巖體中的天然應力第一頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/242§6.1概述一、定義1.天然應力(地應力、初始應力等）人類工程活動之前存在于巖體中的應力。2.重分布應力（二次分布應力、附加應力等）由于工程活動改變了的巖體中的應力?！胤植紤Α?+++++++++++++++++天然應力→←↓↑∧相對于第2洞室的天然應力第六章巖體中的天然應力第二頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/243二、天然應力的組成及起源1.組成：巖體自重→自重應力構(gòu)造運動→構(gòu)造應力流體作用→滲流應力其它（地溫、地球化學作用等）2.起源（主要指構(gòu)造運動的起源）：板塊運動地幔熱對流地球自轉(zhuǎn)速度變化拉張區(qū)擠壓區(qū)第六章巖體中的天然應力第三頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/244三、天然應力的研究歷史與研究意義1.研究歷史

①世界上:1878年，海姆提出天然應力1932年，美胡佛水壩下隧道中，首次成功測定了巖體中的天然應力到目前天然應力測點遍布全球，有幾十萬個測點。大部分是淺部，最深5108米（美國密執(zhí)安水壓致裂法）。②中國：50年代末開始天然應力量測，有幾萬個測點，最深的有3958米（天津大港）。

第六章巖體中的天然應力第四頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2452.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)定第六章巖體中的天然應力第五頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/246以東經(jīng)100～105o為界分東西兩區(qū)。強度上：西強東弱（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）§6.2

巖體天然應力的分布特征第六章巖體中的天然應力第六頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/247第六章巖體中的天然應力西南：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力。第七頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/248上覆巖體自重多為壓應力多為最小主應力，少數(shù)為中間主應力與最大主應力第六章巖體中的天然應力二、鉛直應力（V）第八頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/249三、水平應力（h）常以水平應力為主，即h>v，hmax>v

。h/v

，即巖體主要受地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應力場的控制；h具各向異性，即h1≠h2

，我國華北hmin/hmax，華南hmin/hmax

。原因a.巖體各向異性;b.構(gòu)造運動的方向性;h以壓應力為主，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應力，且多見一向壓，一向拉。在地表卸荷帶影響區(qū)，可能出現(xiàn)水平應力為拉應力。第六章巖體中的天然應力第九頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2410四、天然應力比值系數(shù)與深度z的關(guān)系天然應力比值系數(shù)()：h/v，隨深度增加而減小。第六章巖體中的天然應力第十頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2411五、主應力平面與水平面的關(guān)系據(jù)主應力平面與水平面的關(guān)系，天然應力狀態(tài)劃分為：水平應力場—一個應力軸近水平，或與水平面夾角很小，另一應力軸近鉛直，三個應力軸與空間坐標一致，我國大陸范圍內(nèi)屬這種應力場;非水平應力場—水平應力與水平面夾45°左右，另一軸與水平面夾0~45左右，分布于板塊邊緣。第六章巖體中的天然應力第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2412六、高天然應力標志開挖洞室時，常產(chǎn)生巖爆、剝離；

(在高地應力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應力高度集中，使圍巖發(fā)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。)收斂變形大，使開挖斷面變?。卉浫鯅A層內(nèi)物質(zhì)被擠出，節(jié)理閉合；餅狀巖心；水下開挖無水滲出。第六章巖體中的天然應力第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2413六、影響天然應力的因素1.地形起伏a.水平應力向負地形集中，向正地形釋放b.在斜坡附近，應力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)+++++++++++++++++第六章巖體中的天然應力第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/24142.地表剝蝕原地面現(xiàn)地面··剝蝕第六章巖體中的天然應力第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2415該式說明：剝蝕后，巖體中一點增大了，當△Z大到一定值時，必有>1的情況出現(xiàn)。第六章體中的天然應力第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/24163.結(jié)構(gòu)面………第六章巖體中的天然應力4.巖體性質(zhì)

硬巖?？煞e累較高的應力，而軟巖則相反5.地下水

產(chǎn)生滲流應力6.地溫

產(chǎn)生溫度應力第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2417§6.3巖體天然應力的確定自重應力理論地震震源機制解地變形量測天然應力測量大地水準測量三角網(wǎng)測量GPS測量天然應力確定方法第六章巖體中的天然應力第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2418二、天然應力的量測天然應力的量測方法水壓致裂法應力恢復法（扁千斤頂法）套芯應力解除法光彈法聲發(fā)射法X射線法第六章巖體中的天然應力第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2419A1、水壓致裂法tpc1pSpc2p0水壓力隨時間的變化曲線第六章巖體中的天然應力第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2420tpc1pSpc2p0假設(shè)：

天然應力鉆孔假設(shè)在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)線彈性巖體中一小圓孔。作用應力，據(jù)彈性理論中柯西解，未加水壓力時，A’A兩點應力：，水壓力下，鉆壁產(chǎn)生拉破裂的條件:

取“–”A第六章巖體中的天然應力第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2421維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件：聯(lián)立上兩式有而：因此，可得測點的天然應力為第六章巖體中的天然應力第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2422破裂平行于，垂直于，破裂方向由壓痕，井下電視確定。優(yōu)點：測深大，z可達數(shù)百米，目前最深達5108米；施工技術(shù)簡單，不需要應力計等儀器。方向：據(jù)巖體破裂方向確定第六章巖體中的天然應力第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2423千斤頂油泵時間千斤頂壓力pc測點分離值d0d步驟：①在巖壁上選測點，固定A、B兩點，d≈15cm；②刻槽應力釋放、變形d0

d;③安裝扁千斤頂;④加壓應力恢復dd0，到d=d0時的千斤頂壓力即為；2、應力恢復法（扁千斤頂法）第六章巖體中的天然應力第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2424⑤重復測量另一個方向的W;⑥計算天然應力：假定天然應力為水平應力場,當測得側(cè)壁應力R和底板應力W

時,則:·第六章巖體中的天然應力第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/24土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課——《巖體力學》253、鉆孔套芯應力解除法①基本原理++++++++++++++++++儀器套芯解除鉆孔同心套鉆放應變計應力解除應力計算位移恢復第六章巖體中的天然應力第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2426設(shè)天然應力為水平應力場45°45°②計算公式：應變計互成45°，得第六章巖體中的天然應力第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2427∴∵第六章巖體中的天然應力第二十七頁，共三十頁，2022年，8月28日2023/2/2428用消元法解方程，得：60°60°第六章巖體中的