第六章 岩体的初始应力状态

三、原岩应力三个主应力σHmax，σHmin，σv均随深度增长而增大； 1、平均水平应力σH与垂直应力σv 旳比值随深度增长而减小。
100 0.3 1500 0.5
H
H
2、两个水平应力旳关系一般有
H min 0.2 ~ 0.8 H max
3、最大、最小水平主应力随深度线性增长： σHmax＝6.7＋0.0444H(Mpa) σHmin＝0.8＋0.0329H(Mpa)
在地壳浅部，可以为岩体处于弹性状态，μ=0.20~0.30, 在深部，岩体转入塑性状态， μ=0.50 ，λ＝1，则有：
σx= σy= σz＝γz
各向等压旳应力状态，又称为静水压力状态。 著名旳海姆假说（瑞士地质学家1871）
§5-3 岩体构造应力
一、构造应力场旳概念 构造应力：由地质构造作用产生旳应力称为构造应力。
1
§5-2 岩体旳自重应力
一、基本公式 在均匀岩体中，深度为z处旳岩体旳竖向自重应力为：
z z
在半无限体中任一微元体上旳正应力均 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。
在均匀岩体中，岩体旳自重初始应力状态为：
2、了解原岩应力分布状态； 3、了解影响原岩应力分布旳原因； 4、熟悉几种应力解除法测试原岩应力旳措施和 测试环节。
§5-1 基本概念
原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然 平衡状态旳岩体，称为原岩。
围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布旳岩体， 称为围岩。

第六章地下洞室围岩应力与围岩压力计算第一节概述一、地下洞室的定义与分类1、定义: 地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的地下空间。

2、地下洞室的分类按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介质类型：岩石洞室、土洞二、洞室围岩的力学问题（1）围岩应力重分布问题——计算重分布应力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、一次应力等。

2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。

又称二次分布应力等。

地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。

（2）围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。

如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。

（3）围岩压力问题——计算围岩压力围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护、衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。

（4）有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。

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力场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力第二节围岩重分布应力计算一、围岩重分布应力的概念围岩：洞室开挖后，应力重分布影响范围内的岩体。

围岩（重分布）应力：应力重分布影响范围内岩体的应力。

围岩应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。

岩体受剪时的变形特征主要是受结构面的控制(kòngzhì)。 首先沿结构面滑动变形。 然后结构体受剪变形，进而被剪断。
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（二）岩体的强度 (qiángdù)特性
1、岩体的抗压强度(kànɡ yā qiánɡ dù)
①岩体的抗压强度比岩石 的抗压强度低得多。
②岩体的抗压强度具有 明显的各向异性。
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围岩(wéi yán)稳不 稳
决定着
认识 围岩所处的地质环境
研究 围岩的工程性质
分析 影围岩稳定的因素
掌握 这些因素是如何影响的
坑道 (kēngdào) 稳不稳
判断围岩的
稳定能力
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（二）
围岩稳定的
影响 (yǐngxiǎ ng)因素
1、围岩(wéi yán)工程
地质条件
围岩所处的原始应力状态 围岩的破碎程度和结构特征
岩急速风化，保持围岩的稳定能力。
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五、围岩的稳定性分级
1、分级(fēn jí)的目的和 原则 （一）分级(fēn jí)的目的
❖ 为了工程应用的便利，有必要将围岩按其稳定性的好坏（能 力的强弱）划分为有限个级别，以便于进行工程类比。
（二）分级的原则
❖ （1）、分级目的明确、形式简单、级数适中；
❖ （1）、本分类适用于矿山、铁路、水电、建工和军工等 部门的地下工程锚喷支护设计。
❖ （2）、本分类采用多因素定性与定量指标相结合的分类 方法。虽然(suīrán)分类表中没有给出岩体质量系数， 但由于分类表中给出了岩石单轴抗压强度和岩体完整性 指标，所以实际上也等于给出了岩体质量系数。
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❖ （3）、岩体结构类型的划分(huà fēn)，主要考虑了岩体结构体 的块度尺寸，见下表。

成。
39
3.3.2 直接顶厚度
直接顶初次垮落后，杂乱堆积，岩体碎胀，碎胀堆积高度大于 直接顶岩层原来的厚度。它与老顶之间留下的空隙Δ 为：
h M K p h M h K p 1
当冒落的直接顶将充满采空区时，Δ =0，忽略老顶的弯曲下沉。
h M Kp 1
27
压力拱假说解释：工作面前后的支承压力、回 采工作空间处于减压范围，仍然是经典的解释。
没有分析：拱的特性，岩层变形、移动和破坏 的发展过程，支架与围岩的相互作用。
28
3.1.2 悬臂梁假说
此假说认为，顶板可视为一端固定于煤壁前方岩 体内，另一端处于悬伸状态的梁，悬臂梁弯曲下沉 后，受到已垮落岩石的支撑，当悬伸长度很大时， 发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压。
31
3.1.4 砌体梁假说
“砌体梁”结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的：
Ⅰ－垮落带，Ⅱ－裂缝带，Ⅲ－弯曲下 沉带，A－煤壁支承区，B－离层区，C －重新压实区
(1) 采动上覆岩层的岩体结构的 骨架是覆岩中的坚硬岩层。可 将上覆岩层划分为若干组，每 组以坚硬岩层为底层，其上部 的软弱岩层可视为直接作用于 骨架上的载荷。
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图 2-13 矩形孔 周围应力分布图
a—最大、最小正 应力； b—切向应力 c—周围切向应力
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3 采场顶板活动规律
3.1 几个概念 3.2 有关采场上覆岩层“大结构”的假说 3.3 直接顶的垮落 3.4 老顶的断裂形式 3.5 老顶的初次断裂步距 3.6 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其S-R
(5) 表土冲积层可视为 均布载荷作用。
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3.1.5 传递岩梁假说
H
m2 m1 m2