岩体中的天然应力课件.ppt

1、第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力7.1 概概 述述7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征7.3 岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定一、定义一、定义1.天然应力天然应力(地应力、初始应力、原岩应力等）地应力、初始应力、原岩应力等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。人类工程活动之前存在于岩体中的应力。2.重分布应力重分布应力（二次分布应力、附加应力等）（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。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七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力二、天然

2、应力的组成及起源二、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)(zhgpwVhhVgh121拉张区挤压区第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力三、天然应力的研究历史与研究意义三、天然应力的研究历史与研究意义1.研究历史 世界上 :l1878年海姆提出天然应力l1932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l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）。中国：l20世纪5

3、0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）。 第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2.研究意义研究意义 n1）区域稳定 n2）地下洞室稳定 n3）边坡稳定 n4）地基岩体稳定第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力以东经100105o为界分东西两区。q 强度上：西强东弱（西高东低）q 方向上：西： NNE-SSW为主，东：近E-W。一、一、 分区性分区性（以中国为例）（以中国为例）7.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力西南：印度板块向NNE挤压（

4、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-SSEv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。l上覆岩体自重lV多为压应力lV多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力gh7 . 2V第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力二、二、铅直应力铅直应力 （ V）三、三、 水平应力（水平应力（ h）l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/v 0.8-3.0 ，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;l水平应力具有强烈的各向异性，即h1

5、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;l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。第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力四、天然应力比值系数四、天然应力比值系数 与深度与深度z 的关系的关系)15005 . 0()1003 . 0(zzhav定义定义：天然水平应力与铅直应力的比值为天然应力比值系数()，它随深度增加而减小。第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力五、主应力平面与

6、水平面的关系五、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：l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，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;l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。第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力六、高天然应力六、高天然应力l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； 饼状岩心； 水下开挖无水渗出。第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力七、影响天然应力的因素七、影响天然应力的因素

7、1.地形起伏la.水平应力向负地形集中，向正地形释放lb.在斜坡附近，应力方向发生偏转+ + + + + + + + + +h第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力0000gzgzh2.地表剥蚀地表剥蚀原地面原地面现地面现地面0zzzh0ohhzzzgzzgzggzzzgzggzh1)()1(1)(000000剥蚀第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力该式说明：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。zzgzzzzgh1 1)(000第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力3.结构面结构面1第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力4.岩体性质

8、岩体性质 硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反5.地下水地下水 产生渗流应力6.地温地温 产生温度应力自重应力理论自重应力理论地震震源机制解地震震源机制解地变形量测地变形量测天然应力测量天然应力测量大地水准测量大地水准测量三角网测量三角网测量GPS测量测量天然天然应力应力确定确定方法方法第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力VhhVgz121zhA一、根据自重应力理论确定岩体中的天一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力然应力地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面1 1、均质各向同性岩体、均质各向同性岩体第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力VhhniiiVEEgz|2111

9、hA11z22z33ziiz2 2、水平层状岩体、水平层状岩体第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力1|1hVhvEEVhVhVEEgz112|1hAz3、垂直层状岩体第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力1|1hVhvEE二、天然应力的量测天天然然应应力力的的量量测测方方法法水压致裂法水压致裂法应力恢复法（扁千斤顶法）应力恢复法（扁千斤顶法）套芯应力解除法套芯应力解除法光弹法光弹法声发射法声发射法X射线法射线法第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力1、水压致裂法原理：原理：n水压致裂法是把高压水泵入到由栓塞隔开的试段中。当钻孔试段中的水压升高时，钻孔孔壁的环向压应力降

10、低，并在某些点出现拉应力。随着泵入的水压力不断升高，钻孔孔壁的拉应力也逐渐增大。当钻孔中水压力引起的孔壁拉应力达到孔壁岩石抗拉强度t时，就在孔壁形成拉裂隙。若设形成孔壁拉裂隙时，钻孔的水压力为pc1，拉裂隙一经形成后，孔内水压力就要降低，然后达到某一稳定的压力ps，称为“封井压力”。这时，如人为地降低水压，孔壁拉裂隙将闭合，若再继续泵入高压水流，则拉裂隙将再次张开，这时孔内的压力为pc2(图7-3)。tpc1pS pc2p0水压力随时间的变化曲线tpc1pS pc2p0假设：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

11、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: gzminmax,hhmaxmin3hhA1maxmin3cthhpA取取“”AAmaxhminh第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力维持破裂展开，又不继续发展的条件为 联立上两式有而：因此，可得测点的天然应力为21cctppshpmin2max3cshppminhspshpmin1max3ctshppshpmin2max3cshppgzv第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力破裂平行于 ，垂直于 ，破裂方向由压痕，井下电视确定。maxhminh优点：测深大，z可达数百米，目前

12、最深达5108米；施工技术简单，不需要应力计等仪器。方向方向：据岩体破裂方向确定：据岩体破裂方向确定第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力千斤顶油泵时间千斤顶压力 pc测点分离值 d0 d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 ；R2、应力恢复法（扁千斤顶法）第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力重复 测量另一个方向的 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:RwhRwv83818183vRWh第七章第七章 岩体中的天然

13、应力岩体中的天然应力3、钻孔套芯应力解除法基本原理+ + + + + +vh1h2h仪器h套芯解除钻孔钻孔同心套钻同心套钻放放应变计应变计应力解除应力解除应力计算应力计算位移恢复位移恢复第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力设天然应力为水平应力场设天然应力为水平应力场cubuau113x45452cos(2)()3131maERu2cos(2)(2sin)31(2)31(2cos)31(2)31(cos)180cos(,sin)90cos()90(2cos(2)()45(2cos(2)(2cos(2)()3131)3131)3131)3131mcmcmbmaERuEmRubEmRuaE

14、RuERuERu计算公式：计算公式：应变计互成45，据上式有第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力用消元法解三元一次方程，得用消元法解三元一次方程，得：应变计互为应变计互为60时时，可按下列公式计算可按下列公式计算cacabcbbacacbbacauuuuutguuuuuuREuuuuuuRE22)()(214)()(214223221）cbacbaccbbacbaaccbbacbauuuuutguuuuuuuuuREuuuuuuuuuRE(2(32)()()(216)()()(21622232221cubuau113x6060第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力选点、钻孔：

15、130cm ，深度一般小于30m ;在孔底打一测量孔：36cm，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：在应力解除过程中，测记应变计读数，至应变完全解除为止；折断岩心，在室内求取岩石的Em;按前述公式求解：天然应力hmax， hmin测量步骤：测量步骤：第七章第七章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力优点优点：能较准确地量测出岩体中的天然应力：能较准确地量测出岩体中的天然应力 缺点缺点：只能量测浅部（：只能量测浅部（30米以内天然应米以内天然应力力 ，深度大了，套钻技术难度大、精度，深度大了，套钻技术难度大、精度低。低。第七章第七章 岩体中的天然应力岩

16、体中的天然应力第七章复习思考题第七章复习思考题n1、 研究岩体中的天然应力具有什么工程意义？研究岩体中的天然应力具有什么工程意义？ n2、岩体天然应力得分布特征如何？、岩体天然应力得分布特征如何？ n3、岩体天然应力的各种量测方法，各有什么特、岩体天然应力的各种量测方法，各有什么特点？点？ n4、在什么情况下，可以按自重应力理论计算天、在什么情况下，可以按自重应力理论计算天然应力？然应力？ n5、某岩体，在深度、某岩体，在深度100m内，密度为内，密度为2.54g/cm3，在深度，在深度100200m内，密度为内，密度为2.71g/cm3，天然应力比值系数为，天然应力比值系数为1.89，试按，

17、试按自重应力理论计算深度自重应力理论计算深度50m、150m处的天然应处的天然应力大小？力大小？ n1、 岩体n2、 弹性n3、 脆性n4、 三轴抗压强度n5、 抗压强度n6、 抗拉强度n7、 抗剪强度n8、 莫尔强度理论n9、 强度判据n10、稳定性系数n11、蠕变n12、残余强度n13、天然应力n14、剪切刚度n15、强度理论n16、剪切刚度n17、八面体强度理论 n18、极限强度n19、 蠕变n20、 孔隙比n21、 法向刚度n22、 围岩应力n23、 软化系数n24、 变形模量n25、 n26、 长期强度n27、 围岩n28、 主应力n29、 主平面n30、 结构面n31、 滑坡n32

18、、 塑性n33、 n34、 变形模量n35、 弹性模量n36、 动弹性模量n37、 天然应力n38、 强度曲线n39、 内摩擦角n40、 切线模量n41、 岩体力学n42、 单轴抗压强度n43、 重分布应力n44、 围岩压力n45、 围岩抗力n46、 强度n47、 弹性极限n48、 强度极限 n49、 脆性破坏n50、 渗透系数n51、 软化系数n52、 割线模量n53、 爬坡角n54、 岩石吸水率n55、三轴强度n56、 尺寸效应n57、 应力集中系数n58、 初始模量n59、 抗冻系数n60、 岩爆n61、 泊松比n62、 强度包络线n63、 普氏系数n64、 自然平衡拱65、 RQDn66、 格里菲斯强度理论67、 单轴抗压强度68、 横波n69、 纵波n70、 围岩压力71、 饱和吸水率72、 法向刚度