岩体的初始应力状态细讲

第六章岩体的初始应力状态第一节概述

第二节岩体的初始应力场及其影响因素第三节岩体的初始应力场的分布规律第四节岩体初始应力场的量测方法第五节高应力地区主要岩体力学问题第一节概述

岩体的初始应力，是指岩体在天然状态下所存在的内在应力，在地质学中，通常又称它为地应力。岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的。影响岩体的初始应力状态的因素还有地形、地质构造形态、水、温度等。对于岩体工程来说主要考虑：自重应力构造应力岩体的初始应力场一、岩体自重应力场设岩体为半无限均质体，地面为水平面，距地面深度H处，有一单元体，其上作用的应力为σx，σy，σz，形成岩体单元的自重应力状态（图6-1）。垂直应力σz为单元体上覆岩体的重量，即第二节岩体初始应力场及其影响因素式中γ——上覆岩体的重度（kN/m3)

H——岩体单元的深度（m）图6-1第二节岩体初始应力场及其影响因素若岩体由多层不同重度的岩层组成（图6-2），则式中γi——第i层岩体的重度(kN/m3)

hi——第i层岩体厚度（m）图6-2若把岩体视为均匀的弹性体，由于单元受到与其相邻岩体的约束，故横向应变等于0，由广义虎克定律第二节岩体初始应力场及其影响因素联立方程，解得令λ称为侧压力系数，数值等于某点的水平应力与该点垂直应力的比值。一般岩石的泊松比μ=0.2~0.3，因此λ为0.25~0.43。第二节岩体初始应力场及其影响因素在一定深度范围内岩体基本上处于弹性状态；当埋深较大时，岩体将处于潜塑状态或塑性状态。潜塑状态是指初始应力状态下岩体处于弹性状态，但开挖卸荷后即处于塑性状态。由弹性状态转变为塑性状态的深度，对不同岩体而言是不一样的，砂岩约为500m，花岗岩约为2500m，而粘土质软岩可能在地表深度以下不深处表现为塑性变形特性。岩体处于潜塑状态或塑性状态时，其泊松比μ近于0.5，侧压力系数λ也近于1,表明岩体所受的垂直自重应力与水平应力相等，即处于静水压力状态，称为海姆假说。二、岩体构造应力场地壳中的各种地质构造，如褶皱、断层、构造节理等，是在地质构造运动作用下形成的。地质构造运动，包括水平运动（造山运动）和垂直运动（造陆运动）两种形式。通常，水平方向的构造运动对岩体构造应力的形成起控制作用，即构造应力以水平方向为主。第二节岩体构造应力场目前，岩体的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求得。但是构造应力场的方向可以根据地质力学的方法加以判断。第二节岩体构造应力场根据地质构造和岩石强度理论，一般认为自重应力是主应力之一，另一主应力与断裂构造体系正交。对于正断层，自重应力为最大主应力，即σ1=γH，最小主应力σ3则与断层走向相交；对于逆断层，自重应力为最小主应力，最大主应力与断层走向正交；对于平移断层，自重应力是中主应力σ2，σ1与断层走向成30°~45°夹角，且σ1与σ3均为水平方向。其他，如岩脉和褶皱，均可推断构造应力的方向（图6-3）。第二节岩体构造应力场地壳垂直运动引起地面抬升，使地壳表面岩体经受剥蚀，可使岩体初始应力场发生变化。

三、影响岩体初始应力状态的因素

岩体初始应力状态主要受地质构造和自重作用的影响，除此之外，受地形、地质构造形态、岩体力学性质、水、温度等因素的影响。第二节岩体构造应力场1、地形（1）地表水平情况下初始应力分布，其一主应力为水平分布，另一主应力垂直分布。（2）斜坡沟谷地形初始应力分布在斜坡面附近，最大主应力方向与斜坡面大致平行；在沟谷底部应力集中，最大主应力方向近于水平分布。山峰处岩体初始应力低，沟谷处岩体初始应力高。第二节岩体构造应力场2、地质构造形态背斜褶曲，其两翼自重应力大，而中部自重应力低。断层组合对自重应力的影响第二节岩体构造应力场3、岩体的力学性质坚硬的岩体具有较高的初始地应力，软弱的或破碎的岩体具有较低的初始地应力。4、水静水压力由于浮力的作用减轻了岩体的重量；岩体中地下水位的升降，可引起岩体重量的减少或增加，从而减少或增加岩体的自重应力。5、温度岩浆侵入使岩体受热膨胀，周围岩体限制受热岩体的膨胀，从而在岩体中增加热应力。岩体的温度应力是压缩应力，并随着深度的增加而增加。温度应力约为自重应力的1/9左右，呈静水压力状态。一、岩体初始应力场是时间和空间的函数岩体初始应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三大主应力的大小和方向是随着时间和空间的变化而变化的，为非稳定的应力场。第三节岩体初始应力场的分布规律二、实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量统计资料分析，深度在25~2700m范围内，σv呈线性增长，大致相当于按岩体平均重度27kN/m3计算出来的自重应力。第三节岩体初始应力场的分布规律三、水平应力普遍大于垂直应力资料表明两个主应力与水平面的夹角不大于30。最大水平主应力普遍大于垂直主应力，两者比值一般为0.5~5.5，大多数情况下，比值大于2。世界部分国家水平主应力与垂直主应力比值统计表国家名称σh，max/σvσh，av/σv<0.80.8~1.2>1.2合计中国2.09324028100澳大利亚2.9502278100加拿大2.5600100100美国3.29184141100挪威3.56171766100瑞典4.9900100100南非2.50412435100前苏联4.30512920100其他地区1.9637.537.525100第三节岩体初始应力场的分布规律四、平均水平应力与垂直应力的比值随深度的增加而减小第三节岩体初始应力场的分布规律五、水平主应力随深度呈线性增长的关系斯蒂芬森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σh,max和最小水平应力σh,min随深度H变化的线性方程六、两个水平主应力一般相当差较大第三节岩体初始应力场的分布规律世界部分国家和地区两个水平主应力比值统计表实测地点统计数目σh,min/σh,min(%)1.0~0.750.75~0.500.50~0.250.25~0合计斯堪的纳维亚等511467136100北美2222246239100中国251256248100中国华北地区186612211100第四节岩体初始应力的量测方法1.目的：（1）了解岩体中存在的应力大小和方向（2）为分析岩体的工程受力状态以及为支护及岩体加固提供依据（3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具（一）方法原理及技术通过液压泵向钻孔内拟定量测深度加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。压裂点上下用止水封隔器密封，其结构如图6-9所示。水压致裂过程中泵压变化及其特征压力示于图6-10。一、水压致裂法第四节岩体初始应力的量测方法（二）测试步骤

第四节岩体初始应力的量测方法（三）应用水压致裂法的特点：

测试方法简单；孔壁受力范围广；

测试精度不高；是一种二维应力量测方法水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，亦即平行于最大主应力的方向，这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。

水压致裂法适用于完整的脆性岩体。第四节岩体初始应力的量测方法二、应力解除法

第四节岩体初始应力的量测方法按测试变形或应变的方法不同，可分为：

孔底应力解除法孔壁应力解除法孔径应力解除法第四节岩体初始应力的量测方法（一）孔底应力解除法

把应力解除法用到钻孔孔底就称为孔底应力解除法。

这种方法是先在围岩中钻孔，在孔底平面上粘贴应变传感器，然后用套钻使孔底岩心与母岩分开，进行卸载，观测卸载前后的应变，间接求出岩体中的应力。第四节岩体初始应力的量测方法具体测试步骤如下：（1）用76mm金刚石空心钻头钻孔至预定深度，取出岩芯。（2）钻杆上改装磨平钻头将孔底磨平、打光，冲洗钻孔，用热风吹干，再用丙酮擦洗孔底。（3）将环氧树脂粘结剂涂到孔底和应变传感器探头上，用安装器将传感器粘贴在孔底。经20h后，测取初始应变读数。（4）用空心金刚石套孔钻头钻进，深度为岩芯直径的2倍，并取出岩芯。（5）测量解除后的应变值，测定岩石的弹性模量第四节岩体初始应力的量测方法求岩体应力步骤：由孔底应变计算出孔底平面应力；利用孔底应力与岩体应力之间的关系计算出岩体应力分量根据实验研究和有限元分析对孔底应力加以校正单一钻孔孔底应力解除法，只有在轴线与一个岩体的主应力方向平行的情况下，才能测得另外两个主应力的大小和方向。

三个钻孔相互斜交或正交，测量三维状态下岩体中任一点的应力状态第四节岩体初始应力的量测方法（二）孔壁应变法

孔壁应变法是在钻孔壁上粘贴三向应变计，通过测量应力解除前后的应变，来推算岩体应力，利用单一钻孔可获得一点的空间应力分量。具体测试步骤：用90mm金刚石空心钻头钻孔，磨平孔底用36mm金刚石钻头在大孔中心钻450mm长小孔，清洗孔壁将三向应变计装在安装器上，送入小孔中，读数，封孔用90mm空心套钻惊醒应力解除取出岩芯，拔出封孔栓，测量应力解除后的应变值第四节岩体初始应力的量测方法孔壁应变法特点：

只需打一个钻孔

测试工作量小

精度高

适用于整体性好的岩石

不适用于有地下水的场合第四节岩体初始应力的量测方法（三）孔径变形法

孔径变形法，是在岩体小钻孔中埋入变形计，测量应力解除前后的孔径变化量，来确定岩体应力的方法。孔径变形法的特点：零点稳定性好直线性、重复性和防水性较好实用性强，操作简便，能测量应变全过程应力解除岩芯较长不宜在破碎的岩层中应用第四节岩体初始应力的量测方法三、应力恢复法应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前，此法仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用本方法较为方便。

第四节岩体初始应力的量测方法四、声发射法材料在受到外载荷作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，从而发出声响，称为声发射凯泽效应：

多金属的应力从其应力最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射第四节岩体初始应力的量测方法测试步骤：（1）试件制备

从现场钻孔提取岩石试样，将试样加工成圆柱体试件，径高比为1:2~1:3。

试件两端浇铸由环氧树脂或其他复合材料制成的端帽。（2）声发射测试

将试件放在但压缩试验机上加压，并同时监测加压过程中从试件中产生的声发射现象。

凯泽效应一般发生在加载初期，故加载系统应选用小吨位的应力控制系统，并保持加载速率恒定（3）计算地应力

由声发射监测所获得的应力—声发射事件数曲线，即可确定每次实验的凯泽点，并进而确定该试件轴线方向先前受到的最大应力值。第四节岩体初始应力的量测方法修正岩体非线性、不连续性、不均质性和各向异性的影响的主要方法：岩体非线性的影响及其正确的岩体弹性模量和泊松比确定方法建立岩体不连续性、不均质性和各向异性模型并运用相应程序计算地应力根据岩体力学实验确定的现场岩体不连续性、不均质性和各向异性修正测量应变值用数值分析方法修正岩体不连续性、不均质性和各向异性和非线性弹性的影响第四节岩体初始应力的量测方法第五节高应力地区主要岩体力学问题一、研究高地应力问题的必要性研究地应力是研究岩体力学不可缺少的一部分。岩体力学跟其他力学学科的根本区别在于岩体中具有初始地应力。岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力的传播规律都随地应力的变化而变化。随着我国中西部的开发，在高应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题提出了新课题。第五节高应力地区主要岩体力学问题二、高应力判别准则和高应力现象1、高应力判别准则高地应力是一个相对的概念，当围岩内部的围岩强度σc与最大地应力σmax的比值（称围岩强度比）达到某一水平时，才能称为高地应力或极高地应力。以围岩强度比为指标的地应力分级标准极高地应力高地应力一般地应力法国隧道协会<22~4>4《工程岩体分级标准》(GB50218-94)<44~7>7日本新奥法指南(1996年)<44~6>6日本仲野分级方法<22~4>4高和极高地应力岩体在开挖中出现的主要现象应力情况主要现象Rc/σmax极高应力1、硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差；基坑有剥离现象，成形性差

2、软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞；基坑发生显著隆起或剥离，不易成形Rc/σmax<4高应力1、硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差；基坑时有剥离现象，成形性一般尚好

2、软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间较长，成洞性差；基坑有隆起现象，成形性较差4~7第五节高应力地区主要岩体力学问题第五节高应力地区主要岩体力学问题2、高地应力现象岩心饼化现象。饼化岩心中间厚，四周薄，断口新鲜；饼的厚度随岩芯直径和地应力的增大而增大。从岩石破裂成因来分析，岩芯饼化是剪胀破裂产物。除此之外，还能发现钻孔缩颈现象。岩爆。岩爆是岩石被挤压到弹性限度，岩体内积聚的能量突然释放所造成的一种岩石破坏现象。探洞和地下隧洞的洞壁产生脱离。第五节高应力地区主要岩体力学问题岩石基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象。在岩体中，如有软弱夹层，则会在基坑斜坡上出现回弹错动现象。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。由于高地应力的存在，致使岩体的声波速度、弹性模量等参数增高，甚至比实验室无应力状态岩块测得的参数高。野外原位变形测试曲线的形状也会变化，在σ轴上有距三、岩爆及防治措施第五节高应力地区主要岩体力学问题1、岩爆类型破裂松脱型