1、第七章 巖體中的天然應(yīng)力7.1 概 述7.2 巖體天然應(yīng)力的分布特征7.3 巖體天然應(yīng)力的確定7.1 概 述一、定義1.天然應(yīng)力(地應(yīng)力、初始應(yīng)力、原巖應(yīng)力等）人類工程活動之前存在于巖體中的應(yīng)力。2.重分布應(yīng)力（二次分布應(yīng)力、附加應(yīng)力等）由于工程活動改變了的巖體中的應(yīng)力。重分布應(yīng)力+天然應(yīng)力相對于第2洞室的天然應(yīng)力第七章 巖體中的天然應(yīng)力二、天然應(yīng)力的組成及起源1.組成： 巖體自重自重應(yīng)力 構(gòu)造運(yùn)動構(gòu)造應(yīng)力流體作用滲流應(yīng)力 其它（地溫、地球化學(xué)作用等）2.起源（主要指構(gòu)造運(yùn)動的起源）：板塊運(yùn)動 地幔熱對流 地球自轉(zhuǎn)速度變化拉張區(qū)擠壓區(qū)第七章 巖體中的天然應(yīng)力三、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義1.

2、研究歷史 世界上 :1878年海姆提出天然應(yīng)力1932年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成功地測定了巖體中的天然應(yīng)力到目前天然應(yīng)力測點(diǎn)遍布全球，有幾十萬個測點(diǎn)。大部分是淺部，最深5108米（美國密執(zhí)安水壓致裂法）。中國：20世紀(jì)50年代末開始天然應(yīng)力量測，有幾萬個測點(diǎn)，最深的有3958米（天津大港）。 第七章 巖體中的天然應(yīng)力2.研究意義 1）區(qū)域穩(wěn)定 2）地下洞室穩(wěn)定 3）邊坡穩(wěn)定 4）地基巖體穩(wěn)定第七章 巖體中的天然應(yīng)力以東經(jīng)100105o為界分東西兩區(qū)。強(qiáng)度上：西強(qiáng)東弱（西高東低）方向上：西： NNE-SSW為主，東：近E-W。一、 分區(qū)性（以中國為例）7.2 巖體天然應(yīng)力的分布特征第七

3、章 巖體中的天然應(yīng)力第七章 巖體中的天然應(yīng)力西南：印度板塊向NNE擠壓（5mm/a）東：太平洋板塊向W俯沖（1cm/a）南：菲律賓板塊向N俯沖北：西伯利亞板塊阻擋 1跡線：N-NE-SSE中國板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠壓，形成了中國大陸巖體中的天然應(yīng)力。上覆巖體自重V多為壓應(yīng)力V多為最小主應(yīng)力，少數(shù)為中間主應(yīng)力與最大主應(yīng)力第七章 巖體中的天然應(yīng)力二、鉛直應(yīng)力 （V）三、 水平應(yīng)力（ h）巖體中天然應(yīng)力常以水平應(yīng)力為主，即h v，特別是 hmax v ,據(jù)統(tǒng)計資料： h/v 0.8-3.0 ，說明巖體中水平天然應(yīng)力主要受地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的控制;水平應(yīng)力具有強(qiáng)烈的各向異性，即h1 h2

4、，我國華北hmin/ hmax0.2-0.8，華南hmin/ hmax0.3-0.75 。原 因a.巖體各向異性;b.構(gòu)造運(yùn)動的方向性;水平天然應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且是以一向壓，一向拉多見。另外在地表卸荷帶影響區(qū)，也可能出現(xiàn)水平應(yīng)力為拉應(yīng)力的現(xiàn)象。第七章 巖體中的天然應(yīng)力四、天然應(yīng)力比值系數(shù)與深度z 的關(guān)系定義：天然水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力的比值為天然應(yīng)力比值系數(shù)()，它隨深度增加而減小。第七章 巖體中的天然應(yīng)力五、主應(yīng)力平面與水平面的關(guān)系據(jù)主應(yīng)力平面與水平面的關(guān)系，天然應(yīng)力狀態(tài)劃分為：水平應(yīng)力場 兩個應(yīng)力軸近水平，或與水平面夾角很小，另一應(yīng)力軸近鉛直，三個應(yīng)力軸與空

5、間坐標(biāo)一致，我國大陸范圍內(nèi)屬這種應(yīng)力場;非水平應(yīng)力場水平應(yīng)力與水平面夾45左右，另一軸與水平面夾045 左右，分布于板塊邊緣。第七章 巖體中的天然應(yīng)力六、高天然應(yīng)力標(biāo)志開挖洞室時，常產(chǎn)生巖爆、剝離；收斂變形大，使開挖斷面變??；軟弱夾層內(nèi)的物質(zhì)被擠出，節(jié)理閉合；餅狀巖心；水下開挖無水滲出。第七章 巖體中的天然應(yīng)力七、影響天然應(yīng)力的因素1.地形起伏a.水平應(yīng)力向負(fù)地形集中，向正地形釋放b.在斜坡附近，應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)+ + + + + + + + + +第七章 巖體中的天然應(yīng)力2.地表剝蝕原地面現(xiàn)地面剝蝕第七章 巖體中的天然應(yīng)力該式說明：剝蝕后，巖體中一點(diǎn) 增大了，當(dāng)Z大到一定值時，必有1的情況出

6、現(xiàn)。第七章 巖體中的天然應(yīng)力3.結(jié)構(gòu)面第七章 巖體中的天然應(yīng)力4.巖體性質(zhì) 硬巖往往可積累較高的應(yīng)力，而軟巖則相反5.地下水 產(chǎn)生滲流應(yīng)力6.地溫 產(chǎn)生溫度應(yīng)力7.3 巖體天然應(yīng)力的確定自重應(yīng)力理論地震震源機(jī)制解地變形量測天然應(yīng)力測量大地水準(zhǔn)測量三角網(wǎng)測量GPS測量天然應(yīng)力確定方法第七章 巖體中的天然應(yīng)力zA一、根據(jù)自重應(yīng)力理論確定巖體中的天然應(yīng)力地質(zhì)構(gòu)造簡單、地層平緩、當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面1、均質(zhì)各向同性巖體第七章 巖體中的天然應(yīng)力A2、水平層狀巖體第七章 巖體中的天然應(yīng)力A3、垂直層狀巖體第七章 巖體中的天然應(yīng)力二、天然應(yīng)力的量測天然應(yīng)力的量測方法水壓致裂法應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）套芯應(yīng)力解除法

7、光彈法聲發(fā)射法X射線法第七章 巖體中的天然應(yīng)力1、水壓致裂法原理：水壓致裂法是把高壓水泵入到由栓塞隔開的試段中。當(dāng)鉆孔試段中的水壓升高時，鉆孔孔壁的環(huán)向壓應(yīng)力降低，并在某些點(diǎn)出現(xiàn)拉應(yīng)力。隨著泵入的水壓力不斷升高，鉆孔孔壁的拉應(yīng)力也逐漸增大。當(dāng)鉆孔中水壓力引起的孔壁拉應(yīng)力達(dá)到孔壁巖石抗拉強(qiáng)度t時，就在孔壁形成拉裂隙。若設(shè)形成孔壁拉裂隙時，鉆孔的水壓力為pc1，拉裂隙一經(jīng)形成后，孔內(nèi)水壓力就要降低，然后達(dá)到某一穩(wěn)定的壓力ps，稱為“封井壓力”。這時，如人為地降低水壓，孔壁拉裂隙將閉合，若再繼續(xù)泵入高壓水流，則拉裂隙將再次張開，這時孔內(nèi)的壓力為pc2(圖7-3)。tpc1pS pc2p0水壓力隨時間

8、的變化曲線tpc1pS pc2p0假設(shè)： 天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場，其鉛直應(yīng)力鉆孔假設(shè)在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體中 的一個小圓孔。作用應(yīng)力為 ，根據(jù)彈性理論中的柯西解 ，未加水壓力時，AA兩點(diǎn)的應(yīng)力為： ， 在水壓力作用下，鉆壁產(chǎn)生拉破裂的條件為: 取“”A第七章 巖體中的天然應(yīng)力維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為 聯(lián)立上兩式有而：因此，可得測點(diǎn)的天然應(yīng)力為第七章 巖體中的天然應(yīng)力破裂平行于 ，垂直于 ，破裂方向由壓痕，井下電視確定。優(yōu)點(diǎn)：測深大，z可達(dá)數(shù)百米，目前最深達(dá)5108米；施工技術(shù)簡單，不需要應(yīng)力計等儀器。方向：據(jù)巖體破裂方向確定第七章 巖體中的天然應(yīng)力千斤頂油泵時間千斤頂壓力

9、pc測點(diǎn)分離值 d0 d步驟：在巖壁上選擇測點(diǎn)，固定A、B兩點(diǎn)。d15厘米；刻槽 應(yīng)力釋放、變形 d0 d;安裝扁千斤頂;加壓 應(yīng)力恢復(fù) d d0，到d=d0時的千斤頂壓力即為 ；2、應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）第七章 巖體中的天然應(yīng)力重復(fù) 測量另一個方向的 W ;計算天然應(yīng)力:假定天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場,當(dāng)測得側(cè)壁應(yīng)力R和底板應(yīng)力W 時,則有:第七章 巖體中的天然應(yīng)力3、鉆孔套芯應(yīng)力解除法基本原理+儀器套芯解除鉆孔同心套鉆放應(yīng)變計應(yīng)力解除應(yīng)力計算位移恢復(fù)第七章 巖體中的天然應(yīng)力設(shè)天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場4545計算公式：應(yīng)變計互成45，據(jù)上式有第七章 巖體中的天然應(yīng)力用消元法解三元一次方程，得：應(yīng)變計

10、互為60時，可按下列公式計算6060第七章 巖體中的天然應(yīng)力選點(diǎn)、鉆孔：130cm ，深度一般小于30m ;在孔底打一測量孔：36cm，深度一般50cm，并洗干凈；安裝應(yīng)變計：并與應(yīng)變儀連接，測記穩(wěn)定初始讀數(shù)；套鉆解除：在應(yīng)力解除過程中，測記應(yīng)變計讀數(shù)，至應(yīng)變完全解除為止；折斷巖心，在室內(nèi)求取巖石的Em;按前述公式求解：天然應(yīng)力hmax， hmin測量步驟：第七章 巖體中的天然應(yīng)力優(yōu)點(diǎn)：能較準(zhǔn)確地量測出巖體中的天然應(yīng)力 缺點(diǎn)：只能量測淺部（30米以內(nèi)天然應(yīng)力 ，深度大了，套鉆技術(shù)難度大、精度低。第七章 巖體中的天然應(yīng)力第七章復(fù)習(xí)思考題1、 研究巖體中的天然應(yīng)力具有什么工程意義？ 2、巖體天然應(yīng)

11、力得分布特征如何？ 3、巖體天然應(yīng)力的各種量測方法，各有什么特點(diǎn)？ 4、在什么情況下，可以按自重應(yīng)力理論計算天然應(yīng)力？ 5、某巖體，在深度100m內(nèi)，密度為2.54g/cm3，在深度100200m內(nèi)，密度為2.71g/cm3，天然應(yīng)力比值系數(shù)為1.89，試按自重應(yīng)力理論計算深度50m、150m處的天然應(yīng)力大?。?1、 巖體2、 彈性3、 脆性4、 三軸抗壓強(qiáng)度5、 抗壓強(qiáng)度6、 抗拉強(qiáng)度7、 抗剪強(qiáng)度8、 莫爾強(qiáng)度理論9、 強(qiáng)度判據(jù)10、穩(wěn)定性系數(shù)11、蠕變12、殘余強(qiáng)度13、天然應(yīng)力14、剪切剛度15、強(qiáng)度理論16、剪切剛度17、八面體強(qiáng)度理論18、極限強(qiáng)度19、 蠕變20、 孔隙比21、 法向剛度22、 圍巖應(yīng)力23、 軟化系數(shù)24、變形模量25、26、 長期強(qiáng)度27、 圍巖28、 主應(yīng)力29、 主平面30、 結(jié)構(gòu)面31、 滑坡32、 塑性33、34、 變形模量35、 彈性模量36、 動彈性模量37、 天然應(yīng)力38、 強(qiáng)度曲線39、 內(nèi)摩擦角40、 切線模量41、 巖體力學(xué)42、 單軸抗壓強(qiáng)度43、 重分布應(yīng)力44、 圍巖壓力45、 圍巖抗力46、 強(qiáng)度47、 彈性極限48、 強(qiáng)度極限 49、 脆性破壞5