岩土力学岩体的初始应力

1. 掌握初始应力、构造应力的概念，掌 握自重应 力的计算方法；
2. 了解原岩应力的一般规律及影响原岩应分布的因 素；
3. 了解岩应力的实测方法
2020/5/1
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1 岩体初始应力状态的概念与意义
原岩： 未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体。 原岩应力（亦称初始应力或地应力）： 定义之一：原岩中存在的应力。 定义之二：岩体在天然状态下所存在的内应力。
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（二）地质条件对自重应力的影响 图6-8 背斜: 两翼应力增大, 中部应力降低; 向斜: 两翼应力降低, 核部应力增大. 图6-8 断层: 山峰地应力低, 山谷地应力高
（三）水压力和热应力
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3．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 目的：了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工 程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。 岩体应力量测按目的可分为：岩体初始应力量测和地下工程应 力分布量测 岩体应力量测常用方法: 应力解除法、应力恢复法和水压致裂法。 工程中某种应力量测方法的精确度能控制误差在0.4MPa以内，
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2、 组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算
一、岩体自重应力场
1．假设岩体为均匀连续价值，并为半无限空间体
在距地表深度H处，岩体的初始应力场为
z = H x = y = z xy=0
式中：H——岩体单元的深度（m）
——上覆岩体的平均重力密度（kN/m3）
——侧压力系数
若岩体视为各向同性的弹性体，x = 0，y = 0，由广义虎克定律：
=1/2(1h + 2h)(1+a3/r2)- Pb a2/r2 -1/2(1h - 2h)(1- 3a4/r4)cos2
当 = a，即孔壁处，则，
（6-13）
r= Pb = (1h + 2h)- Pb -2 (1h - 2h) cos2 当2=0200/5时/1 ，有最小值，即： 课件
（6-14）
质力202学0/5/的1 方法加以判断。
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（a）正断层（b）逆断层（c）平推断层（d）岩脉（e）褶皱 图6-4 由地质特征推断的应力方向（a）~（e）均为平面图
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2．地表剥蚀时侧压力系数的影响
Z0 K0Z0
图6-5 侵蚀对某一深度上的应力的影响
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设某深度H0的一个岩石单元，该处初始侧压系数0
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x=1/E[x -（ y + z ）]=0
y=1/E[y -（ x + z ）]=0
由此得：
x = y = /（1- ） z = /（1- ）H
所以，侧压力系数= /（1- ）
2．成层岩体
n
z i hi
i 1
x y z
（6-3） （6-4）
（6-3）、（6-4）岩人满意的。 常用地应力测量方法表6-1
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二、水压致裂法
（一）方法原理及技术
基本原理 ：
Po——孔隙水压或地下水压力。 Pb——初始压裂压力。 Ps——液体进入岩体内连续地 将岩体劈裂的液压，称为稳定
开裂压力。
Pso——关泵后压力表上保持的 压力，称关闭压力。
一般习惯把原岩应力分为自重应力场和构造应力场。
由上覆岩体的自重所引起的应力称为自重应力；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 质作用残存的应力统称为构造应力。
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研究岩体初始应力状态的工程意义： 1. 正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化 2. 合理设计地下工程的支护尺寸
上覆岩体剥蚀了厚度H，使岩石单元受到卸载作用，卸载后，
垂向应力v减小了H，水平应力n则减少了H /（1- ）
（按弹性卸载考虑）
则此时岩石单元的侧压力系数为：
n v
0
v
H
1
H0 H
0
[(0
1
)H
]
(H0
1 H
)
由于剥蚀后岩石单元埋深 H=H0 -H，所以：
(H
)
0
[(0
1
)H
]
1 H
（6-19）
若水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pbo称为开启压力，即
此时To=0 ，则式（6-19）
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1h =32h -Pb0 –Pw 课件
（6-20）
（6-11）
可见，由于上覆岩体被剥蚀，使侧压力系数有增加的趋势，
当深度小于一定数值时，会出现水平应力n大于垂直应力v。
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三、影响岩体初始应力状态的其他因素 （一）地形 1. 山谷谷底的应力很大: 与岩体的均质程度有关（图6-6 ) 2. 地形对岩体初始应力影响的另一特征: (图6-7）
2c cos 1 sin
（6-9）
显然，在一定深度范围，側向应力x 有可能为负； 令x=0，则由上式可得：
H0
2c cos (1 sin )
（6-10）
当H>H0时，才开始出现侧向应力x，并随深度成正比增加。
二、岩体构造应力场
1．构造应力的确定
构造应力尚无法用数学力学的方法进行分析计算，而只能采
用现场应力量测的方法来求得，但是构造应力的方向可以根据地
如果岩体由松散的碎石，砂及卵石组成，可以近似地认为岩 体是理想松散介质，可由松散介质极限平衡条件来建立垂直应力 与侧向应力的关系：
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= x / z =(1-sin)/ (1+sin)
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(6-8)
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对于具有一定粘聚力的松散岩体，侧向应力x与垂直应力z
之间的关系为
x
z
H
1 sin 1 sin
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按最大拉应力理论有：
-To
（6-16）
时，孔隙开裂，式中，To为岩体抗拉强度。
据此，可求得孔壁破裂的应力条件为：
32h -1h -Pb +T0=0
（6-17）
或1h =32h -Pb +T0
（6-18）
如果岩体中有孔隙水压力Pw时，则式6-18）变为：
1h =32h -Pb +T0 –Pw
Pbo——开启压力。
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（二）基本理论和计算公式
室内及现场资料表明：钻孔壁在液压下的初始开裂经常是垂直的。
设孔周水平地应力为1h、2h孔壁还受有水压Pb，此时，钻孔周
围岩体内应力：
r=1/2(1h + 2h)(1-a3/r2)+ Pb a2/r2 +1/2(1h - 2h)(1- 4a2/r2 + 3a4/r4)cos2