高等岩石力学第四讲

原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布状 态称为原岩应力场，又称为地应力场。即未经采动的岩 体在天然状态下所具有的应力状态。
1 基本概念
自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而 产生的应力。它是由岩体自重引起的。
自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态称为自重 应力场。
构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或 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量， 这就是构造应力。
2、地应力的成因、组成成分和影响因素 一、地应力的成因 (1)由地心引力引起的应力场 (2)大陆板块边界受压引起的应力场 (3)地幔热对流引起的应力场 (4)岩浆侵入引起的应力场 (5)地温梯度引起的应力场 (6)地表剥蚀产生的应力场
二、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：
或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在 力量，这就是构造应力。
岩体构造应力是构造运动中积累或剩余的一种分布力， 是构造运动中积累或剩余的一种应力场，除构造活动区外， 它是剩余应力场。
b、构造运动的起因 地质学家分析地球表层（包括地壳和地幔）结构及其运动规
律和发展，提出了各种大地构造学说，最具代表的是地质力学学 说和板块构造学说。
高等岩石力学第四讲 岩体地应力及其测量方法
本章内容：
4.1 概述 4.2 地应力场的分布规律 4.3 地应力测量方法
§4-1 概述
1、基本概念
原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然 平衡状态的岩体，称为原岩。
围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体， 称为围岩。
原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力， 又称为地应力。
在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，μ=0.20~0.35,在深部， 岩体转入塑性状态， μ=0.50 ，λ＝1，则有：
σx= σy= σz＝γz
各向等压的应力状态，又称为静水压力状态。 著名的海姆假说（瑞士地质学家1878）
（2）构造应力
a、构造应力场的概念 构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。
对流引起的。
§4-2 地应力分布规律
原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点： 一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场,它是时间和空间的函数. 二、实测垂直应力σv基本上等于上覆岩层的重力
在25～2700m深度内，σv 随深度线性增加，大致相当于按平均 重度γ=27kN/m3计算出来的重力γH,即
σv＝27H。 三、水平应力σH普遍大于垂直应力σv,即
断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应 力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。
§4-3 地应力测量方法
一、地应力测量的基本原理 岩体应力现场测量的目的是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。岩体应力测量还是预报岩体失 稳破坏以及预报岩爆的有力工具。
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
x y, x y 0 xy yz zx 0
根据虎克定律：
x
y

1 E
(
x
( y
z)
0
得：
x
y
z
其中λ为岩体静止侧压力系数。
在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：
x
y

x
E //
//
y
E //

z
E
0
x y
则有 ：
x
y

1 //

E // E

z
岩体自重应力的特点：
（a）水平应力σx、σy小于垂直应力σz ； （b） σx、σy、σz均为压应力； （c） σz只与岩体密度和深度有关，而 σx、σy还同时与岩体 弹性常数E、μ有关； （d）结构面影响岩体自重应力分布。
H min 0.2 ~ 0.8 H max
七、地应力的分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、岩体结 构特征、岩体力学性质、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。
地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床 中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平 行；
侧压力系数λ＝σH/σv >1;
四、平均水平应力σH与垂直应力σv 的比值随深度增加而减 小。
100 0.3 1500 0.5
H
H
五、最大、最小水平主应力随深度线性增加：
σHmax＝6.7＋0.0444H(Mpa) σHmin＝0.8＋0.0329H(Mpa) 六、两个水平应力的关系一般有
(a)、地质力学学说 该学说认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力：
一种是经向水平离心力；一种是纬向水平惯性力。这两种力是引 起地壳岩体中出现构造应力的根本原因。大量的实测资料说明岩 体中水平应力大于垂直应力，说明构造应力以水平应力为主。
(b)、板块构造学说 该学说认为板块运动的核心是海底扩张。海底扩张是由于地幔
岩体应力测量可以分为岩体初始应力测量和地下工 程应力分布测量，前者是为了测定岩体初始地应力场， 后者则是为了测定岩体开挖后引起的应力重分布状况。 从岩体应力现场测量的技术来讲，这二者并无原则区别。
依据测量基本原理的不同，也可将测量方法分为直 接测量法和间接测量法两大类。
直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力的量，并由这些应 力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程 中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应 力应变关系。扁千斤顶法、水压致裂法、套筒致裂法和声发射法均属 直接测量法。其中，水压致裂法、套筒致裂法目前应用最为广泛，声 发射法次之。
构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造 应力场。
1 基本概念
诱导应力（围岩应力）:岩体开挖扰动了原岩的自然平 衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的 应力称为诱导应力或围岩应力。
原岩应力≈自重应力＋构造应力 迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算， 而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。
z H
x
y

1




z

z
xy yz zx 0
对于均质成层岩体：
n
z i hi i 1
x
y
n z
n 1 n
n
ihi
i 1
对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：
n
z i hi i 1