第6章岩体中天然应力new

图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。

岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。

岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。

其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。

第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。

按静力法得到静E ，动力法得到动E 。

⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。

μm—岩体的泊松比。

★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。

岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。

图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。

二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。

两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。

第一节概述一、定义（1）天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。

又称地应力、初始应力等。

（2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。

又称二次分布应力、附加应力等。

天然应力，没有工程活动开挖洞室后的应立场，为重分布应力，与天然应力有所改变在附近开挖第二个洞室，则视前一个洞室开挖后的应立场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力二、天然应力的组成天然应力一般由以下几部分组成：•由岩体自重引起的自重应力•由构造运动引起的构造应力•由流体作用引起的渗流应力•其它（如，地温引起的温差应力、地球化学作用引起的化学应力等）三、天然应力的研究历史与研究意义1、研究历史（1）世界上•1878年海姆提出天然应力；•l932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力；•到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。

大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致裂法）。

（2）中国•20世纪50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米（天津大港）。

2、研究意义（1）区域稳定任何地区现代构造运动的性质和强度，均取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。

从工程地质观点看，地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害。

从岩体力学观点出发，地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。

在一定的天然应力场基础上，常因修建大型水库改变了地区的天然应力场而引起水库诱发地震。

（2）地下洞室稳定对于地下洞室而言，岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源。

如果天然应力分布不均匀，可能在洞顶拉裂掉块，洞侧壁内鼓张裂和倒塌。

（3）边坡稳定天然应力状态与岩体稳定性关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。

越来越多的资料表明，在岩体高应力区，地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖，常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，使工程岩体失稳。

第二节岩体天然应力的分布特征一、中国天然应力的分区性中国板块处在四大板块环绕中，西南面受印度板块向NNE挤压（5mm/a），东面受太平洋板块向W俯冲（1cm/a），南面受菲律宾板块向N俯冲，北面受西伯利亚板块阻挡。

如下图：在它们碰撞挤压下，形成了中国大陆岩体中的天然应力，大致可以以东经100～105°为界分东西两区。

东西两区的天然应力特征差别很大。

例如：（1）天然应力强度：西强东弱（西高东低）（2）最大水平应力方向：西区以NNE-SSW为主，东区近E-W方向，如下图：二、铅直应力（σV）铅直应力主要由上覆岩体自重构成，因此可用下式估算：因此，σV随深度的增加而线性增加。

天然应力的实测结果也证实了这一点。

铅直应力与埋藏深度关系的实测结果见下图。

σV多为压应力，且σV多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力。

三、水平应力（σh )1、岩体中天然应力常以水平应力为主，即σh > σV ，特别是 σhmax > σV ,据统计资料： σh /σV ≈0.8-3.0 ，说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制;2、水平应力具有强烈的各向异性，即σh 1≠ σh 2 ，我国华北σhmin / σhmax ≈0.2-0.8，华南σhmin /σhmax ≈0.3-0.75 。

原因a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性;3、水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。

另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力为拉应力的现象。

四、天然应力比值系数λ与深度z 的关系1、定义：天然水平应力与铅直应力的比值为天然应力比值系数(λ)。

2、特点：天然应力比值系数随深度增加而减小。

见右下图。

五、主应力平面与水平面的关系据主应力平面与水平面的关系，天然应力状态划分为：1、水平应力场：两个应力轴近水平，或与水平面夹角很小，另一应力轴近铅直，三个应力轴与空间坐标一致，我国大陆范围内属这种应力场;2、非水平应力场：水平应力与水平面夹45°左右，另一轴与水平面夹0~45°左右，分布于板块边缘。

岩体中的天然应力第一节概述地应力（天然应力）：自然状态下在原岩体中存在的由于岩体自重和构造应力形成的分布应力。

（1）天然应力（地应力）（Stress in the earth’s crust & Initial stress）：—指岩体在天然状态下所存在内在应力。

—人类工程活动之前存在于岩体中的应力。

存在于地层中的未受工程扰动的天然应力—地应力（2）天然应力主要是由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。

（3）①1912年，瑞士地质学家海姆（A.Heim）在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念。

是静水应力状态σn=σv=γH②1926年，苏联学者金尼克（A.H.пNHHиK）修正了海姆的静水压力假设：③1951年，瑞典的哈斯特（N.Hast）首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力的量测工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接受水平的，而且。

这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。

后来的进一步研究表明：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影响最大。

（4）地应力（天然应力）的形成：（6）自重应力：由岩体自重所引起的应力。

自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态。

构造应力：由于地质构造作用在岩体内积存的应力。

活动构造应力：狭义地应力，是地壳内现在正在积累的能够导致岩体变形和破裂，形成地震和活动构造的应力。

残余构造应力：古构造运动残留下来的应力。

它的基本特征：具有较高的水平压应力，一般情况下，，并具有明显的各向异性。

到目前为止，岩体的天然应力状态主要还是靠实测方法确定。

求岩体中一点的自重应力？在地表近水平的情况下，假设岩体均质各向同性连续性，则：在地表以下较深部位，岩体近于塑性状态，其→1，即处于静水压力状态。

（1）水平层状岩体：（2）铅直层状岩体：（5）岩体中天然应力状态对研究区域稳定、岩体稳定性以及原位岩体测试中均具有重要的实际意义。

第一节概述地应力（天然应力）：自然状态下在原岩体中存在的由于岩体自重和构造应力形成的分布应力。

（1）天然应力（地应力）（Stress in the earth’s crust & Initial stress）：—指岩体在天然状态下所存在内在应力。

—人类工程活动之前存在于岩体中的应力。

存在于地层中的未受工程扰动的天然应力—地应力（2）天然应力主要是由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。

（3）①1912年，瑞士地质学家海姆（A.Heim）在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念。

是静水应力状态σn=σv=γH②1926年，苏联学者金尼克（A.H.пNHHиK）修正了海姆的静水压力假设：③1951年，瑞典的哈斯特（N.Hast）首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力的量测工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接受水平的，而且。

这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。

后来的进一步研究表明：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影响最大。

（4）地应力（天然应力）的形成：（6）自重应力：由岩体自重所引起的应力。

自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态。

构造应力：由于地质构造作用在岩体内积存的应力。

活动构造应力：狭义地应力，是地壳内现在正在积累的能够导致岩体变形和破裂，形成地震和活动构造的应力。

残余构造应力：古构造运动残留下来的应力。

它的基本特征：具有较高的水平压应力，一般情况下，，并具有明显的各向异性。

到目前为止，岩体的天然应力状态主要还是靠实测方法确定。

求岩体中一点的自重应力？在地表近水平的情况下，假设岩体均质各向同性连续性，则：在地表以下较深部位，岩体近于塑性状态，其→1，即处于静水压力状态。

（1）水平层状岩体：（2）铅直层状岩体：（5）岩体中天然应力状态对研究区域稳定、岩体稳定性以及原位岩体测试中均具有重要的实际意义。