第5章岩体天然应力及其测量 岩石力学课程组 华北水利水电学院
第5章 岩体天然应力及其测量 岩石力学课程组 华北水利水电学院
学习指导 本章主要介绍了岩石的初始应力概 括自重应力和构造应力,介绍了初始应力 的量测方法及原理,包括应力解除法和应 力恢复法
学习指导 ◼ 本章主要介绍了岩石的初始应力概念，包 括自重应力和构造应力，介绍了初始应力 的量测方法及原理，包括应力解除法和应 力恢复法
重点 岩体的初始应力概念 岩体初始应力的测量方法
重 点 ◼ 岩体的初始应力概念 ◼ 岩体初始应力的测量方法
51概述 ■地壳在漫长的地质年代里始终处于不断运动与变化之中, 例如,由于地壳的构造运动常使岩层产生褶皱、断裂和 些现象的出现都是 果。引起 体产生 原因很多,有构造运动所产生的构造应力 度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用 结作闺÷脱水作用所引起的应力,其次还有电于地下开 挖 在洞室围 分布和 坝等建 筑物在 基中所引起的附加应力等。岩体中的应力有的是由于人类 动而引起的,有的 程建筑之前早就产生了。凡 工程施工开始前就ⅰ 于岩体中的应 称为初始应 力或天应力或地应力构造应力和自重应力都是初始应 力)。初始应力的大小主要取决子上覆若层的重量、构 作用的类型、强度和持续时期的长短等
5.1 概 述 ◼ 地壳在漫长的地质年代里始终处于不断运动与变化之中， 例如，由于地壳的构造运动常使岩层产生褶皱、断裂和错 动，这些现象的出现都是岩层或岩体受力的结果。引起岩 体产生应力的原因很多，有构造运动所产生的构造应力， 由上覆岩体的重量所引的自重应力、气温变化所引起的温 度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、 固结作用、脱水作用所引起的应力，其次还有由于地下开 挖在洞室围岩中所引起的应力重分布和高坝等建筑物在岩 基中所引起的附加应力等。岩体中的应力有的是由于人类 活动而引起的，有的则在工程建筑之前早就产生了。凡是 在工程施工开始前就已存在于岩体中的应力，称为初始应 力或天然应力或地应力(构造应力和自重应力都是初始应 力)。初始应力的大小主要取决于上覆岩层的重量、构造 作用的类型、强度和持续时期的长短等
52岩体的初始应力 自重应力 O=K 静止侧压力系数1-
5.2 岩体的初始应力 ◼ 自重应力 z z = x = y = K0 z − = 1 静止侧压力系数 K0
52岩体的初始应力 海姆假说 侧压力系数K=1时,就出现侧向水平应力与垂 直应力相等的所谓静水压力情况。这就是1878年 著名瑞士地质学家海姆(Hem)所指出的情况。他 根据在开挖横贯阿尔卑斯山的大型隧洞的观察中, 发现隧洞的各个方向上都承受着很高的压力。于 是他提出了著名的海姆假说:在岩体深处的初始 垂直应力与其上覆岩体的重量成正比,而水平应 力大致与垂直应力相等
5.2 岩体的初始应力 ◼ 海姆假说 当侧压力系数K=1时，就出现侧向水平应力与垂 直应力相等的所谓静水压力情况。这就是1878年 著名瑞士地质学家海姆(Heim)所指出的情况。他 根据在开挖横贯阿尔卑斯山的大型隧洞的观察中， 发现隧洞的各个方向上都承受着很高的压力。于 是他提出了著名的海姆假说：在岩体深处的初始 垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应 力大致与垂直应力相等
52岩体的初始应力 ■构造应力 在漫长的地质年代里,由于地壳的构造运动,不仅在岩层 或岩体中引起构造应力,同时也在岩层和岩体中引起相应 的变形,这种变形表现为各种岩层和岩体以不同产状、形 状和一定的几何形态有规律地分布于地壳中。对于现时还 在活动的构造应力场的研究,主要的手段之一就是进行构 造应力的实测。对于过去所形成的古构造应力场的研究, 最重要的手段就是在野外对于古时地壳运动所遗留下来各 种踪迹进行实地调查研究,并确定各种构造型式的存在和 它们的构造特征。然后再采用各种相应的方法进行模拟实 验,同时配合有关应力场的理论分析进行研究
5.2 岩体的初始应力 ◼ 构造应力 在漫长的地质年代里，由于地壳的构造运动，不仅在岩层 或岩体中引起构造应力，同时也在岩层和岩体中引起相应 的变形，这种变形表现为各种岩层和岩体以不同产状、形 状和一定的几何形态有规律地分布于地壳中。对于现时还 在活动的构造应力场的研究，主要的手段之一就是进行构 造应力的实测。对于过去所形成的古构造应力场的研究， 最重要的手段就是在野外对于古时地壳运动所遗留下来各 种踪迹进行实地调查研究，并确定各种构造型式的存在和 它们的构造特征。然后再采用各种相应的方法进行模拟实 验，同时配合有关应力场的理论分析进行研究
52岩体的初始应力 ■初始应力的分布特点 般情况下岩体中的初始应力场多数是三向不相等的空间 爱省变花类主应人于垂直应,最小水平主成力的 2)初始应力的大小、方向与地质构造有着密切关系。很明显, 位于活动断层的拐弯或交叉处的断裂构造则产生较大的应力 集中,其它部位的断裂构造反而引起应力释放,促使岩体应 3)岩体上覆岩层的重量是形成岩体初始应力的基本因素之 4地形地貌对初始应力有一定的影响,因为地形被切割后必 然引起新的重分布应力,这就使得河谷两岸岩壁的最大主应 向往往与山坡方向一致,而最小主应力方向则是谷坡的
5.2 岩体的初始应力 ◼ 初始应力的分布特点 1)一般情况下岩体中的初始应力场多数是三向不相等的空间 应力场，最大水平主应力大于垂直应力，最小水平主应力的 数值则变化较大。 2)初始应力的大小、方向与地质构造有着密切关系。很明显， 位于活动断层的拐弯或交叉处的断裂构造则产生较大的应力 集中，其它部位的断裂构造反而引起应力释放，促使岩体应 力的重新分布。 3)岩体上覆岩层的重量是形成岩体初始应力的基本因素之一 4)地形地貌对初始应力有一定的影响，因为地形被切割后必 然引起新的重分布应力，这就使得河谷两岸岩壁的最大主应 力方向往往与山坡方向一致，而最小主应力方向则是谷坡的 法线方向
53岩体初始应力的量测方法 应力解除法的基本原理 3(2-E3) 320-26 g 2 洞室边墙 3(o) E max Emax t Hemin E In Emin t ule max 室边最 (c) maX E1+E2+E2)± 3 VE1-E,)+(E2-E3)+E3-E mlm
5.3 岩体初始应力的量测方法 ◼ 应力解除法的基本原理 洞室边墙 洞室边墙 εmin ε α ε ε εmax ( ) ( ) ( ) ( ) 2 3 1 2 2 3 2 1 2 3 1 2 min max 3 2 3 1 = + + − + − + − ( ) 1 2 3 2 3 2 3 2 − − − t g = ( ) ( ) + − = + − = min 2 min max max 2 max min 1 1 E E
53岩体初始应力的量测方法 应力解除法的空间应力量测 共面三孔交汇法确定三维应力 3-×3 钻孔 钻孔① 钻孔Q钻孔 钻孔 钻孔 (a)
5.3 岩体初始应力的量测方法 ◼ 应力解除法的空间应力量测 共面三孔交汇法确定三维应力 σ σ τ τxz zy σ τzx 钻孔 τy1x1 钻孔 钻孔 δ δ 钻孔 τx3y3 σ 钻孔 σ σ σ σ τx2 钻孔 τxy σ τyz τyx