6巖體天然應力

1、2021-6-14巖石力學與工程1第第6章章 巖體天然應力巖體天然應力 6.1 概概 述述 6.2 巖體中天然應力的分布規(guī)律巖體中天然應力的分布規(guī)律 6.3 巖體天然應力測量巖體天然應力測量 6.4 巖體中天然應力的估算巖體中天然應力的估算 6.5 巖體天然應力場的回歸分析巖體天然應力場的回歸分析 6.6 高地應力的若干特征高地應力的若干特征2021-6-14巖石力學與工程2一、定義一、定義1.天然應力天然應力(地應力、初始應力等）人類工程活地應力、初始應力等）人類工程活動之前存在于巖體中的應力。動之前存在于巖體中的應力。2.重分布應力重分布應力（二次分布應力、附加應力等）（二次分布應力、附加

2、應力等）由于工程活動改變了的巖體中的應力。由于工程活動改變了的巖體中的應力。 重分布應力+ + + + + +天然應力 相對于第2洞室的天然應力2021-6-14巖石力學與工程31.研究歷史研究歷史 世界上世界上 :l1912年瑞士海姆提出天然應力年瑞士海姆提出天然應力l1926年前蘇聯(lián)金尼克提出了修正海姆假設年前蘇聯(lián)金尼克提出了修正海姆假設l1932年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成功地測定了巖體中的天然應力功地測定了巖體中的天然應力l1958年首次證實了巖體中構造應力的存在。年首次證實了巖體中構造應力的存在。l到目前天然應力測點遍布全球，有幾十萬個測到

3、目前天然應力測點遍布全球，有幾十萬個測點。大部分是淺部，最深點。大部分是淺部，最深5108米（美國密執(zhí)安米（美國密執(zhí)安水壓致裂法）。水壓致裂法）。二、天然應力的研究歷史與研究意義二、天然應力的研究歷史與研究意義HvhHHhv1 ,2021-6-14巖石力學與工程41.研究歷史研究歷史 中國：中國： 50年代末開始天然應力量測，有幾萬個年代末開始天然應力量測，有幾萬個測點，最深的有測點，最深的有3958米（天津大港）。米（天津大港）。 二、天然應力的研究歷史與研究意義二、天然應力的研究歷史與研究意義2021-6-14巖石力學與工程52.研究意義 1）區(qū)域穩(wěn)定）區(qū)域穩(wěn)定 2）地下洞室穩(wěn)定）地下洞室

4、穩(wěn)定 3）邊坡穩(wěn)定）邊坡穩(wěn)定 4）地基巖體穩(wěn)定）地基巖體穩(wěn)定二、天然應力的研究歷史與研究意義二、天然應力的研究歷史與研究意義2021-6-14巖石力學與工程6三、天然應力的組成及起源三、天然應力的組成及起源1.組成組成： 巖體自重巖體自重自重應力自重應力 構造運動構造運動構造應力構造應力流體作用流體作用滲流應力滲流應力 其它其它（地溫（地溫、地球化學作用等）地球化學作用等）)(zhgpwVhhVgh121拉張區(qū)擠壓區(qū)2021-6-14巖石力學與工程7三、天然應力的組成及起源三、天然應力的組成及起源2.起源起源 地殼板塊運動及其相互擠壓地殼板塊運動及其相互擠壓 地幔熱對流地幔熱對流 地球重力地球

5、重力 巖漿侵入（巖漿侵入（是一局部應力場是一局部應力場） 地溫梯度（地溫梯度（也會產生局部應力場也會產生局部應力場） 地表剝蝕地表剝蝕2021-6-14巖石力學與工程8以東經以東經100100105105o o為界分東西兩區(qū)。為界分東西兩區(qū)。q 強度上：西強東弱（西高東低）強度上：西強東弱（西高東低）q 方向上：西：方向上：西： NNE-SSWNNE-SSW為主，東：近為主，東：近E-WE-W。地殼板塊運動及其相互擠壓地殼板塊運動及其相互擠壓（以中國為例）（以中國為例）2021-6-14巖石力學與工程9西南西南：印度板塊向：印度板塊向NNE擠壓（擠壓（5mm/a）東東：太平洋板塊向：太平洋板塊

6、向W俯沖（俯沖（1cm/a）南南：菲律賓板塊向：菲律賓板塊向N俯沖俯沖北北：西伯利亞板塊阻：西伯利亞板塊阻擋擋 1跡線跡線：N-NE-SSEv中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠壓，形成了中國大陸巖體中的天然應力。壓，形成了中國大陸巖體中的天然應力。2021-6-14巖石力學與工程106.2 巖體中天然應力的分布規(guī)律巖體中天然應力的分布規(guī)律1.地殼中主應力以壓應力為主，方向基本地殼中主應力以壓應力為主，方向基本上是垂直和水平的。上是垂直和水平的。2.天然應力場是一個具有相對穩(wěn)定性的非天然應力場是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應力場，是時間和空間的函數穩(wěn)定應力

7、場，是時間和空間的函數2021-6-14巖石力學與工程116.2 巖體中天然應力的分布規(guī)律巖體中天然應力的分布規(guī)律3.垂直天然應力隨深度呈線性增長垂直天然應力隨深度呈線性增長上覆巖體自重上覆巖體自重 V多多為壓應力為壓應力 V多為最小主應力，多為最小主應力，少數為中間主應力少數為中間主應力與最大主應力與最大主應力gh7 . 2v2021-6-14巖石力學與工程124.水平天然應力（水平天然應力（ h）分布比較復雜分布比較復雜水平天然應力以壓應力為主水平天然應力以壓應力為主，僅在一些裂谷，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應力。區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應力。l大部分巖體中的水平應力大于垂直應力大部分巖體中的水

8、平應力大于垂直應力，即h v，特別是 hmax v l巖體中兩個水平應力巖體中兩個水平應力 hmax 和和 hmin 通常不相等通常不相等, hmin/ hmax0.2-0.8。具有強烈的各向異性。在單薄的山體、谷波附近以及未受構造變動的巖體中，天然水平應力均小于天然垂直應力。6.2 巖體中天然應力的分布規(guī)律巖體中天然應力的分布規(guī)律2021-6-14巖石力學與工程135.天然水平應力與垂直應力的比值天然水平應力與垂直應力的比值)15005 . 0()1003 . 0(zzhav稱為稱為天然應力比值系數()，隨深度增加而減小。6.2 巖體中天然應力的分布規(guī)律巖體中天然應力的分布規(guī)律2021-6-

9、14巖石力學與工程146.一個相當大的區(qū)域內，最大主應力方向是相對一個相當大的區(qū)域內，最大主應力方向是相對穩(wěn)定的穩(wěn)定的7.區(qū)域構造場常決定局部點的主應力區(qū)域構造場常決定局部點的主應力8.天然應力狀態(tài)一般處于三維狀態(tài)天然應力狀態(tài)一般處于三維狀態(tài) 水平應力場水平應力場 兩個應力軸近水平，或與水平兩個應力軸近水平，或與水平面夾角很小，另一應力軸近鉛直，三個應力軸面夾角很小，另一應力軸近鉛直，三個應力軸與空間坐標一致，我國大陸范圍內屬這種應力與空間坐標一致，我國大陸范圍內屬這種應力場場; 非水平應力場非水平應力場水平應力與水平面夾水平應力與水平面夾45左右，左右，另一軸與水平面夾另一軸與水平面夾045

10、 左右，分布于板塊左右，分布于板塊邊緣。邊緣。6.2 巖體中天然應力的分布規(guī)律巖體中天然應力的分布規(guī)律2021-6-14巖石力學與工程15天天然然應應力力的的量量測測方方法法水壓致裂法水壓致裂法應力恢復法（扁千斤頂法）應力恢復法（扁千斤頂法）套芯應力解除法套芯應力解除法光彈法光彈法聲發(fā)射法聲發(fā)射法X射線法射線法2021-6-14巖石力學與工程16千斤頂油泵時間千斤頂壓力 pc測點分離值 d0 d步驟：在巖壁上在巖壁上選擇測點選擇測點，固定，固定A、B兩點。兩點。d015cm刻槽刻槽 應力釋放、變形應力釋放、變形 d0 d;安裝扁千斤頂安裝扁千斤頂;加壓加壓 應力恢復應力恢復 d d0時的千斤頂

11、壓力即為時的千斤頂壓力即為 R1 1、應力恢復法（扁千斤頂法）、應力恢復法（扁千斤頂法）2021-6-14巖石力學與工程17重復重復 測量另一個方向的測量另一個方向的 W ;計算天然應力計算天然應力:假定天然應力為水平應力場假定天然應力為水平應力場,當測得側壁應力當測得側壁應力 R和底板應力和底板應力 W 時時,則有則有:RwhRwv83818183vRWh2021-6-14巖石力學與工程182、鉆孔套芯應力解除法基本原理+ + + + + +vh1h2h儀器h套芯解除鉆孔鉆孔同心套鉆同心套鉆放放應變計應變計應力解除應力解除應力計算應力計算位移恢復位移恢復2021-6-14巖石力學與工程19設

12、天然應力為水平應力場設天然應力為水平應力場（即按照平面應力問題考慮）（即按照平面應力問題考慮）cubuau113x45452cos(2)()3131mUER2cos(2)(2sin)31(2)31(2cos)31(2)31(cos)180cos(,sin)90cos()90(2cos(2)()45(2cos(2)(2cos(2)()31310)31310)3131)3131mcbamcmbmaERUEmRUEmRUERUERUERU計算公式：計算公式：應變計互成45，據上式有2021-6-14巖石力學與工程20用消元法解三元一次方程，得用消元法解三元一次方程，得：應變計互為應變計互為60時時，

13、可按下列公式計算可按下列公式計算cacabcbbacacbbacaUUUUUtgUUUUUUREUUUUUURE22)()(214)()(214223221）cbacbaccbbacbaaccbbacbaUUUUUtgUUUUUUUUUREUUUUUUUUURE(2(32)()()(216)()()(21622232221cubuau113x60602021-6-14巖石力學與工程21h選點、鉆孔：選點、鉆孔：130cm ，深，深度一般小于度一般小于30m ;在孔底打一測量孔：在孔底打一測量孔：36cm，深度一般深度一般50cm，并洗干凈；，并洗干凈；安裝應變計：并與應變儀連安裝應變計：并與應

14、變儀連接，測記穩(wěn)定初始讀數；接，測記穩(wěn)定初始讀數；套鉆解除：在應力解除過程套鉆解除：在應力解除過程中，測記應變計讀數，至應中，測記應變計讀數，至應變完全解除為止；變完全解除為止；折斷巖心，在室內求取巖石折斷巖心，在室內求取巖石的的Em;按前述公式求解：天然應力按前述公式求解：天然應力 hmax， hmin測量步驟：測量步驟：2021-6-14巖石力學與工程22優(yōu)點優(yōu)點：能較準確地量測出巖體中的天然應力：能較準確地量測出巖體中的天然應力 缺點缺點：只能量測淺部（：只能量測淺部（30米以內天然應米以內天然應力力 ，深度大了，套鉆技術難度大、精度，深度大了，套鉆技術難度大、精度低。低。2、鉆孔套芯應

15、力解除法、鉆孔套芯應力解除法2021-6-14巖石力學與工程23AAmaxhminh3 3、水壓致裂法、水壓致裂法tpc1pS pc2p0水壓力隨時間的變化曲線2021-6-14巖石力學與工程24tpc1pS pc2p0假設：假設：天然應力場鉛直應力天然應力場鉛直應力鉆孔假設在均質、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體鉆孔假設在均質、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體中中 的一個小圓孔。水平應力為的一個小圓孔。水平應力為 ，根，根據彈性理論中的柯西解據彈性理論中的柯西解 ，未加水壓力時，未加水壓力時，AA兩點的應力為：兩點的應力為： ， 在水壓力在水壓力作用下，鉆壁產生拉破裂的條件為作用下，鉆壁產生拉破裂的條件

16、為: gzminmax,hhmaxmin3hhA1maxmin3cthhpA取取“”AAmaxhminhA2021-6-14巖石力學與工程25維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為 聯(lián)立上兩式有聯(lián)立上兩式有而：而：因此，可得測點因此，可得測點的天然應力為的天然應力為21cctppshpmin2max3cshppminhspshpmin1max3ctshppshpmin2max3cthppgzv2021-6-14巖石力學與工程26破裂平行于破裂平行于 ，垂直于，垂直于 ，破裂方向，破裂方向由壓痕，井下電視確定。由壓痕，井下電視確定。maxhminh優(yōu)點：測深大，測深

17、大，z可達數百米，目前最深達可達數百米，目前最深達5108米；施工技術簡單，不需要應力計等儀米；施工技術簡單，不需要應力計等儀器。器。方向方向：據巖體破裂方向確定：據巖體破裂方向確定2021-6-14巖石力學與工程271.垂直天然應力估算垂直天然應力估算zhAgzV地質構造簡單、地層平緩地質構造簡單、地層平緩正斷層時：正斷層時：逆斷層時：逆斷層時：gZv1gZv32021-6-14巖石力學與工程280000gzgzh2.水平天然應力估算水平天然應力估算原地面原地面現(xiàn)地面現(xiàn)地面0zzzh0ohhzzzgzzgzggzzzgzggzh1)()1(1)(000000剝蝕2021-6-14巖石力學與工

18、程29該式說明：剝蝕后，巖體中一點 增大了，當Z大到一定值時，必有1的情況出現(xiàn)。zzgzzzzgh1 1)(0002021-6-14巖石力學與工程30標志標志 巖芯餅化現(xiàn)象；巖芯餅化現(xiàn)象； 開挖洞室時，常產生巖爆、剝離；開挖洞室時，常產生巖爆、剝離； 收斂變形大，使開挖斷面變小收斂變形大，使開挖斷面變小-縮頸；縮頸； 軟弱夾層內的物質被擠出，節(jié)理閉合軟弱夾層內的物質被擠出，節(jié)理閉合-回彈錯動；回彈錯動； 水下開挖無水滲出。水下開挖無水滲出。2021-6-14巖石力學與工程312021-6-14巖石力學與工程32高地應力判別準則（重點）（1 1）目前國際國內無統(tǒng)一的標準。）目前國際國內無統(tǒng)一的標準。（2 2）國內一般巖體工程以初始地