岩石力学课件6.岩体初始应力.ppt

第 六 章,岩 体 初 始 应 力,6-1 基本概念,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，称为围岩。 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：岩体开挖扰动了原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的应力称为次生应力或二次应力。,6-1 基本概念,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。 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,6-2 岩体的自重应力,一、均匀岩体中的基本公式 在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为： 其中为侧压力系数。 对于成层岩体：,6-2 岩体的自重应力,6-2 岩体的自重应力,在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，=0.200.30，在深部，岩体转入塑性状态， =0.50 ，1，则有： x= y= z 各向等压的应力状态，又称为静水压力状态。,6-2 岩体的自重应力,二、各向异性岩体中的基本公式 对于各向异性岩体，例如薄层状沉积岩： 当岩层水平时,则有 ：,6-2 岩体的自重应力,对于各向异性体，例如薄层状沉积岩： 当岩层垂直时 联立求解上式得：,6-2 岩体的自重应力,三、岩体自重应力的特点 （1）水平应力x、y小于垂直应力z ； （2）x、y、z均为压应力； （3）z只与岩体密度和深度有关，而 x、y还同时与岩体弹性常数E、有关； （4）结构面影响岩体自重应力分布。,6-3 岩体构造应力,一、构造应力场的概念 构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳内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。 岩体构造应力是构造运动中积累或剩余的一种分布力。 构造应力场：是构造运动中积累或剩余的一种应力场，相对于人类活动时期而言，除构造活动区外，它是剩余应力场。,6-3 岩体构造应力,二、构造运动的起因 地质学家分析地球表层（包括地壳和地幔）结构及其运动规律和发展，提出了各种大地构造学说，最具代表的是地质力学学说和板块构造学说。 1、地质力学学说 该学说认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力： 一种是经向水平离心力；一种是纬向水平惯性力。这两种力是引起地壳岩体中出现构造应力的根本原因。大量的实测资料说明岩体中水平应力大于垂直应力，说明构造应力以水平应力为主。 2、板块构造学说 该学说认为板块运动的核心是海底扩张。海底扩张是由于地幔对流引起的。 源于1915年德国魏根纳提出大陆漂移学说，认为1.5亿年前，地球表面有一个统一的大陆联合古大陆，其周围全是海洋。从侏罗纪开始，联合古大陆分裂成6大板块，它们覆在软流圈上各自漂移，最终形成现今大陆和海洋的分布。,非洲,6-3 岩体构造应力,三、构造应力场分析 根据岩体变形破坏机理，对构造运动留下的遗迹（构造形迹）进行分析，以判断构造应力的主应力方向。 （一）构造形迹的形成机理 1、褶皱形成机理,6-3 岩体构造应力,三、构造应力场分析 （一）构造形迹的形成机理 2、断层和节理的形成机理 断层、节理形成机理有三种：张性的、扭性的、压性的。 （1）张性断层是由于岩体中的张应变超过极限而产生的。这种断层层面不规则，断层走向与最大主应力方向平行。小的张性断裂两盘岩石不一定发生错动，称之为张性节理。 （2）压性断层和扭性断层都可用莫尔库伦理论来解释。,6-3 岩体构造应力,三、构造应力场分析 （一）构造形迹的形成机理 2、断层和节理的形成机理 由地质特征推断构造应力方向 详图见下页,6-3 岩体构造应力,（二）构造体系及区域构造应力场 对一个区域而言，在一次构造运动中，既有褶皱又有断层和节理等。这些构造形迹尽管形态各异、性质不同、大小悬殊，但大都不是孤立出现，而是相伴而生，共同形成一个构造体系。 例如：米字型构造体系。 S1,S2扭性断层 张性断层 （详图见下页）,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （一）基本原理 地下某点的岩体处于三向 压缩状态，如用人为的方法解 除其应力，必然发生弹性恢复， 测定其恢复的应变，利用弹性 力学公式则可算出岩体初始应 力。,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 1、孔底应力解除法 孔底应力解除法测定岩体应力的步骤： （1）打大孔至测点，磨平孔底。 （2）在孔底粘贴电阻应变花探头。 （3）解除应力，测量其应变。 （4）取出岩心，测其弹性参数。 （5）计算岩体应力。,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 1、孔底应力解除法 应变花种类：等角应变花、直角应变花,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 1、孔底应力解除法 对于等角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 1、孔底应力解除法 对于直角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 1、孔底应力解除法 孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算： 对于深孔，按平面应变问题处理： 式中：x，y，z为孔底的原岩应力，CT，C l为孔底横向和轴向应力集中系数，大多采用Van.Heerden的结果： CT1.25，C l0.75（0.645 ）,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 1、孔底应力解除法 孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算： 对于浅孔，按平面应力问题处理： 采用孔底应力解除时，单孔不能确定岩体应力的六个分量，必须进行三孔测定，才能确定岩体的原岩应力。,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 2、孔径变形法 孔径变形法通过测定钻孔孔径变形求解 岩体应力，其应力解除工序为： （1）打大孔至测点，磨平孔底。 （2）打同心小孔，安装孔径变形计探头。 （3）延伸大钻孔解除应力，同时测量孔径变形。 （4）取出岩心，测其弹性参数E、。 （5）计算岩体应力。,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 2、孔径变形法 假定孔径变形计探头的三个触头 相对于岩体应力1 的夹角为1、 2、3，测得的孔径变形分别为U1、 U2、U3,孔壁径向位移为其1/2。,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 2、孔径变形法 当1、2、3的间隔为600时，按下式计算岩体应力：,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 2、孔径变形法 当1、2、3的间隔为600时，按下式计算岩体应力： 如果（d）式成立，则1为1 与U1的夹角，否则为2 与U1的夹角。上式中的K，对于浅孔，可作平面应力问题处理，K=d/E ; 对于深孔，可作平面应变问题处理，K=（12)d/E 。其中d为钻孔直径，为岩石的泊松比。,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 2、孔径变形法 当1、2、3的间隔为450时，按下式计算岩体应力：,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 2、孔径变形法 当1、2、3的间隔为450时，按下式计算岩体应力： 如果（d）式成立，则1为1 与U1的夹角，否则为2 与U1的夹角。 上式中的K，对于浅孔，可作平面应力问题处理，K=d/E ; 对于深孔，可作平面应变问题处理，K=（12)d/E。其中d为钻孔直径，为岩石的泊松比。,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 2、孔径变形法 按上式计算得出的1 ， 2 是钻孔断面内的次主应力。 要确定一点的全应力，必须向测点打三个不同方向的钻孔，进行同样测定，然后再按最小二乘法求解。,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 3、 孔壁应变法 孔壁应变法是通过测定钻孔孔壁的应 变求解岩体应力的6个分量，其应力解除 工序与孔径变形法相似： （1）打大孔至测点，磨平孔底。 （2）打同心小孔，安装应变花探头。 （3）套孔解除应力，超过小孔5cm,同时 测量孔壁应变。 （4）取出岩心，测其弹性参数E、 。 （5）计算岩体应力。,6-4 岩体初始应力场测定,一、应力解除法 （二） 应力解除方法 3、 孔壁应变法 应变计探头孔壁布置 3个应变花，每个应 变花由3个应变片组成 采用直角应变花形式。 按最小二乘法求解岩 体6个应力分量。,6-4 岩体初始应力场测定,二、水压致裂法 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。 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。,6-4 岩体初始应力场测定,二、水压致裂法 3、水压致裂法测定系统,6-4 岩体初始应力场测定,二、水压致裂法 4、水压致裂试验成果,6-4 岩体初始应力场测定,二、水压致裂法 4、水压致裂试验成果,6-4 岩体初始应力场测定,二、水压致裂法 4、水压致裂试验成果 （1）试验曲线只有一个关闭压力ps 破裂始终是沿孔轴方向。 A、 岩石抗拉强度： B、 最大水平应力： C、 最小水平应力： D、 垂直应力按岩体自重计算：,6-4 岩体初始应力场测定,二、水压致裂法 4、水压致裂试验成果 （2）试验曲线有两个关闭压力ps1和ps2 裂隙开始沿孔轴产生，随后转为水平方向。 A、 最小水平应力： B、 垂直应力： C、 最大水平应力：,6-5 岩体初始应力（原岩应力）分布状态,目前，原岩应力的实测深度达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： 一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场； 二、水平应力H普遍大于垂直应力v ,即 侧压力系数H/v 1;,6-5 岩体初始应力（原岩应力）分布状态,三、原岩应力三个主应力Hmax，Hmin，v均随深度 增加而增大 1、平均水平应力H与垂直应力v 的比值随深度增加而减小。 2、两个水平应力的关系一般有,6-5 岩体初始应力（原岩应力）分布状态,三、原岩应力三个主应力Hmax，Hmin，v均随深度 增加而增大 3、最大、最小水平主应力随深度线性增加： 4、实测垂直应力v基本上等于上覆岩层的重力 在252700m深度内，v 随深度线性增加，大致相当于按平均重度=27kN/m3计算出来的重力H,即,Hmax6.70.0444H(MPa),Hmin0.80.