巖石力學(xué)講義講稿巖體天然應(yīng)力及其測量

第5章巖體天然應(yīng)力及其測量學(xué)習(xí)指導(dǎo)本章主要介紹了巖石的初始應(yīng)力概念，包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，介紹了初始應(yīng)力的量測方法及原理，包括應(yīng)力解除法和應(yīng)力恢復(fù)法。重點(diǎn)巖體的初始應(yīng)力概念巖體初始應(yīng)力的測量方法

5.1概述地殼在漫長的地質(zhì)年代里始終處于不斷運(yùn)動(dòng)與變化之中，例如，由于地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)常使巖層產(chǎn)生褶皺、斷裂和錯(cuò)動(dòng)，這些現(xiàn)象的出現(xiàn)都是巖層或巖體受力的結(jié)果。引起巖體產(chǎn)生應(yīng)力的原因很多，有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力，由上覆巖體的重量所引的自重應(yīng)力、氣溫變化所引起的溫度應(yīng)力、地震力以及由于結(jié)晶作用、變質(zhì)作用、沉積作用、固結(jié)作用、脫水作用所引起的應(yīng)力，其次還有由于地下開挖在洞室圍巖中所引起的應(yīng)力重分布和高壩等建筑物在巖基中所引起的附加應(yīng)力等。巖體中的應(yīng)力有的是由于人類活動(dòng)而引起的，有的則在工程建筑之前早就產(chǎn)生了。凡是在工程施工開始前就已存在于巖體中的應(yīng)力，稱為初始應(yīng)力或天然應(yīng)力或地應(yīng)力(構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力都是初始應(yīng)力)。初始應(yīng)力的大小主要取決于上覆巖層的重量、構(gòu)造作用的類型、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)期的長短等。5.2巖體的初始應(yīng)力自重應(yīng)力

靜止側(cè)壓力系數(shù)5.2巖體的初始應(yīng)力海姆假說

當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)K=1時(shí)，就出現(xiàn)側(cè)向水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力相等的所謂靜水壓力情況。這就是1878年著名瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆(Heim)所指出的情況。他根據(jù)在開挖橫貫阿爾卑斯山的大型隧洞的觀察中，發(fā)現(xiàn)隧洞的各個(gè)方向上都承受著很高的壓力。于是他提出了著名的海姆假說：在巖體深處的初始垂直應(yīng)力與其上覆巖體的重量成正比，而水平應(yīng)力大致與垂直應(yīng)力相等。5.2巖體的初始應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力

在漫長的地質(zhì)年代里，由于地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，不僅在巖層或巖體中引起構(gòu)造應(yīng)力，同時(shí)也在巖層和巖體中引起相應(yīng)的變形，這種變形表現(xiàn)為各種巖層和巖體以不同產(chǎn)狀、形狀和一定的幾何形態(tài)有規(guī)律地分布于地殼中。對(duì)于現(xiàn)時(shí)還在活動(dòng)的構(gòu)造應(yīng)力場的研究，主要的手段之一就是進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力的實(shí)測。對(duì)于過去所形成的古構(gòu)造應(yīng)力場的研究，最重要的手段就是在野外對(duì)于古時(shí)地殼運(yùn)動(dòng)所遺留下來各種蹤跡進(jìn)行實(shí)地調(diào)查研究，并確定各種構(gòu)造型式的存在和它們的構(gòu)造特征。然后再采用各種相應(yīng)的方法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，同時(shí)配合有關(guān)應(yīng)力場的理論分析進(jìn)行研究。5.2巖體的初始應(yīng)力初始應(yīng)力的分布特點(diǎn)

1)一般情況下巖體中的初始應(yīng)力場多數(shù)是三向不相等的空間應(yīng)力場，最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力的數(shù)值則變化較大。2)初始應(yīng)力的大小、方向與地質(zhì)構(gòu)造有著密切關(guān)系。很明顯，位于活動(dòng)斷層的拐彎或交叉處的斷裂構(gòu)造則產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，其它部位的斷裂構(gòu)造反而引起應(yīng)力釋放，促使巖體應(yīng)力的重新分布。3)巖體上覆巖層的重量是形成巖體初始應(yīng)力的基本因素之一4)地形地貌對(duì)初始應(yīng)力有一定的影響，因?yàn)榈匦伪磺懈詈蟊厝灰鹦碌闹胤植紤?yīng)力，這就使得河谷兩岸巖壁的最大主應(yīng)力方向往往與山坡方向一致，而最小主應(yīng)力方向則是谷坡的法線方向5.3巖體初始應(yīng)力的量測方法應(yīng)力解除法的基本原理5.3巖體初始應(yīng)力的量測方法應(yīng)力解除法的空間應(yīng)力量測共面三孔交匯法確定三維應(yīng)力5.3巖體初始應(yīng)力的量測方法應(yīng)力解除法的空間應(yīng)力量測孔壁應(yīng)變測試法5.3巖體初始應(yīng)力的量測方法應(yīng)力恢復(fù)法

利用應(yīng)力恢復(fù)法量測巖體表面應(yīng)力時(shí)，應(yīng)在巖體表面沿不