第六章巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)

1、原巖：原巖：未經(jīng)工程開挖而又不受開挖影響仍處于自然平衡狀態(tài)的巖體，稱為原巖。 原巖應(yīng)力：原巖應(yīng)力：原巖中天然賦存的應(yīng)力稱為原巖應(yīng)力，又稱為初始應(yīng)力或地應(yīng)力。圍巖：圍巖：受工程開挖影響應(yīng)力發(fā)生重新分布的巖體。圍巖應(yīng)力：圍巖應(yīng)力：洞室開挖后，周圍巖體失去原來的支撐，開始向洞內(nèi)位移，引起洞周一定范圍內(nèi)巖體應(yīng)力改變，重新調(diào)整形成新的應(yīng)力，稱為圍巖應(yīng)力，也稱次生應(yīng)力或二次應(yīng)力。自重應(yīng)力：自重應(yīng)力：地殼上部各種巖體由于受到地心引力的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力。它是由巖體自重引起的。 6.1 幾個(gè)基本概念構(gòu)造應(yīng)力：構(gòu)造應(yīng)力：由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力?；虻貧ぶ虚L期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，

2、這就是構(gòu)造應(yīng)力。原巖應(yīng)力場：原巖應(yīng)力場：原巖應(yīng)力在巖體空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為原巖應(yīng)力場，又稱為初始應(yīng)力場。即未經(jīng)采動(dòng)的巖體在天然狀態(tài)下所具有的應(yīng)力狀態(tài)。構(gòu)造應(yīng)力場：構(gòu)造應(yīng)力場：構(gòu)造應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場。 原巖應(yīng)力原巖應(yīng)力自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力 迄今為止，對原巖應(yīng)力還無法進(jìn)行較完善的理論計(jì)算，而只能依靠實(shí)際測量來建立巖體中初始應(yīng)力狀態(tài)。在均勻巖體中，巖體的垂直應(yīng)力垂直應(yīng)力 z z等于上浮巖體的重量：iniizh 1 zz 6.2 巖體初始應(yīng)力場及其影響因素p6.2.1 巖體自重應(yīng)力場 若認(rèn)為巖體為均質(zhì)、連續(xù)且各向同性體，各巖體單元橫向變形為0，即x= y=0，則由

3、廣義胡克定律： 11xxyzyyzxEE 其中為側(cè)壓力系數(shù)，巖體（0.2-0.3），則（0.25-0.43）；另外， zzyx 1解上式得水平應(yīng)力水平應(yīng)力 x x、 y y為為：0 zxyzxy 巖體自重應(yīng)力隨著深度呈線性增加，淺部處于彈性狀態(tài)；超某一臨界深度（砂巖500m、花崗巖2500m），巖體處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)（開挖前為彈性，開挖后呈塑性），此時(shí)，其近于0.5，則近于1.0，巖體所受垂直與水平應(yīng)力相等，即靜水壓力狀態(tài)靜水壓力狀態(tài)，該現(xiàn)象瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆（A.Heim）1987年在研究阿爾卑斯山深大隧道時(shí)發(fā)現(xiàn)，稱為海姆假說海姆假說。構(gòu)造應(yīng)力：構(gòu)造應(yīng)力：由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)

4、生的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力；地質(zhì)構(gòu)造水平包括水平運(yùn)動(dòng)（造山運(yùn)動(dòng)）與垂直運(yùn)動(dòng)（造陸運(yùn)動(dòng)），水平運(yùn)動(dòng)如板塊移動(dòng)、碰撞，對巖體構(gòu)造應(yīng)力的形成起控制作用，即構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主。目前，構(gòu)造應(yīng)力尚無法用數(shù)學(xué)力學(xué)的方法分析計(jì)算，只能采用現(xiàn)場應(yīng)力量測方法求得，但構(gòu)造應(yīng)力的方向可根據(jù)地質(zhì)力學(xué)的方法加以判斷。例如，對于斷層、褶曲等一般認(rèn)為自重應(yīng)力是主應(yīng)力之一，另一主應(yīng)力與斷裂構(gòu)造系正交。p6.2.2 構(gòu)造應(yīng)力場正斷層：正斷層：1自重應(yīng)力， 3與斷層走向正交逆斷層：逆斷層：3自重應(yīng)力， 1與斷層走向正交平移斷層：平移斷層：2自重應(yīng)力， 1與斷層走向成3045夾角，且1與2均為水平方向，巖脈、褶曲巖脈、褶曲均可推斷構(gòu)造

5、應(yīng)力方向，見圖6-3。正斷層:上盤下降，下盤相對上升，多為張力和重力作用；逆斷層：上盤上升，下盤相對下降，多為水平擠壓作用。平移斷層：應(yīng)力是來自兩旁的剪切力作用，其兩盤順斷層面走向相對位移，而無上下垂直移動(dòng)。 除地質(zhì)構(gòu)造和自重應(yīng)力外，地形、地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、巖體力學(xué)性質(zhì)、水、溫度等。（一）地形（一）地形故，山峰處初始應(yīng)力低，溝谷處初始應(yīng)力高山峰處初始應(yīng)力低，溝谷處初始應(yīng)力高p6.2.3 影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的因素（二）地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)（二）地質(zhì)構(gòu)造形態(tài) 背斜褶曲背斜褶曲，兩翼自重應(yīng)力大，中部低承載拱受力特點(diǎn)；向斜褶曲，相反。 斷層斷層，楔體A產(chǎn)生卸荷作用，自重應(yīng)力降低；而楔體B產(chǎn)生加荷作用，自重應(yīng)力升

6、高。（三）巖體力學(xué)性質(zhì)（三）巖體力學(xué)性質(zhì) 堅(jiān)硬完整堅(jiān)硬完整（積聚大量應(yīng)變能）巖體，初始地應(yīng)力高；軟弱破碎軟弱破碎巖體，初始地應(yīng)力低； 耶格提出初始地應(yīng)力與巖體抗壓強(qiáng)度成正比；E大于50GPa， 1一般1030MPa， E小于10GPa， 1一般小于10MPa。（四）水（四）水 巖體裂隙或孔隙中的水，靜止時(shí)靜水壓力靜水壓力（地下水位的升降引起初始地應(yīng)力的減增），流動(dòng)時(shí)動(dòng)水壓力動(dòng)水壓力（給予周圍巖體動(dòng)水摩擦力和動(dòng)水流向應(yīng)力，增加初始應(yīng)力）。（五）溫度（五）溫度 巖漿侵入或者隨著深度的增加，溫度升高，使巖體膨脹，產(chǎn)生熱應(yīng)力熱應(yīng)力，增加初始應(yīng)力； 若地溫梯度=3C/100m，巖體熱膨脹系數(shù)約為10-5

7、，一般巖體彈性模量E=10GPa，則地溫引起的溫度應(yīng)力T約為： T =E Z=0.0310-5104 Z=0.003 Z MPa Z為研究點(diǎn)處的深度，m。 巖體的溫度是壓縮應(yīng)力（熱漲、巖體限制、受壓），隨深度增加而增加隨深度增加而增加。溫度應(yīng)力約為自重應(yīng)力的1/9左右，且呈靜水壓力狀態(tài)。 目前，原巖應(yīng)力實(shí)測深度達(dá)3000m。在這一深度內(nèi)，原巖應(yīng)力變化規(guī)律大致可歸納為以下幾點(diǎn)： 絕大多數(shù)地區(qū)為以水平應(yīng)力為主的三向不等壓且非穩(wěn)定（大小與方向隨空間與時(shí)間變化而變化）應(yīng)力場； 在某些地震帶，方向與大小隨時(shí)間變化而變化非常明顯，地震前應(yīng)力大小積累增大，地震中集中應(yīng)力釋放而大幅降低，而方向地震時(shí)明顯改變，

8、地震后慢慢調(diào)整后恢復(fù)地震前狀態(tài)。6.3 巖體初始應(yīng)力場的分布規(guī)律p6.3.1 巖體初始應(yīng)力場是時(shí)間與空間的函數(shù) 全世界實(shí)測V統(tǒng)計(jì)資料分析表明，深度252700m， V線性增加，大致為=27kN/m3計(jì)算的自重應(yīng)力，部分地區(qū)存在偏差（測量誤差、板塊移動(dòng)、巖漿侵入、擴(kuò)容、不均勻膨脹等）。 霍克（霍克（E.Hoek）與布朗）與布朗（E.T.Brown）p6.3.2 實(shí)測垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量 實(shí)測表明，大多地區(qū)兩個(gè)主應(yīng)力方向水平或接近水平，其與水平面夾角一般不大于30。最大水平主應(yīng)力h,max普遍大于垂直應(yīng)力v ，其比值一般為0.55.5，大多數(shù)情況，比值大于2。 h,max與h,min的算

9、術(shù)平均值h,av與v的比值一般為0.55.0，大多數(shù)為0.81.5。這說明在地殼淺部巖體平均水平應(yīng)力普在地殼淺部巖體平均水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力遍大于垂直應(yīng)力。 垂直應(yīng)力大多時(shí)為最小主應(yīng)力；少數(shù)時(shí)為中間主應(yīng)力；個(gè)別時(shí)為最大主應(yīng)力。這是由于構(gòu)造應(yīng)力這是由于構(gòu)造應(yīng)力主要以水平應(yīng)力為主主要以水平應(yīng)力為主。p6.3.3水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力 表6-1為世界部分國家水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值統(tǒng)計(jì)。 圖6-8為世界部分國家取得的實(shí)測結(jié)果。p6.3.4 平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值 隨深度增加而減小 圖6-8表明，深度不大的情況下， h,av/v的值相當(dāng)分散。隨著深度增加，該值的變化范圍逐步縮小，并趨近于l，

10、這說明在地殼深部有可能出現(xiàn)靜水壓力在地殼深部有可能出現(xiàn)靜水壓力狀態(tài)狀態(tài)。 霍克和布朗根據(jù)圖6-8所示結(jié)果回歸出以下公式：,10015000.30.5h avvHH式中，H為深度，m。 通過研究南部非洲、美國、日本、冰島及加拿大等地區(qū)的初始應(yīng)力量測結(jié)果，得到地殼內(nèi)水地殼內(nèi)水平應(yīng)力隨深度增加呈線性關(guān)系增大是普遍規(guī)律平應(yīng)力隨深度增加呈線性關(guān)系增大是普遍規(guī)律。 斯蒂芬森（O.Stephansson）等人根據(jù)實(shí)測結(jié)果給出了芬諾斯堪的亞古陸最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度H（m）變化的線性方程：,max,min6.70.0444()0.80.0329()hhHMPaHMPap6.3.5 水平主應(yīng)力隨深

11、度呈線性增加 一般，最小水平主應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力的比值相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性，其比值通常為0.20.8，多數(shù)情況為0.40.8 ，見表6-2。p6.3.6 兩個(gè)水平主應(yīng)力一般相差較大量測目的：量測目的：了解巖體中應(yīng)力的大小與方向，為巖體工程受力狀態(tài)及巖體支護(hù)與加固提供依據(jù)，也可預(yù)報(bào)巖體失穩(wěn)和巖爆發(fā)生；分為初始地應(yīng)力和地下工程應(yīng)力分布量測。量測方法：量測方法：一種是硐室表面測量，再把開挖擾動(dòng)考慮進(jìn)入（不準(zhǔn)確，甚至完全錯(cuò)誤；二是硐室表面打小孔進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)后小孔內(nèi)進(jìn)行測量，應(yīng)力解除法與水壓致裂法）。具體的方法：具體的方法：據(jù)量測原理的不同有應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力應(yīng)力解除法解除法、應(yīng)變恢復(fù)法應(yīng)變恢

12、復(fù)法、應(yīng)變解除法、水壓致裂法水壓致裂法、聲發(fā)射法聲發(fā)射法、X射線法、重力法共八類。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測方法1 1、基本原理、基本原理 對測試段鉆孔用特制封隔器密封起來，然后對密封段加高壓水直至孔壁巖石產(chǎn)生張裂隙。根據(jù)裂隙的方向及泵壓的大小分析確定原巖的應(yīng)力狀態(tài)。p水壓致水壓致裂裝置裂裝置封隔器封隔器鉆孔鉆孔高壓水高壓水p6.4.2 水壓致裂法2 2、基本假設(shè)、基本假設(shè) （1）一個(gè)主應(yīng)力方向是垂直的，其大小等于上覆巖層的自重應(yīng)力。而另外兩個(gè)主應(yīng)力是水平的，且破裂方向垂直于最小主應(yīng)力方向。 （2）巖體是均質(zhì)、各向同性的線彈性體。3 3、適用條件：、適用條件： 完整性好的脆性巖體。完整性好的脆

13、性巖體。4、測試步驟、測試步驟（1）打鉆孔并用封隔器密封待加壓段，鉆孔直徑與封隔器直徑一致，封隔器直徑有38mm，5lmm，76mm，9lmm，110mm，130mm等。封隔器是兩個(gè)膨脹橡膠塞，可用液體，也可用氣體進(jìn)行充壓。橡膠塞之間的封堵段長度為0.51.0m。（2）向隔離段注射高壓水，不斷加大水壓，至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力pi。（3）停止增壓，關(guān)閉高壓泵，壓力迅速下降，裂隙停止擴(kuò)展，并趨于閉合，當(dāng)壓力降到使裂隙處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)的平衡壓力，此時(shí)應(yīng)力稱為關(guān)閉壓力，記為ps；最后卸壓，使裂隙完全閉合。（4）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開并記下裂隙重開時(shí)的壓力pr和隨后的恒定關(guān)閉

14、壓力戶ps。這種卸壓-重新加壓的過程重復(fù)2-3次，以提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。上述步驟(2)、(3)記錄了壓力時(shí)間關(guān)系和流量時(shí)間關(guān)系，見圖6-10。初始開裂壓力pi關(guān)閉壓力ps裂隙重開時(shí)的壓力pr孔隙水壓力p0（5）將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設(shè)備從鉆孔中取出。（6）測量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗(yàn)段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小，測量可以采用井下攝影機(jī)、井下電視、井下光學(xué)望遠(yuǎn)鏡或印模器印模器。前三種方法代價(jià)昂貴，操作復(fù)雜，而印模器則比較簡便、實(shí)用。其結(jié)構(gòu)及形狀與封隔器相似，其外面包裹一層可塑性橡皮或類似材料，將其連同加壓管路一起送入水壓致裂部位，然后將印模加壓膨脹，使鉆孔上的所有節(jié)理裂隙均印在

15、印模器上。印模器裝有定向系統(tǒng)，以確定裂隙的方位，一般情況下，水壓致裂裂隙為水壓致裂裂隙為一組徑向相對的縱向裂隙一組徑向相對的縱向裂隙，很容易辨認(rèn)出來。5、水壓致裂法測定系統(tǒng)、水壓致裂法測定系統(tǒng)6、應(yīng)力計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算兩向受不相等的均布力1、2作用時(shí)的應(yīng)力分量： 2cos)31)(1(2)1(22222212221rrr 2cos)31 (2)1 (244212221rr 2sin)31)(1 (2222221rr 孔壁（孔壁（=r)應(yīng)力分量：應(yīng)力分量： 2cos)( 20, 02121 式中：為周邊一點(diǎn)與1的夾角。當(dāng)0o時(shí)，取極小值，此時(shí)123 2 （1）由彈性力學(xué)厚壁筒公式，在只受內(nèi)壓q1作用

16、：,1112222qrRR 1222211qrRR 若R,得到具有圓孔的無限大薄板，或具有圓形孔道的無限大彈性體，其解答為：,122qr 122qr 若 r,得到：,1q 1q 根據(jù)巖體力學(xué)應(yīng)力符號(hào)規(guī)定，得孔壁切向應(yīng)力：1q （2）p 當(dāng)鉆孔受水壓力P作用，且受水平原巖應(yīng)力1 、 2作用，鉆孔壁的最小切向應(yīng)力為式（1）與（2）的疊加：巖體破裂條件：t p 123 于是：于是：213itpp 式中pi為孔壁發(fā)生初始裂縫時(shí)的水壓力，t為封隔段巖石抗拉強(qiáng)度。 可見，當(dāng)水壓力達(dá)到pi時(shí)，孔壁將沿1的方位開裂。如果鉆孔中有裂隙水，其水壓力為P0，則：2103itpP（3）p 繼續(xù)注入高壓水，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)

17、展，當(dāng)裂隙深度達(dá)到3倍鉆孔直徑時(shí)，此處接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定(PS),則有：2 sP2103rpP 如果測出封隔段巖石抗拉強(qiáng)度t，即可由式（3）、（4）求出1和2。（4） 因此，在初始裂隙產(chǎn)生后，將水壓力卸除，使裂隙閉合，然后重新加壓，使裂隙重新打開，這時(shí)水壓力為pr，則有（5）由式（5）、（4）可求出1和2。 聯(lián)立解得：2 sP2103rpP（4）（5）2103itpP（3） A、 巖石抗拉強(qiáng)度：巖石抗拉強(qiáng)度：tirpp B、 最大水平應(yīng)力：最大水平應(yīng)力：1max03Hsitppp C、 最小水平應(yīng)力：最小水平應(yīng)力：sHp min2 可見，水壓致裂法只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)

18、的最大和最小主應(yīng)力，實(shí)際上是一種二維應(yīng)力測量方法。若要確定測點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)，必須打互不平行的交匯于一點(diǎn)的的三個(gè)鉆孔。這是非常困難的。7、水壓致裂法評價(jià)、水壓致裂法評價(jià) 優(yōu)點(diǎn)： 1、能測量深部巖體應(yīng)力（5000m）； 2、可以使用各種尺寸的勘探鉆孔，在勘探階段便可測定； 3、不需對鉆孔進(jìn)行應(yīng)力解除，不需精密的儀器； 4、不需要巖體彈性參數(shù)。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 1、假定鉆孔方向?yàn)橹鲬?yīng)力方法，因此，實(shí)測的三維主應(yīng)力是近似的。 2、設(shè)備笨重，鉆孔封隔加壓技術(shù)較復(fù)雜。1、基本原理、基本原理 地下某點(diǎn)的巖體處于三向壓縮狀態(tài)，如用人為的方法解除其應(yīng)力，必然發(fā)生彈性恢復(fù)，測定其恢復(fù)的應(yīng)變，利用彈性力學(xué)公式則可算出巖體

19、初始應(yīng)力。zzyyxxzyx ,解除應(yīng)力；彈性恢復(fù)，測出變形；根據(jù)變形，轉(zhuǎn)求應(yīng)力。p6.4.3 應(yīng)力解除法（1）已知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除）已知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除 如圖示平板：13, yx1 3 3 1 xy在受力狀態(tài)下，貼上應(yīng)變片此時(shí)：0, 013 yx卸去外力，變形恢復(fù)，此時(shí)：13, yx根據(jù)廣義虎克定律：根據(jù)廣義虎克定律：)(1311 E)(1133 E解得：解得：)(13121 E)(11323 E(1)p6.4.3 應(yīng)力解除法由彈性原理： 2sin2sincos22xyyx 式中：為x軸成角度方向的線應(yīng)變 。由上式可解得x,y,xy（2）未知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除）未知主應(yīng)力方向的應(yīng)力

20、解除1 2 3 xy1 2 3 1121212sin2sincos xyyx 2222222sin2sincos xyyx 3323232sin2sincos xyyx (2)p6.4.3 應(yīng)力解除法解得x,y,xy,可按下式求出主應(yīng)變1 2 和0221)2()2()(21xyyxyx yxxy 02tg223)2()2()(21xyyxyx 已知1,3,0 ,即可按(1)式求出主應(yīng)變1 ,3 。(3)p6.4.3 應(yīng)力解除法（3）應(yīng)變花種類應(yīng)變花種類 為計(jì)算方便，常把三個(gè)應(yīng)變片布置成如圖所示的形式。 即：等角應(yīng)變花、直角應(yīng)變花p6.4.3 應(yīng)力解除法A、直角應(yīng)變花直角應(yīng)變花1 00，2 45

21、0，3 90029045245090031)()(22)(21 90045900022tg 將x,y,xy 代入(3)式得：(4),0 x 2)(2145xyyx ,90y 將1,3,0 代入(1)式求出主應(yīng)變1 ,3 ： 29045245090031)()(1212 E(5)p6.4.3 應(yīng)力解除法B、等角應(yīng)變花等角應(yīng)變花100，2600，3120020120212060260012060031)()()(32)(31 由上式可解得x,y,xy ，并將其代入(3)式得：(7),0 x )33(4160 xyyx (6)33(41120 xyyx p6.4.3 應(yīng)力解除法將（7）式 代入(1)

22、式得： 20120212060260012060031)()()()1(32)1(3 E 注意：按上式方法計(jì)算得出的1 ，3 是平面狀態(tài)下（鉆孔斷面內(nèi)）的次主應(yīng)力，而不是該點(diǎn)的主應(yīng)力。 次主應(yīng)力：是某坐標(biāo)面內(nèi)兩個(gè)正應(yīng)力的極值，一般不等于主應(yīng)力；次主應(yīng)力面上仍有剪應(yīng)力；只有在三個(gè)正交的平面上的剪應(yīng)力都為零時(shí)，次主應(yīng)力才等于主應(yīng)力。(8)p6.4.3 應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法測定巖體應(yīng)力的步驟：1、打大孔至測點(diǎn)，磨平孔底。2、在孔底粘貼電阻應(yīng)變花探頭。3、解除應(yīng)力，測量其應(yīng)變。4、取出巖芯，測其彈性參數(shù)。5、計(jì)算巖體應(yīng)力。p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法對于等角應(yīng)變花，孔底平

23、面內(nèi)的應(yīng)力按下式計(jì)算：對于等角應(yīng)變花，孔底平面內(nèi)的應(yīng)力按下式計(jì)算： 1)22(311)22(31201206000120600Ex 1)22(311)22(31201206000120600Ey)()1(312060 Exyp6.4.3 應(yīng)力解除法- 孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法對于直角應(yīng)變花，孔底平面內(nèi)的應(yīng)力按下式計(jì)算：)11(2900900 Exx ,y ,z ,xy為孔底平面上開挖擾動(dòng)的次主應(yīng)力次主應(yīng)力。(9)(9)p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法孔底平面位置處的原巖應(yīng)力按下式經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：zyxxcba zyxycab xyxyd 式中：x，y，z為孔底的原巖應(yīng)力

24、。其中，a,b,c,d系數(shù)無理論解，只有通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值分析求得。不同的研究者給出不同的值，古德曼解值：(9)(9)027. 0423. 191. 0473. 0;15. 0085. 030. 12dcbap6.4.3 應(yīng)力解除法-孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法 孔底應(yīng)力解除法的評價(jià): 優(yōu)點(diǎn)：解除巖芯短，不需要打很長的套孔巖芯，適用于完整性差的巖體。 缺點(diǎn)：采用孔底應(yīng)力解除時(shí)，單孔不能確定巖體應(yīng)力的六個(gè)分量，必須進(jìn)行三孔測定，才能確定巖體的原巖應(yīng)力；另外，在用三個(gè)鉆孔測一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，孔底很難處在一個(gè)共面上，而影響測量結(jié)果；再之，無理論計(jì)算公式，只能用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算巖體的三維應(yīng)力。p6.4.3 應(yīng)

25、力解除法-孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法 孔徑變形法通過測定鉆孔孔徑變形求解巖體應(yīng)力，其應(yīng)力解除工序?yàn)椋?、打大孔至測點(diǎn)，磨平孔底。2、打同心小孔，安裝孔徑變形計(jì)探頭。3、延伸大鉆孔解除應(yīng)力，同時(shí)測量孔徑變形。4、取出巖芯，測其彈性參數(shù)E、。5、計(jì)算巖體應(yīng)力。p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔徑變形法孔徑變形法 假定孔徑變形計(jì)探頭的三個(gè)觸頭相對于巖體應(yīng)力1 的夾角為1、2、3，測得的孔徑變形分別為u1、u2、u3，孔壁徑向位移為其1/2。p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔徑變形法孔徑變形法 由彈性力學(xué)公式，在二向應(yīng)力1、3的作用下，無限大平板內(nèi)圓孔周邊徑向位移 u 的計(jì)算公式為： 2cos)(23131Ed

26、u平面應(yīng)力：平面應(yīng)變：1 3 2cos)(2)1 (31312Edu式中：d圓孔直徑；u圓孔周邊的徑向位移；u的方向與1的夾角。p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔徑變形法孔徑變形法當(dāng)1，2，3的間隔為600時(shí)，按下式計(jì)算巖體應(yīng)力： 如果（d)式成立，則1為1 與u1的夾角，否則為2 與u1的夾角。 上式中的K，對于淺孔，可作平面應(yīng)力問題處理，K=d/EK=d/E ；對于深孔，可作平面應(yīng)變問題處理，K=K=（1 12 2)d/E)d/E 。其中d為鉆孔直徑，為巖石的泊松比。(10)(10)p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔徑變形法孔徑變形法當(dāng)1，2，3的間隔為450時(shí)，按下式計(jì)算巖體應(yīng)力： 如果（d)式成立

27、，則1為1 與u1的夾角，否則為2 與u1的夾角。 上式中的K，對于淺孔，可作平面應(yīng)力問題處理，K=d/E ;對于深孔，可作平面應(yīng)變問題處理，K=（12)d/E .其中d為鉆孔直徑，為巖石的泊松比。(11)p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔徑變形法孔徑變形法 按上式計(jì)算得出的1 ， 2 是鉆孔斷面內(nèi)的次主應(yīng)力。 要確定一點(diǎn)的全應(yīng)力，必須向測點(diǎn)打三個(gè)不同方向的鉆孔，進(jìn)行同樣測定，然后再按最小二乘法求解。p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔徑變形法孔徑變形法 測試工序：測試工序： 孔壁應(yīng)變法是通過測定鉆孔孔壁的應(yīng)變求解巖體應(yīng)力的6個(gè)分量，其應(yīng)力解除工序與孔徑變形法相似：1、打大孔至測點(diǎn)，磨平孔底。2、打同心小孔

28、，安裝應(yīng)變花探頭。3、套孔解除應(yīng)力，超過小孔底部5cm,同時(shí)測量孔壁應(yīng)變。4、取出巖芯，測其彈性參數(shù)E、 。5、計(jì)算巖體應(yīng)力。p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法 應(yīng)變計(jì)探頭孔壁布置3個(gè)應(yīng)變花，每個(gè)應(yīng)變花由3個(gè)應(yīng)變片組成，采用直角應(yīng)變花形式?？妆趹?yīng)變花布置：孔壁應(yīng)變花布置：p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法 一個(gè)無限體的鉆孔，受到無限遠(yuǎn)處的三維應(yīng)力場（原巖應(yīng)力場x、y、z、xy 、 yz 、zx )作用時(shí)，孔邊圍巖應(yīng)力（ r、z、r 、z、rz，采用柱坐標(biāo)，柱坐標(biāo)的z軸和直角坐標(biāo)的z軸相一致）分布公式為：鉆孔圍巖應(yīng)力分布公式：鉆孔圍巖應(yīng)力分布公式：p6.4.3 應(yīng)力解除法

29、-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法 2sin)341 (2cos)341 (2)1 (24422442222rararararaxyyxyxr 2sin)31 (2cos)31 (2)1 (2444422rararaxyyxyx zxyyxzrara 2sin42cos)( 22222 2cos)321 (2sin)321 (244224422rarararaxyyxr )1)(cossin(22rayzzxz )1)(sincos(22rayzzxrz (12)(12)p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法 當(dāng)r=a時(shí)，即鉆孔壁上的應(yīng)力為：0 rzrr 2sin42cos)(2)(xyyxyx

30、zxyyxz 2sin42cos)(2)cossin(2 yzzxz 可見，鉆孔壁上各點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，在孔壁上的z-坐標(biāo)平面內(nèi)布置應(yīng)變花測量應(yīng)變以求應(yīng)力是可行的。(13)p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)力和孔壁應(yīng)變的關(guān)系：孔壁應(yīng)力和孔壁應(yīng)變的關(guān)系：EEZ 在 -z 坐標(biāo)系：)(2,90045900zz由虎克定律：EEZZ )(21145ZZEE(14)x)( zzy p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)力和原巖應(yīng)力的關(guān)系：孔壁應(yīng)力和原巖應(yīng)力的關(guān)系： 由（14）式可由孔壁應(yīng)變求出孔壁應(yīng)力，由（13）式即可求出原巖應(yīng)力，令式中=/2, , 7/4, 。EEZ

31、 EEZZ )(21145ZZEE (14)0 rzrr 2sin42cos)(2)(xyyxyx zxyyxz 2sin42cos)(22(sincos)zxyzz(13)p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法當(dāng)=/2(15)yx 3zyxz )(2zxz 2 當(dāng)=7/4(16)yx 3 zyxz )(2yzz 2 (17)xyyx 4)( zxyz 4)(2zxyzz 當(dāng)= 可見，求解6個(gè)原巖應(yīng)力分量，只需選取上面其中6方程即可。孔壁應(yīng)變法只打一個(gè)鉆孔就可以確定一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法聲發(fā)射聲發(fā)射巖石受外荷載作用，其內(nèi)部儲(chǔ)存的應(yīng)變能因微裂隙產(chǎn)生

32、和發(fā)展而快速釋放，從而產(chǎn)生彈性波，發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射。凱澤效應(yīng)凱澤效應(yīng) 1950年，德國人J.Kasiser發(fā)現(xiàn)多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高點(diǎn)水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到先前最大應(yīng)力值時(shí)，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到和超過歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象稱為凱澤效應(yīng)。p6.4.4 應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力恢復(fù)法p6.4.5 聲發(fā)射法聲發(fā)射法凱澤點(diǎn)凱澤點(diǎn)從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為凱澤點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。 巖石也具有聲發(fā)射現(xiàn)象。 凱澤效應(yīng)為巖石應(yīng)力測量提供了途經(jīng)。即從原巖中取樣沿6個(gè)不同方向制備試件（每個(gè)方向試件為1525塊）加壓測試凱澤點(diǎn)計(jì)算

33、地應(yīng)力。注意：聲發(fā)射法測定的為巖體先前受到的最大應(yīng)力，而非現(xiàn)今地應(yīng)力。研究高地應(yīng)力問題的必要性：研究高地應(yīng)力問題的必要性：研究高地應(yīng)力本身就是巖石力學(xué)的基本任務(wù)。巖體的本構(gòu)關(guān)系、破壞準(zhǔn)則以及巖體中應(yīng)力傳播規(guī)律都要受到地應(yīng)力大小的變化而變化。隨著采礦深度的增加，我國中西部的開發(fā)，尤其是水電工程建設(shè)，在高地應(yīng)力地區(qū)出現(xiàn)特殊的地壓現(xiàn)象，給巖體工程穩(wěn)定問題提出了新課題。6.5 高地應(yīng)力地區(qū)的主要巖體力學(xué)問題 6.5.1 高應(yīng)力區(qū)判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象 高應(yīng)力判別準(zhǔn)則高應(yīng)力判別準(zhǔn)則 目前國際國內(nèi)無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 國內(nèi)一般巖體工程以初始地應(yīng)力在20-30MPa為高地應(yīng)力(大于800米深)。 不同巖石彈性模量

34、不同，巖石的儲(chǔ)能性能不同，地應(yīng)力也不同，高地應(yīng)力是相對于圍巖強(qiáng)度而言的。 高應(yīng)力為一相對概念，埋深大不一定存在高應(yīng)力問題，埋深小可能存在高應(yīng)力問題。當(dāng)圍巖內(nèi)部最大應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度比值達(dá)到一定水平時(shí)，才能稱為高應(yīng)力，即： 極高地應(yīng)力高地應(yīng)力一般地應(yīng)力法國隧道協(xié)會(huì)4我國工程巖體分級基準(zhǔn)（GB50218-94）7日本新奧法指南19966日本仲野分級4maxbR圍巖強(qiáng)度比高初始地應(yīng)力巖體在開挖中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象 應(yīng)力情況主要現(xiàn)象強(qiáng)度比極高應(yīng)力硬質(zhì)巖：開挖過程有巖爆產(chǎn)生，有巖塊彈出，硐室發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差，基坑開挖有剝離現(xiàn)象，成型性差。軟質(zhì)巖：巖芯有餅化現(xiàn)象，開挖工程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時(shí)間長。不易成洞，基坑發(fā)生顯著隆起或剝離，不易成形。4高應(yīng)力硬質(zhì)巖：開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂紋增多，成洞性較差，基坑時(shí)有剝離現(xiàn)象，成形性一般尚可。軟質(zhì)巖：巖芯時(shí)有餅化現(xiàn)象，開挖工程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時(shí)間長，成洞性差?；訒r(shí)有隆起現(xiàn)象，成形性較差。4-7高地應(yīng)力現(xiàn)象高地應(yīng)力現(xiàn)象巖芯餅化現(xiàn)象：是一種巖體力學(xué)現(xiàn)象，高地應(yīng)力區(qū)所特有的