第七章岩体中的天然应力

1、第七章 岩体中的天然应力,7.1 概 述 7.2 岩体天然应力的分布特征 7.3 岩体天然应力的确定,7.1 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。,7.1 概 述,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,7.1 概 述,三、天然应力的研究历史与研究意义 1.研究历史 世界上 : 1878年海姆提出天然应力 19

2、32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（美国密执安水压致法）。 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）。,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,7.2 岩体天然应力的分布特征,以东经100105o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）,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。 西南：印度板块向N

3、NE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：西伯利亚板块的阻挡 1迹线：N-NE-SSE,7.2 岩体天然应力的分布特征,板块运动,以东经100105o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。,二、铅直应力 （V） 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,7.2 岩体天然应力的分布特征,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/v0.8-3.0 ，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

4、强烈的方向性和各向异性，即h1 h2 ，我国华北hmin/ hmax0.2-0.8，华南hmin/ hmax0.3-0.75 。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。,三、 水平应力（ h）,7.2 岩体天然应力的分布特征,7.2 岩体天然应力的分布特征,岩体中天然应力常以水平应力为主，即h v 水平应力具有强烈的方向性和各向异性 水平天然应力以压应力为主,四、天然应力比值系数与深度z 的关系 定义：天然水平应力与铅直应力的比值为天然应力比值

5、系数 ，它 随深度增加而减小。,7.2 岩体天然应力的分布特征,五、应力轴与水平面的关系（天然应力状态） 据应力轴与水平面的关系，天然应力状态划分为： 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，他的三个应力轴与空间坐标一致。地壳表层分布广泛，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045 左右，分布于板块边缘。,7.2 岩体天然应力的分布特征,六、高天然应力的标志： 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； 饼状岩芯； 水下开挖无水渗出； 隧道、巷道、钻孔的缩径现象。

6、,7.2 岩体天然应力的分布特征,七、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,7.2 岩体天然应力的分布特征,该式说明：剥蚀后，岩体中一点 增大了，当Z大到一定的情况下，必有1的情况出现;,2.地表剥蚀,7.2 岩体天然应力的分布特征,3.结构面 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,7.2 岩体天然应力的分布特征,7.3 岩体天然应力的确定,天然应力确定方法,一、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,2、水平层状岩体,1

7、、均质各向同性岩体,7.3 岩体天然应力的确定,3、垂直层状岩体,如果除自重应力外，还有渗流应力、地温应力等时，分别叠加即为天然应力。,7.3 岩体天然应力的确定,7.3 岩体天然应力的确定,二、天然应力的量测,天然应力的量测方法,7.3 岩体天然应力的确定,1、水压致裂法,水压力随时间的变化曲线,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，AA两点的应力为： ，在水压力作用下，钻壁产生拉破裂的条件为:,7.3 岩体天然应力的确定,维持破裂展开，又不继续发展的条件为 联立上两式有 而

8、： 因此，可得测点 的天然应力为,7.3 岩体天然应力的确定,方向：据岩体破裂方向确定,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。,7.3 岩体天然应力的确定,2、应力恢复法（扁千斤顶法）,步骤：,在岩壁上选择测点，固定A、B两点。d15厘米； 刻槽 应力释放、变形 d0 d; 安装扁千斤顶; 加压 应力恢复 d d0，到d=d0时的千斤顶压力即为 ；,7.3 岩体天然应力的确定,重复 测量一个方向的 W ； 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：,7.3 岩体天然应力的确定,3、钻孔套芯应力解除法钻孔套芯应力解除法： 基本原理,钻孔,7.3 岩体天然应力的确定,设天然应力为水平应力场，在其中打一钻孔,计算公式：应变计互成45，据上式有,7.3 岩体天然应力的确定,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,7.3 岩体天然应力的确定,.选点; .钻孔： 130mm ，深度一般小于30m ; .在孔底打一测量孔：36mm，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