岩体中的天然应力课件.ppt

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1、第七章 岩体中的天然应力,7.1 概 述7.2 岩体天然应力的分布特征7.3 岩体天然应力的确定,7.1 概 述,一、定义1.天然应力(地应力、初始应力、原岩应力等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。2.重分布应力（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。,第七章 岩体中的天然应力,二、天然应力的组成及起源1.组成： 岩体自重自重应力 构造运动构造应力流体作用渗流应力 其它（地温、地球化学作用等）2.起源（主要指构造运动的起源）：板块运动 地幔热对流 地球自转速度变化,第七章 岩体中的天然应力,三、天然应力的研究历史与研究意义1.研究历史 世界上 :1878年海姆提出天然

2、应力1932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5108米（美国密执安水压致裂法）。中国：20世纪50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米（天津大港）。,第七章 岩体中的天然应力,2.研究意义 1）区域稳定 2）地下洞室稳定 3）边坡稳定 4）地基岩体稳定,第七章 岩体中的天然应力,以东经100105o为界分东西两区。强度上：西强东弱（西高东低）方向上：西： NNE-SSW为主，东：近E-W。,一、 分区性（以中国为例）,7.2 岩体天然应力的分布特征,第七章 岩体中的天然应力,第七章

3、岩体中的天然应力,西南：印度板块向NNE挤压（5mm/a）东：太平洋板块向W俯冲（1cm/a）南：菲律宾板块向N俯冲北：西伯利亚板块阻挡 1迹线：N-NE-SSE,中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。,上覆岩体自重V多为压应力V多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力,第七章 岩体中的天然应力,二、铅直应力 （V）,三、 水平应力（ h）岩体中天然应力常以水平应力为主，即h v，特别是 hmax v ,据统计资料： h/v 0.8-3.0 ，说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制;水平应力具有强烈的各向异性，即h1 h2 ，我国华北hmi

4、n/ hmax0.2-0.8，华南hmin/ hmax0.3-0.75 。原 因a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性;水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力为拉应力的现象。,第七章 岩体中的天然应力,四、天然应力比值系数与深度z 的关系,定义：天然水平应力与铅直应力的比值为天然应力比值系数()，它随深度增加而减小。,第七章 岩体中的天然应力,五、主应力平面与水平面的关系据主应力平面与水平面的关系，天然应力状态划分为：水平应力场 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，三个应力轴与空间坐标

5、一致，我国大陆范围内属这种应力场;非水平应力场水平应力与水平面夹45左右，另一轴与水平面夹045 左右，分布于板块边缘。,第七章 岩体中的天然应力,六、高天然应力标志开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；收敛变形大，使开挖断面变小；软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合；饼状岩心；水下开挖无水渗出。,第七章 岩体中的天然应力,七、影响天然应力的因素1.地形起伏a.水平应力向负地形集中，向正地形释放b.在斜坡附近，应力方向发生偏转,第七章 岩体中的天然应力,2.地表剥蚀,剥蚀,第七章 岩体中的天然应力,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。,第七章 岩体中的天然应力,3.结

6、构面,第七章 岩体中的天然应力,4.岩体性质 硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反5.地下水 产生渗流应力6.地温 产生温度应力,7.3 岩体天然应力的确定,天然应力确定方法,第七章 岩体中的天然应力,一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力,地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面,1、均质各向同性岩体,第七章 岩体中的天然应力,2、水平层状岩体,第七章 岩体中的天然应力,3、垂直层状岩体,第七章 岩体中的天然应力,二、天然应力的量测,天然应力的量测方法,第七章 岩体中的天然应力,1、水压致裂法,原理：,水压致裂法是把高压水泵入到由栓塞隔开的试段中。当钻孔试段中的水压升高时，钻孔孔壁的环向压

7、应力降低，并在某些点出现拉应力。随着泵入的水压力不断升高，钻孔孔壁的拉应力也逐渐增大。当钻孔中水压力引起的孔壁拉应力达到孔壁岩石抗拉强度t时，就在孔壁形成拉裂隙。若设形成孔壁拉裂隙时，钻孔的水压力为pc1，拉裂隙一经形成后，孔内水压力就要降低，然后达到某一稳定的压力ps，称为“封井压力”。这时，如人为地降低水压，孔壁拉裂隙将闭合，若再继续泵入高压水流，则拉裂隙将再次张开，这时孔内的压力为pc2(图7-3)。,假设： 天然应力为水平应力场，其铅直应力钻孔假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中 的一个小圆孔。作用应力为 ，根据弹性理论中的柯西解 ，未加水压力时，AA两点的应力为： ， 在水压力作

8、用下，钻壁产生拉破裂的条件为:,第七章 岩体中的天然应力,维持破裂展开，又不继续发展的条件为 联立上两式有而：因此，可得测点的天然应力为,第七章 岩体中的天然应力,破裂平行于 ，垂直于 ，破裂方向由压痕，井下电视确定。,优点：测深大，z可达数百米，目前最深达5108米；施工技术简单，不需要应力计等仪器。,方向：据岩体破裂方向确定,第七章 岩体中的天然应力,步骤：,在岩壁上选择测点，固定A、B两点。d15厘米；刻槽 应力释放、变形 d0 d;安装扁千斤顶;加压 应力恢复 d d0，到d=d0时的千斤顶压力即为 ；,2、应力恢复法（扁千斤顶法）,第七章 岩体中的天然应力,重复 测量另一个方向的 W

9、 ;计算天然应力:假定天然应力为水平应力场,当测得侧壁应力R和底板应力W 时,则有:,第七章 岩体中的天然应力,3、钻孔套芯应力解除法基本原理,钻孔,第七章 岩体中的天然应力,设天然应力为水平应力场,计算公式：应变计互成45，据上式有,第七章 岩体中的天然应力,用消元法解三元一次方程，得：应变计互为60时，可按下列公式计算,第七章 岩体中的天然应力,选点、钻孔：130cm ，深度一般小于30m ;在孔底打一测量孔：36cm，深度一般50cm，并洗干净；安装应变计：并与应变仪连接，测记稳定初始读数；套钻解除：在应力解除过程中，测记应变计读数，至应变完全解除为止；折断岩心，在室内求取岩石的Em;按

10、前述公式求解：天然应力hmax， hmin,测量步骤：,第七章 岩体中的天然应力,优点：能较准确地量测出岩体中的天然应力 缺点：只能量测浅部（30米以内天然应力 ，深度大了，套钻技术难度大、精度低。,第七章 岩体中的天然应力,第七章复习思考题,1、 研究岩体中的天然应力具有什么工程意义？ 2、岩体天然应力得分布特征如何？ 3、岩体天然应力的各种量测方法，各有什么特点？ 4、在什么情况下，可以按自重应力理论计算天然应力？ 5、某岩体，在深度100m内，密度为2.54g/cm3，在深度100200m内，密度为2.71g/cm3，天然应力比值系数为1.89，试按自重应力理论计算深度50m、150m处

11、的天然应力大小？,1、 岩体2、 弹性3、 脆性4、 三轴抗压强度5、 抗压强度6、 抗拉强度7、 抗剪强度8、 莫尔强度理论9、 强度判据10、稳定性系数11、蠕变12、残余强度13、天然应力14、剪切刚度15、强度理论16、剪切刚度17、八面体强度理论18、极限强度,19、 蠕变20、 孔隙比21、 法向刚度22、 围岩应力23、 软化系数24、变形模量25、26、 长期强度27、 围岩28、 主应力29、 主平面30、 结构面31、 滑坡32、 塑性33、34、 变形模量35、 弹性模量36、 动弹性模量,37、 天然应力38、 强度曲线39、 内摩擦角40、 切线模量41、 岩体力学42、 单轴抗压强度43、 重分布应力44、 围岩压力45、 围岩抗力46、 强度47、 弹性极限48、 强度极限 49、 脆性破坏50、 渗透系数51、 软化系数52、 割线模量53、 爬坡角54、 岩石吸水率,55、三轴强度56、 尺寸效应57、 应力集中系数58、 初始模量59、 抗冻系数60、 岩爆61、 泊松比62、 强度包络线63、 普氏系数64、 自然平衡拱65、 RQD66、 格里菲斯强度理论67、单轴抗压强度68、 横波69、 纵波70、 围岩压力71、 饱和吸水率72、 法向刚度,