1.掌握初始應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力的概念，掌握自重應(yīng)力的計算方法；2.了解原巖應(yīng)力的一般規(guī)律及影響原巖應(yīng)分布的因素；3.了解巖應(yīng)力的實測方法基本要求第六章巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)1巖體初始應(yīng)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(yīng)力（亦稱初始應(yīng)力或地應(yīng)力）：定義之一：原巖中存在的應(yīng)力。定義之二：巖體在天然狀態(tài)下所存在的內(nèi)應(yīng)力。一般習(xí)慣把原巖應(yīng)力分為自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場。由上覆巖體的自重所引起的應(yīng)力稱為自重應(yīng)力；地層中由于過去地質(zhì)構(gòu)造運動產(chǎn)生和現(xiàn)在正在活動與變化的力，地質(zhì)作用殘存的應(yīng)力統(tǒng)稱為構(gòu)造應(yīng)力。研究巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的工程意義：正確確定開挖巖體過程中的巖體內(nèi)部應(yīng)力變化合理設(shè)計地下工程的支護尺寸

2、組成巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的各種應(yīng)力場及其計算

一、巖體自重應(yīng)力場1．假設(shè)巖體為均勻連續(xù)價值，并為半無限空間體在距地表深度H處，巖體的初始應(yīng)力場為

z

=

H

x

=

y

=

z

xy=0式中：H——巖體單元的深度（m）

——上覆巖體的平均重力密度（kN/m3）

——側(cè)壓力系數(shù)若巖體視為各向同性的彈性體，

x=0，

y=0，由廣義虎克定律：

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(cè)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(nèi)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(zhì)，可由松散介質(zhì)極限平衡條件來建立垂直應(yīng)力與側(cè)向應(yīng)力的關(guān)系：

=

x/

z

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

對于具有一定粘聚力的松散巖體，側(cè)向應(yīng)力

x與垂直應(yīng)力

z之間的關(guān)系為 （6-9）

顯然，在一定深度范圍，側(cè)向應(yīng)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(cè)向應(yīng)力

x，并隨深度成正比增加。二、巖體構(gòu)造應(yīng)力場1．構(gòu)造應(yīng)力的確定構(gòu)造應(yīng)力尚無法用數(shù)學(xué)力學(xué)的方法進行分析計算，而只能采用現(xiàn)場應(yīng)力量測的方法來求得，但是構(gòu)造應(yīng)力的方向可以根據(jù)地質(zhì)力學(xué)的方法加以判斷。（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(zhì)特征推斷的應(yīng)力方向（a）~（e）均為平面圖2．地表剝蝕時側(cè)壓力系數(shù)的影響

圖6-5侵蝕對某一深度上的應(yīng)力的影響Z0K0Z0

設(shè)某深度H0的一個巖石單元，該處初始側(cè)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(yīng)力

v減小了

H，水平應(yīng)力

n則減少了

H/（1-）（按彈性卸載考慮）

則此時巖石單元的側(cè)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(cè)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(yīng)力

n大于垂直應(yīng)力

v。三、影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的其他因素（一）地形山谷谷底的應(yīng)力很大:與巖體的均質(zhì)程度有關(guān)（圖6-6)地形對巖體初始應(yīng)力影響的另一特征:(圖6-7）（二）地質(zhì)條件對自重應(yīng)力的影響 圖6-8背斜:兩翼應(yīng)力增大,中部應(yīng)力降低; 向斜:兩翼應(yīng)力降低,核部應(yīng)力增大. 圖6-8斷層:山峰地應(yīng)力低,山谷地應(yīng)力高（三）水壓力和熱應(yīng)力3．巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)場量測方法

一、巖體應(yīng)力現(xiàn)場量測方法概述目的：了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向，從而為分析巖體工 程的受力狀態(tài)以及為支護及巖體加固提供依據(jù)。

巖體應(yīng)力量測按目的可分為：巖體初始應(yīng)力量測和地下工程應(yīng) 力分布量測

巖體應(yīng)力量測常用方法:應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法和水壓致裂法。工程中某種應(yīng)力量測方法的精確度能控制誤差在0.4MPa以內(nèi)，其結(jié)果通常被認為是令人滿意的。 常用地應(yīng)力測量方法表6-1

二、水壓致裂法（一）方法原理及技術(shù)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(nèi)連續(xù)地將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開裂壓力。Pso——關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱關(guān)閉壓力。Pbo——開啟壓力。P0POPsPs0Pb0PsP0t圖6-11壓力過程泵壓變化及特征壓力（二）基本理論和計算公式室內(nèi)及現(xiàn)場資料表明：鉆孔壁在液壓下的初始開裂經(jīng)常是垂直的。設(shè)孔周水平地應(yīng)力為

1h、

2h孔壁還受有水壓Pb，此時，鉆孔周圍巖體內(nèi)應(yīng)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：

按最大拉應(yīng)力理論有：

?To

（6-16） 時，孔隙開裂，式中，To為巖體抗拉強度。

據(jù)此，可求得孔壁破裂的應(yīng)力條件為：3

2h

?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?/p>

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）

對比式（6-19）與式（6-20），可得， Pb

–Pb0=T0

（6-21） 在關(guān)閉壓力Pso這一特征點上，孔壁已開裂，即To=0，所以 ，此時，Pso等于與裂隙面垂直的應(yīng)力，亦即

2h=Pso （6-22）

由此通過分析：可得出主應(yīng)力及巖體抗拉強度

值

2h=Pso Pb

–Pb0=T0 （6-23）

1h

=32h?Pb

+T0

（三）根據(jù)水壓致裂法試驗結(jié)果計算地應(yīng)力

水壓致裂法的主要缺點是地主應(yīng)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(yīng)力之一，若z

1，則， 2h肯定為最小地主應(yīng)力。由開裂方向可確定，2h或

1h的方位，則三個地主應(yīng)力的方位也可以相應(yīng)地確定。（2）若2h>h，且孔壁開裂后孔內(nèi)巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時，z=

h為最小地應(yīng)力，

2h與

1h各為中間地主應(yīng)力及最大地主應(yīng)力，垂直開裂方向即為最大地主應(yīng)力方向。（四）水壓致裂法的特點

（三）應(yīng)力解除法基本原理：釋放應(yīng)力，量測變形，彈性求解按探測深度可分：表面應(yīng)力解除法，淺孔應(yīng)力解除及深孔應(yīng)力解除。按測試度形式應(yīng)變的方法不同可分：孔徑變形測試，孔壁應(yīng)變測試及鉆孔應(yīng)力解除法等。鉆孔應(yīng)力解除法分：巖體孔底應(yīng)力解除法和巖體鉆孔套孔應(yīng)力解除法。圖6-13（一）巖體孔底應(yīng)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(fù)雜。（略）（二）巖體鉆孔套孔應(yīng)力解除法

原理：進行巖體中某點應(yīng)力量測時，先向該點鉆進一定深度的超前小孔，在此小鉆孔中埋設(shè)鉆孔傳感器，再通過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)，即可求得該點的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力解除法所采用的鉆孔傳感器可分為：位移傳感器和應(yīng)變傳感器兩類。中科院武漢巖土所研究（制）的36-2型鉆孔變形計，其變形計的直徑為32mm，適應(yīng)的測量孔直徑為36mm。《巖土力學(xué)》（中國水利水電出版社張振營編著,66~67）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(yīng)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(nèi)的孔徑變形值，所以它與孔底平面應(yīng)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(yīng)力的六個獨立的應(yīng)力分量。

為簡化，設(shè)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(yīng)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(yīng)力和變形對原巖應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變分量的嚴密的公式，這里只列出有關(guān)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(yīng)力分量。四、應(yīng)力恢復(fù)法目的：直接測定巖體應(yīng)力大小。用途：僅用于巖體表層，當已知某巖體中的主應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)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(yīng)力分量

——B點離槽中心O的距離的倒數(shù)。

當在槽中埋設(shè)壓力枕，并由壓力枕對槽加壓，若施加壓力為P，則在OA線上B點產(chǎn)生的應(yīng)力分量為：

2x=-2p(

4-42-1)/(

2+1)3

2y=-2p(

4+1)/(

2+1)3 (6-28)當壓力枕所施加的力p=

1時，這時B點的總應(yīng)力分量為：

x=

1x+

2x=

2

y=

1y+

2y=

1主要試驗過程簡述：

1~5略,p

0eNGCDKMO

0p

0e

1p

1e

1P=1F主要試驗過程簡述(略)由應(yīng)力—應(yīng)變曲線求巖體應(yīng)力

1=

1e+

1p=GF+FO

o=

op+

oe=KMtMN

o

C

1求出4巖體初始應(yīng)力狀態(tài)分布的主要規(guī)律一、垂直應(yīng)力隨深度的變化多數(shù)：

v/H>1二、水平應(yīng)力隨深度的變化水平應(yīng)力隨深度增加呈線性關(guān)系增大。三、水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值K一般K>1，隨深度增加K=1四、兩個水平應(yīng)力之間的關(guān)系第五節(jié)高地應(yīng)力地區(qū)的主要巖石力學(xué)問題一、研究的必要性（一）、巖體地應(yīng)力是研究巖體力學(xué)中不可缺少的一部分。 與其它力學(xué)學(xué)科根本區(qū)別：巖體中具有初始應(yīng)力（二）、巖體的本構(gòu)關(guān)系、破壞準則以及巖體中應(yīng)力傳播規(guī)律都要受到地應(yīng)力大小的變化而變化。低應(yīng)力、低偏壓下：巖體脆性明顯、各向異性和非連續(xù)性也很明顯高應(yīng)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(yīng)力地區(qū)出現(xiàn)特殊的地壓現(xiàn)象二、高地應(yīng)力判別準則和高地應(yīng)力現(xiàn)象（一）、高地應(yīng)力判別準則（1）、國際、國內(nèi)尚無統(tǒng)一標準（2）、國內(nèi)一般巖體工程以初始應(yīng)力在20~30MPa為高地應(yīng)力.(3)、按《工程巖體分級標準》（GB50218-94）

Rc/

max<4，稱為極高初始地應(yīng)力;Rc/

max=4~7為高地應(yīng)力.

max為垂直洞軸線方向的最大初始地應(yīng)力,即

1

(二)、高地應(yīng)力現(xiàn)象1、巖芯餅化現(xiàn)象：產(chǎn)生條件：中等強度以下的巖體力學(xué)成因：剪脹破裂2、巖爆巖爆現(xiàn)象是在埋藏深度大和地應(yīng)力比較高的地下工程開挖過程中經(jīng)常會遇到的工程地質(zhì)問題之一。巖爆不是巖質(zhì)破壞或破損的體現(xiàn)，而是巖體內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能的突然釋放，是巖體應(yīng)力超過極限，具有爆裂和彈射巖石的現(xiàn)象。表現(xiàn)形式：圍巖呈透鏡狀或片狀削落。發(fā)生部位：主應(yīng)力方向線與隧洞外輪廓相切的部位（因該處應(yīng)力集中最大）力學(xué)機理：從巖石力學(xué)的觀點來看，認為巖片是在壓應(yīng)力作用下的張破裂或剪破壞而形成的破碎片。圖6-25巖爆發(fā)生部位圖6-25二灘引水隧洞巖爆發(fā)生部位示意圖

1

1對于巖爆的預(yù)測(略)必須結(jié)合工程實際進行具體分析，如果沒有實測的地應(yīng)力資料，則可以從以下幾方面作出估計，預(yù)測可能出現(xiàn)巖爆的部位：(1)地形條件。垂直地應(yīng)力與地形有關(guān)，一般是埋深愈大，地應(yīng)力愈大。(2)構(gòu)造情況。地震區(qū)和構(gòu)造活動區(qū)的地應(yīng)力一般要大些。水平地應(yīng)力大時,垂直應(yīng)力可能相應(yīng)增大。洞室軸線垂直于構(gòu)造主應(yīng)力布置時,比平行主應(yīng)力方向布置時開挖周邊應(yīng)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(yīng)力集中較大地點,易于發(fā)生巖爆。(4)根據(jù)分析計算的巖體應(yīng)力條件是否接近或小于巖石的強度,預(yù)測巖爆可能出現(xiàn)的部位。@在具備產(chǎn)生巖爆的應(yīng)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(yīng)力很大，水平地應(yīng)力很小時，易在邊拱部位發(fā)生巖爆;@在地應(yīng)力非常不等向的地區(qū)，平行最大主應(yīng)力或中間主應(yīng)力方向的洞壁，常會發(fā)生巖爆；@而在水平應(yīng)力很大，垂直應(yīng)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(yīng)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(cè)的頂拱易發(fā)生巖爆。@在隧洞分岔處的尖角部位，應(yīng)力較大，易發(fā)生巖爆。采用初始應(yīng)力和采用切向應(yīng)力與單軸抗壓強度之比的經(jīng)驗判斷,由于它從實際工程總結(jié)出來,有較高實用性,常常被用來進行巖爆的預(yù)測。一般有以下幾種經(jīng)驗判斷:①伊阿多爾恰尼諾夫判斷: 當

g≤0.3

c時，無巖射、削落; 當

g

<(0.5～0.8)

c

時,巖射、削落; 當

g<0.8

c

時,巖爆,強烈?guī)r射。

式中:

g——圍巖最大壓應(yīng)力;

c

——巖石單軸抗壓強度。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(yīng)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(yīng)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

④Ｉ.Ａ.特錢英奧判斷:|

t+

z|<0.3

c,無巖爆發(fā)生。式中:

t

——圍巖切向應(yīng)力;

z——軸向應(yīng)力;

c——單軸抗壓強度

c——單軸抗壓強度。⑤國內(nèi)使用的經(jīng)驗判斷:當

1

≥(0.15～0.2)Rc時,發(fā)生巖爆。式中:

1

——巖體初始應(yīng)力； Rc——巖塊單軸抗壓強度。以上經(jīng)驗判斷的不足之處在于它是以單一因素——應(yīng)力條件為依據(jù),應(yīng)力僅僅是巖爆形成的必要條件，而不是充分條件。（3）、探硐和地下隧洞產(chǎn)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(zhì)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(xué)指標比實驗室?guī)r塊試驗結(jié)果高。(3)、處理高地應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力@ Rc

2

0塑性狀態(tài)或破壞在初始應(yīng)力狀態(tài)下巖體單元處于穩(wěn)定（彈性）狀態(tài)而一旦開(3)、處理高地應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力@ Rc

2

0塑性狀態(tài)或破壞在初始應(yīng)力狀態(tài)下巖體單元處于穩(wěn)定（彈性）狀態(tài)而一旦開挖就會塑性（破壞）狀態(tài)的巖體處于潛塑狀態(tài)。即高地應(yīng)力狀態(tài)。高地應(yīng)力：與工程狀況（應(yīng)力重分布）以及巖體堅硬程度（巖體的Rc、c、

）有關(guān)22

3

1

1/=2

0圖6-28用應(yīng)力圓和莫爾包絡(luò)線判斷巖體是否破壞或進入塑性狀態(tài)

（二）、處理高地應(yīng)力的巖石力學(xué)原則(自學(xué))第八章巖體力學(xué)在邊坡工程中的應(yīng)用

第一節(jié)邊坡的應(yīng)力分布一、邊坡的應(yīng)力分布分析邊坡應(yīng)力分布的方法：現(xiàn)場應(yīng)力測量法、室內(nèi)光彈性法、模型應(yīng)力測試法、力學(xué)解析法、數(shù)值法等。數(shù)值法廣泛應(yīng)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(yīng)力分布用得最普遍。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(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)的硬巖層中5、巖層曲折i四、平移滑動的力學(xué)穩(wěn)定分析（一）、滑體沿單個平面剪切ABD質(zhì)量為： (8-5) 沿AB方向的楔體ABD極限平衡為： cH/sin+wcostan-Wsin=0將(8-5)代入上式，得邊坡高度為邊坡穩(wěn)定系數(shù)K：是由阻止滑動的總力與致滑總力之比

z0DBCHA

W

實際中，滑移楔塊為AECD，CEB保留原地。理論上，張裂縫CE的深度：Z0=2c/tan(450+/2) (8-8)當在巖坡上還附加有靜水壓力時，由條假設(shè)可得穩(wěn)定系數(shù)K：式中A=(H-Z)csc,U=1/2wZw(H-Z)csc

對于上部巖坡表面中的張性斷裂，有

為了簡化，方程式可以重新整理成下列無因次的形式： （8-11）式中，P、Q、R、S皆是無因次的數(shù)，說明它們?nèi)Q于幾何形狀，而不取決于邊坡的大小。顯然，c=0時，K與邊坡大小無關(guān)。(二)滑體沿兩個平面剪切（三）楔體穩(wěn)定的力學(xué)分析按力學(xué)穩(wěn)定原理，ABCD的穩(wěn)定系數(shù)為N1、N2分別為Qcos

作用于滑面F1和F2的法向分量：N1=Qcossin2/sin(1+2)

N2=Qcossin1/sin(1+2)四面體的質(zhì)量為

兩個節(jié)理面的面積為：令 ，則此四面體的穩(wěn)定系數(shù)為式中

1、

2為兩滑面交線與F1、F2滑面法線之交角

第九章巖體力學(xué)在巖基工程中的應(yīng)用

第一節(jié)巖基中的應(yīng)力分布目前對巖基中的應(yīng)力分布一般都基于彈性理論，將巖基視為半無限平