第四章地应力及其原理(2016介绍

• 认为这个测压系数等于
，即：
• 式中： —上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊松比的常值范围 1 为0.15~0.30。 v H , h H 1

•
h 0.5 时， 此时，当 说的一个特例。
v ，即海姆假说只是金尼克假 H
•
同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公 式来定量地计算地应力的大小，并且也都认为地应力只 与重力有关，即以垂直应力为主，他们不同点只在于测 压系数的不同。
小结
地应力分布理论： 1）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静 h v H 水压力假设）
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。
2）金尼克假设：（弹性力学假设）
1 修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上 覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。
• 2）金尼克假设 • 1926年，原苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设， • 他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆盖岩层的重量， • 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。
H
• 2）金尼克假设
• 金尼克根据弹性理论（假定岩体是均匀的、连续的弹性介质 体，得出水平应力总归小于铅垂应力的结论），
• 1）海姆假设：
• 假设地应力是静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各 个方向上均相等，并且等于单位面积上覆盖岩层的重量，即： • 式中： —水平应力； —垂直应力； 重； —覆盖岩层的深度。 —覆盖岩层的容
h v H
v
H
h

• 海姆认为：
• （1）原岩应力各向等压，即静水压力状态。 • （2）上覆岩体的重量，历经漫长的地质年代后，由 于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导致 水平应力最终与铅重应力相均衡。 • 这一法则，仍被许多岩石力学家在认识深部地应力 状态时所接受。
• 次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力 平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。
• 应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。
4.2 地应力概论
• 一、 地应力 地应力分为自重应力场和构造应力场。 自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力； 构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活 动与变化的应力，地质作用残存的应力。
h
v
H ，


H
v 为上覆岩层的柏松比。
• 我国的地质学家李四光：
• 20 年代指出“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”。
• 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地壳上部的最大
主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最大水平应 力主应力一般为垂直应力的1～2倍。
x y,
x y 0
xy yz zx 0
根据虎克定律：
1 x y ( x ( y z ) E
• 这样就从根本上动摇了地应力是静水压应力的理论和垂
直应力为主的观点。
c 地应力分布理论：
3）李四光：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。
4）哈斯特：地应力测量发现存在于地壳上部的最
大主应力几乎处处是水平或接近水平的，从根本上动 摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观 点。 5）近期研究：重力作用和构造运动是引起地应力的主要 原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成 影响最大。当前的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。
•
因此，重力作用和构造运动是引起地应力的 主要原因， 地应力的大小和方向不可能通过
数学计算或模型分析的方法来获得，要了解
一个地区的地应力状态，唯一的方法就是进 行地应力测量。
自重应力和构造应力：
（1）岩体的自重应力 在均匀岩体中，深度为z处的岩体的竖向自重应力为：
z H
在半无限体中任一微元体上的正应 力均为主应力，且有
岩体力学
2018/10/21
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第四章 岩体地应力及其测量方法
学习指导：
Ø 主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，
初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。 重 点
• 岩体的初始应力概念
• 岩体初始应力的测量方法
• 4 岩体地应力及其测量方法
• 4.1概述 • 4.1.1 基本概念 • 地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力 状态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力。
• 例如：对于矿山来说，只有掌握了具体工程区域 的地应力条件，才能合理确定矿山总体布置，确 定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸等。
• 在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状
态，最理想的走向是与最大主应力方向平行， • 当然，在实际工程中还要综合考虑工程需要和其 它影响因素。
• 综上所述，地应力的特点及其重要性如下：
• 二. 地应力的特点及其重要性
• 地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑和其他各种地下工程或露天岩来自开挖工程变形和破坏的原始动力，
• 是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩 石工程开挖设计和决策的必要前提条件。
• 2 地应力的特点及其重要性
• 为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工， 就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查， • 只有详细了解了这些工程影响因素，通过定量计算和分 析，才能做出既经济又安全实用的工程设计。
• 1、地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力；
• 2、地位相当于工程中习惯性理解的外荷载，但又与 材力、弹力中泛指的外荷载有所不同； • 3、地下工程是先受力，后开挖，并且地应力从开挖 前到最终一直对围岩起着作用；
• 4、地应力是涉及地壳问题、地下工程问题理论分析、 计算中最基础的原始资料。
• 4.3 地应力的成因 • 1）海姆假设： • 在前言中我们已经介绍过，人们认识地应力还只是近 百年的事，1878年瑞士的地质科学家海姆（A.Heim）在 大型越岭隧道的施工过程中，通过观察与分析，首次提 出了地应力的概念，