1、第第6章章 岩体天然应力岩体天然应力6.1 概概 述述6.2 岩体中天然应力的分布规律岩体中天然应力的分布规律6.3 岩体天然应力测量岩体天然应力测量6.4 岩体中天然应力的估算岩体中天然应力的估算6.5 岩体天然应力场的回归分析岩体天然应力场的回归分析6.6 高地应力的若干特征高地应力的若干特征12/5/20221一、定义一、定义1.天然应力天然应力(地应力、初始应力等）人类工程活地应力、初始应力等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。动之前存在于岩体中的应力。2.重分布应力重分布应力（二次分布应力、附加应力等）（二次分布应力、附加应力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。由于工程活动改变了
2、的岩体中的应力。重分布应力+天然应力 相对于第2洞室的天然应力12/5/202221.研究历史研究历史 世界上世界上:l1912年瑞士海姆提出天然应力年瑞士海姆提出天然应力l1926年前苏联金尼克提出了修正海姆假设年前苏联金尼克提出了修正海姆假设l1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力功地测定了岩体中的天然应力l1958年首次证实了岩体中构造应力的存在。年首次证实了岩体中构造应力的存在。l到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深点。大部分是浅部，最深5108米（美国
3、密执安米（美国密执安水压致裂法）。水压致裂法）。二、天然应力的研究历史与研究意义二、天然应力的研究历史与研究意义HvhHHhv1 ,12/5/202231.研究历史研究历史 中国：中国：50年代末开始天然应力量测，有几万个年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有测点，最深的有3958米（天津大港）。米（天津大港）。二、天然应力的研究历史与研究意义二、天然应力的研究历史与研究意义12/5/202242.研究意义 1）区域稳定）区域稳定 2）地下洞室稳定）地下洞室稳定 3）边坡稳定）边坡稳定 4）地基岩体稳定）地基岩体稳定二、天然应力的研究历史与研究意义二、天然应力的研究历史与研究意义12/
4、5/20225三、天然应力的组成及起源三、天然应力的组成及起源1.组成组成：岩体自重岩体自重自重应力自重应力 构造运动构造运动构造应力构造应力流体作用流体作用渗流应力渗流应力 其它其它（地温（地温、地球化学作用等）地球化学作用等）)(zhgpwVhhVgh121拉张区挤压区12/5/20226三、天然应力的组成及起源三、天然应力的组成及起源2.起源起源 地壳板块运动及其相互挤压地壳板块运动及其相互挤压 地幔热对流地幔热对流 地球重力地球重力 岩浆侵入（岩浆侵入（是一局部应力场是一局部应力场）地温梯度（地温梯度（也会产生局部应力场也会产生局部应力场）地表剥蚀地表剥蚀12/5/20227以东经以东
5、经100100105105o o为界分东西两区。为界分东西两区。q 强度上：西强东弱（西高东低）强度上：西强东弱（西高东低）q 方向上：西：方向上：西：NNE-SSWNNE-SSW为主，东：近为主，东：近E-WE-W。地壳板块运动及其相互挤压地壳板块运动及其相互挤压（以中国为例）（以中国为例）12/5/20228西南西南：印度板块向：印度板块向NNE挤压（挤压（5mm/a）东东：太平洋板块向：太平洋板块向W俯冲（俯冲（1cm/a）南南：菲律宾板块向：菲律宾板块向N俯冲俯冲北北：西伯利亚板块阻：西伯利亚板块阻挡挡 1迹线迹线：N-NE-SSEv中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤中国板块处在四
6、大板块环绕中，它们碰撞挤压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。12/5/202296.2 岩体中天然应力的分布规律岩体中天然应力的分布规律1.地壳中主应力以压应力为主，方向基本地壳中主应力以压应力为主，方向基本上是垂直和水平的。上是垂直和水平的。2.天然应力场是一个具有相对稳定性的非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稳定应力场，是时间和空间的函数12/5/2022106.2 岩体中天然应力的分布规律岩体中天然应力的分布规律3.垂直天然应力随深度呈线性增长垂直天然应力随深度呈线性增长上覆岩体自重上覆岩体自重 V多多为压应力为压应力
7、V多为最小主应力，多为最小主应力，少数为中间主应力少数为中间主应力与最大主应力与最大主应力gh7.2v12/5/2022114.水平天然应力（水平天然应力（h）分布比较复杂分布比较复杂 水平天然应力以压应力为主水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力。区、地堑区出现拉应力。大部分岩体中的水平应力大于垂直应力大部分岩体中的水平应力大于垂直应力，即h v，特别是 hmax v 岩体中两个水平应力岩体中两个水平应力 hmax 和和 hmin 通常不相等通常不相等,hmin/hmax0.2-0.8。具有强烈的各向异性。在单薄的山体、谷波附近以及未受构造变动的岩体中，天然
8、水平应力均小于天然垂直应力。6.2 岩体中天然应力的分布规律岩体中天然应力的分布规律12/5/2022125.天然水平应力与垂直应力的比值天然水平应力与垂直应力的比值)15005.0()1003.0(zzhav称为称为天然应力比值系数()，随深度增加而减小。6.2 岩体中天然应力的分布规律岩体中天然应力的分布规律12/5/2022136.一个相当大的区域内，最大主应力方向是相对一个相当大的区域内，最大主应力方向是相对稳定的稳定的7.区域构造场常决定局部点的主应力区域构造场常决定局部点的主应力8.天然应力状态一般处于三维状态天然应力状态一般处于三维状态 水平应力场水平应力场 两个应力轴近水平，或
9、与水平两个应力轴近水平，或与水平面夹角很小，另一应力轴近铅直，三个应力轴面夹角很小，另一应力轴近铅直，三个应力轴与空间坐标一致，我国大陆范围内属这种应力与空间坐标一致，我国大陆范围内属这种应力场场;非水平应力场非水平应力场水平应力与水平面夹水平应力与水平面夹45左右，左右，另一轴与水平面夹另一轴与水平面夹045 左右，分布于板块左右，分布于板块边缘。边缘。6.2 岩体中天然应力的分布规律岩体中天然应力的分布规律12/5/202214天天然然应应力力的的量量测测方方法法水压致裂法水压致裂法应力恢复法（扁千斤顶法）应力恢复法（扁千斤顶法）套芯应力解除法套芯应力解除法光弹法光弹法声发射法声发射法X射
10、线法射线法12/5/202215千斤顶油泵时间千斤顶压力 pc测点分离值 d0 d步骤：在岩壁上在岩壁上选择测点选择测点，固定，固定A、B两点。两点。d015cm刻槽刻槽 应力释放、变形应力释放、变形 d0 d;安装扁千斤顶安装扁千斤顶;加压加压 应力恢复应力恢复 d d0时的千斤顶压力即为时的千斤顶压力即为 R1 1、应力恢复法（扁千斤顶法）、应力恢复法（扁千斤顶法）12/5/202216重复重复 测量另一个方向的测量另一个方向的 W;计算天然应力计算天然应力:假定天然应力为水平应力场假定天然应力为水平应力场,当测得侧壁应力当测得侧壁应力 R和底板应力和底板应力 W 时时,则有则有:RwhR
11、wv83818183vRWh12/5/2022172、钻孔套芯应力解除法基本原理+vh1h2h仪器h套芯解除钻孔钻孔同心套钻同心套钻放放应变计应变计应力解除应力解除应力计算应力计算位移恢复位移恢复12/5/202218设天然应力为水平应力场设天然应力为水平应力场（即按照平面应力问题考虑）（即按照平面应力问题考虑）cubuau113x45452cos(2)()3131mUER2cos(2)(2sin)31(2)31(2cos)31(2)31(cos)180cos(,sin)90cos()90(2cos(2)()45(2cos(2)(2cos(2)()31310)31310)3131)3131mc
12、bamcmbmaERUEmRUEmRUERUERUERU计算公式：计算公式：应变计互成45，据上式有12/5/202219用消元法解三元一次方程，得用消元法解三元一次方程，得：应变计互为应变计互为60时时，可按下列公式计算可按下列公式计算cacabcbbacacbbacaUUUUUtgUUUUUUREUUUUUURE22)()(214)()(214223221）cbacbaccbbacbaaccbbacbaUUUUUtgUUUUUUUUUREUUUUUUUUURE(2(32)()()(216)()()(21622232221cubuau113x606012/5/202220选点、钻孔：选点、钻
13、孔：130cm，深深度一般小于度一般小于30m;在 孔 底 打 一 测 量 孔：在 孔 底 打 一 测 量 孔：36cm，深度一般深度一般50cm，并并洗干净；洗干净；安装应变计：并与应变仪连安装应变计：并与应变仪连接，测记稳定初始读数；接，测记稳定初始读数；套钻解除：在应力解除过程套钻解除：在应力解除过程中，测记应变计读数，至应中，测记应变计读数，至应变完全解除为止；变完全解除为止；折断岩心，在室内求取岩石折断岩心，在室内求取岩石的的Em;按前述公式求解：天然应力按前述公式求解：天然应力 hmax，hmin测量步骤：测量步骤：12/5/202221优点优点：能较准确地量测出岩体中的天然应力：
14、能较准确地量测出岩体中的天然应力 缺点缺点：只能量测浅部（：只能量测浅部（30米以内米以内天然应天然应力力，深度大了，套钻技术难度大、精度，深度大了，套钻技术难度大、精度低。低。2、钻孔套芯应力解除法、钻孔套芯应力解除法12/5/202222AAmaxhminh3 3、水压致裂法、水压致裂法tpc1pS pc2p0水压力随时间的变化曲线12/5/202223tpc1pS pc2p0假设：假设：天然应力场铅直应力天然应力场铅直应力钻孔假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体钻孔假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中中 的一个小圆孔。水平应力为的一个小圆孔。水平应力为 ，根，根据弹性理论中的柯西解
15、据弹性理论中的柯西解 ，未加水压力时，未加水压力时，AA两点的应力为：两点的应力为：，在水压力在水压力作用下，钻壁产生拉破裂的条件为作用下，钻壁产生拉破裂的条件为:gzminmax,hhmaxmin3hhA1maxmin3cthhpA取取“”AAmaxhminhA12/5/202224维持破裂展开，又不继续发展的条件为维持破裂展开，又不继续发展的条件为 联立上两式有联立上两式有而：而：因此，可得测点因此，可得测点的天然应力为的天然应力为21cctppshpmin2max3cshppminhspshpmin1max3ctshppshpmin2max3cthppgzv12/5/202225破裂平行
16、于破裂平行于 ，垂直于，垂直于 ，破裂方向，破裂方向由压痕，井下电视确定。由压痕，井下电视确定。maxhminh优点：测深大，测深大，z可达数百米，目前最深达可达数百米，目前最深达5108米；施工技术简单，不需要应力计等仪米；施工技术简单，不需要应力计等仪器。器。方向方向：据岩体破裂方向确定：据岩体破裂方向确定12/5/2022261.垂直天然应力估算垂直天然应力估算zhAgzV地质构造简单、地层平缓地质构造简单、地层平缓正断层时：正断层时：逆断层时：逆断层时：gZv1gZv312/5/2022270000gzgzh2.水平天然应力估算水平天然应力估算原地面原地面现地面现地面0zzzh0ohh
17、zzzgzzgzggzzzgzggzh1)()1(1)(000000剥蚀12/5/202228该式说明：剥蚀后，岩体中一点 增大了，当Z大到一定值时，必有1的情况出现。zzgzzzzgh1 1)(00012/5/202229标志标志 岩芯饼化现象；岩芯饼化现象；开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；收敛变形大，使开挖断面变小收敛变形大，使开挖断面变小-缩颈；缩颈；软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合-回弹错动；回弹错动；水下开挖无水渗出。水下开挖无水渗出。12/5/20223012/5/202231高地应力判别准则（重点）（1 1）目前国际国内
18、无统一的标准。）目前国际国内无统一的标准。（2 2）国内一般岩体工程以初始地应力在）国内一般岩体工程以初始地应力在20-20-30MPa30MPa为高地应力为高地应力(大于大于800800米深米深)。（3 3）由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储）由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储能性能也不同。按能性能也不同。按工程岩体分级标准工程岩体分级标准（GB50218-94GB50218-94）：）：称为极高初始地称为极高初始地应力，应力，为高地应力。其中：为高地应力。其中：为岩石单轴饱和抗压强度；为岩石单轴饱和抗压强度；为垂直洞轴线为垂直洞轴线方向地最大初始地应力。方向地最大初始地应力。4/maxcR74/maxcRcRmax12/5/202232
