第五章巖體天然應(yīng)力與洞室圍巖的應(yīng)力分布一、巖體的應(yīng)力類型地應(yīng)力是工程前、后巖體中應(yīng)力的總稱。⑴構(gòu)造應(yīng)力—由地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在巖體中所引起的應(yīng)力。⑵自然（作用）應(yīng)力—自重、溫度變化、地震、固結(jié)、沉積、變質(zhì)、結(jié)晶、脫水所引起的應(yīng)力。⑶附加應(yīng)力—人類活動(dòng)（工程）作用。工程施工前就存在與巖體內(nèi)的應(yīng)力稱初始應(yīng)力或天然應(yīng)力。第一節(jié)概述二、概念在天然狀態(tài)下,巖體內(nèi)部存在的應(yīng)力，稱為巖體天然應(yīng)力或巖體初始應(yīng)力。人類進(jìn)行工程建設(shè)將引起一定范圍內(nèi)巖體初始應(yīng)力的改變，工程建設(shè)擾動(dòng)后的巖體應(yīng)力稱為重新分布應(yīng)力或二次應(yīng)力。影響巖體天然應(yīng)力大小和分布規(guī)律的因素很多，主要有巖體自重、構(gòu)造作用類型、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)期的長短等。自重引起的巖體應(yīng)力稱為自重應(yīng)力；由于巖體構(gòu)造作用引起的應(yīng)力稱為巖體構(gòu)造應(yīng)力。此外，成巖過程中的物理化學(xué)變化、地形地貌、地溫梯度等均對巖體天然應(yīng)力有不同程度的影響。人們將水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值稱為側(cè)壓比（用λ表示），通過實(shí)測資料發(fā)現(xiàn)，它與深度存在以下關(guān)系：見圖5-1所示。由圖可見：H小于1000時(shí)，側(cè)壓比較為分散。隨著深度的增大，側(cè)壓比趨近于1。二、自重應(yīng)力與海姆假說現(xiàn)取水平應(yīng)力和鉛直應(yīng)力之比，稱為側(cè)壓力系數(shù)，記為K0對于沒有經(jīng)受構(gòu)造作用、產(chǎn)狀較為平緩的巖層，它們的應(yīng)力狀態(tài)十分接近于由彈性理論所確定的應(yīng)力狀態(tài)。因此，如果以坐標(biāo)平面xy為地表面，z軸垂直向下的半無限體，在深度為z處的垂直應(yīng)力σz，顯然可按下式計(jì)算：式中：γ---巖體容重水平應(yīng)力為：

式中：K0---巖石的靜止側(cè)壓力系數(shù)μ---巖石的泊松比，一般為0.2-0.3，此時(shí)K0為0.25-0.4。當(dāng)K0=1時(shí)，就出現(xiàn)水平向應(yīng)力與垂直向應(yīng)力相等的所謂的靜水壓力式的情況，這也是海姆所提出的假說，他根據(jù)在開挖貫穿阿爾卑斯山的大型隧洞的觀察中，發(fā)現(xiàn)隧洞的各個(gè)方向上都承受很高的壓力，于是提出了著名的海姆假說：在巖體深處的初始垂直應(yīng)力與其上覆巖體的重量成正比，而水平應(yīng)力大致與垂直應(yīng)力相等。3.2巖爆發(fā)生的判據(jù)⑴當(dāng)Rc/σmax＞7時(shí)，無巖爆；⑵當(dāng)Rc/σmax=4～7時(shí)，可能發(fā)生輕微或中等巖爆；⑶當(dāng)Rc/σmax＜4時(shí)，可能發(fā)生嚴(yán)重巖爆3.3巖爆的防治⑴圍巖加固措施；⑵改善圍巖應(yīng)力條件；（隧道選線、合理的斷面形狀、施工方式、應(yīng)力解除）⑶改善圍巖性質(zhì)⑷施工安全措施圖6-26基坑邊坡回彈錯(cuò)動(dòng)三、巖體應(yīng)力與工程的關(guān)系建筑物修造，會(huì)引起巖體應(yīng)力的重新分布，形成新的應(yīng)力狀態(tài)，這會(huì)產(chǎn)生巖體的變形或破壞。進(jìn)行穩(wěn)定分析巖體天然應(yīng)力是必須的基本資料。巖體天然應(yīng)力與地下洞室的關(guān)系最為密切，地下洞室的開挖過程，實(shí)際上就是該處天然應(yīng)力釋放過程。由于巖體內(nèi)的能量得到釋放，形成新的應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生圍巖的變形。洞室周邊的應(yīng)力與圍巖深部的應(yīng)力相比，前者常處于不利的受力狀態(tài)。如果這種應(yīng)力狀態(tài)超過巖體的強(qiáng)度條件，就可能發(fā)生破壞，甚至引起圍巖的失穩(wěn)。對于圓形有壓隧洞，人們總希望盡可能使隧洞橫斷面上的垂直初始應(yīng)力與側(cè)向水平初始應(yīng)力大致相等。從理論上講，此時(shí)圍巖中的重分布應(yīng)力比較均勻，圍巖的穩(wěn)定性最好。并且初始應(yīng)力值達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，巖體強(qiáng)度又較高，那么圍巖將具有較大的承載能力可資利用。在有壓水工隧洞設(shè)計(jì)中是一個(gè)有利因素，使巖體可以分擔(dān)更多的內(nèi)水壓力，而襯砌可以減薄。堅(jiān)硬完整的巖體，如果天然應(yīng)力很高，則可以聚集大量的能量。地下洞室開挖過程中，在圍巖應(yīng)力較大的部位，巖石被擠壓到超過它的彈性限度，積聚的能量會(huì)突然釋放出來，形成“巖爆”現(xiàn)象，它不僅危及施工人員和設(shè)備的安全，并且給生產(chǎn)造成巨大損失。在巖基上修建大壩，由于基坑開挖的卸荷作用，將會(huì)引起基坑底部、巖體發(fā)生回彈隆起，或坑壁巖層移動(dòng)，這種巖體變形，在水平主應(yīng)力較大，巖體中存在著近于水平產(chǎn)狀的軟弱面時(shí)，特別明顯。這不僅使巖體的工程性質(zhì)惡化，而且還會(huì)影響未來建筑物的受力狀態(tài)和穩(wěn)定。第三節(jié)巖體應(yīng)力的現(xiàn)場量測

在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，巖體中初始應(yīng)力的大小及其分布狀態(tài)，是不可缺少的重要資料，這一部分工作一般由勘察、試驗(yàn)研究部門來承擔(dān)。因?yàn)槌跏紤?yīng)力不容易計(jì)算，最好而且最可靠的辦法是現(xiàn)場量測。另外對于已經(jīng)建成使用的工程，為了檢測巖體中應(yīng)力的變化和活動(dòng)情況，以及對理論計(jì)算進(jìn)行校核，也需要對巖體應(yīng)力進(jìn)行量測?，F(xiàn)場巖體應(yīng)力可以在鉆孔中、露頭上和地下洞室的巖壁上測定，也可根據(jù)在地下測定的位移進(jìn)行計(jì)算。地應(yīng)力測量方法，包括多種測試手段和許多測量工具。目前常用的方法是應(yīng)力解除法，應(yīng)力恢復(fù)法。所有應(yīng)力測量技術(shù)都要擾動(dòng)巖石。3實(shí)驗(yàn)步驟：如圖5-2所示1利用鉆頭自邊墻鉆一深度為Z的鉆孔，并用嵌有細(xì)粒金剛石的鉆頭將孔底磨平拋光。2在鉆孔底面貼上三個(gè)互成120度交角的電阻應(yīng)變片。3通過電阻應(yīng)變儀讀出相應(yīng)的三個(gè)應(yīng)變片的初始讀數(shù)。4用與鉆孔直徑相同的套鉆鉆頭進(jìn)行套鉆。（孤立巖柱-巖芯，巖體作用于巖芯上的應(yīng)力就被解除，巖芯也就產(chǎn)生相應(yīng)的變形）5在應(yīng)變儀上可讀出相應(yīng)的三個(gè)讀數(shù)，它們分別與套鉆前的三個(gè)初始讀數(shù)的差，就表示巖芯分別沿三個(gè)不同方向的應(yīng)變值。4計(jì)算：根據(jù)材料力學(xué)原理，大小主應(yīng)變可用下式計(jì)算：最大主應(yīng)變與ε1之間的夾角α由5-5式計(jì)算：2.孔壁應(yīng)變測試法測試原理見107頁，一個(gè)測點(diǎn)可以建立三個(gè)關(guān)系式，三個(gè)測點(diǎn)可以建立9個(gè)關(guān)系式，選出6個(gè)關(guān)系式就可計(jì)算出6各應(yīng)力分量。該方法的優(yōu)點(diǎn)：只需在一個(gè)鉆孔內(nèi)通過對洞壁3個(gè)點(diǎn)應(yīng)變的量測，即可完全確定巖體的6各孔間應(yīng)力分量。求得最大，最小主應(yīng)變值后，可按下式計(jì)算相應(yīng)于這兩個(gè)方向的最大最小主應(yīng)力值：上式可計(jì)算量測淺處巖體應(yīng)力時(shí)采用（按照平面應(yīng)力問題計(jì)算）；對深出巖體應(yīng)力的量測則要按照平面變形問題計(jì)算主應(yīng)力，這時(shí)5-6式中E和μ分別用E/（1-μ2）和μ/（1-μ）代替。具體測試方法是用鉆機(jī)鉆孔，如圖5-5所示。鉆孔底面用金剛石鉆頭磨平后再用小的鉆孔自孔底面沿孔軸方向繼續(xù)鉆一深度約為45cm的小鉆孔。這時(shí)就在小鉆孔的中部孔壁上選定三個(gè)測點(diǎn)并在每個(gè)測點(diǎn)上按前述規(guī)定方向安置三個(gè)應(yīng)變元件。此時(shí)讀出各測點(diǎn)的應(yīng)變計(jì)的初讀數(shù)，并將應(yīng)變計(jì)的測量導(dǎo)線引出孔外，然后封住小鉆孔的孔口，以防水流入小鉆孔而損壞孔內(nèi)的應(yīng)變元件，最后再選用適當(dāng)大小的鉆頭在小鉆孔外圍進(jìn)行套鉆并取出巖芯。此時(shí)再讀出完全解除了應(yīng)力之后巖芯中孔壁各應(yīng)變元件的讀數(shù)，然后用套取巖芯前后應(yīng)變元件讀數(shù)之差，按相應(yīng)的公式計(jì)算巖體初始應(yīng)力。2、步驟:1在巖體表面上布置一組或多組測量點(diǎn)，貼應(yīng)變片，讀出初始值；2順著與所測應(yīng)力相垂直的方向設(shè)置一道深槽，目的是解除槽壁應(yīng)力，讀出應(yīng)變計(jì)讀數(shù)；3將扁千斤頂置于槽中，施加荷載，直至應(yīng)變計(jì)讀數(shù)恢復(fù)至初始讀數(shù)為至。這時(shí)千斤頂施加于槽壁上的單位壓力即為槽壁上原有的法向應(yīng)力。這種方法可以不用測巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系而直接得出巖體的應(yīng)力。工程實(shí)例：孔徑變形法在二灘水電站測試結(jié)果及分析二灘水電站位于四川攀枝花市，壩高245m，地下廠房長240m、寬27.5m、高約65m，與主廠房配套的還有主變室和尾水調(diào)壓室，連同連接管道，形成一個(gè)復(fù)雜的洞室群。二灘水電站壩址位于雅礱江與金沙河交匯處，高山峽谷中，兩岸臨江坡高400～500m，河谷呈不對稱V形河谷。處于受雅礱江、西番田和金河-菁河等幾個(gè)斷裂帶所包圍的共和斷塊上。該斷塊周圍的深大斷裂具有地質(zhì)歷史上的長期活動(dòng)性，根據(jù)板塊理論，二灘地區(qū)處于印度板塊和歐亞板塊的擠壓帶上，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使巖體內(nèi)存在著較高的擠壓應(yīng)力。第四節(jié)水平洞室圍巖的應(yīng)力計(jì)算圍巖定義：地下工程施工影響范圍內(nèi)的巖土體稱為圍巖。圍巖穩(wěn)定：指一定時(shí)間內(nèi)，在地質(zhì)力或工程荷載作用下，巖土體不產(chǎn)生破裂或失穩(wěn)。在巖體內(nèi)開挖洞室的結(jié)果是破壞了巖體原來的平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力的重新分布，使圍巖產(chǎn)生變形。當(dāng)重新分布后的應(yīng)力達(dá)到或超過巖石的強(qiáng)度極限時(shí)，除彈性變形外，還將產(chǎn)生較大的塑性變形。在設(shè)計(jì)各種類型的洞室時(shí)，為了分析洞室的穩(wěn)定性，一方面研究巖體的強(qiáng)度特性，另一方面必須掌握圍巖的初始應(yīng)力和重分布應(yīng)力。本節(jié)主要介紹水平洞室圍巖的重分布應(yīng)力及其分布規(guī)律巖體中的三種應(yīng)力場：（即對應(yīng)于三種不同側(cè)壓力系數(shù)的初始應(yīng)力場）K0=0—距地表較淺的巖體中會(huì)產(chǎn)生此應(yīng)力場；K0=1/3—沒有經(jīng)受構(gòu)造作用的深部巖體呈現(xiàn)的應(yīng)力場；K0=1—在很深的巖體中出現(xiàn)、海姆假說（靜水壓力）情況。三種應(yīng)力場見圖5-7。從圖5-7可以看出，當(dāng)洞室高度h遠(yuǎn)小于洞室的埋藏深度H時(shí)，沿洞室高度的應(yīng)力變化可以忽略不計(jì)。若干分析資料表明，在巖體的自重應(yīng)力場中，當(dāng)洞室埋置深度H大于洞室高度的三倍時(shí)，可近似洞室圍巖的受力狀態(tài)如圖5-8所示。作上述簡化后，就可依次討論圓形洞室、橢圓形洞室、矩形洞室以及復(fù)式洞式的圍巖應(yīng)力計(jì)算。一、圓形洞室r0---洞室半徑r---自洞中心算起的徑向距離θ---自水平軸算起的極坐標(biāo)中的角度Ph、Pv---分別表示垂直與水平正應(yīng)力，如果巖體的初始應(yīng)力僅由重力形成，則Pv=γHPh---K0γH(H為洞室平均埋深)σr、σθ---分別為徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力τrθ---剪應(yīng)力當(dāng)K0=1的情況，這時(shí)Ph=Pv=γH，可得：二、橢圓形洞室對于橢圓洞室，運(yùn)用彈性理論也可推出圍巖應(yīng)力計(jì)算公式，這里僅給出橢圓洞壁處的切向應(yīng)力σt如下：式中：q1、q2---分別表示橢圓在x軸和y軸方向的半軸β---橢圓偏心角。

三、矩形洞室與圓形洞室和橢圓形洞室相比，矩形洞室的圍巖應(yīng)力要復(fù)雜的多。應(yīng)用理論方法很難得到解答，通常采用光彈實(shí)驗(yàn)來確定。三種側(cè)壓力系數(shù)條件下橢圓形、矩形洞室洞邊最大切向應(yīng)力集中系數(shù)㈠K0=0寬高比＜1橢圓優(yōu)于矩形寬高比＞1圓角矩形比橢圓形為好㈡K0=1/3寬高比＜1.4橢圓優(yōu)于矩形寬高比＞1.4圓角矩形比橢圓形為好寬高比=1/3橢圓形最大切向應(yīng)力出現(xiàn)最小值㈢K0=1寬高比=1圓形洞室出現(xiàn)最小值優(yōu)先考慮寬高比＞2.5圓角矩形比橢圓形為好

㈠K0=0無論矩形或橢圓形在洞室頂部都出現(xiàn)應(yīng)力集中系數(shù)為1或接近于1的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象㈡K0=1/3對橢圓形洞室寬高比＞1時(shí)，洞頂才出現(xiàn)拉應(yīng)力。這時(shí)的拉應(yīng)力雖低于K0=0時(shí)的拉應(yīng)力，但應(yīng)力值總是隨寬高比的增大而增大。㈢K0=1各種洞形的圍巖均不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

四、復(fù)式洞式復(fù)式洞室是指若干相互平行的洞室所組成的洞室體系，應(yīng)力分布比單個(gè)洞室復(fù)雜的多，不易用數(shù)學(xué)式表達(dá)，圍巖應(yīng)力要用光彈實(shí)驗(yàn)來定。1最大邊界壓應(yīng)力發(fā)生在洞室邊墻上，位于中部洞室邊墻上的壓應(yīng)力為最大。2K0=0時(shí)