岩体力学-天然应力.ppt

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1、2023/5/26,尚辅网,1,第6章 岩体中的天然应力,6.1 概 述6.2 岩体天然应力的分布特征6.3 岩体天然应力的确定,2023/5/26,尚辅网,2,6.1 概 述,一、定义1.天然应力(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。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。,2023/5/26,尚辅网,3,二、天然应力组成及起源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,2023/5/26,尚辅网,4,西南：印度板块

2、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。,2023/5/26,尚辅网,5,三、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：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）。,2023/5/26,尚辅网,6

3、,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,2023/5/26,尚辅网,7,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）,6.2 岩体天然应力的分布特征,2023/5/26,尚辅网,8,以东经100105o为界分东西两区。强度上：西强东弱方向上：西：NNE-SSW为主，东：近E-W。,2023/5/26,尚辅网,9,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,二、铅直应力（V）,2023/5/26,尚辅网,10,三、水平应力（h）岩体中天然

4、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，说明：水平天然应力主要受构造应力场控制；水平应力具有强烈的各向异性，即h1 h2，我国华北hmin/hmax，华南hmin/hmax。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。,2023/5/26,尚辅网,11,四、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。,2023/5/26,尚辅网,12,五、主应力与

5、水平面的关系据主应力与水平面的关系，可划分为：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。,2023/5/26,尚辅网,13,六、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。,2023/5/26,尚辅网,14,七、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,2.地表剥蚀,剥蚀,2023/

6、5/26,尚辅网,16,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。,2023/5/26,尚辅网,17,3.结构面,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,2023/5/26,尚辅网,18,6.3 岩体天然应力确定,天然应力确定方法,2023/5/26,尚辅网,19,一、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、当地侵蚀基准面以上,1、均质各向同性岩体,2023/5/26,尚辅网,20,2、水平层状岩体,2023/5/26,尚辅网,21,3、垂直层状岩体,2023/5/26,尚辅网,2

7、2,二、天然应力量测,天然应力的量测方法,2023/5/26,尚辅网,23,1、水压致裂法,水压力随时间的变化曲线,2023/5/26,尚辅网,24,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：，在水压力作用下，钻壁产生拉破裂的条件为：,2023/5/26,尚辅网,25,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：,2023/5/26,尚辅网,26,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

8、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,2023/5/26,尚辅网,27,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）,2023/5/26,尚辅网,28,重复 测量另一个方向的 W；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：,2023/5/26,尚辅网,29,3、钻孔套芯应力解除法基本原理,钻孔,2023/5/26,尚辅网,30,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,2023/5/26,尚辅网,31,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,2023/5/26,尚辅网,32,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；按前述公式求解：天然应力hmax，hmin，而v=gz,测量步骤：,2023/5/26,尚辅网,33,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。,