩体力学 i 四、平移滑动的力学稳定分析平移滑动的力学稳定分析 （一）、滑体沿单个平面剪切（一）、滑体沿单个平面剪切 ABDABD质量为：质量为： (8-5)(8-5) 沿沿ABAB方向的楔体方向的楔体ABDABD极限平衡为：极限平衡为： cHcH/sin/sin + +wcoswcos tantan -W -W sinsin =0=0 将将(8-5)(8-5)代入上式，得边坡高度为代入上式，得边坡高度为 边坡稳定系数边坡稳定系数K K： 是由阻止滑动的是由阻止滑动的 总力与致滑总力之比总力与致滑总力之比 z0 D BC H A W Date岩体力学 实际中，滑移楔块为实际中，滑移楔块为AECDAECD，CEBCEB保留原地。保留原地。 理论上，张裂缝理论上，张裂缝CECE的深度：的深度：Z Z 0 0 =2c/=2c/ tan(45tan(45 0 0 + + /2)/2) (8-8) (8-8) 当在岩坡上还附加有静水压力时，当在岩坡上还附加有静水压力时， 由条假设可得由条假设可得稳定系数稳定系数KK： 式式中中 A=(H-Z)A=(H-Z)csccsc , U=1/2 , U=1/2 w wZ Zw w (H-Z)(H-Z) csccsc 对于上部岩坡表面中的张性断裂，有对于上部岩坡表面中的张性断裂，有 为了简化，方程式可以重新整理成下列无为了简化，方程式可以重新整理成下列无 Date岩体力学 因次的因次的形式：形式： （8-118-11 ） 式中式中 ，P P、QQ、R R、S S皆是无因次的数，说明它们取皆是无因次的数，说明它们取 决于几何形状，而不取决于边坡的大小。决于几何形状，而不取决于边坡的大小。 显然，显然，c=0c=0时，时，KK与边坡大小无关。与边坡大小无关。 ( (二二) ) 滑体沿两个平面剪切滑体沿两个平面剪切 （三）楔体稳定的力学分析（三）楔体稳定的力学分析 按力学稳定原理，按力学稳定原理，ABCDABCD的稳定系数为的稳定系数为 Date岩体力学 N N1 1 、N N 2 2 分别为分别为QcosQcos 作用于滑面作用于滑面F F 1 1 和和F F 2 2 的法向分量：的法向分量： N N 1 1 = = QcosQcos sin sin 2 2 /sin(/sin( 1 1 + + 2 2) ) N N 2 2 = = QcosQcos sin sin 1 1 /sin( /sin( 1 1 + + 2 2 ) ) 四面体的质量为四面体的质量为 两个节理面的面积为：两个节理面的面积为： 令令 ，则此四面体的，则此四面体的稳定系数为稳定系数为 式中式中 1 1 、 2 2 为两滑面交线与为两滑面交线与F F 1 1 、F F 2 2 滑面法线之交角滑面法线之交角 Date岩体力学 第九章第九章 岩体力学在岩基工程中的应用岩体力学在岩基工程中的应用 第一节第一节 岩基中的应力分布岩基中的应力分布 目前对岩基中的应力分布一般都基于弹性理论，将岩基目前对岩基中的应力分布一般都基于弹性理论，将岩基 视为半无限平面弹性体视为半无限平面弹性体. .布辛涅斯克公式布辛涅斯克公式: : Date岩体力学 第二节第二节 岩基上基础的沉降岩基上基础的沉降 岩基上基础的沉降主要是由于岩基内岩层承载后出现岩基上基础的沉降主要是由于岩基内岩层承载后出现 的变形引起的的变形引起的. . 重型结构岩基的变形由两方面确定重型结构岩基的变形由两方面确定: : 1 1、绝对位移或下沉量直接使基础沉降，改变了原设计水准、绝对位移或下沉量直接使基础沉降，改