1.掌握初始應力、構造應力的概念，掌握自重應力的計算方法；2.了解原巖應力的一般規(guī)律及影響原巖應分布的因素；3.了解巖應力的實測方法基本要求第六章巖體的初始應力狀態(tài)2/7/20231課件1巖體初始應力狀態(tài)的概念與意義

原巖：未受工程影響而又處于自然平衡狀態(tài)的巖體。原巖應力（亦稱初始應力或地應力）：定義之一：原巖中存在的應力。定義之二：巖體在天然狀態(tài)下所存在的內應力。一般習慣把原巖應力分為自重應力場和構造應力場。由上覆巖體的自重所引起的應力稱為自重應力；地層中由于過去地質構造運動產生和現(xiàn)在正在活動與變化的應力，地質作用殘存的應力統(tǒng)稱為構造應力。2/7/20232課件研究巖體初始應力狀態(tài)的工程意義：正確確定開挖巖體過程中的巖體內部應力變化合理設計地下工程的支護尺寸2/7/20233課件 x=1/E[x

-（

y

+z

）]=0

y=1/E[y

-（

x

+z

）]=0 由此得：

x

=y=/（1-）z=/（1-）H （6-3） 所以，側壓力系數(shù)=/（1-）2．成層巖體 （6-4）

（6-3）、（6-4）巖體在一定深度范圍內成立。如果巖體由松散的碎石，砂及卵石組成，可以近似地認為巖體是理想松散介質，可由松散介質極限平衡條件來建立垂直應力與側向應力的關系：

=x/z

=(1-sin)/(1+sin) (6-8)

2/7/20235課件對于具有一定粘聚力的松散巖體，側向應力x與垂直應力z之間的關系為 （6-9）

顯然，在一定深度范圍，側向應力x有可能為負；令x=0，則由上式可得： （6-10）

當H>H0時，才開始出現(xiàn)側向應力x，并隨深度成正比增加。二、巖體構造應力場1．構造應力的確定構造應力尚無法用數(shù)學力學的方法進行分析計算，而只能采用現(xiàn)場應力量測的方法來求得，但是構造應力的方向可以根據地質力學的方法加以判斷。2/7/20236課件（a）正斷層（b）逆斷層（c）平推斷層（d）巖脈（e）褶皺

圖6-4由地質特征推斷的應力方向（a）~（e）均為平面圖2/7/20237課件設某深度H0的一個巖石單元，該處初始側壓系數(shù)0

上覆巖體剝蝕了厚度H，使巖石單元受到卸載作用，卸載后，垂向應力v減小了H，水平應力n則減少了H/（1-）（按彈性卸載考慮）

則此時巖石單元的側壓力系數(shù)為： （6-11） 由于剝蝕后巖石單元埋深H=H0?H，所以：

可見，由于上覆巖體被剝蝕，使側壓力系數(shù)有增加的趨勢， 當深度小于一定數(shù)值時，會出現(xiàn)水平應力n大于垂直應力v。2/7/20239課件三、影響巖體初始應力狀態(tài)的其他因素（一）地形山谷谷底的應力很大:與巖體的均質程度有關（圖6-6)地形對巖體初始應力影響的另一特征:(圖6-7）2/7/202310課件（二）地質條件對自重應力的影響 圖6-8背斜:兩翼應力增大,中部應力降低; 向斜:兩翼應力降低,核部應力增大. 圖6-8斷層:山峰地應力低,山谷地應力高（三）水壓力和熱應力2/7/202311課件二、水壓致裂法（一）方法原理及技術基本原理：Po——孔隙水壓或地下水壓力。Pb——初始壓裂壓力。Ps——液體進入巖體內連續(xù)地將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開裂壓力。Pso——關泵后壓力表上保持的壓力，稱關閉壓力。Pbo——開啟壓力。2/7/202313課件（二）基本理論和計算公式室內及現(xiàn)場資料表明：鉆孔壁在液壓下的初始開裂經常是垂直的。設孔周水平地應力為1h、2h孔壁還受有水壓Pb，此時，鉆孔周圍巖體內應力：

r=1/2(1h+2h)(1-a3/r2)+Pba2/r2

+1/2(1h-2h)(1-4a2/r2+3a4/r4)cos2

=1/2(1h+2h)(1+a3/r2)-Pba2/r2 （6-13）

-1/2(1h-2h)(1-3a4/r4)cos2

當

=a，即孔壁處，則，

r=Pb

=

(1h+2h)-Pb-2(1h-2h)cos2 （6-14）當=0時，有最小值，即：2/7/202314課件 按最大拉應力理論有：

?To

（6-16） 時，孔隙開裂，式中，To為巖體抗拉強度。

據此，可求得孔壁破裂的應力條件為：32h

?1h

?Pb+T0=0 （6-17）

或1h

=32h?Pb

+T0

（6-18）

如果巖體中有孔隙水壓力Pw時，則式6-18）變?yōu)椋? 1h

=32h

?Pb

+T0–Pw

（6-19）

若水泵重新加壓使裂縫重新開裂的壓力Pbo稱為開啟壓力，即 此時To=0，則式（6-19）

1h

=32h?Pb0–Pw

（6-20）

2/7/202315課件（三）根據水壓致裂法試驗結果計算地應力

水壓致裂法的主要缺點是地主應力方向難以確定，可由式（ 6-23）分析確定。（1）、一般z=h，作為地主應力之一，若z1，則， 2h肯定為最小地主應力。由開裂方向可確定，2h或1h的方位，則三個地主應力的方位也可以相應地確定。（2）若2h>h，且孔壁開裂后孔內巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時，z=h為最小地應力，2h與1h各為中間地主應力及最大地主應力，垂直開裂方向即為最大地主應力方向。（四）水壓致裂法的特點2/7/202317課件（三）應力解除法基本原理：釋放應力，量測變形，彈性求解按探測深度可分：表面應力解除法，淺孔應力解除及深孔應力解除。按測試度形式應變的方法不同可分：孔徑變形測試，孔壁應變測試及鉆孔應力解除法等。鉆孔應力解除法分：巖體孔底應力解除法和巖體鉆孔套孔應力解除法。（一）巖體孔底應力解除法圖6-13適用條件：各種巖體條件，包括較為破碎的巖體。其測量和計算都較復雜。（略）2/7/202318課件圖6-132/7/202319課件說明：該方法要求在能取得完整巖芯的巖體中進行，一般至少要 能取出達到大孔直徑2倍長度的巖芯，因此在破碎和弱面多 的巖體中，或在極高的原巖應力區(qū)巖芯發(fā)生“餅狀”斷裂的情 況下不宜使用。

該方法要求取出足夠長的完整巖芯，一方面是保障直徑變化 測量的可靠性，確保處于彈懷狀態(tài)，彈性理論才是適用的； 另一方面要用它測定巖石的彈性模量。 本方法是量測垂直于鉆孔軸向平面內的孔徑變形值，所以它 與孔底平面應力解除法一樣，也需要有三個不同方向的鉆孔 進行測定，才能最終得到巖體全應力的六個獨立的應力分量。

2/7/202321課件為簡化，設鉆孔方向與3方向一致，且認為3=0，則此時通過孔徑位移值計算應力的公式為： =d[(1+2)+2(1?2)(1-2)cos2]1/E 式中：——鉆孔直徑變化值,d——鉆孔直徑 ——測量方向與水平軸的夾角 E、——巖石彈性模量與泊松比實際上，軸線方向的應力和變形對原巖應力測量來說是很重要的待定參數(shù);吳振業(yè)新近給出了軸向應力應變分量的嚴密的公式，這里只列出有關孔徑變形法測量的公式如下：

式中：px、py、pxy為待確定的與鉆孔垂直截面上的原巖應力分量。2/7/202322課件四、應力恢復法目的：直接測定巖體應力大小。用途：僅用于巖體表層，當已知某巖體中的主應力方向時，采用本方法較為方便。

基本原理：在槽的中垂線OA上的應力狀態(tài)，根據H，H穆斯海里什維理論，可把槽看作一條縫，得到： (6-27)式中：1x,y——OA線上某點B的應力分量

2/7/202323課件4巖體初始應力狀態(tài)分布的主要規(guī)律4巖體初始應力狀態(tài)分布的主要規(guī)律一、垂直應力隨深度的變化多數(shù)：v/H>1二、水平應力隨深度的變化水平應力隨深度增加呈線性關系增大。三、水平應力與垂直應力的比值K一般K>1，隨深度增加K=1四、兩個水平應力之間的關系2/7/202325課件第五節(jié)高地應力地區(qū)的主要巖石力學問題一、研究的必要性（一）、巖體地應力是研究巖體力學中不可缺少的一部分。 與其它力學學科根本區(qū)別：巖體中具有初始應力（二）、巖體的本構關系、破壞準則以及巖體中應力傳播規(guī)律都要受到地應力大小的變化而變化。低應力、低偏壓下：率巖體脆性明顯、各向異性和非連續(xù)性也很明顯高應力下：巖體塑性明顯，各向異性減弱，表現(xiàn)出連續(xù)性（三）、中、西部開發(fā)，在高地應力地區(qū)出現(xiàn)特殊的地壓現(xiàn)象二、高地應力判別準則和高地應力現(xiàn)象（一）、高地應力判別準則2/7/202326課件對于巖爆的預測必須結合工程實際進行具體分析，如果沒有實測的地應力資料，則可以從以下幾方面作出估計，預測可能出現(xiàn)巖爆的部位：(1)地形條件。垂直地應力與地形有關，一般是埋深愈大，地應力愈大。(2)構造情況。地震區(qū)和構造活動區(qū)的地應力一般要大些。水平地應力大時,垂直應力可能相應增大。洞室軸線垂直于構造主應力布置時,比平行主應力方向布置時開挖周邊應力大。(3)建筑物開挖情況。平行建筑物間的巖柱、隧洞從兩頭開挖接近貫通的部位、建筑物體變化處(如曲線處)等,都是應力集中較大地點,易于發(fā)生巖爆。2/7/202329課件(4)根據分析計算的巖體應力條件是否接近或小于巖石的強度,預測巖爆可能出現(xiàn)的部位。@在具備產生巖爆的應力條件時，巖石愈新鮮、完整和干燥，巖性愈脆硬，巖爆發(fā)生的可能性愈大。@在隧洞中，垂直地應力很大，水平地應力很小時，易在邊拱部位發(fā)生巖爆;@在地應力非常不等向的地區(qū)，平行最大主應力或中間主應力方向的洞壁，常會發(fā)生巖爆；2/7/202330課件@而在水平應力很大，垂直應力小時,在頂拱和地板部位易發(fā)生巖爆。在隧洞掘進中，端面應力較高，整個端面上易發(fā)生巖爆。@隧洞與陡坡平行，則靠近陡坡一側的頂拱易發(fā)生巖爆。@在隧洞分岔處的尖角部位，應力較大，易發(fā)生巖爆。采用初始應力和采用切向應力與單軸抗壓強度之比的經驗判斷,由于它從實際工程總結出來,有較高實用性,常常被用來進行巖爆的預測。一般有以下幾種經驗判斷:①伊阿多爾恰尼諾夫判斷: 當g≤0.3c時，無巖射、削落; 當g

<(0.5～0.8)c

時,巖射、削落; 當g<0.8c

時,巖爆,強烈?guī)r射。

式中: g——圍巖最大壓應力;c

——巖石單軸抗壓強度。2/7/202331課件②霍克判斷:當Pz/c=0.1時，穩(wěn)定巷道；當Pz/c=0.2時，少量片幫;當Pz/c=0.3時，嚴重片幫；當Pz/c=0.4時，需重型支護；當Pz/c=0.5時，可能出現(xiàn)巖爆。式中:Pz——原巖垂直應力。③巴頓判斷:巴頓按c(單軸抗壓強度)t(抗拉強度)分別與1(巖體最大初始應力)的比值來判斷。表1巴頓判斷 c/1

t/1

巖爆級別 5～2.5 0.33～0.16 輕微

<2.5 <0.16 嚴重2/7/202332課件

④Ｉ.Ａ.特錢英奧判斷:|t+z|<0.3c,無巖爆發(fā)生。式中:t

——圍巖切向應力;z——軸向應力;c——單軸抗壓強度c——單軸抗壓強度。⑤國內使用的經驗判斷:當1

≥(0.15～0.2)Rc時,發(fā)生巖爆。式中:1

——巖體初始應力； Rc——巖塊單軸抗壓強度。

以上經驗判斷的不足之處在于它是以單一因素——應力條件為依據,應力僅僅是巖爆形成的必要條件，而不是充分條件。2/7/202333課件（3）、探硐和地下隧洞產生剝離，巖體錘擊為嘶啞聲（中等強度）并伴有較大變形（軟巖）。（4）巖質基坑底部隆起、剝離以及回彈錯動現(xiàn)象。（5）野外原位測試測得的巖體物理力學指標比實驗室?guī)r塊試驗結果高。(3)、處理高地應力應注意的幾個問題1、巖體的潛塑狀態(tài)@K=H/v=1,靜水壓力狀態(tài);@

開挖后,1/=2

0,0為初始地應力@ Rc2

0塑性狀態(tài)或破壞在初始應力狀態(tài)下巖體單元處于穩(wěn)定（彈性）狀態(tài)而一旦開22311/=2

0圖6-28用應力圓和莫爾包絡線判斷巖體是否破壞或進入塑性狀態(tài)2/7/202334課件挖就會塑性（破壞）狀態(tài)的巖體處于潛塑狀態(tài)。即高地應力狀態(tài)。高地應力：與工程狀況（應力重分布）以及巖體堅硬程度（巖體的Rc、c、）有關。（二）、處理高地應力的巖石力學原則2/7/202335課件第八章巖體力學在邊坡工程中的應用 第一節(jié)邊坡的應力分布一、邊坡的應力分布分析邊坡應力分布的方法：現(xiàn)場應力測量法、室內光彈性法、模型應力測試法、力學解析法、數(shù)值法等。數(shù)值法廣泛應用，常用的有：有限元法、邊界元法、離散元法等。以有限元求解應力分布用得最普遍。2/7/202336課件2/7/202337課件二、巖坡破壞形式的分類1、巖石崩塌是巖體在陡坡面上脫落而下的一種邊坡破壞形式，常發(fā)生于陡坡頂部裂隙發(fā)育處2、平移滑動是一部巖體沿著地質軟弱面，如層面、斷層、裂隙或節(jié)理的滑動，其特點：塊體運動沿著平面滑動3、旋轉滑動其滑面通常成弧形狀，巖體沿此弧形滑面而滑移4、巖塊流動常發(fā)生在均質的硬巖層中5、巖層曲折2/7/202338課件i四、平移滑動的力學穩(wěn)定分析（一）、滑體沿單個平面剪切ABD質量為：