地应力及其原理 PPT

与变化的应力，地质作用残存的应力。
• 二. 地应力的特点及其重要性 • 地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑和其他各种地下工
程或露天岩石开挖工程变形和破坏的原始动力，
• 是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩石 工程开挖设计和决策的必要前提条件。
• 2 地应力的特点及其重要性 • 为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工，就
必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查，
• 只有详细了解了这些工程影响因素，通过定量计算和分析， 才能做出既经济又安全实用的工程设计。
• 例如：对于矿山来说，只有掌握了具体工程区域的地应力 条件，才能合理确定矿山总体布置，确定巷道和采场的最 佳断面形状、断面尺寸等。
• 在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状态，最理 想的走向是与最大主应力方向平行，
• 2）金尼克假设 • 1926年，原苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设， • 他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆盖岩层的重量， • 而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为
乘以一个修正系数。
H
• 2）金尼克假设
• 金尼克根据弹性理论（假定岩体是均匀的、连续的弹性介质体， 得出水平应力总归小于铅垂应力的结论），
在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：
z H
x
y
1zz来自xy yz zx 0对于均质成层岩体：
n
z i hi i 1
岩体力学
2020/5/28
1
第四章 岩体地应力及其测量方法
学习指导： 主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，初
始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。 重点
岩体的初始应力概念 岩体初始应力的测量方法
• 4 岩体地应力及其测量方法 • 4.1概述
• 4.1.1 基本概念 • 地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力状
• 这样就从根本上动摇了地应力是静水压应力的理论和垂直 应力为主的观点。
c 地应力分布理论：
3）李四光：在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情 况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。
4）哈斯特：地应力测量发现存在于地壳上部的最大主应力几 乎处处是水平或接近水平的，从根本上动摇了地应力是静水 压力的理论和以垂直应力为主的观点。
v H
h
1
H
• 我国的地质学家李四光：
• 20年代指出“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的 情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量”。
• 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地壳上部的最大主 应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最大水平应力主 应力一般为垂直应力的1～2倍。
5）近期研究：重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因， 其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。当 前的应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历 史上的构造运动有关。
• 因此，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原 因， 地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型 分析的方法来获得，要了解一个地区的地应力状态，唯 一的方法就是进行地应力测量。
态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力。
• 次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力平 衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。
• 应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。
4.2 地应力概论
• 一、 地应力 • 地应力分为自重应力场和构造应力场。 • 自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力； • 构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动
• 认为这个测压系数等于
，即：
• 式中：
—上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊松比的常值范围
为0.15~0.30。
1
v
H , h
1
H
• 此时，当 0.5 h 时v， H
只是金尼克假说的一个特例。
，即海姆假说
• 同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公式 来定量地计算地应力的大小，并且也都认为地应力只与重力 有关，即以垂直应力为主，他们不同点只在于测压系数的不 同。
自重应力和构造应力： （1）岩体的自重应力 在均匀岩体中，深度为z处的岩体的竖向自重应力为：
z H
在半无限体中任一微元体上的正应力 均为主应力，且有
x y, x y 0 xy yz zx 0
根据虎克定律：
x
y
1 E
(
x
( y
z)
0
得：
x
y
1
z
z
其中λ为岩体静止侧压力系数。
• 当然，在实际工程中还要综合考虑工程需要和其它影响因 素。
• 综上所述，地应力的特点及其重要性如下： • 1、地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力； • 2、地位相当于工程中习惯性理解的外荷载，但又与材力、弹力
中泛指的外荷载有所不同；
• 3、地下工程是先受力，后开挖，并且地应力从开挖前到最终一 直对围岩起着作用；
小结
地应力分布理论：
1）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静水压力假设）
海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成
正比，而水平应力大致与垂h直应 力v 相等H。
2）金尼克假设：（弹性力学假设）
，
v 为上覆岩层的柏松比。
修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上覆岩 层重量，而水平应力是泊松效应的结果。
• 4、地应力是涉及地壳问题、地下工程问题理论分析、计算中最 基础的原始资料。
• 4.3 地应力的成因
• 1）海姆假设：
•
在前言中我们已经介绍过，人们认识地应力还只是近
百年的事，1878年瑞士的地质科学家海姆（A.Heim）在大型
越岭隧道的施工过程中，通过观察与分析，首次提出了地应
力的概念，
1）海姆假设： 假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方 向上均相等，并且等于单位面积上覆盖岩层的重量，即：
式中： —水平应力； —垂直应力； 容重； —覆盖岩层的深度。
h v H
h
v
H
—覆盖岩层的
• 海姆认为： • （1）原岩应力各向等压，即静水压力状态。 • （2）上覆岩体的重量，历经漫长的地质年代后，由于材料的蠕
变性及地下水平方向的约束条件，导致水平应力最终与铅重应 力相均衡。
• 这一法则，仍被许多岩石力学家在认识深部地应力状态时所接 受。