2011年修改第4章之一.pptVIP

第4章 巖體的地應(yīng)力及其測(cè)定方法,授課內(nèi)容: 1、概述 2、地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律 3、高地應(yīng)力區(qū)特征 4、地應(yīng)力測(cè)試方法,一、初始應(yīng)力的概念與意義,意義 （1）工程穩(wěn)定性分析的原始參數(shù)。 （2）確定開挖方案與支護(hù)設(shè)計(jì)的必要參數(shù)。,初始應(yīng)力：天然狀態(tài)下巖體內(nèi)的應(yīng)力，人類工程活動(dòng)之前就存在于巖體中的應(yīng)力，又稱地應(yīng)力、原巖應(yīng)力。 因素：自重 地質(zhì)構(gòu)造 地形地貌 地震力 水壓力 地?zé)帷?第一節(jié) 概述,重分布應(yīng)力:由于工程活動(dòng)改變了的巖體中的應(yīng)力。又稱二次分布應(yīng)力、附加應(yīng)力等。 天然應(yīng)力， 開挖洞室后的應(yīng)力場(chǎng)，為重分布 在附近開挖第 二個(gè)洞室，則視前一個(gè)洞室 沒有工程活動(dòng) 應(yīng)力，與天然應(yīng)力有所改變 開挖后的應(yīng)力場(chǎng)為天 然應(yīng)力，第二個(gè)洞室 開挖后的應(yīng)力場(chǎng)為重分布 應(yīng)力,二、天然應(yīng)力的組成,天然應(yīng)力一般由以下幾部分組成： 由巖體自重引起的自重應(yīng)力 由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的構(gòu)造應(yīng)力 由流體作用引起的滲流應(yīng)力 其它（如，地溫引起的溫差應(yīng)力、地球化學(xué)作用引起的化學(xué)應(yīng)力等）,三、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義,1、研究歷史 （1）世界上 1878年海姆提出天然應(yīng)力； l932年，在美國(guó)胡佛水壩下的隧道中，首次成功地測(cè)定了巖體中的天然應(yīng)力； 到目前天然應(yīng)力測(cè)點(diǎn)遍布全球，有幾十萬個(gè)測(cè)點(diǎn)。大部分是淺部，最深5108米（美國(guó)密執(zhí)安水壓致裂法）。 （2）中國(guó) 20世紀(jì)50年代末開始天然應(yīng)力量測(cè)，有幾萬個(gè)測(cè)點(diǎn)，最深的有3958米（天津大港）。,2、研究意義,（1）區(qū)域穩(wěn)定 任何地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)和強(qiáng)度，均取決于該地區(qū)巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)和巖體的力學(xué)性質(zhì)。從工程地質(zhì)觀點(diǎn)看，地震是各類現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的重要的地質(zhì)災(zāi)害。從巖體力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，地震是巖體中應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度而引起的斷裂破壞的一種表現(xiàn)。在一定的天然應(yīng)力場(chǎng)基礎(chǔ)上，常因修建大型水庫改變了地區(qū)的天然應(yīng)力場(chǎng)而引起水庫誘發(fā)地震。 （2）地下洞室穩(wěn)定 對(duì)于地下洞室而言，巖體中天然應(yīng)力是圍巖變形和破壞的力源。如果天然應(yīng)力分布不均勻，可能在洞頂拉裂掉塊，洞側(cè)壁內(nèi)鼓張裂和倒塌。,（3）邊坡穩(wěn)定 天然應(yīng)力狀態(tài)與巖體穩(wěn)定性關(guān)系極大，它不僅是決定巖體穩(wěn)定性的重要因素，而且直接影響各類巖體工程的設(shè)計(jì)和施工。越來越多的資料表明，在巖體高應(yīng)力區(qū)，地表和地下工程施工期間所進(jìn)行的巖體開挖，常常能在巖體中引起一系列與開挖卸荷回彈和應(yīng)力釋放相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象，使工程巖體失穩(wěn)。 （4）地基巖體穩(wěn)定 開挖基坑或邊坡，由于開挖卸荷作用，將引起基坑底部發(fā)生回彈隆起，并同時(shí)引起坑壁或邊坡巖體向坑內(nèi)發(fā)生位移。,二、初始應(yīng)力的組成與計(jì)算 1、巖體自重應(yīng)力場(chǎng),垂直應(yīng)力：,平均密度，KN/m3,側(cè)壓力：,H總深度（m）,側(cè)壓力系數(shù),的取值有4種可能,巖體自重垂直應(yīng)力,（1）巖體假定處于彈性狀態(tài),由,推出,得：,巖體由多層不同性質(zhì)巖層組成時(shí)(圖6-2),第j層應(yīng)力：,原始垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力：,（2）Heim假設(shè)（塑性狀態(tài)）,1878年瑞士地質(zhì)學(xué)家A.海姆(A.Heim)首先提出了地應(yīng)力的概念,并假設(shè)是一種靜水應(yīng)力狀態(tài).當(dāng)原始應(yīng)力超過一定的極限，巖體就會(huì)處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)。,（相當(dāng)于 ）,（3）巖體為理想松散介質(zhì)（風(fēng)化帶、斷層帶） 極限平衡情況下得,（4）當(dāng)松散介質(zhì)有一定粘聚力時(shí)，極限狀態(tài)下：,側(cè)壓力為：,注：當(dāng) 說明無側(cè)壓力,無側(cè)壓力深度,構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是指一定區(qū)域內(nèi)具有生成聯(lián)系的各種構(gòu)造形跡在不同部位應(yīng)力狀態(tài)的總體。因此它是空間和時(shí)間的函數(shù)，是隨構(gòu)造形跡的發(fā)生發(fā)展而變化的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，實(shí)際應(yīng)用中，可以近似地把構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)看成是不隨時(shí)間而變化，只隨空間而變化的應(yīng)力場(chǎng)。,2、巖體構(gòu)造應(yīng)力:,中國(guó)大陸板塊受到外部印度洋板塊和太平洋板塊兩塊板 快的推擠，速度為每年數(shù)厘米，同時(shí)受到了西伯利亞板 塊和菲律賓板塊的約束。,在這樣的邊界條件下，板塊發(fā)生變形，產(chǎn)生水平受壓應(yīng)力 場(chǎng)，其主應(yīng)力跡線如圖。,印度洋板塊和太平洋板塊的移動(dòng)促成了中國(guó)山脈的形成， 控制了我國(guó)地震的分布。,印度板塊向亞洲板塊俯沖，造成青藏高原快速隆升。 高原物質(zhì)向東緩慢流動(dòng)，在高原東緣沿龍門山構(gòu)造帶 向東擠壓，遇到四川盆地之下剛性地塊的頑強(qiáng)阻擋， 造成構(gòu)造應(yīng)力能量的長(zhǎng)期積累，最終在龍門山北川-映 秀地區(qū)突然釋放。,汶川大地震的成因,以2008年5月12日的汶川大地震為例,龍門山斷裂帶是一條特別大的裂縫，它綿延長(zhǎng)約500 公里，寬達(dá)70公里，規(guī)模巨大，沿著四川盆地西北 緣底部切過，位置十分特殊，地殼厚度在此陡然變 化，在其以西為60-70公里，以東則在50公里以下。,此處，雪山聳列，江河 縱橫，地形復(fù)雜，溝谷 交錯(cuò),不知道經(jīng)過了多少 次斷裂才形成了如此地 貌。,(2)地幔熱對(duì)流引起的應(yīng)力場(chǎng); 地下賦存著眾多的放射性物質(zhì)，由于放射性物質(zhì)的衰變和巖石物理化學(xué)狀態(tài)的改變，使巖層中積累了巨大的熱能，再加上上部巖石的巨大壓力，使地球內(nèi)部物質(zhì)具有了可塑性和流動(dòng)性。,由于各部分巖石性質(zhì)的不同，使溫度、壓力的分布不均衡，這樣重力作用下，地球內(nèi)部的塑性物質(zhì)就會(huì)象液體一樣發(fā)生對(duì)流。,地核中的高溫物質(zhì)上升到地幔，把熱量傳給地殼巖石，使高溫物質(zhì)發(fā)生水平向的移動(dòng)，帶動(dòng)地殼隨之移動(dòng)，引起地殼下面的水平切向應(yīng)力。當(dāng)冷卻后開始下沉?xí)r又會(huì)造成地殼下沉。下降部位同時(shí)會(huì)受到兩側(cè)來的壓力，使得地殼產(chǎn)生擠壓變形，形成褶皺。,地幔內(nèi)部進(jìn)行的熱對(duì)流循環(huán)作用，必然會(huì)使內(nèi)部物 質(zhì)產(chǎn)生分異現(xiàn)象，這種分異現(xiàn)象是長(zhǎng)期而緩慢進(jìn)行 著的，并引起了地殼的沉降運(yùn)動(dòng)，這種沉降會(huì)在不 同地區(qū)產(chǎn)生擠壓和引張，從而造成巖層的褶皺和破壞， 導(dǎo)致地震。,高溫物質(zhì)的對(duì)流運(yùn)動(dòng)需要積累相當(dāng)多的熱能，釋放一次后，要有一段時(shí)期再次積累，因此地幔中的對(duì)流作用在時(shí)間和空間上都是不連續(xù)的，使構(gòu)造運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)不連續(xù)性，有活躍期和寧靜期之分，統(tǒng)計(jì)，寧靜期延續(xù)的時(shí)間往往比活躍期長(zhǎng)數(shù)倍。這種構(gòu)造活動(dòng)的不連續(xù)性可能就是造成地震活動(dòng)出現(xiàn)活躍期和寧靜期的原因。,(3)巖漿浸入引起的應(yīng)力場(chǎng)；,巖漿浸入擠壓、冷凝收縮和成巖，均在周圍巖層中產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)。,(4)地溫梯度引起的應(yīng)力場(chǎng);,地層溫度隨著深度增加而升高，由于溫度梯度引起地層中不同深度產(chǎn)生相應(yīng)膨脹，引起地層中的正應(yīng)力。巖體局部寒熱不均，產(chǎn)生收縮和膨脹，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生局部應(yīng)力場(chǎng)。 一般地溫度： 巖體的體膨脹系數(shù) ，巖體彈模E=104MPa；地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為：,溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的1/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。,(5)地表剝蝕引起的應(yīng)力場(chǎng)。 地表因?yàn)閹r體風(fēng)化、侵蝕和雨水沖刷搬運(yùn)而產(chǎn)生剝蝕作用。剝蝕后，由于巖體內(nèi)顆粒結(jié)構(gòu)的變化和應(yīng)力松弛趕不上這種變化，導(dǎo)致巖體內(nèi)仍然存在著比由地層厚度所引起的自重應(yīng)力還要大得多的水平應(yīng)力值。,3、影響巖體初應(yīng)力狀態(tài)的其它因素 （1）地形-自重的減小或增大,圖地形對(duì)初應(yīng)力的影響,水平應(yīng)力向負(fù)地形集中，向正地形釋放，見下圖 在斜坡附近，應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，見下圖,（2）地質(zhì)條件對(duì)初應(yīng)力的影響。,圖 背斜褶曲對(duì)地應(yīng)力的影響,圖 斷層對(duì)地應(yīng)力的影響,第二節(jié) 巖體天然應(yīng)力的分布特征,一、中國(guó)天然應(yīng)力的分區(qū)性 中國(guó)板塊處在四大板塊環(huán)繞中，西南面受 印度板塊向NNE擠壓（5mm/a），東面受 太平洋板塊向W俯沖（1cm/a），南面受菲律賓板塊向N俯沖，北面受 西伯利亞板塊阻擋。如下圖：,在它們碰撞擠壓下，形成了中國(guó)大陸巖體中的天然應(yīng)力，大致可以以東經(jīng)100105為界分東西兩區(qū)。東西兩區(qū)的天然應(yīng)力特征差別很大。例如： （1）天然應(yīng)力強(qiáng)度：西強(qiáng)東弱（西高東低） （2）最大水平應(yīng)力方向：西區(qū)以 NNE-SSW為主，東區(qū)近E-W方向，如下圖：,二、鉛直應(yīng)力 鉛直應(yīng)力主要由上覆巖體自重構(gòu)成，因此可用下式估算： 因此，鉛直應(yīng)力隨深度的增加而線性增加。天然應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。鉛直應(yīng)力與埋藏深度關(guān)系的實(shí)測(cè)結(jié)果見圖。 鉛直應(yīng)力多為壓應(yīng)力，且鉛直應(yīng)力多為最小主應(yīng)力，少數(shù)為中間主應(yīng)力與最大主應(yīng)力。,實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力隨深度的變化,垂直應(yīng)力 隨深度線性增加。平均密度約為27KN/m3,三、水平應(yīng)力（) 1、巖體中天然應(yīng)力常以水平應(yīng)力為主，即 ，特別是 垂直 ,據(jù)統(tǒng)計(jì)資料： /垂直0.8-3.0 ，說明巖體中水平天然應(yīng)力主要受地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制; 2、水平應(yīng)力具有強(qiáng)烈的各向異性，即水平h1水平h2 ，我國(guó)華北水平hmin/水平hmax0.2-0.8，華南水平hmin/水平hmax0.3-0.75 。原因a.巖體各向異性;b.構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的方向性; 3、水平天然應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且是以一向壓，一向拉多見。另外在地表卸荷帶影響區(qū)，也可能出現(xiàn)水平應(yīng)力為拉應(yīng)力的現(xiàn)象。,二、水平應(yīng)力隨深度的變化,平均水平應(yīng)力隨深度而增加,四、天然應(yīng)力比值系數(shù)與深度z 的關(guān)系 1、定義：天然水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力的比值為天然應(yīng)力比值系數(shù)。 2、特點(diǎn)：天然應(yīng)力比值系數(shù)隨深度增加而減小。見右下圖。,返回,1、地應(yīng)力是一個(gè)具有相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)； 2、實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量； 3、水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力； 4、平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加而減?。?5、最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力也隨深度增加而增長(zhǎng)； 6、最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之