第六章地应力确定-20131127p

第六章地应力及测试方法第一节概述

第二节地应力的确定方法第三节孔隙压力及有效应力本章小结

第一节概述

一、地应力二、高地应力三、影响地应力的因素四、我国地应力的分区性五、地应力研究的历史

一、地应力

地应力（天然应力、初始应力）9人类工程活动之前存在于岩体中的应力9存在于地壳岩体中的内应力

9由地壳内部垂直运动和水平运动的力及其它因

素的力引起的岩体内部单位面积上的作用力

一、地应力

地应力组成

9由岩体自重引起的自重应力

9由岩体构造作用引起的岩体构造应力。9由流体作用引起的孔隙压力

其它(如地温引起的热应力、地球化学作用引起的化学应力等)

通常，地应力场是一个三向不等压的空间应力场，主应力

大小和方向随空间与时间的变化而变化。

一、地应力

9垂向应力（σv ）

9水平向两个主应力（σH1、σH2）9地层孔隙压力（P P ）

一、地应力

地层中地应力状态存在三种类型：

垂向应力为最大主应力，即:σv >σH1>σH2

垂向应力为最小主应力，即:σH1>σH2>σv 垂向应力为中间主应力，即:σH1>σv >σH2

S W P

U R O C K

M E C H .

L A

S W P U R O C E C H .

L A

垂向应力主要来源于上覆岩层重量

水平向两个主应力主要来源于上覆岩层重量、构造运动，变

化规律复杂

一、地应力

σv σΗ2

σΗ1

垂向应力

水平向最大主应力

水平向最小主应力

二、高地应力

有些部位岩体地应力极高，对工程作业影响极大

高地应力标志主要有

9地下工程活动，常产生岩爆、剥离、崩落9收敛变形大，使井眼等断面变小

9软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合9

饼状岩心

三、影响天然应力的因素

地形起伏地表剥蚀

岩体性质：硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反地下水：产生孔隙流体压力

地温：产生温度应力

四、我国地应力的分区性

我国处在四大板块环绕中

9西南面受印度板块向NNE挤压9东面受太平洋板块向W俯冲9南面受菲律宾板块向N俯冲9

北面受西伯利亚板块阻挡

四、我国地应力的分区性

最大水平应力方向：西区以在四大板块的碰撞挤压下，形成了中国大陆的地

应力，大致可以东经100～105°为界分东西两区。

东西两区的地应力特征差别很大

9地应力强度：西强东弱（西高东低）

NNE-SSW为主，东区近E-W方向

五、地应力的研究历史

全球范围：

91878年海姆提出地应力9

l932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了

岩体中的地应力

目前，地应力测点遍布全球，但大部分是浅部

中国：

20世纪50年代末开始地应力测量

S W P

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M E C H .

L A

S W P U R O C E C H .

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一、地应力确定方法概述二、地应力的室内测试方法三、地应力的矿场获取方法四、地应力的经验预测方法五、地应力原位测量方法

第二节地应力的确定方法

一、地应力确定方法概述

地应力方向及大小

地应力确定方法非弹性应变恢复

古地磁

差应变

凯塞效应

波速各向异性

井壁崩落法

井璧诱导缝

小型压裂

地质资料分析

岩心测试技术

井点地应力状态:主应力方向和大小

现场获取技术

声发射：岩石受外载荷作用时，内部储存的应变能快速释

放并产生弹性波，发出声响的现象。

9凯塞效应：1950年德国人凯塞发现多晶金属的应力从其

历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射发生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量发生声发射的现象。

9凯塞点：从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。

岩石声发射测量法-凯塞效应

二、地应力的室内岩心测试技术

根据岩石组成和构造特点，凯塞效应可分为4种类型：

9群发型：以侵入的、矿物结晶良好、中粗粒的结晶岩为主，以花岗岩为代表。组成这类岩石的矿物强度较高。9集发型：以浅层侵入及喷发岩为主，矿物结晶差异性大的玢岩为代表。

9突发型：以喷发岩为主，隐晶质结构，以致密玄武岩为代表。9散发型:以沉积成因为主的砂岩、砾岩等中等强度岩石为代表。

岩石声发射测量法

二、地应力的室内测试方法

9高强度的脆性岩石有较为明显的声发射凯塞效应。

9多孔隙低强度及塑性岩体的凯塞效应不明显，疏松软岩石的应力不宜用声发射法测定。

岩石声发射测量法

二、地应力的室内测试方法声发射监测系统框图

1、2上下压头；3、4为换能器；5、6为前置放大器；7，8为输入

鉴别单元；9为定区检测单元；

10、11为计数控制单元；12为压机油路压力传感器；

13为压力电信号转换仪器；14为函数记录仪

岩石声发射测量法

二、地应力的室内测试方法

S W P

U R O C K

M E C H .

L A

S W P U R O C E C H .

L A

岩石声发射测量法二、地应力的室内测试方法

岩石声发射测量法

二、地应力的室内测试方法

岩石声发射测量法

二、地应力的室内测试方法

岩石声发射测量法

二、地应力的室内测试方法

岩石声发射测量法

二、地应力的室内测试方法9S H 、S h 分别为最大、最小水平主应力；

9S1、S2、S3分别为0°、45°、90°三个方向岩芯凯塞效应对应的应力值

9α:系数9

P P :地层孔隙压力

岩石声发射测量法

二、地应力的室内测试方法

S W P

U R C K

M E C .

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S W P U R O C E C H .

L A

二、地应力的室内岩心测试技术

波速各向异性

9岩心/井壁最小波速沿原最大水平主应力方向9岩心/井壁最大波速沿原最小水平应力方向9该方法受到岩石各向异性的干扰

波速各向异性

理论基础

井壁岩石发生垮塌、破裂的方向与原地应力延伸方向密切

地应力平衡的一个简单例子.

地应力平衡方法熊志勇陈功奇第一部分地应力平衡方法简介地应力平衡有三种方法: (1 *initial conditions,type=stress,input=FileName.csv(或 inp 该方法中的文件 FILENAME.INP 获取方法为 :首先将已知边界条件施加到模型上进行正演计算 , 然后一般是将计算得到的每个单元的应力外插到形心点处并导出6个应力分量 (也可以导出积分点处的应力分量 , 视要求平衡的精确程度而定。其所采用的几何模型可以考虑地表起伏不平的情况以及岩土材料极其不均匀的情况 , 适用范围广。但由于外插的应力有一定误差 , 因此采用弹塑性本构模型时 , 可能会导致某些点的高斯点应力位于屈服面以外 , 当大面积的高斯点上的应力超出屈服面之后 , 应力转移要通过大量的迭代才能完成 , 而且有可能出现解不收敛的情况。在仅考虑自重情况下只能考虑受泊松比的影响带来的侧压力系数效应 , 因此平衡后的效果不一定很理想 , 但无疑其适用性很强。 (2 *initial conditions,type=stress,geostatic 该方法需给出不同材料区域的最高点和最低点的自重应力及其相应坐标。所采用的几何模型一般较规则 , 表面大致水平 , 地应力平衡的好坏一般只受岩体密度的影响 , 无论采用弹性或弹塑性本构模型都能很好的达到平衡 , 可以不必局限于仅受泊松比的影响 , 能够通过考虑水平两个方向的侧压力系数值来施加初始应力场。计算速度快 , 收敛性好。缺点就是不能够很好平衡具有起伏表面的几何模型 , 需知道平整后模型的上覆岩体自重。 (3 *initial conditions,type=stress,geostatic,user

《岩石力学》地应力及其测量

1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。 2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。 3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即???= ????=???? 金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。他根据弹性力学理论，认为这个系数等于?? 1-??，即????=????，???=?? 1-?? ???? 4. 地应力是如何形成的？答：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。 5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。 6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即????=????。重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。构造应力是由地质构造运动形成的。当前的构造应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。构造应力主要表现为以水平应力为主，“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。” 7. 岩体原始应力状态与哪些因素有关？答：地形地貌；岩体结构；岩石力学性质；地下水。 8. 简述地应力场的分布规律答：1）地应力场的特性（1）地应力场是一个以水平应力为主的三向不等压应力场（2）地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场 2）垂直应力的分布规律在深度为25~~2700m的范围内，????呈线性增长，大致相当于按平均容量??γ等于273kN???-3?计算出来的重力????。 3）水平应力的分布规律

地应力平衡方法

方法1 1）建立模型，材料，分析步（GEOSTATIC）。 2）施加荷载，LOAD，选择施加重力GRAVITY，在你想施加重力的方向输入数值9.8。 3）在JOB中提交分析。 4）按以下步骤,Report---Report Field Output---选中S11,S22,S33,S12,S13,S23---Name:cc.inp。Write中只选择Field Output。 5）修改cc.inp，用excel，打开（分隔符，Tap键、空格键、逗号） 6）删除都是1的那列。在1,2,3,4等的前面加上（part instance）的name和小数点。 7）另存为，文件类型设置为CSV。 8）用文字编辑软件删除小数点后面的逗号。 9）最后变为 soil-1.1,S11,S22,S33,S12,S13,S23 10)另存为cc.dat 11)在Edit keywords中材料属性后面加上 *initial conditions,type=stress,input=cc.dat 12）重新提交JOB，OK 方法2 1）地表水平、土体材料在水平方向相同，可应用这种简单方法。 2）在Edit keywords中材料属性后面加上。 *initial conditions,type=stress,geostatic set-1,0.0,5,-392e3,-5,0.9 3）单元集名称、应力竖向分力第一个值、对应垂直坐标、应力竖向分力第二个值、对应垂直坐标、侧压力系数。 4）水平地应力通过竖向应力乘以侧压力系数得到。补充 6.10及6.11可以实现自动地应力平衡自动地应力平衡是新版本最为关注的新功能之一，因为它省去了计算自重应力以及生成相应初应力文件和导入的麻烦。在地应力步中选择自动增量步就能使用自动地应力平衡功能，还能指定允许的位移变化容限。不过自动地应力平衡功能仅支持有限的几种材料，D-P并不包含在内，而且对单元也有一定的要求。虽然可以使用不支持的材料和单元，但可能自动地应力平衡不容易收敛或位移差值超过容限。虽然可以用塑性模型，但帮助文件中说应该用在主要为弹性的情况下。我认为材料限制应该不算太大问题，D-P仍可以使用，即使不收敛只要做一些调整比如减小容限等应该一样可以得到收敛的平衡状态。

地应力及其分布规律

地应力及其分布规律 1 、地应力的基本概念地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。广义上也指地球体内的应力。它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。此外地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。 2、地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外，地应力场还受到其他多种因素的影响，造成地应力状态的复杂性和多变性，地应力成因之一：地幔热对流（图1、图2）地应力成因之一：板块边界受压（图3）

地应力成因之一：岩浆浸入（图4） 3、地应力的影响因素地壳深层岩体地应力分布复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响，但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。1)岩体自重的影响岩体应力的大小等于其上覆岩体自重，研究表明：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑，在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动 2)地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。 3)构造运动对地应力的影响在地壳深层岩体，其地应力分布要复杂很多，此时由于构造运动引起的地应力对地应力的大小起决定性的控制作用。研究表明：岩体的应力状态，一般其铅垂应力分量是由其上覆岩体自重产生的，而水平应力分量则主要由构造应力所控制，其大小比铅垂应力要大得多。 4)岩体的物理力学性质的影响从能量的角度看，地应力其实是一个能量的积聚和释放的过程。因为岩石中地应力的大小必然受到岩石强度的限制，可以说，在相同的地质构造中。地应力的大小是岩性因素的函数，弹性强度较大的岩体有利于地应力的积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位,而塑性岩体因容易变形而不利于应力的积累。 5)水、温度对地应力的影响地下水对岩体地应力的大小具有显著的影响，岩体中包含有节理、裂隙等不连通层面，这些裂隙面里又往往含有水，地下水的存在使岩石孔隙中产生孔隙水压力，这些孔隙水压力与岩石骨架的应力共同组成岩体的地应力。温度对地应力的影响主要体现在地温梯度和岩体局部受温度的影响两个方面。由于地温梯度而产生的地温应力，岩体的温度应力场为静压力场，可以与自重应力场进行代数迭加，如果岩体局部寒热不均，就会产生收缩和膨胀，导致岩体内部产生应力。4、地应力的分布规律

ABAQUS岩土隧道入门地应力平衡基本问题

ABAQUS岩土隧道入门地应力平衡基本问题一：Abaqus地应力平衡方法理解 Abaqus地应力平衡现常用分为两种方法：（6.10版以前那种笨拙修改csv文件和添加keywords自己计算每层土应力的方法，就真的很折腾，而且适应性还不好） 1.通过Geostatic中Automatic平衡，这种方法是自动平衡，通过设置最小位移精度，迭代计算达到平衡的最小位移精度；算盘放小胖版主案例说法“依据小胖的经验，对于标准的隧道开挖，几何简单，采用1e-5的位移准则是可以的。但如果比较复杂的模型，宝宝们也不要太吝啬，放宽到0.5 mm以下也是可以的。毕竟我们玩的是大尺度模拟，半个毫米都不一定能测得出来。”，而对于单元数量巨大的模型，本身计算一次就需要不短的时间，再通过迭代自动计算地应力平衡，这个时间。。。。。。；并且Automatic只有100个increment，如果100到了还没平衡好，虽然“可以在上次计算的应力基础上再平衡一次。”但是这样下去如果遇见不收敛，就是何年何月才能算好地应力平衡。So，再看第二种方法咯 2.通过导入自重变形结果odb文件，定义应力场来计算。若用Geostatic分析步换成Fixed 平衡固定计算一次的自重变形结果odb；再通过Predefined field导入这个自重变形结果odb；具体小胖版主有实例截图，就是在Predefined field中initial分析步stress进行设置“从外部文件导入”这个自重变形结果，Geostatic分析步Fixed 下也只有一步step 和Increment，所有就应是1。但是再计算七万别忘啦，再复制重命名或者新建一个job，要是覆盖了自重变形结果的odb，就白搭若采用的static general分析步，控制初始增量步默认是Automatic，初始和最大控制一步计算就行，与geostatic的fixed的自重变形计算结果是一样滴，导入平衡方法也一样，结果可以比较一下，具体可以看看算盘坊小胖的地应力平衡初、中、高教程，这个只能算基础入门的概念理解二：keywords语言基本单元生死法以及场变语言理解（注：自用的6.14-1和新版，全部都可以通过UG窗口界面设置逻辑了，不用向上世纪那样自己编语言，当然后期还是要学习一下编程） ▲原始方法地应力平衡语句： *initial conditions, type=stress, geostatic 土层名,大力，竖向坐标，小力，竖向坐标，侧向系数 ▲单元生死（可通过相互作用控制）： *model change, add XXXX *model change, remove XXXX

地应力平衡总结

地应力平衡 1、地应力平衡好坏评判标准 1) 地应力平衡后，位移云图中最大位移达到10-6量级或更低（接近于0）。（主要判别条件） 2) 地应力平衡后，应力云图中应力有一定的数值。（也就是应力不为0，但变形接近于0）2、进行地应力平衡的原因总的来说，如果不进行地应力平衡，而只施加重力，模型会在重力作用下产生变形，而实际工程中，我们施加荷载时，重力产生的而变形已经产生，实际上得到的是附加应力产生的变形。 1) 我们所建立的几何模型一般和工程实际情况或尺寸相对应、相一致，比如边坡几何模型和实际边坡尺寸一致，但我们可以夸张一点想像，实际边坡应是由一个更大一点或更高一点的不受重力的初始边坡在n年前突然受重力和类似目前的边界条件作用下逐渐形成了今天的尺寸大小，n年前受重力和类似目前的边界条件作用之前边坡的尺寸大小，我们不得而知，如果能准确知晓，我们就可以建立一个那时的几何模型，再施加重力和边界条件进行计算，变形后形状和现状边坡形状一致，其内力也就是初始应力场或地应力，就不用专门去施加地应力了，但问题是我们不能知晓边坡受力前的形状尺寸，我们现在的几何模型就是边坡现在的实际尺寸，受力后将会变成一个更小的或与现状不一致的边坡，这不符合我们模拟现状边坡的目的。如果我们知道现状边坡的内力，将其提取出来作为几何模型的内力，再和外力（重力）平衡，则我们建立的模型才能算和实际模型一致。真实地知道现状边坡的内力是很难的，我们采取的办法是，用我们所建立的几何模型施加和实际模型一致的重力和边界条件进行计算，得到变形后或变得更小或与现状边坡不完全一致的边坡内力近似的作为现状边坡的内力，并重新将其施加于与现状边坡一致的几何模型，再施加重力（当然边界条件也应基本一致）以平衡，这样才算建立了与现状模型基本一致的模型，其下的计算才成为可能。这就是所谓“地应力平衡”的含义、目的、作用。 2) 地应力平衡中的外力和内力的问题。地应力平衡中，显然，重力是外力，应力场是内力，仅有外力重力，没有内力是不可能的，同样，仅有内力（专指初始应力场）而不受重力也是不可能的，否则，整个体系的力不会平衡。这就是为什么我们将提取出的内力施加于几何模型后必须再施加重力的原因。为的是内力和外力平衡。) q0 F3 q6 H1 O# 3) 地应力场的方向问题，有网友在论坛里问，既然重力是向下，为与重力平衡，那应力场的方向是不是向上呢，这同样是我开始接触abaqus的疑问，相信很初学者也有这样的疑问，我的理解是内力是没有向上、向下或者向其它方向的概念的，内力只有拉力或压力或剪力之分，其方向也按是拉是压是顺时针或逆时针而分，内力往往都是成对出现，如地应力场中的应力以压应力为主，取一个微元，则压应力同时出现在向下和向上，你能说地应力就是向上，与重力反向吗？不怕各位笑话，以上几点在高手看来是很简单的问题，却是我经历了漫长而艰辛的摸索才得到的，今天也写给初学者，不要再走我的老弯路了。 aba中初始地应力场平衡一般在表面水平的情况下仅仅和密度相关，密度一样的话平衡

第六篇：地应力平衡方法以及注意事项

第六篇：地应力平衡方法以及注意事项注意：只有采用弹塑性本构模型时需要地应力平衡，弹性本构不需要地应力平衡！第一部分地应力平衡方法简介地应力平衡主要有五种方法：（1）自动平衡：第一步创建分析步geostatic ，这种方法注意只能在第一步只能有土和重力的情况下能使用，有其他部件或者接触时计算不能收敛，效果是最好的，方便简单！（2）*initial conditions,type=stress,geostatic 该方法需给出不同材料区域的最高点和最低点的自重应力及其相应坐标。所采用的几何模型一般较规则,表面大致水平,地应力平衡的好坏一般只受岩体密度的影响,无论采用弹性或弹塑性本构模型都能很好的达到平衡,可以不必局限于仅受泊松比的影响,能够通过考虑水平两个方向的侧压力系数值来施加初始应力场。计算速度快,收敛性好。缺点就是不能够很好平衡具有起伏表面的几何模型,需知道平整后模型的上覆岩体自重。高版本在CAE里也能操作用计算器算出每个分界面上的应力和坐标对应填入，也比较方便不需要修改关键字

（3）*initial conditions,type=stress,geostatic,user 导入ODB里的方法，也比较简单，高版本可在截面上操作，不需要修改关键字你放入ODB后，填入第一步不需要填名称就是1 ，增量步就是你第一步计算的最后一个增量步（4）*initial conditions,type=stress,input=FileName.csv(或inp) 该方法中的文件FILENAME.INP获取方法为:首先将已知边界条件施加到模型上进行正演计算,然后一般是将计算得到的每个单元的应力外插到形心点处并导出6个应力分量(也可以导出积分点处的应力分量,视要求平衡的精确程度而定)。其所采用的几何模型可以考虑地表起伏不平的情况以及岩土材料极其不均匀的情况,适用范围广。但由于外插的应力有一定误差,因此采用弹塑性本构模型时,可能会导致某些点的高斯点应力位于屈服面以外,当大面积的高斯点上的应力超出屈服面之后,应力转移要通过大量的迭代才能完成,而且有可能出现解不收敛的情况。在仅考虑自重情况下只能考虑受泊松比的影响带来的侧压力系数效应,因此平衡后的效果不一定很理想,但无疑其适用性很强。最麻烦，也是最容易出错的，不喜欢使用（5）*initial conditions,type=stress,geostatic,user 该方法采用用户子程序SIGINI来定义初始应力场,可以定义其为应力分量为坐标、单元号、积分点号等变量的函数,要达到精确平衡需已知具体边界条件,在实际中应用较少。注意：除了第一种方法geostatic 选的是自动，其他都是fixed,其他四种方法第一步除了土外可以有其他部件，效果一般很差，可以多循环几次！

地应力平衡

ABAQUS地应力平衡：进行地应力平衡的原因陈述如下：我们建立的几何模型一般都和工程实际情况一致，例如边坡的几何模型与边坡实际尺寸相一致。但是由于边坡的沉降和徐变作用，可以想像到，现在的边坡应该是由一个体积更大的原始边坡在很久以前由于受到重力作用和边界约束条件，逐渐形成了现今的边坡形态。但是对于那个原始的边坡形态，我们不得而知。假如能准确知晓，我们就能够建立原始边坡的几何模型，接着对边坡施加重力和边界条件，受力后边坡形态应该和现在的边坡相一致，其内力就是初始应力场（地应力），这样就不用专门施加地应力了。但现实情况是我们不能知晓原始边坡的形态。现在的边坡几何模型就是其实际形态，受力之后将会变成一个与现状不一致的边坡，这不符合现在的实际情况。如果我们计算出现今边坡的内力，并将其作为边坡的初始应力场，再去和外力平衡，这样我们建立的模型就和现实边坡情况相一致了。对于涉及开挖、回填的动态岩土工程问题，地应力平衡是正确模拟施工过程的前提条件。初始应力的加载必须满足地应力平衡，而地应力平衡就是为了使地基仅存在初始应力，而不存在初始应变。当地基自重是产生地应力场的主要因素时，重力是外力，初始应力场是内力，将提取出的内力施加于模型后再施加重力，此时内力和外力平衡，该状态就是工程建设的初始状态。在表面水平的情况下，ABAQUS中初始地应力场的平衡一般只和密度有关，土体的密度一样，平衡的效果就好，别的参数对地应力平衡的结果影响很小。对于表面不平的情况，尽量通过inp文件导入初始应力的方法进行地应力平衡。 ABAQUS中进行地应力平衡的时间点的选择十分重要，地应力平衡是指在工程建设之前, 地表的位移应为零, 而土体的应力却存在。也就是说不管土体原来的样子如何（例如高山, 河流, 丘陵, 平原等）,进行地应力平衡的正确时间点应当是在我们对它做任何扰动之前. 具体采取的办法如下所述，我们对所建立的边坡几何模型施加和实际模型一致的重力和边界条件，得到变形以后边坡的内力，变形后边坡形状和原始边坡略有不同，其内力可近似作为现状边坡的内力，将其作为初始应力施加于现在的边坡中，接着施加外力（重力）来平衡初始应力，这样就建立了一个与现今边坡形态基本相同的边坡模型，这样之后的分析计算才是符合实际的。地应力平衡中，重力是外力，应力场是内力，为了内力与外力平衡，我们需要将由外力作用产生的内力作为初始应力场施加于模型中，再加上外力，这样就达到了内力和外力平衡的效果。常见的地应力平衡的三种方法： 1.地表水平土层分层水平的情况下的地应力平衡地表水平而且土层分层水平的情况下的地应力平衡是最简单的情况, 事实上也是大多数计算用到的平衡方法, 这个时候可以用ABAQUS提供的*initial conditions, type=stress, geostatic 方法来做 2.地表不水平或土体分层不规则的情况下，首先将已知边界条件施加到模型上进行正演计算,然后将前面重力计算所得的应力数据导入的方式来进行地应力平衡, 该方法的核心思想是，重力作用于土体,然后提取每个单元的应力（S11,S22,S33,S12,S13,S23）, 最后将这些应力数据以.csv格式的文件读入inp文件中作为初始应力, 从而达到平衡土体位移的效果。 3. 不预设地应力

有限元特辑II 初始地应力平衡

有限元特辑II初始地应力平衡技术邻作者：闷油瓶文章所包含相关领域及技术点：应力平衡、abaqus、有限元Motivation 在ABAQUS中，提供了5种定应力平衡方法，分别是 1.(AUTOBALANCE)自动平衡法; 2.*INITIAL CONDITIONS，TYPE=STRESS，GEOSTATIC; 3.*INITIAL CONDITIONS，TYPE=STRESS，FILE=file，INC=i nc; 4.*INITIAL CONDITIONS，TYPE=STRESS，INPUT=XX．DAT; 5.*INITIAL CONDITIONS，TYPE=STRESS，GEOSTATIC，USER。以上5种方法并不是每一种适用于所有的岩土模型，方法从易到难。方法①的自动平衡法，它省去了自重应力以及生成相应初应力文件和导入的麻烦。在(GEOSTATIC)地应力中选择自动增量步就能使用自动地应力平衡功能，还能指定允许的位移变化容限。不过自动地应力平衡支持有限的几种材料如弹性，塑性等，而其起单元也有一定的要求。方法②为关键字定义初始地应力法，这种方法需要给出不同材料区域的最高和最低点的自重应力及其相应坐标。所采用的几何模型一般较

规则，表面水平，能够通过考虑水平两个方向的侧压力系数值来施加初始应力场。关键字定义初始地应力法只适合土体表面水平的土体，而初始地应力提取法由于外插的应力有一定的误差，因此对于材料是弹塑性的复杂土体，应力转移要通过大量的迭代才能完成，而其有可能出现不收敛的情况，平衡效果可能不是很理想。方法③是ODB导入法，这种方法可使用之前算过的ODB文件结果，也就是说提前计算一个初始应力ODB文件，定义初始应力时直接指定ODB文件即可。方法④初始应力提取法，首先将已知边界条件施加到模型上进行计算，然后是将计算得到的每个单元的应力外插到形心点出，导出S1 1，S22，S33，S12，S13，S23六个应力分量。这种方法是最为通用的方法，可以实用于不同材料，不规则的地形，适用性强。方法⑤是采用用户子程序SIGINI来定义初始应力场，可以定义其为应力分量为坐标、单元号、积分点号等变量的函数，要达到精确平衡需已知具体边界条件，在实际中应用较少。 N小问 I.为何要施加初始地应力？ II.什么工况下，施加初始地应力？ III.什么时间点施加地应力？ IV.施加过程中及之后需要的注意事项？

地应力平衡方法介绍

6.19 Enhancements to the geostatic procedure Products: Abaqus/Standard Abaqus/CAE Benefits: The geostatic procedure for obtaining the initial equilibrium state has been enhanced so that you no longer have to specify initial stresses that are close to the equilibrium state to obtain a solution corresponding to the original configuration. Description: The geostatic procedure is normally used as the first step of a geotechnical analysis; in such cases gravity loads (and possibly other types of loads) are applied during this step. Ideally, the loads and initial stresses should exactly equilibrate and produce zero deformations. However, in previous releases of Abaqus the geostatic procedure did not enforce this condition. In complex problems it may be difficult to specify initial stresses and loads that equilibrate exactly. Consequently, the displacements corresponding to the equilibrium solution might be large unless a special procedure is used to enforce small displacements. The enhanced geostatic procedure allows you to obtain equilibrium in cases when the initial stress state is unknown or is known only approximately. Abaqus automatically computes the equilibrium corresponding to the initial loads and the initial configuration, allowing only small displacements within user-specified tolerances. The procedure is available with continuum and cohesive elements with pore pressure degrees of freedom and the corresponding stress/displacement elements. The elastic, porous elastic, Cam-clay plasticity, and Mohr-Culomb plasticity material models are supported. Although the list of supported materials includes materials that exhibit inelastic behavior, the procedure is intended to be used in analyses in which the material response is primarily elastic; that is, inelastic deformations are small. The new enhancements are available from the Incrementation tabbed page when you create or edit a geostatic step in Abaqus/CAE. You must select automatic incrementation to access the new controls. The default settings for increment size and maximum displacement change are shown in Figure 6–6. Figure 6–6 The Incrementation options for a geostatic step.

超深基坑工程预加轴力施加方法的分析和意见

超深基坑工程预加轴力施加方法的分析和意见发表时间：2018-08-13T14:33:11.730Z 来源：《基层建设》2018年第19期作者：夏国燕 [导读] 摘要：预加轴力是超深基坑工程研究的重点。杭州萧山城区建设有限公司摘要：预加轴力是超深基坑工程研究的重点。以现阶段超深基坑工程施工情况为基础，结合近年来预加轴力研究工作特点，明确新时代发展对超深基坑工程提出的建设要求，了解预加轴力的作用，分析超深基坑工程预加轴力施工架方法，以期为工程建设施工提供保障。关键词：超深基坑工程；预加轴力；施工方法；意见在社会经济不断发展，科技技术持续革新的背景下，人们的生活质量越来越高，对基础设施和住房的要求也随之提高。从最初的茅草屋、泥泞路、独木桥逐渐发展成了砖房、石板路，再到现如今的高楼大厦、地铁火车。与此同时，新的施工建设材料也得到了研发和推广，大量现代化施工技术得到了应用，但也涌现出了全新的工程问题。下面以超深基坑工程为例，对其施工建设工作中的预加轴力施工方法进行深层探索。 1.国内外研究现状分析对基坑变形检测、研究及预测、管理的相关工作一直都是工程界关注的难题。因为基坑工程中包含很多不确定因素，如地质条件、水文条件及周边环境等都拥有自己的特点，各项工程间不能随意借鉴和引用，所以几十年的基坑变形研究工作发展速度极为缓慢，且远远低于结构工程的有效性研究进度，成为了当前影响工程行业持续发展的主要因素。在二十世纪七十年代初期，以可靠性理论为基础的结构设计方案初步形成且得到推广，基坑工程领域的学者还在对土体物理力学数据的随机性和概率划分等进行深层探索，但直到现如今，这些问题都没有得到有效解决，虽然获取了一定成果，但没有提出完善的系统理论，因此相关的问题研究还要继续进行。 2.工程介绍本文选择的超深基坑工程是某市建造的地下停车库，具体开挖深度达到了三十四点三米。基坑工程影响范围包含了十层土体，工程影响范围内下层土体性质高，属于泥质粉砂岩，但在开挖到八点三米到二十六米时，土体变成了淤泥质粉质粘土，性能过低。施工单位选择的围护结构是桩撑式，在本次工程施工中一共有八道支撑。除了第一和第五道属于混凝土支撑外，其他每道钢支撑设计的预加轴力都控制在300kN[1]。 3.数值计算模型依据Adina有限元软件构建的数值计算模型，可以从几何模型、材料参数设计和工况模拟三个角度进行深层探索。下面对其中两点进行分析： 3.1几何模型其一，土层模型。这一阶段是结合实际需求划分为十层，具体形式如下所示：图1 土体模型其二，围护结构。施工人员在围护结构的状体位置选择引用了实体单位，并结合抗弯刚度等原理实施模拟检测。以桩体实际配筋情况可以分为两种单元；一方面是钢筋较少部分桩体单元；另一方面是配筋较多的部分桩体单元。通过引用truss桁架线进行模拟支撑体系，可以获取以下几点内容：第一，对弹性模量提出混凝土支撑与钢支撑；第二，对截面积提出满足实践需求的内容；第三，对线单元的初期应变进行设计，确保其满足支撑预加轴力的模拟[2]。 3.2工况模拟其一，开挖工况设计分析。具体内容主要分为以下几点：第一，地应力平衡；第二，依据单元生死功能模拟围护桩体施工；第三，开挖第一层土体；第四，设计第一道混凝土支撑；第五，重复进行第三和第四步工作，一直到获取第八道钢支撑为止；第六，开挖最后一层土体；第七，浇筑基坑底板。其二，支撑预加轴力施加方法。通过整合实践设计需求，钢支撑的中间支撑都要加大预加轴力，因此在模型中也要对其实施模拟。现阶段落实的有限元模拟工作，在truss单元中加大预加轴力的方法是：truss单元同周边实体单元依据结点约束方程的形式进行连接，再依据不同的方式给予truss单元初始应力。方法有施加初始应力、改变温度及设计初始条件等。通过上述方法对预加轴力实施模拟，有助于保障truss单元同周边实体单元在结点约束方程中来调节内力和变形。但在实践施工中，各层钢支撑是依据多种类型钢支撑构成的，在协调内力与变形的过程中，每一根钢支撑的内力都会出现改变，并与设计预加力产生差异性，进而难以满足施工现场需求。因为在现场施工中，工作人员通常情况下会引用千斤顶来加大预加力，这样有助于确保每根钢支撑的预加力和设计预加力一致。总体来说，施工人员要寻找一个更为科学的模拟基坑开挖钢支撑预加力的施加方式，并注重研究下述几点内容：第一，在完成支撑架设工作后，工作人员要对支撑处于围护结构的对应位置提出一对相反的模拟预加力；第二，在支撑力和维护结构力的作用点中，明确传力

基于ABAQUS的无渗流偏压隧道开挖分析(包含地应力平衡分析)

基于ABAQUS的无渗流偏压隧道开挖分析（包含地应力平衡分析） 1 隧道建模及地应力平衡 1.1 工程概况本模型截取的一段隧道通过山体坡度30°左右一侧，隧道开挖及初衬断面为五心圆各项参数如表2.1所示。隧道跨度13.36m，高11.71m，偏压部分覆盖层厚度约为20m。隧道区地下水主要为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水，垂直隧道中轴线向东120米勘察孔水位为65米，向西120米勘察孔水位为10米。施工过程中隧道单位正常涌水量3.43m3/d，中等富水。具体围岩初衬参数将在后文建模时给出。表2.1 隧道断面参数(单位：cm) r[1]R[1]r[4]R[4]h[1]h[2]h[3]a b h H B 1.2 隧道建模及偏压判定结合隧道工程勘察报告和规范取围岩和初衬参数值如表2.2所示，隧道初衬厚度为30cm。表2.2 围岩和初衬参数取值弹性模量/GPa泊松比密度/Kg/m3内摩擦角/°内聚力/MPa V级围岩 1.80.382200250.3 初衬250.22400// 文献指出，取模型边界为隧道开挖直径8倍时，其地震和静力计算对隧道的影响可以忽略不计。本模型取隧道开挖直径的10倍，力求将边界影响降低到最小，同时兼顾计算工作量。建模时先简化山体坡脚30°一侧为一顶角120°的圆锥，按照隧道实际位置确定隧道后，在山体上切下符合隧道开挖直径10倍的计算模型（如图2.2），这样会使模型上表面近似山体的曲面，较符合实际地形条件，模型自前向后偏压角度略有减小。与直接将上表面简化为平面的模型相比，其计算结果和实际工程的符合性有较大提升，对隧道内部应力的分布也反映的更为准确。本章将对无渗流条件下的静力偏压情况进行模拟，以便和后文中渗流作用下

分岔隧道稳定性研究

第5章知识要点：
分岔隧道稳定性研究
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分岔式隧道简介 ABAQUS 的模拟方法大拱段数值计算连拱段数值计算小间距隧道数值计算本章小结
本章导读：首先简要介绍了分岔式隧道的两种常见形式：Ⅰ型分岔隧道和Ⅰ型分岔隧道，接下来介绍 ABAQUS 在分岔式隧道模拟中涉及到的主要模拟方法：地应力平衡、喷锚支护和施工开挖多步骤分析，然后分别对分岔式隧道中的大拱、连拱和小间距拱的施工开挖全过程进行了平面和三维的数值模拟，并提出了可供工程设计施工参考借鉴的结论。
5.1 分岔式隧道简介
高速公路隧道一般设置为上下行分离的双洞，且两洞室的间距保持在 30m 左右，通常称之为标准间距的分离隧道。有时受地质施工等因素的限制不得不采用小间距隧道形式或连拱隧道形式，如果相邻隧道的间距小于规范的距离，则为小间(净)距隧道。招宝山隧道为我国第一座超小净距（<0.28B）并行隧道。国内外不少专家学者研究了小间距隧道，其围岩变形特点表明，小净距隧道在设计、施工中必须慎重对待中央岩柱的稳定性，应采取必要的设计、施工措施，减小开挖对中央岩的扰动，确保小净距隧道的施工安全。连拱隧道是一种比较特殊的隧道结构，其常用施工方法为：l）三导洞超前施工方法，2）中导洞超前施工方法，3）无导洞超前施工方法。在日本及意大利为中心的澳大利亚、瑞士、法国等欧洲隧道修建技术发达的国家，连拱及小间距隧道已有相当的设计施工经验。以日本为例，在山岭重丘区的高等级公路隧道和城市浅埋隧道中大量选用了连拱隧道。其施工方法主要有以下几种:三导洞（中央+侧壁）半断面施工方法、三导洞全断面施工方法（中央十侧壁）、三导洞（中央+ 侧壁）CD 施工方法、中央导洞 CD 施工方法、中央导洞配合两拱顶盾构导洞施工方法以及中央盾构导洞施工方法。在近二十年高速公路建设实践中，隧道工程技术人员创造性地提出了小间距隧道和连拱隧道这两种新的隧道建设形式，并在工程中成功地得到大量的运用，为山区高速公路的建设作出了重要贡献（图 5-1）。分岔隧道是目前在更为复杂地形地质条件下修建山区高速公路过程中提出的一种新的隧道建设

第7章初始地应力场的生成及应用

第7章初始地应力场的生成及应用在土木工程或采矿工程领域中，初始地应力场的存在和影响不容忽略，它既是影响岩体力学性质的重要控制因素，也是岩体所处环境条件下发生改变时引起变形和破坏的重要力源之一。因此，要想较真实地进行工程模拟仿真，就必须保证初始地应力场的可靠性。初始地应力场生成的主要目的是为了模拟所关注分析阶段之前岩、土体已存在的应力状态。本章即介绍FLAC3D中初始地应力场的生成方法及应用。本章重点： ?常用的初始地应力场生成方法 ?常见工程初始地应力场的生成 ?路基施工过程的模拟 7.1 初始地应力场生成方法在FLAC3D中，初始应力场的生成办法较多，但通常用的是以下三种方法，即弹性求解法、改变参数的弹塑性求解法以及分阶段弹塑性求解法。下面将以表7-1所述简单模型为例，介绍这三种生成初始地应力场的方法。表7-1 模型尺寸、土体密度及变形参数 1×1×2 1×1×2 2000 30 10 0.35 7.1.1 弹性求解法初始地应力的弹性求解法生成是指将材料的本构模型设置为弹性模型，并将体积模量与剪切模量设置为大值，然后求解生成初始地应力场。例叙述的是采用该法生成上述简单模型的初始地应力场的过程。例7.1弹性求解生成初始地应力场 new gen zone brick size 1 1 2 model elas prop bulk 3e7 shear 1e7 fix z ran z 0 fix x ran x 0 fix x ran x 1 fix y ran y 0 fix y ran y 1 ;开始一个新的分析 ;生成网格模型 ;设置弹性本构模型 ;设置体积模量和剪切模量 ;固定z=0平面所有节点z向速度;固定x=0平面所有节点x向速度;固定x=1平面所有节点x向速度;固定y=0平面所有节点y向速度;固定y=1平面所有节点y向速度

地应力知识

地应力知识简介地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。一地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。30多年来的实测和理论分析表明，地应力形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。 1大陆板块边界受压引起的应力场以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。2地幔热对流引起的应力场由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动。地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽。 3由地心引力引起的应力场（也称为重力场）重力场，是各种应力场中唯一能够计算的应力场。重力应力为垂直方向应力，是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全

等于自重应力，因为板块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。 4岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。 5地温梯度引起的应力场地层的温度随着深度增加而升高，一般为a=3℃/100m。由于地温梯度引起地层中不同深度不相同的膨胀，从而引起地层中的压应力，其值可达相同深度自重应力的数分之一。6地表剥蚀产生的应力场地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用。剥蚀后，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度引起的自重应力还要大得多的水平应力值。因此，在某些地区，水平应力除与构造应力有关外，还和地表剥蚀有关。二地应力的研究观点对地应力的研究已有一百多年的历史了，但总的说来，现在主要有三种观点： 1“静水应力式”分布的观点它最早是海姆(Heim)于1878年提出的“静水压力”假说。以后（1905~1912年），又提出相应的应力计算公式。1925年，金尼克也提出了弹性理论计算法及相应的公式。但事实表明，它们只能适用于一定的环境条件下，如，埋深较大的未受到扰动的地层。

第六章 地应力确定-20131127p

地应力平衡的一个简单例子.

《岩石力学》地应力及其测量

地应力平衡方法

地应力及其分布规律

ABAQUS岩土隧道入门地应力平衡基本问题

地应力平衡总结

第六篇 ：地应力平衡方法以及注意事项

地应力平衡

有限元特辑II 初始地应力平衡

地应力平衡方法介绍

超深基坑工程预加轴力施加方法的分析和意见

基于ABAQUS的无渗流偏压隧道开挖分析(包含地应力平衡分析)

分岔隧道稳定性研究

第7章 初始地应力场的生成及应用

地应力知识

第六章地应力确定-20131127p

第六篇：地应力平衡方法以及注意事项

第7章初始地应力场的生成及应用