第六章 岩体的初始应力状态,第一节 初始应力状态的概念与意义 第二节 初始应力状态的应力场计算 第三节 岩体初始应力状态的现场量测方法 第四节 岩体初始应力状态分布的主要规律 第五节 高地应力地区的主要岩石力学问题,2020/9/2,山东科技大学,1,第一节 初始应力状态的概念与意义,开挖后，引起岩体的变形和破坏，是由于力的作用 。 1原岩应力（初始应力）天然环境下地壳体 中某一点所具有的应力状态，也称为地应力。 2次生应力受井巷开挖、资源开采等工程影 响，在开采影响范围内，原岩应力平衡状态 破坏后重新形成的平衡状态的应力，叫次生应 力，也叫采动应力。,2020/9/2,山东科技大学,2,3应力重新分布：由原岩应力平衡状态到次生应力平衡状态的转化过程，叫应力重新分布。 4原岩应力的组成 1）自重应力某一点的自重应力是上覆岩层 的自重所引起，与上覆岩层的质量和埋藏深 度有关 。 2） 构造应力地质构造运动引起的地下某点 的应力。与岩体的特性（节理分布、岩体 弹塑性、粘性特性）和地质构造现象有关。,2020/9/2,山东科技大学,3,3） 其它作用地形、地震、水、地温等均可 产生地应力。 三种作用中，自重应力与地质构造应力是主要的，普遍存在着地应力 。 5围岩地下开挖后影响开挖范围稳定性的周围岩体 。 6研究初始应力状态的意义确定应力变化、设计工程支护 。,2020/9/2,山东科技大学,4,第二节 初始应力状态的应力场计算,一、岩体自重应力场 1海姆静水压力假说 1879年，瑞士地质学家海姆（Heim），提出原岩应力各向等压假说 。,2020/9/2,山东科技大学,5,铅重和水平应力；,岩石密度，单均（2.52.7t/m3）；,g ；,重力密度，N/m3；,z 自地表起至地下某一点的深度，m 。,即：铅垂应力等于上覆岩层的重量，水平应力与铅垂应力均衡（相等）。,2020/9/2,山东科技大学,6,重力加密度，9.8m/s2,图6-1 岩体自重垂直应力,2020/9/2,山东科技大学,7,推导 ： 100米处岩体应力：,即100m深处的岩层垂直应力为2.5MPa 。 注意：上式是按单岩层平均计算，若有几个层，分别为 。,2020/9/2,山东科技大学,8,则：,（6-2）,2金尼克假说,根据线弹性约束条件推断。 已知：,（铅垂应力是自重应力）,在均匀的、各向同性的岩体中，各单元受到约束，水平方向应变 ,即 ：,水平方向变形与另外两个方向的力有关,2020/9/2,山东科技大学,9,广义虎克定律（弹性力学应力关系）,即：,令,侧压系数,u = 0.20.3， =0.250.43,即 按照金尼克的线弹性岩体假设,水平应力,得：,2020/9/2,山东科技大学,10,水平应力小于垂直应力，侧压系数,1,即：,（6-3）,3麦克库钦理论,1982年，麦克库钦（W.R.Mccuchen）根据近代大量原岩应力实测统计和资料分析 ，提出另一种重新认识地壳自重应力场学说，同时对称称之壳体求解单立体应力。,结论，自重应力分量:,2020/9/2,山东科技大学,11,（6-4）,即侧压力是强度的函数，为一条双曲线，z、a、b是一个常数，有一个基准面（地表下某一深度，,=1之上， 1，之下 1） 。,4松散地层压力,侧压系数：,（6-8）,2020/9/2,山东科技大学,12,松散介质（岩体）内摩擦角，,即,5一定粘结力的松散地层压力,注：库仑准则,2020/9/2,山东科技大学,13,即：,（6-9）,令,（6-10）,即：,时，侧向应力系数,深度较小时，侧向应力可能小于，随着深度正比增加。,2020/9/2,山东科技大学,14,图6-3 松散岩体内的侧向应力,2020/9/2,山东科技大学,15,几种自重应力理论的解释,1）垂直应力是一个公认的参数与深度成正比：,2）水平应力与垂直应力的关系可用侧压系数表示，即 ：,3）侧压系数是一个复杂的问题，随着对岩体性质属性认识的不同有不同的认识。,1,1,1,自己总结一下侧压系数的变化情况。,2020/9/2,山东科技大学,16,第三节 岩体初始应力状态的现场量测方法,一、概述 1岩体应力测量的种类 1）初始应力测量 2）次生应力测量 2应力测量地点 钻孔中，地表露头，地下洞室的岩壁 。 3原岩应力测量原理,2020/9/2,山东科技大学,17,原岩应力是岩体内一点各个方向上应力分量总体的量度。一般情况下，六个应力分量是非零的，处于相对静止平衡状态，无法直接得知。因此，任何一种实测方法都需要经过扰动（通常是打钻孔），打破原有平衡状态，在从一种平衡状态到新的平衡状态的过程中，通过对力或应力效应的间接测量来实现。力或应力引起的最常见的效应是产生应变或位移，借助传感器将受到的应变或位移的变化传递给二次仪表取得测量数据，进一步根据测量的应变（位移）经力学反分析，最终获得原岩应力状态的结果。,2020/9/2,山东科技大学,18,4原岩应力测量方法 1）应力解除法 2）应力恢复法 3）水压致裂法,2020/9/2,山东科技大学,19,表6-1 地应力测量方法一览表,2020/9/2,山东科技大学,20,第四节 初始应力现场量测方法,一、概述 二、水压致裂法 （一）方法原理及技术 通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处，加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中各特征点的压力及开裂方位，根据测得的压裂过程中泵压表头读数，计算测点附近的岩体中的地应力大小和方向。,2020/9/2,山东科技大学,21,（二）基本理论和计算方式,假设：钻孔垂直，垂直应力,是一个主应力。,另两个主应力,位于水平面内。,向钻孔内注水压P、出现垂直孔壁的水压裂缝。按结构与轴对称、载荷不对称的平面应变问题考虑平面内的应力关系，参见课本图6-9：水平剖面内钻孔受到无穷远处的应力 、,作用，钻孔,半径,，孔外任意一点 ，孔内受到水压 Pb。,则,（6-13）,2020/9/2,山东科技大学,22,考察钻孔内压力P的变化导致孔裂的变化,时，即孔壁压裂处,（6-14）,当,=0时，,有最小值（极值），此时,（6-15）,按材料破坏的最大拉应力理论：,（6-16）,为拉应力,2020/9/2,山东科技大学,23,T0岩体抗拉强度的数值，0。,时，孔壁产生开裂（为最晚开裂位置）。,应力条件：,（6-17）,or,（注：T00）,（6-18）,岩体中有孔隙水压力Pw时，与,抵消一部分,（6-19）,考察岩体开裂后，裂缝扩展后水压Pb降至Ps 。,Ps稳定开裂压力。,6-15）变为：,（理解为Pw与外力方向相同）,2020/9/2,山东科技大学,24,停泵后水压继续下降至Ps，为裂缝闭合压力。,水泵重新开启，重新开裂的压力Pb0称开启压力。,（6-19）变为(pb0代替pb)：,（6-20）,此时上式缺少一项T0，表明岩体,处，已开,裂不抗拉，T0不参与分析。6-19、6-20比较得到,（6-21）,另外，当裂隙关闭压力Ps0时，由于裂隙已经开裂T 0 =0，此时，Ps0进入裂隙面内，两隙面为一个与图中 =0对应的平面，此时Ps0应与水平方向外力平衡。,（上式为泵压pb0和pb与岩体抗拉强度的关系),2020/9/2,山东科技大学,25,即,（如图中水平方向的较小主应力）,（6-22）,至此岩体破裂过程中的各压力与待求应力的关系:,（6-23）,由式6-23可知，可以根据水压致裂法的各种压力值计算岩体内的较大的主应力,，较小的主应力,和岩体抗拉强度T0 。,其中，有关岩体水压致裂的压力,参数见图6-11。,2020/9/2,山东科技大学,26,图6-11 压裂过程泵压变化及特征压力,pb,初始压裂压力pb,稳定开裂 压力ps,关闭 压力ps0,空隙水压p0,停泵后开启 压力pb0,ps,P0,2020/9/2,山东科技大学,27,图中：,P0岩体内孔隙水压力或地下水的受力；,Pb注入钻孔内的液压力，将孔隙压裂 的初始压力；,Ps初始压裂后，使岩体稳定开裂的压力；,Ps0稳定开裂后关闭泵压，保持的压力， 可能下降；,Pb0停泵后，重新开泵将裂隙压开的压力， 开启压力。,2020/9/2,山东科技大学,28,（三）水压致裂法的特点 1设备简单。只需用普通钻探方法打钻孔，用双端止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩体，不需要复杂的电磁测量设备。 2操作方便。只通过液压泵向钻孔内注液压压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可。 3测值直观。它可根据压裂时泵压（初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力）计算出地应力值，不需要复杂的换算及辅助测试，同时还可求得岩体抗拉强度。,2020/9/2,山东科技大学,29,4测值代表性大。所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好的代表性。 5适应性强。这一方法不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下作试验，不怕电磁干扰，不怕震动。 因此，这一方法越来越受到重视和推广。但它存在一个较大的缺陷，即主应力方向定不准。,2020/9/2,山东科技大学,30,三、应力解除法 1）原理：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为地将该处的岩体单元与周围岩体分离，此时，单元体上的应力将解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复，应用一定的测定手段测定弹性恢复的应变，借助弹性理论的解答等计算应力状态。 2） 应力解除法的具体方法很多，按测试深度可以分为表面应力解除、浅孔应力解除及深孔应力解除。按测试变形或应变的方法不同，又可以分为孔径变形测试，孔壁应变测试及钻孔应力解除法等。 下面主要介绍常用的钻孔应力解除法。,2020/9/2,山东科技大学,31,钻孔应力解除法可分为岩体孔底应力解除法和岩体钻孔套孔应力解除法。 （一）岩体孔底应力解除法 岩体孔底应力解除法是向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔，在孔底中心处粘贴应变传感器（例如电阻应变花探头或是双向光弹应变计），通过钻出岩芯，使受力的孔底平面完全卸载，从应变传感器获得的孔底平面中心的恢复应变，再根据岩石的弹性常数，可求得孔底中心处的平面应力状态。由于孔底应力解除法只需钻进一段不长的岩芯，所以对于较为破碎的岩体也能应用。,2020/9/2,山东科技大学,32,孔底应力解除法主要工作步骤参见图6-13，应变观测系统参见图6-14。并将应力解除钻孔的岩芯，在室内测定其弹性模量E 和泊松比，即可应用公式计算主应力的大小和方向。由于深孔应力解除测定岩体全应力的六个独立的应力分量需用三个不同方向的共面钻孔进行测试，其测定和计算工作都较为复杂，在此不再介绍。 （二）岩体钻孔套孔应力解除法 采用本方法对岩体中某点进行应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。,2020/9/2,山东科技大学,33,2020/9/2,山东科技大学,34,2020/9/2,山东科技大学,35,该岩体应力测定方法的主要工作步骤参见图6-15 所示。 应力解除法采用的钻孔传感器可分为位移（孔径）传感器和应变传感器两类。以下主要阐述位移传感器测量方法。 中国科学院武汉岩土力学研究所设计制造的钻孔变形计是上述第一类位移传感器，测量元件分钢环式和悬臂钢片式两种（见图6-16）。,2020/9/2,山东科技大学,36,2020/9/2,山东科技大学,37,图6-16 钻孔变形计,2020/9/2,山东科技大学,38,该钻孔变形计用来测定钻孔中岩体应力解除前后孔径的变化值（径向位移值），钻孔变形计置于中心小孔需要测量的部位，变形计的触脚方位由前端的定向系统来确定。通过触脚测出孔径位移值，其灵敏度可达110-4mm。 由于本测定方法是量测垂直于钻孔轴向平面内的孔径变形值