第六章巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)

第一節(jié)初始應(yīng)力的概念與意義意義（1）工程穩(wěn)定性分析的原始參數(shù)。（2）確定開(kāi)挖方案與支護(hù)設(shè)計(jì)的必要參數(shù)。初始應(yīng)力：天然狀態(tài)下巖體內(nèi)的應(yīng)力，又稱(chēng)地應(yīng)力、原巖應(yīng)力。因素：自重地質(zhì)構(gòu)造地形地貌地震力水壓力地?zé)?。返回第二?jié)初始應(yīng)力的組成與計(jì)算

1、巖體自重應(yīng)力場(chǎng)垂直應(yīng)力：—平均密度，KN/m3側(cè)壓力：H—總深度（m）—側(cè)壓力系數(shù)的取值有4種可能圖6-1巖體自重垂直應(yīng)力（1）巖體假定處于彈性狀態(tài)

由推出得：巖體由多層不同性質(zhì)巖層組成時(shí)(圖6-2)第j層應(yīng)力：原始垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力：圖6-2自重垂直應(yīng)力分布（2）Heim假設(shè)（塑性狀態(tài)）當(dāng)原始應(yīng)力超過(guò)一定的極限，巖體就會(huì)處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)。（相當(dāng)于）（3）巖體為理想松散介質(zhì)（風(fēng)化帶、斷層帶）由極限平衡理得（4）當(dāng)松散介質(zhì)有一定粘聚力時(shí)

注：當(dāng)說(shuō)明無(wú)側(cè)壓力

側(cè)壓力為：無(wú)側(cè)壓力深度2、巖體構(gòu)造應(yīng)力（判斷、測(cè)試，不能計(jì)算）

當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力存在時(shí)。

3、影響巖體初應(yīng)力狀態(tài)的其它因素（1）地形-自重的減小或增大圖6－7地形對(duì)初應(yīng)力的影響（2）地質(zhì)條件對(duì)初應(yīng)力的影響。

圖6-8背斜褶曲對(duì)地應(yīng)力的影響圖6-9斷層對(duì)地應(yīng)力的影響（3）水壓力、熱應(yīng)力

孔隙水壓力、流動(dòng)水壓力(影響小，可不計(jì))、靜水壓力（懸浮作用）熱膨冷縮在巖體中產(chǎn)生熱應(yīng)力。地溫升高會(huì)使巖體內(nèi)地應(yīng)力增加，一般地溫梯度：巖體的體膨脹系數(shù)：，巖體彈模E=104MPa；地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為：

z--深度/m。溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的1/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。返回第三節(jié)巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)方法一、巖體應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)方法概述1.目的：（1）了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向（2）為分析巖體的工程受力狀態(tài)以及為支護(hù)及巖體加固提供依據(jù)（3）預(yù)報(bào)巖體失穩(wěn)破壞以及預(yù)報(bào)巖爆的有力工具二、水壓致裂法（一）方法原理及技術(shù)要點(diǎn)：通過(guò)液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定量測(cè)深度加液壓將孔壁壓裂，測(cè)定壓裂過(guò)程中的各特征點(diǎn)壓力及開(kāi)裂方位，然后根據(jù)測(cè)得的壓裂過(guò)程中泵壓表的讀數(shù)，計(jì)算測(cè)點(diǎn)附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點(diǎn)上下用止水封隔器密封，其結(jié)構(gòu)如圖6-10所示。水壓致裂過(guò)程中泵壓變化及其特征壓力示于圖6-11。P0PbPsPs0P0Pb0Ps圖6-11壓裂過(guò)程泵壓變化及特征壓力圖6-10止水、壓裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0各特征壓力的物理意義①P0-巖體內(nèi)孔隙水壓力或地下水壓力②Pb-注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始?jí)毫褖毫Β跴s-液體進(jìn)入巖體內(nèi)連續(xù)的將巖體劈裂的液壓，稱(chēng)為穩(wěn)定開(kāi)裂壓力④Ps0-關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱(chēng)為關(guān)閉壓力。如圍巖滲透性大，該壓力將逐漸衰減⑤Pb0-停泵后重新開(kāi)泵將裂縫壓開(kāi)的壓力，稱(chēng)為開(kāi)啟壓力（二）基本理論和計(jì)算公式當(dāng)孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時(shí)，設(shè)孔周邊兩個(gè)水平地應(yīng)力分別為和，孔壁還受有水壓Pb.如圖6-12。圖6-12孔壁開(kāi)裂力學(xué)模型a鉆孔周?chē)鷰r體內(nèi)應(yīng)力

(Kirsch.G-基爾斯解)在孔壁上r=a，有：當(dāng)時(shí)有最大拉應(yīng)力：按最大拉應(yīng)力理論，有(6-15)(6-16)將(6-15)代入(6-16)得孔壁開(kāi)裂應(yīng)力條件(6-18)即孔壁開(kāi)裂在與垂直,的面上式中：T0-巖體的抗強(qiáng)度若巖體中有孔隙水壓力Pw，（6-18）式變成：(6-19)由圖6-11知水泵重新加壓使裂縫重新開(kāi)裂的壓力Pb0，則上式變成：(6-20)19和20兩式對(duì)比得：Pb–Pb0=T0(6-21)在關(guān)閉壓力Pb0點(diǎn)上，孔壁已經(jīng)開(kāi)裂，則T0=0,穩(wěn)定開(kāi)裂壓力由P0下降到Ps0。此時(shí)，ps0等于與裂縫垂直的應(yīng)力，即：求得主應(yīng)力及巖體抗拉強(qiáng)度（三）根據(jù)水壓致裂法試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算地應(yīng)力（1）一般來(lái)講作為地主應(yīng)力之一。我們可以將與作比較，若，則可以肯定此時(shí)為最小主應(yīng)力；進(jìn)一步將與作比較，也就可以以此確定地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力。因?yàn)殚_(kāi)裂點(diǎn)方位或開(kāi)裂裂縫方向可以確定的方位或的方向，所以三個(gè)地主應(yīng)力的方位也就可以相應(yīng)確定。（2）如果，并且孔壁開(kāi)裂后孔內(nèi)巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時(shí)為最小地應(yīng)力，與各為中間主應(yīng)力及最大地主應(yīng)力，垂直開(kāi)裂方向即為最大地應(yīng)力方向。（四）水壓致裂法的特點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便測(cè)值直觀適應(yīng)性強(qiáng)

受到重視和推廣缺陷：主應(yīng)力方向不準(zhǔn)三、應(yīng)力解除法

1.基本原理：當(dāng)需要測(cè)定巖體中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，人為的將該處巖體單元和周?chē)膸r體分離，此時(shí)，巖體單元上所受的壓力將被解除。同時(shí)，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測(cè)定彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，并且認(rèn)為巖體時(shí)連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答計(jì)算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。切斷聯(lián)系解除應(yīng)力應(yīng)變恢復(fù)測(cè)試應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力流程要點(diǎn)2.應(yīng)力解除法分類(lèi)按測(cè)試深度表面應(yīng)力解除淺孔應(yīng)力解除深孔應(yīng)力解除按測(cè)試應(yīng)變或變形孔徑變形測(cè)試孔壁應(yīng)變測(cè)試孔底應(yīng)力解除法孔壁應(yīng)力解除法測(cè)1個(gè)平面3個(gè)方向上的應(yīng)變1平面3方向上的徑位移3平面9個(gè)方向應(yīng)變?cè)硪c(diǎn)向巖體中的測(cè)點(diǎn)先鉆進(jìn)一個(gè)平底鉆孔，在孔底中心處粘貼應(yīng)變傳感器；套孔鉆出巖芯，使孔底平面完全卸載，應(yīng)變傳感器測(cè)得孔底平面中心恢復(fù)應(yīng)變；在室內(nèi)測(cè)得巖石的彈性常數(shù)；計(jì)算孔底中心處的平面應(yīng)力狀態(tài)。由于孔底應(yīng)力解除法只需要鉆進(jìn)一段不長(zhǎng)的巖芯，所以對(duì)較破碎的巖體也能應(yīng)用。（1）巖體孔底應(yīng)力解除法在孔底平面粘貼3應(yīng)變片應(yīng)變花一個(gè)平面有3個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量工作步驟應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)（2）套孔應(yīng)力解除法原理要點(diǎn)對(duì)巖體中某點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力量測(cè)時(shí)，先向該點(diǎn)鉆進(jìn)一定深度的超前小孔，在此小孔中埋設(shè)鉆孔傳感器，再通過(guò)鉆取一段同心的管狀巖芯而使應(yīng)力解除，根據(jù)恢復(fù)應(yīng)變及巖石的彈性常數(shù)，即可求得該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。孔徑變形測(cè)試，孔壁應(yīng)力解除法，均屬于套孔應(yīng)力解除法。前者測(cè)試套孔應(yīng)力解除后的孔徑變化；后者測(cè)試套孔應(yīng)力解除后的孔壁應(yīng)變。其操作步驟和原理基本相同表面應(yīng)力解除法直角應(yīng)變花等邊三角形應(yīng)變花應(yīng)力解除槽鉆孔的深度必須超過(guò)開(kāi)挖影響區(qū)，才能測(cè)到巖體內(nèi)的原始應(yīng)力，否則測(cè)出的是二次應(yīng)力。工作步驟套孔應(yīng)力解除工作步驟套孔應(yīng)力解除使用的傳感器

孔徑變形測(cè)試采用位移傳感器；孔壁應(yīng)力解除采用應(yīng)變傳感器。，孔徑變形測(cè)試傳感器布置孔壁應(yīng)力解除法傳感器布置計(jì)算公式應(yīng)力解除法，由測(cè)試數(shù)據(jù)換算成應(yīng)力，根據(jù)測(cè)試參數(shù)的不同可以分為兩類(lèi)：(1)由應(yīng)變換算成應(yīng)力；(2)徑向位移換算成應(yīng)力。換算的基本理論和方法都在彈性力學(xué)中學(xué)過(guò)，這僅以(2)為例。由孔徑變形測(cè)試換算初始應(yīng)力，在大多數(shù)試驗(yàn)場(chǎng)合下，往往進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算例如假定鉆孔方向和一致，并認(rèn)為，則（6-24）式中：-鉆孔直徑變化值-鉆孔直徑

-量測(cè)方向和水平軸的夾角

-巖石彈性模量與泊松比在實(shí)際計(jì)算中，由于考慮到應(yīng)力解除是逐步向深處進(jìn)行的，實(shí)際上不是平面變形而是平面應(yīng)力，則有式中：

分別為在0度，45度和90度三個(gè)方向上同時(shí)測(cè)定的孔徑變化?？臻g原始應(yīng)力測(cè)試測(cè)試空間原始應(yīng)力，孔壁應(yīng)變法只須1鉆孔，孔底應(yīng)變法和孔徑變形法需要3個(gè)鉆孔四、應(yīng)力恢復(fù)法

應(yīng)力恢復(fù)法是用來(lái)直接測(cè)定巖體應(yīng)力大小的一種測(cè)試方法，目前此法僅用于巖體表層，應(yīng)力。當(dāng)己知某巖體中的主應(yīng)力方向時(shí)，采用本法比較方便。如圖6-18，當(dāng)洞室某側(cè)墻上的表層圍巖應(yīng)力的主應(yīng)力方向各為垂直于水平方向時(shí)，就可用到應(yīng)力恢復(fù)法測(cè)得的大小。圖6-18應(yīng)力恢復(fù)法原理圖基本原理：在側(cè)墻上沿測(cè)點(diǎn)o，先沿水平方向開(kāi)一個(gè)解除槽，則在槽的上下附近，圍巖應(yīng)力得到部分解除，應(yīng)力狀態(tài)重新分布。在槽的中心線OA上的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)H.N.穆斯海里什維里理論，把槽看作一條縫，得到：

（6－27）式中—OA線上某點(diǎn)B上的應(yīng)力分量

—B點(diǎn)離槽中心O的距離的倒數(shù)。當(dāng)在槽中埋設(shè)壓力枕，并由壓力枕對(duì)槽加壓，若施加壓力為p，則在OA線上B點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力分量為

（6－28）當(dāng)壓力枕所施加的力時(shí)，這時(shí)B點(diǎn)的總應(yīng)力分量為

可見(jiàn)當(dāng)壓力枕所施加的力時(shí)，則巖體中的應(yīng)力狀態(tài)已完全恢復(fù)，所求的應(yīng)力即由P值而得知，這就是應(yīng)力恢復(fù)法的基本原理。實(shí)驗(yàn)過(guò)程1.在選定的試驗(yàn)點(diǎn)上，沿解除槽的中垂線上安裝好量測(cè)元件（見(jiàn)圖6-19）2.記錄量測(cè)元件—應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)。3.開(kāi)鑿解除鑿，巖體產(chǎn)生變形并記錄應(yīng)變計(jì)上的讀數(shù)。4.在開(kāi)挖好的解除鑿中埋設(shè)壓力枕，并用水泥砂漿充填空隙。5.待充填水泥漿達(dá)到一定強(qiáng)度后，即將壓力枕聯(lián)接油泵，通過(guò)壓力枕對(duì)巖體施壓。隨著壓力枕所施加的力p的增加，巖體變形逐漸恢復(fù)。逐點(diǎn)記錄壓力p與恢復(fù)變形的關(guān)系。6.假設(shè)巖體為理想彈性體，則當(dāng)應(yīng)變計(jì)回復(fù)到初始讀數(shù)時(shí)，此時(shí)壓力枕對(duì)巖體所施加的壓力p即為所求巖體的主應(yīng)力。如圖6-20所示，ODE為壓力枕加荷曲線，壓力枕不僅加壓到初始讀數(shù)（D點(diǎn)），即恢復(fù)了彈性變形，而且繼續(xù)加壓到E點(diǎn)，得到全應(yīng)變：由應(yīng)力-應(yīng)變曲線求巖體應(yīng)力圖6-20由壓力枕逐步卸載，得卸荷曲線EF,并得知，這樣就可以求得產(chǎn)生全應(yīng)變所相應(yīng)的彈性應(yīng)變與殘余塑性應(yīng)變之值。為了求得產(chǎn)生所相應(yīng)的全應(yīng)變量，可以作一條水平線KN與壓力枕的OE和EF線相交，并使MN=,則此時(shí)KM就為殘余塑性應(yīng)變，相應(yīng)的全應(yīng)變量由就可知在OE線上求得C點(diǎn)，并求得與C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的p值，即所求的值。返回第四節(jié)巖體初始應(yīng)力狀態(tài)分布的主要規(guī)律一、垂直應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力隨深度的變化垂直應(yīng)力隨深度線性增加。平均密度約為27KN/m3二、水平應(yīng)力隨深度的變化平均水平應(yīng)力隨深度而增加三、水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值K在接近地表及淺層地層中，水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。但隨深度增加就會(huì)出現(xiàn)K=1的狀況。四、兩水平應(yīng)力之間的比例返回第五節(jié)高地應(yīng)力地區(qū)的主要巖石力學(xué)問(wèn)題一、研究高地應(yīng)力問(wèn)題的必要性研究高地應(yīng)力就是巖石力學(xué)的基本任務(wù)。巖體的本構(gòu)關(guān)系、破壞準(zhǔn)則以及巖體中應(yīng)力傳播規(guī)律都要受到地應(yīng)力大小的變化而變化。隨著采礦深度的增加、我國(guó)中西部的開(kāi)發(fā)，尤其是水電工程建設(shè)，在高地應(yīng)力地區(qū)出現(xiàn)特殊的地壓現(xiàn)象，給巖體工程穩(wěn)定問(wèn)題提出了新課題。二、高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象（一）高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則（1）目前國(guó)際國(guó)內(nèi)無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。（2）國(guó)內(nèi)一般巖體工程以初始地應(yīng)力在20-30MPa為高地應(yīng)力(大于800米深)。（3）由于不同巖石，彈性模量不同，巖石的儲(chǔ)能性能也不同。按《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218-94）：稱(chēng)為極高初始地應(yīng)力，為高地應(yīng)力。其中：為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度；雙為垂直洞軸線方向地最大初始地應(yīng)力。（二）高地應(yīng)力現(xiàn)象（1）巖芯餅化現(xiàn)象。（2）巖爆。（3）探硐和地下隧道洞地洞壁產(chǎn)生剝離，巖體錘擊為嘶啞聲并有較大變形（4）巖質(zhì)基坑底部隆起、剝離以及回彈錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象.如圖（6-26）圖6-25二灘引水隧洞巖爆發(fā)生部位示意圖圖6-26基坑邊坡回彈錯(cuò)動(dòng)（5）野外原位測(cè)試測(cè)得的巖體物理力學(xué)指標(biāo)比實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊試驗(yàn)