岩体中的天然应力

岩体中的天然应力第1页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/202§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中的天然应力第2页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/203二、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拉张区挤压区第六章岩体中的天然应力第3页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/204三、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，美胡佛水坝下隧道中，首次成功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第4页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2052.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第5页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/206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第6页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/207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。第7页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/208上覆岩体自重多为压应力多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力第六章岩体中的天然应力二、铅直应力（V）第8页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/209三、水平应力（h）常以水平应力为主，即h>v，hmax>v

。h/v≈0.8-3.0

，即岩体主要受地区现代构造应力场的控制；h具各向异性，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;h以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且多见一向压，一向拉。在地表卸荷带影响区，可能出现水平应力为拉应力。第六章岩体中的天然应力第9页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2010四、天然应力比值系数与深度z的关系天然应力比值系数()：h/v，随深度增加而减小。第六章岩体中的天然应力第10页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2011五、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—一个应力轴近水平，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第11页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2012六、高天然应力标志开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；

(在高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩发生突发性变形破坏的现象。)收敛变形大，使开挖断面变小；软弱夹层内物质被挤出，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第12页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2013六、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+++++++++++++++++第六章岩体中的天然应力第13页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/20142.地表剥蚀原地面现地面··剥蚀第六章岩体中的天然应力第14页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2015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。第六章体中的天然应力第15页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/20163.结构面………第六章岩体中的天然应力4.岩体性质

硬岩常可积累较高的应力，而软岩则相反5.地下水

产生渗流应力6.地温

产生温度应力第16页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2017§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第17页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2018二、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第18页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2019A1、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第19页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2020tpc1pSpc2p0假设：

天然应力钻孔假设在均质、各向同性、连续线弹性岩体中一小圆孔。作用应力，据弹性理论中柯西解，未加水压力时，A’A两点应力：，水压力下，钻壁产生拉破裂的条件:

取“–”A第六章岩体中的天然应力第20页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2021维持破裂展开，又不继续发展的条件：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第21页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2022破裂平行于，垂直于，破裂方向由压痕，井下电视确定。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第22页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2023千斤顶油泵时间千斤顶压力pc测点分离值d0d步骤：①在岩壁上选测点，固定A、B两点，d≈15cm；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dd0，到d=d0时的千斤顶压力即为；2、应力恢复法（扁千斤顶法）第六章岩体中的天然应力第23页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2024⑤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:·第六章岩体中的天然应力第24页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/20土木工程专业基础课——《岩体力学》253、钻孔套芯应力解除法①基本原理++++++++++++++++++仪器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第25页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2026设天然应力为水平应力场45°45°②计算公式：应变计互成45°，得第六章岩体中的天然应力第26页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2027∴∵第六章岩体中的天然应力第27页，共30页，2023年，2月20日，星期六2023/4/2028用消元法解方程，得：60°60°第六章岩体中的天然应