巖石力學課件巖體初始應力第1頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-1基本概念

原巖：未經(jīng)工程開挖而又不受開挖影響仍處于自然平衡狀態(tài)的巖體，稱為原巖。

原巖應力：原巖中天然賦存的應力稱為原巖應力，又稱為初始應力或地應力。

圍巖：受工程開挖影響應力發(fā)生重新分布的巖體，稱為圍巖。

圍巖應力：洞室開挖后，周圍巖體失去原來的支撐，開始向洞內(nèi)位移，引起洞周一定范圍內(nèi)巖體應力改變，重新調(diào)整形成新的應力，稱為圍巖應力，也稱次生應力或二次應力：巖體開挖擾動了原巖的自然平衡狀態(tài)，使一定范圍內(nèi)的原巖應力發(fā)生變化，變化后的應力稱為次生應力或二次應力。第2頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-1基本概念

自重應力：地殼上部各種巖體由于受到地心引力的作用而產(chǎn)生的應力。它是由巖體自重引起的。

構(gòu)造應力：由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應力稱為構(gòu)造應力?；虻貧ぶ虚L期存在著一種促使構(gòu)造運動發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應力。

原巖應力場：原巖應力在巖體空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為原巖應力場，又稱為初始應力場。即未經(jīng)采動的巖體在天然狀態(tài)下所具有的應力狀態(tài)。

構(gòu)造應力場：構(gòu)造應力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為構(gòu)造應力場.

原巖應力≈自重應力＋構(gòu)造應力

第3頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-2巖體的自重應力一、均勻巖體中的基本公式在均勻巖體中，巖體的自重初始應力狀態(tài)為：

其中λ為側(cè)壓力系數(shù)。對于成層巖體：

第4頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-2巖體的自重應力第5頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-2巖體的自重應力

在地殼淺部，可認為巖體處于彈性狀態(tài)，μ=0.20~0.30，在深部，巖體轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)，μ=0.50，λ＝1，則有：

σx=σy=σz

各向等壓的應力狀態(tài)，又稱為靜水壓力狀態(tài)。第6頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-2巖體的自重應力二、各向異性巖體中的基本公式對于各向異性巖體，例如薄層狀沉積巖：

當巖層水平時則有：第7頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-2巖體的自重應力對于各向異性體，例如薄層狀沉積巖：

當巖層垂直時聯(lián)立求解上式得：第8頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-2巖體的自重應力三、巖體自重應力的特點（1）水平應力σx、σy小于垂直應力σz；（2）σx、σy、σz均為壓應力；（3）σz只與巖體密度和深度有關(guān)，而σx、σy還同時與巖體彈性常數(shù)E、μ有關(guān)；（4）結(jié)構(gòu)面影響巖體自重應力分布。第9頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-3巖體構(gòu)造應力

一、構(gòu)造應力場的概念

構(gòu)造應力：由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應力稱為構(gòu)造應力?；虻貧?nèi)長期存在著一種促使構(gòu)造運動發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應力。

巖體構(gòu)造應力是構(gòu)造運動中積累或剩余的一種分布力。

構(gòu)造應力場：是構(gòu)造運動中積累或剩余的一種應力場，相對于人類活動時期而言，除構(gòu)造活動區(qū)外，它是剩余應力場。第10頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-3巖體構(gòu)造應力二、構(gòu)造運動的起因地質(zhì)學家分析地球表層（包括地殼和地幔）結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律和發(fā)展，提出了各種大地構(gòu)造學說，最具代表的是地質(zhì)力學學說和板塊構(gòu)造學說。1、地質(zhì)力學學說該學說認為地球自轉(zhuǎn)速度的變化產(chǎn)生兩種推動地殼運動的力：一種是經(jīng)向水平離心力；一種是緯向水平慣性力。這兩種力是引起地殼巖體中出現(xiàn)構(gòu)造應力的根本原因。大量的實測資料說明巖體中水平應力大于垂直應力，說明構(gòu)造應力以水平應力為主。2、板塊構(gòu)造學說該學說認為板塊運動的核心是海底擴張。海底擴張是由于地幔對流引起的。源于1915年德國魏根納提出大陸漂移學說，認為1.5億年前，地球表面有一個統(tǒng)一的大陸－聯(lián)合古大陸，其周圍全是海洋。從侏羅紀開始，聯(lián)合古大陸分裂成6大板塊，它們覆在軟流圈上各自漂移，最終形成現(xiàn)今大陸和海洋的分布。第11頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六非洲第12頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-3巖體構(gòu)造應力三、構(gòu)造應力場分析根據(jù)巖體變形破壞機理，對構(gòu)造運動留下的遺跡（構(gòu)造形跡）進行分析，以判斷構(gòu)造應力的主應力方向。（一）構(gòu)造形跡的形成機理1、褶皺形成機理

第13頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-3巖體構(gòu)造應力三、構(gòu)造應力場分析（一）構(gòu)造形跡的形成機理

2、斷層和節(jié)理的形成機理斷層、節(jié)理形成機理有三種：張性的、扭性的、壓性的。（1）張性斷層是由于巖體中的張應變超過極限而產(chǎn)生的。這種斷層層面不規(guī)則，斷層走向與最大主應力方向平行。小的張性斷裂兩盤巖石不一定發(fā)生錯動，稱之為張性節(jié)理。（2）壓性斷層和扭性斷層都可用莫爾－庫倫理論來解釋。

第14頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-3巖體構(gòu)造應力三、構(gòu)造應力場分析（一）構(gòu)造形跡的形成機理

2、斷層和節(jié)理的形成機理由地質(zhì)特征推斷構(gòu)造應力方向詳圖見下頁第15頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六第16頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-3巖體構(gòu)造應力（二）構(gòu)造體系及區(qū)域構(gòu)造應力場

對一個區(qū)域而言，在一次構(gòu)造運動中，既有褶皺又有斷層和節(jié)理等。這些構(gòu)造形跡盡管形態(tài)各異、性質(zhì)不同、大小懸殊，但大都不是孤立出現(xiàn)，而是相伴而生，共同形成一個構(gòu)造體系。例如：米字型構(gòu)造體系。

S1,S2’扭性斷層－張性斷層（詳圖見下頁）

第17頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六第18頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（一）基本原理

地下某點的巖體處于三向壓縮狀態(tài)，如用人為的方法解除其應力，必然發(fā)生彈性恢復，測定其恢復的應變，利用彈性力學公式則可算出巖體初始應力。

第19頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法1、孔底應力解除法孔底應力解除法測定巖體應力的步驟：（1）打大孔至測點，磨平孔底。（2）在孔底粘貼電阻應變花探頭。（3）解除應力，測量其應變。（4）取出巖心，測其彈性參數(shù)。（5）計算巖體應力。第20頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法1、孔底應力解除法應變花種類：等角應變花、直角應變花第21頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法1、孔底應力解除法對于等角應變花，孔底平面內(nèi)的應力按下式計算：第22頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法1、孔底應力解除法對于直角應變花，孔底平面內(nèi)的應力按下式計算：

第23頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法1、孔底應力解除法孔底平面位置處的原巖應力按下式經(jīng)驗公式計算：對于深孔，按平面應變問題處理：式中：σx，σy，σz為孔底的原巖應力，CT，Cl為孔底橫向和軸向應力集中系數(shù)，大多采用Van.Heerden的結(jié)果：

CT＝1.25，Cl＝－0.75（0.645＋μ）第24頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法1、孔底應力解除法孔底平面位置處的原巖應力按下式經(jīng)驗公式計算：對于淺孔，按平面應力問題處理：采用孔底應力解除時，單孔不能確定巖體應力的六個分量，必須進行三孔測定，才能確定巖體的原巖應力。第25頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法2、孔徑變形法孔徑變形法通過測定鉆孔孔徑變形求解巖體應力，其應力解除工序為：（1）打大孔至測點，磨平孔底。（2）打同心小孔，安裝孔徑變形計探頭。（3）延伸大鉆孔解除應力，同時測量孔徑變形。（4）取出巖心，測其彈性參數(shù)E、μ。（5）計算巖體應力。第26頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法2、孔徑變形法假定孔徑變形計探頭的三個觸頭相對于巖體應力σ1’的夾角為θ1、θ2、θ3，測得的孔徑變形分別為U1、U2、U3,孔壁徑向位移為其1/2。

第27頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法2、孔徑變形法當θ1、θ2、θ3的間隔為600時，按下式計算巖體應力：第28頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法2、孔徑變形法當θ1、θ2、θ3的間隔為600時，按下式計算巖體應力：

如果（d）式成立，則θ1為σ1’與U1的夾角，否則為σ2’與U1的夾角。上式中的K，對于淺孔，可作平面應力問題處理，K=d/E;對于深孔，可作平面應變問題處理，K=（1－μ2)d/E。其中d為鉆孔直徑，μ為巖石的泊松比。第29頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法2、孔徑變形法當θ1、θ2、θ3的間隔為450時，按下式計算巖體應力：

第30頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法2、孔徑變形法當θ1、θ2、θ3的間隔為450時，按下式計算巖體應力：

如果（d）式成立，則θ1為σ1’與U1的夾角，否則為σ2’與U1的夾角。上式中的K，對于淺孔，可作平面應力問題處理，K=d/E;對于深孔，可作平面應變問題處理，K=（1－μ2)d/E。其中d為鉆孔直徑，μ為巖石的泊松比。

第31頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法2、孔徑變形法按上式計算得出的σ1’，σ2’是鉆孔斷面內(nèi)的次主應力。要確定一點的全應力，必須向測點打三個不同方向的鉆孔，進行同樣測定，然后再按最小二乘法求解。

第32頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法

3、孔壁應變法孔壁應變法是通過測定鉆孔孔壁的應變求解巖體應力的6個分量，其應力解除工序與孔徑變形法相似：（1）打大孔至測點，磨平孔底。（2）打同心小孔，安裝應變花探頭。（3）套孔解除應力，超過小孔5cm,同時測量孔壁應變。（4）取出巖心，測其彈性參數(shù)E、μ。（5）計算巖體應力。

第33頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定一、應力解除法（二）應力解除方法

3、孔壁應變法

應變計探頭孔壁布置3個應變花，每個應變花由3個應變片組成采用直角應變花形式。按最小二乘法求解巖體6個應力分量。

第34頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定二、水壓致裂法1、基本原理對測試段鉆孔用特制封隔器密封起來，然后對密封段加高壓水直至孔壁巖石產(chǎn)生張裂隙。根據(jù)裂隙的方向及泵壓的大小分析確定原巖的應力狀態(tài)。2、基本假設(shè)（1）一個主應力方向是垂直的，其大小等于上覆巖層的自重應力。而另外兩個主應力是水平的，且破裂方向垂直于最小主應力方向。（2）巖體是均質(zhì)、各向同性的線彈性體。第35頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定二、水壓致裂法3、水壓致裂法測定系統(tǒng)

第36頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定二、水壓致裂法4、水壓致裂試驗成果第37頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定二、水壓致裂法4、水壓致裂試驗成果第38頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定二、水壓致裂法4、水壓致裂試驗成果（1）試驗曲線只有一個關(guān)閉壓力ps

破裂始終是沿孔軸方向。A、巖石抗拉強度：

B、最大水平應力：

C、最小水平應力：

D、垂直應力按巖體自重計算：

第39頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-4巖體初始應力場測定二、水壓致裂法4、水壓致裂試驗成果（2）試驗曲線有兩個關(guān)閉壓力ps1和ps2

裂隙開始沿孔軸產(chǎn)生，隨后轉(zhuǎn)為水平方向。

A、最小水平應力：B、垂直應力：

C、最大水平應力：第40頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-5巖體初始應力（原巖應力）分布狀態(tài)

目前，原巖應力的實測深度達3000m。在這一深度內(nèi)，原巖應力變化規(guī)律大致可歸納為以下幾點：一、原巖應力場是相對穩(wěn)定的非穩(wěn)定場；二、水平應力σH普遍大于垂直應力σv,即

側(cè)壓力系數(shù)λ＝σH/σv>1;

第41頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六§6-5巖體初始應力（原巖應力）分布狀態(tài)三、原巖