岩体力学-第六章 岩体天然应力.ppt

§6.1 概述 §6.2 岩体中天然应力的分布规律 §6.3 岩体天然应力测量 §6.4 岩体中天然应力的估算 §6.5 岩体天然应力场的回归分析 §6.6 高地应力的若干特征 §6.1 概述 一、定义 20世纪50年代,哈斯特利用压磁应力计在瑞典拉伊斯瓦尔铅矿和斯堪的纳维亚半岛4个矿区进行了大规模地应力测量,并首次发表了近地表地层中的实测水平应力高于垂直应力的成果,此后地应力测量才迅速在欧洲、北美洲、南澳洲和亚洲开展. 1957年，美国哈伯特和威利斯提出用水压致裂法测量岩体天然应力的理论。 1975年，盖依等人根据岩体应力的实测数据的分析，提出了临界深度的概念，即认为在该深度以上，水平应力大于垂直应力；在该深度以下，水平应力小于垂直应力。临界深度随地区不同而不同。 目前地应力测点遍布全球，有几十万个。大部分是浅部，最深5108米(美国密执安水压致裂法)。 国内： 我国地应力测量与研究起于20 世纪50 年代末,李四光和陈宗基为主要创始人,首次于1962－1964年在三峡平善坝址获得了岩体面应力实测结果. 1964年在大冶铁矿进行了国内首次应力解除法测量. 到了70年代后,我国地应力测量快速发展。1980年10月在河北易县首次成功进行了水压致裂法地应力测量,现测量深度已突破2 000 m. 1984年引进并改进了瑞典的深钻孔水下三向应变计,使其最大测量深达530 m. 之后,空心包体应变计研制成功.国际上对深钻、超深钻的划分标准 （3 000 m以下为中浅钻, 5 000 m以上为超深钻）,我国还停留在中浅钻孔地应力测试水平. 2、研究意义 三、天然应力的成因 §6.2 岩体中天然应力的分布规律 一、地壳中主应力以压应力为主，方向基本上是垂直和水平的。 二、天然应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，是时间和空间的函数。 三、垂直天然应力 四、水平天然应力 五、天然水平应力与垂直应力的比值 ◆天然应力比值系数（地应力测压系数）与深度的关系 六、一个相当大的区域内，最大主应力方向是相对稳定的 七、区域构造场常常决定局部点的主应力 河谷构造应力的主要部分随剥蚀卸载很快释放掉。接近河谷岸坡表面存在的地应力分布差异很大。已经发现在接近河谷岸坡表面部分为岩石风化和地应力偏低带，往下则逐渐过渡到地应力平稳区。 八、天然应力状态 §6.3 岩体天然应力测量 一、应力恢复法（扁千斤顶法） 二、套心法（钻孔套心应力解除法） 基本原理 三、水压致裂法 §6.4 岩体中天然应力的估算 一、垂直天然应力估算 二、水平天然应力估算 1、隆起、剥蚀卸载作用对 值的影响 因此，正断层形成的天然应力比值系数λa为： 逆断层形成时的应力状态为：最小主应力σ3为铅直，最大主应力σ1为水平，即 同理可得逆断层形成时的天然应力比值系数λp为： 由上述分析可知，λu和λp是岩体中天然应力比值系数的两种极端情况。一般认为天然应力比值系数λ是介于两者之间，即 λa≤λ≤λp (6-24) 如把这一理论估算得出的结论，与Hoek—Brown根据全球实测结果得出的平均天然应力比值系数随深度变化的经验关系相比，两者的形式极为一致，即天然应力比值系数与深度Z成反比。 §6.5 岩体天然应力场的回归分析 6.5.1 计算模型的建立 模型建立包括确定计算区域、边界条件以及离散化。主要依据是工程范围内的地质勘测和实测资料。图6-13所示为有限元法回归分析所采用的几种荷载及位移边界。 荷载主要考虑自重及构造应力。自重通常由岩体容重给出，构造力以水平作用的边界力（或位移来考虑，图6-13中b～d）。P（或U）可先给初值，其最终计算值取决于与相应回归系数的乘积。给定岩体的参数即可按图6-13的模型求得应力场的初始计算值。 6.5.2 天然应力场的回归分析 §6.6 高地应力区的若干特征 随着国家建设的进行，我国西部高山峡谷区的水电(如,拉西瓦水电站、小湾水电站、锦坪二级水电站等)、交通、采矿等工程活动愈来愈多，这些地方多处在高地应力区。岩石工程在勘探初期，利用勘探工程揭露出来的现象可以收集到一些判断该地区地应力高低的有用资料。据大量的勘察资料与工程实践表明地区高天然应力常与如下现象相关联。 （1）岩芯饼化现象 饼状岩芯即钻探时取得的岩芯呈压缩饼干状，一片片地破坏。许多学者对此进行了力学分析，认为这是高地应力的产物。一般来说，岩芯饼化主要与地应力差有关，垂直于钻进方向的应力差越大，饼化就越严重。 （2）地下硐室施工过程中出现岩爆，剥离 由于高地应力的存在，在地下硐室开挖过程中，会出现岩石的脆性破裂。积聚在岩石中的应变能由于突然释放而产生岩爆或剥离，特别是垂直最大水平主