岩体天然应力状态
《岩体力学》课后习题附答案
《岩体力学》课后习题附答案一、绪论岩体力学：研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的科学。
.二、1．从工程的观点看，岩体力学的研究内容有哪几个方面？答：从工程观点出发，大致可归纳如下几方面的内容：1）岩体的地质特征及其工程分类。
2）岩体基本力学性质。
3）岩体力学的试验和测试技术。
4）岩体中的天然应力状态。
5）模型模拟试验和原型观测。
6）边坡岩体、岩基以及地下洞室围岩的变形和稳定性。
7）岩体工程性质的改善与加固。
2．岩体力学通常采用的研究方法有哪些？1）工程地质研究法。
2）试验法。
3）数学力学分析法。
4）综合分析法。
二、岩块和岩体的地质基础一、1、岩块：岩块是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。
有些学者把岩块称为结构体、岩石材料及完整岩石等。
2、波速比k v：波速比是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块的纵波速度之比。
3、风化系数k f：风化系数是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块饱和单轴抗压强度之比。
4、结构面：其是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度、厚度相对较小的地质面或带。
它包括物质分异面和不连续面，如层面、不整合、节理面、断层、片理面等，国内外一些文献中又称为不连续面或节理。
5、节理密度：反映结构发育的密集程度，常用线密度表示，即单位长度内节理条数。
6、节理连续性：节理的连续性反映结构面贯通程度，常用线连续性系数表示，即单位长度内贯通部分的长度。
7、节理粗糙度系数JRC：表示结构面起伏和粗糙程度的指标，通常用纵刻面仪测出剖面轮廓线与标准曲线对比来获得。
8、节理壁抗压强度JCS：用施密特锤法（或回弹仪）测得的用来衡量节理壁抗压能力的指标。
9、节理张开度：指节理面两壁间的垂直距离。
10、岩体：岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构，赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
浅谈地下工程围岩稳定性与围岩控制
文章编号:1009-6825(2009)30-0111-02浅谈地下工程围岩稳定性与围岩控制收稿日期:2009-06-14作者简介:段学超(1974-),男,工程师,山西省交通建设工程监理总公司,山西太原 030006段学超摘 要:对影响地下工程围岩稳定性的自然因素进行了详细分析,讨论了围岩稳定性与围岩控制的方法与思路,介绍了围岩稳定性的监测方法和手段,论述了锚杆工作载荷与围岩稳定性的相互关系,用锚杆无损监测的方法来全程监测围岩稳定性对研究围岩稳定及工程施工具有很大的指导意义。
关键词:围岩稳定性,锚杆,围岩控制,锚杆无损监测中图分类号:T U 457文献标识码:A地下工程围岩的稳定性对工程的正常运营是至关重要的。
地下工程围岩的稳定性主要与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关[1],并且还与开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。
本文将对围岩稳定性监测的手段进行讨论,详细的论述利用锚杆工作载荷与围岩稳定性的关系来全程动态检测围岩稳定性的方法。
1 地下工程围岩稳定性因素1.1 岩石性质及岩体的结构围岩的岩石性质和岩体结构是影响围岩稳定性的基本因素。
从岩性的角度,可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩,塑性围岩主要包括各类黏土质岩石、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等,通常具有风化速度快,力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质,故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要指各类坚硬体,由于岩石本身的强度远高于结构面的强度,这类围岩的强度取决于岩体结构。
从岩体的结构角度,可将岩体结构划分为整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构。
松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。
对于脆性的厚层状和块状岩体,其强度主要受软弱结构面的分布特点和较弱夹层的物质成分所控制,结构面对围岩的影响不仅取决于结构面的本身特征,还与结构面的组合关系及这种组合与临空面的交切关系密切相关。
原岩应力及其分布
③
岩体中的构造应力具有明显的方向性，最大
水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大。
④ 构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍，
在软岩中贮存构造应力很少。
正断层
逆断层
平推断层
岩脉
褶皱
由地质特征推断构造应力方向的平面图
2 1 1 2 2 2 H 2 3E 1
由以上两式可知，岩体中积聚的弹性能与应力 状态有关，并随着开采深度的增加，与开采深度的 平方成正比关系增长。
应当指出，采矿活动破坏原岩应力状态，在岩
硐周围岩体内形成应力集中，应力集中系数k=3～5，
高应力导致岩体内积聚的弹性能增长数倍。这种大 量能量的突然释放，将产生矿山动压现象。
（四）讨论
由上述关系式可得以下几个主要结论：
①在双向等压应力场中，圆孔周边全处于压缩应力状态。
②应力大小与弹性常数E、μ 无关。
③ σ t、σ r的分布和角度无关，皆为主应力，即切向和径向平 面均为主平面。 ④双向等压应力场中孔周边的切向应力为最大应力，其最大应 力集中系数K=2，且与孔径的大小无关。当σt=2γH超过孔周 边围岩的弹性限时，围岩将进入塑性状态。
岩石的泊松比为0.2～0.3， ＝0.25～0.43。 1 2、静水应力状态假说：在埋藏较深条件下，垂直压 应力相当大，岩石呈现明显的塑性 ＝ 1.0 H
1
1
z
x
y
二.构造应力
构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引 起的应力，岩体构造应力可以分为现代构造应 力和地质构造残余应力。前者是指正在经受地
第六章 岩体的初始应力状态
T0
（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力
（1）一般来讲 z h 作为地主应力之一。我 们可以将 z 与 2 h 作比较，若 z 1h ，则 可以肯定此时 2 h 为最小主应力；进一步将 与 z 1h 作比较，也就可以以此确定地应力的 三个主应力。
因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定 2 h 的方位或 1h 的方向，所以三个地主应力的 方位也就可以相应确定。 （2）如果 2 h h ，并且孔壁开裂后孔内 岩体出现水平裂缝，则此时 z h 为最小 地应力， 2 h 与 1h 各为中间主应力及最大 地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。
T z E 0.03 10 5 10 4 zMPa 0.003 zMPa
z--深度/m。
温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静 水压力状态。 返回
第三节 岩体初始应力状态的现场量测方法 一、岩体应力现场量测方法概述 1.目的： （1）了解岩体中存在的应力大小和方向 （2）为分析岩体的工程受力状态以及为 支护及岩体加固提供依据 （3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的 有力工具
工作步骤
应变观测系统
（2）套孔应力解除法
•孔径变形测试，孔壁应力解除法，均属于 套孔应力解除法。前者测试套孔应力解除 后的孔径变化；后者测试套孔应力解除后 的孔壁应变。其操作步骤和原理基本相同
原理要点 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。
直角应 变花
等边三角 形应变花
应力解除槽
表面应力解除法
钻孔的深 度必须超 过开挖 影 响区，才 能测到岩 体内的原 始应力， 否则测出 的是二次 应力。
6章 岩体的初始应力状态第一节 初始应力的概念与意义
重力应力： 重力应力：地壳上部各种岩体由于受地心引力的作用所引起的应力称为 重力应力或上覆岩层压力，即重力应力是由岩体自身引起的。 重力应力或上覆岩层压力，即重力应力是由岩体自身引起的。 构造应力：地壳形成之后，地下岩体在慢长的地质年代中， 构造应力：地壳形成之后，地下岩体在慢长的地质年代中，经历构造 运动，有的地方隆起，有的地方下沉。 运动，有的地方隆起，有的地方下沉。这说明在地壳中长期存在着一 种促使构造运动发生和发展的内在力，我们称其为构造应力。 种促使构造运动发生和发展的内在力，我们称其为构造应力。 原始构造应力： 原始构造应力：它是指新生代以前发生的地质构造运动使岩体变形 而积存在岩体内的构造应力。 而积存在岩体内的构造应力。 残余构造应力： 残余构造应力：它是指远古时期的地质构造运动使岩体变形并以弹 性变形能的形式储存在岩层内而形成的原始构造应力。 性变形能的形式储存在岩层内而形成的原始构造应力。 现代构造应力： 现代构造应力：它是现今正在形成某种构造体系和构造形迹的应 也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。 力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。它已被地震冲击 地层和原岩应力测量所证实。 地层和原岩应力测量所证实。
二、意义 （1）井壁力学稳定的原始参数。 ）井壁力学稳定的原始法
差应变法： 差应变法：是用室内的等围压实验反推三向应力方向和应力比的方 理论是严谨、可靠。但要求同时测量6道以上的应变， 法。理论是严谨、可靠。但要求同时测量6道以上的应变，应变仪在不同 道间要有较好的一致性，该技术实验难度极大。 道间要有较好的一致性，该技术实验难度极大。 Kaiser效应法：是用室内单轴实验反推三向应力和平面应力的方法， Kaiser效应法：是用室内单轴实验反推三向应力和平面应力的方法， 效应法 要在岩心指定的6个方向或3个方向上钻取小样， 要在岩心指定的6个方向或3个方向上钻取小样，每一个小样的测量结果 反应该方向在历史上承受的最大压力。 反应该方向在历史上承受的最大压力。 波速各向异性： 波速各向异性：是通过室内测得的岩心波速的各向异性来分析地应力 方向的一种方法。要求原始岩心介质是均匀的、各向同性的。 方向的一种方法。要求原始岩心介质是均匀的、各向同性的。
1 岩体中的原岩应力概述
（4）根据测定，岩体在构造应力作用下存在以下规 律：
σHmax σHmin σv
式中 H max —最大水平应力；
（1—8）
H min —最小水平应力；
v —垂直应力。
水平构造应力可能比自重造成的水平应力大几倍 到几十倍，而且往往浅部的倍数比深部大，因此在 浅部开采时，构造应力比自重应力更为重要。 （5）构造应力在坚硬岩层中出现较普遍，而在软岩 中储存构造应力很少。
（4）平均水平应力与铅直应力的比值随深度增 加而减小。 平均水平应力与铅直应力的比值是表征地区原 岩应力场特征的指标，该值随深度增加而减小。但 在不同地区，变化的速度不相同。比值的变化范围：
h,av 1500 100 0.3 0.5 H z H
式中 H为深度，单位为m。
从已有的资料看，在浅部值比较分散，随着深度增加， 的离散变小并向 1附近集中。这说明地壳深部可能出现 静水压力状态。 （5）最大水平主应力和最小水平主应力一般相差较大。
1.3 原岩应力分布规律
通过理论研究、地质调查和大量的地应力 测量资料，原岩应力分布的主要规律归纳如 下： （1）原岩应力主要有自重应力和构造应力 组成，自重应力是永恒存在的，而构造应力 主要受地质构造运动的影响，因地而异。 （2）实测铅直应力基本上等于上覆岩层重 量 （3）水平应力普遍大于铅直应力
1
岩体中的原岩应力
地壳中没有受到人类工程活动（如矿井中开掘的巷道等） 影响的岩体称为原岩体，简称原岩。 存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也 称岩体初始应力、绝对应力或地应力。 天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场称为原岩应 力场。 在原岩应力场内开掘巷道及形成采煤工作空间，破坏了岩 体原来的应力分布状态，引起岩体内的应力重新分布及应力对 围岩的作用，这是产生一系列矿山压力现象的根源。
岩石力学-第六章岩体的初始应力状态
6.5.2 高地应力的判别标准和高地应力现 象
• （3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形，在中等强度 以下的岩体中，开挖探硐或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩体产生剥 离现象，有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有破哑声。在软质岩体中则产生洞 体较大的变形，位移显著，持续时间长，洞径明显缩小。
性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。
6.4 岩体初始应力分布的主 要规律
初始应力场是一个非稳定应力 中国大陆板块边界所受的外力分布 场
中国大陆板块受到 外部印度板块每年以5厘米 速度和太平洋板块每年以数 厘米速度的推挤，同时受到 西伯利亚板块和菲律滨板块 的约束。板块变形，形成主 应力迹线，印、太板块的移 动促成了中国山脉的形成， 控制了地震的分布。
=0.8 ＋ 0.0329H(MP a)
6.4 岩体初始应力分布的主
要规律
平均水平应力 K 垂直应力
4. 平均水平应力与垂直应
力的比值随深度增加而减
小。
K
1500 H
0.5
5. 最大水平主应力和最小 水平主应力也随深度呈线
性增长关系
6. 最大水平主应力和最小
水平主应力之值一般相差
K 100 0.3 H
极高地应力 高地应力 一般地应力
我国工程岩体分级基准
<4
4～7
>7
（GB50218-94）
法国隧道协会
<2
2～4
>4
日本新奥法指南（1996年） > 2
4～6
工程地质原理分析简答
论述题：一.论述公路边坡中的顺向坡段在斜坡变形破坏方面的差异。
1.顺向边坡段易产生滑移拉裂，滑移压制拉裂，滑移弯曲拉裂。
1）滑移弯曲：主要发育在中陡倾外层体斜坡中，尤以薄层状岩体及延性较强的碳酸盐类层状岩体中多见。
这两类斜坡的滑移控制面倾角已明显大于该面的峰值摩擦角，上覆岩体具备滑移面下滑条件，但由于滑移面未临空，使下部受阻，造成坡脚附近顺层板梁承受纵向压应力，在一定条件下可使之发生弯曲变形。
2）滑移拉裂：斜坡岩体沿下伏软弱面向坡前临空方向滑移，并使滑移体拉裂解体。
3）滑移压制拉裂：主要发育在坡度中等陡的平缓层状体斜坡中，坡体沿平缓结构面向坡前临空方向产生缓慢的蠕变性滑移。
滑移面的锁固点火错列点附近，因拉应力集中生成与滑移面近于垂直的拉张裂隙，向上扩展且其方向渐转成与最大主应力方向趋于一致并伴随局部滑移。
2.反向边坡则易产生弯曲拉裂和蠕滑拉裂变形。
1）弯曲拉裂：陡倾的板状岩体在自重弯矩作用下，于前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲，并逐渐向破内发展。
弯曲的板梁之间互相错动并伴有拉裂，弯曲后缘出现拉裂缝，形成于走向的反坡台阶和槽沟。
2）蠕滑拉裂：斜坡岩体向临空方向发生剪切蠕变，其后缘发育自坡面向深部发展的拉裂主要发育在倾内薄层状体坡中也可以发生。
二.简述岩石坝基浅层滑动破坏类型及其形成条件。
岩石坝基渐层滑动破坏的主要类型有浅层岩体的剪切破坏，浅层岩体滑移弯曲和浅层岩体剪动滑移三种类型，其形成条件：1.坝基岩体的岩性软弱，岩石本身的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的接触面2.坝基由近于水平产出的薄层状岩层组成，在库水推力作用下，产生层间滑移，导致坝址下游岩层弯曲隆起3.坝基由碎裂结构岩体组成，在库水推力作用沿不同方位结构面发生渐进性剪动滑动破坏。
三．公路因技术原因无法绕避坡积层滑坡，该滑坡处于基本稳定状态，试论述公路从坡顶，坡中和坡脚通过滑坡的优缺点，并建议合理的通过方案。
1坡脚方案由于公路施工开挖造成稳定性降低2坡中开挖，行车动荷载对坡体影响最小3坡顶方案开挖影响小，动荷载可能相对影响较大4坡脚方案最差，坡中方案最好。
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地质构造运动是指地壳结构改变和地壳物质变位的运动。又称地壳运动或 大地构造运动。人类对固体地球研究范围仅限地壳，所以地质构造运动是指地 壳运动，如板块俯冲、界面弯曲、层面滑移、物质上涌和物质对流等。
天然应力状态的形成
3.岩浆侵入
岩浆侵人挤压、冷凝收缩和成岩等过程，均会在周围岩体中产生相应的应 力场；其过程也是相当复杂的。熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围 施加各向相等的均匀压力。但是，炽热的岩浆侵入后即逐渐冷凝收缩，并从接 触界面处逐渐向内部发展。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。
3.应力释放型的深大拉张变形带 近年来，在雅砻江锦屏、金沙江向家坝等多个水电建设工程地质勘察过程 中，发现在一些河谷岸坡中向坡内数百米深处还发现有深大的拉裂缝和拉张 陷落带。这类拉张变形带以其规模大、延伸方向稳定及发育深而区别于通常 的卸荷裂隙。 这种拉张变形的成因之一是特殊地质、地貌环境条件下，由河谷下切水平 卸荷导致的“应力释放型”时效变形现象。
一、垂向卸荷
地壳表层地应力状态
二、河谷侵蚀侧向卸荷
河谷下切或边坡开挖过程中，随着 边坡侧向应力的解除（卸荷），边坡产 生回弹变形，边坡应力产生相应的调整， 其结果是在边坡一定深度范围内形成二 次应力场。
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
1.隆爆现象 隆爆（POP-UP） 地表岩体中的一种“类 构造”现象。表现为长的隆褶或类似于 低角度逆断层的断隆。 一般认为，这类隆爆是该区地表岩体中 的一种与高水平应力释放有关的表生时 效变形现象。
（2）这种现象只见于厚层砂岩及粉砂岩 内，而不产生在页岩中。Mastin（1984）和 Haimson（1972）更通过物理模拟的方法在 实验室内真实地再现了钻孔崩落现象，进一 步证实了这一现象是由孔壁应力集中部位的 局部破坏所引起的。
第二章
岩体天然应力状态
天然应力状态
地壳岩体内的天然应力状态，主要是在自重应力场和构造 应力场的综合作用下，有时也是在岩体的物理、化学变化 及岩浆侵入的作用下形成的。
01 天然应力状态的形成 02 岩体改造方法和技术 03 地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
天然应力状态的形成
1.重力作用
天然应力状态的形成
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
二、与钻进有关的岩体应力志
二、与钻进有关的岩体应力释放及伴生的现象
2.钻孔周围岩体“葱皮化”现象 云南小湾水电站位于澜沧江中游的 高 山 峡 谷 河 段 。 在 2003 年 ～ 2005 年 的 坝 基建基面开挖过程中，表现出显著的高地 应力现象，不仅出现了明显的岩芯饼裂化 现象，在多个钻孔爆破孔断面，还发现岩 体出现“葱皮化”现象。 “葱皮化”薄层岩片一般呈叠瓦式 分布于钻孔周围，平面方向基本与钻孔轴 垂直，两端微微上翘，其产生可能与爆破 振动卸荷作用有关。岩片厚度在几mm～ 5cm，延伸长度一般在20～30cm。
天然应力状态的形成
天然地应力类型
1.三向相等的静水应力式 地壳岩体内某一点处各方向地应力量值基本相等，均等于上覆岩层的自重
2.竖直应力为主。 地壳岩体内的应力主要是重力场作用下形成的自重应力。
3.水平应力为主 地壳岩体内的应力主要受构造运动影响，其最大主应力近于水平。
地应力空间分布的规律
地壳表层地应力状态
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
2.谷下水平卸荷裂隙及谷坡内的水平剪切蠕动变形带 在高地应力区内较开阔的河谷，经常有一系列开口良好、透水性很强的水平卸荷 裂隙发育。特别是在走向垂直于现今区域最大主应力方向的河谷段，这类卸荷裂隙往 往尤为发育。
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
二、与钻进有关的岩体应力释放及伴生的现象
3.钻孔崩落现象 在南非和加拿大西部地区发现一些钻孔的孔 径并不呈圆形，而是在某一方向上孔径显著 增大。这种孔径的增大是由于孔壁局部破损 崩落所导致的。这种现象被命名为“钻孔崩 落”。
（1）钻孔崩落的长轴方向垂直于该区内 的水平最大主应力方向（图2-23），而与已 有裂隙的发育方位无关；