第七章第1节—岩体基地应力的概念
岩体力学名词解释
岩石力学定义：岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用的科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对周围物理环境中力场的反应。
应力：应力指物体在所受面力作用下内部产生的内力的集度。
正应力：应力在其作用截面的法线方向的分量。
剪应力：应力在其作用截面的切线方向的分量。
体力：分布在物体体积内的力。
面力：分布在物体表面上的力。
内力：物体本身不同部分之间相互作用的力。
正面：外法线沿着坐标轴的正方向的截面。
正面上的应力分量与坐标轴方向一致为正，反之为负。
负面：外法线是沿着坐标轴的负方向的截面。
负面上的应力分量与坐标轴方向相反为正，反之为负。
主平面：单元体剪应力等于零的截面。
主应力：主平面上的正应力。
强度（峰值强度）：在一定条件下，岩石发生破坏时单位面积所能承受的最大载荷。
残余强度：岩石完全破坏后所能承受的一个较小的应力值。
应变软化：指岩石达到峰值强度以后继续变形，其强度随变形量增加而降低/减少的特性。
塑性变形：岩石失去承载能力以前所承受的永久的变形。
屈服：有些材料在开始出现塑性变形之后，常在应力不变或应力增加很小的情况下继续产生变形，这种现象称为屈服。
屈服点：岩石从弹性转变为塑性的转折点有效应力：一般意义，是指对多孔渗水材料总的力学特征起主导作用的应力。
有效应力是外加或总应力和孔隙压力的函数。
切线杨氏模量：应力－应变曲线上某一确定点的斜率，一般取50%峰值强度点的斜率。
平均杨氏模量：应力－应变曲线上近似直线部分的斜率平均值割线杨氏模量：坐标原点与某一定点连线的斜率扩容：岩石在塑性阶段的体积膨胀称为扩容现象，它主要由于变形引起裂隙发展和张开而造成的岩石：岩石是组成地壳的基本物质，它由各种岩矿或岩屑在地质作用下按一定规律通过结晶联结成或借助于胶结物粘结组合而成。
岩体：是指天然埋藏条件下大范围分布的，由结构面和结构体组成的地质体。
岩石结构面的产状：即结构面在空间的产生状态和方位，用结构面上倾斜度最大的倾斜线与水平面成的夹角，以及对应倾向线的方位（从真北方向顺时针测得）来描述结构面的间距：一组结构面在法线方向上两相邻面的距离。
岩体的初始应力状态1
第 2节
组成岩体初始应力状态的 各种应力场及其计算
岩体自重应力场及其计算 岩体的构造应力场 影响岩体初始应力状态的其他因素
1、岩体自重应力场及其计算 1）海姆假说
1912年瑞士地质学家海姆在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，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
1
H
侧压力系数
1
若岩体由多层不同重力密度的岩层所组成(图6-2)。 h1 , h2 ,, hi hn ， 每层的厚度依次 各层的重力密度依次分别为 ， n 1, 2 ,, i 则岩体的自重初始应力为
z i H i x y z
周围岩石
通常把应力的这种变化叫应力重分布，把应力重分布影响范围的岩体叫围 岩。围岩内的应力叫围岩应力（二次应力）。洞室的开挖引起围岩的应力 和变形，这不仅会影响洞室本身的稳定状态，而且为了维持围岩的稳定， 必须进行人工支护，建造一定的支护结构或衬砌，合理地设计支护结构， 确定经济合理的衬砌尺寸，都与岩体的初始应力状态紧密相关。
4)岩浆侵入引起的应力场
岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围地层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，对其周围施加的是各个方向 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。 与上述三种应力场不同，由岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。
水 库 诱 发 地 震
水库水体重量作用
2) 初始应力与岩体稳定性的关系
7 地应力特征及测试
应力解除测量地应力的方法
孔底应变法
假定钻孔方向与某一 主应力方向一致。测 得孔底平面3个方向 的正应变，确定主应
变和方向，再利用虎
克定律确定主应力。
应力解除：孔壁应变法
各种变形测量元件 或传感器
空心包体 传感器
12 个
应变片 计算孔边 的应变， 再换算原 岩应力。 成功率较低。 什么叫成功？
应力解除测量地应力的方法
a t
围压率定试验
应力解除测量地应力的方法
应力解除测量地应力的方法：孔径变形
应力解除测量地应力的方法：孔径变形
应力解除测量地应力的方法：孔径变形
应力解除测量地应力的方法：孔径变形
应力解除测量地应力的方法：孔径变形
声发射测量地应力
原理：岩石内 部产生破坏时 会产生声音。
据此可以确定 岩石历史上经 历的最大应力
地应力的主要特征
(1) 一个主应力通常接近于竖直方向，另两个 主应力接近于水平方向； (2) 竖直主应力接近于上覆岩层的重量；
地应力的主要特征
(1) 一个主应力通常接近于竖直方向，另两个 主应力接近于水平方向； (2) 竖直主应力接近于上覆岩层的重量； (3) 岩体工程的深度范围内最大主应力通常 在水平方向；
一些钻孔呈椭圆型，破坏域侧向角的大小主要受 岩石的强度参数及水平应力的控制
高地应力地区的主要岩体力学问题
地应力高低判断与岩石的强度有关 高地应力岩体的一些特殊现象 （1） 岩心饼化，钻孔缩径，钻孔崩落
（2） 岩爆，矿柱岩爆，突出
岩爆及其防治措施
围压强度比小于 7 之后岩石可能发生突然、剧 烈的失稳破坏，即岩爆 岩爆可分为
σ
P 3 h H T P0 b Pb 3 h H (T P0 )
【工程地质学】第七章 岩 体
３） 按岩石的风化程度分为未风化、微风化、中等风化、强 风化和全风化
４） 按软化系数Ｋｒ分为： 软化岩石 Ｋｒ ≤０．７５ 不软化岩石 Ｋｒ ＞０．７５。
注：Ｋｒ 为饱和状态与风干状态岩石单轴极限抗压强度之比。
7.2 岩体的工程地质性质
岩体的工程性质是由结构面的性质和组成其的岩块的岩石 性质所决定，因此，不能以小型的完整的单块岩石作为代表， 例如花岗岩体，其完整的单块岩石的强度较高，由于其被结构 面所切割成块体状，整个岩体的力学性质要降低。降低程度则 与结构面的性质有关。土木工程中的地质问题所面对的是岩体 而非岩石。
影响岩体程定性的主要因素：区域稳定性、岩体结构特征、 岩体的变形与承载特性、地质构造及风化。
7.2.1 岩体的结构分析
结构面：存在于岩体中的各种地质界面，
1 、结构面分类，按成因为原生、构造、次生 的。
1）原生结构面是成岩时形成的，沉积岩有层 面、层理、沉积间断面、沉积软弱夹层。
火成岩有原生节理、流纹面、与围岩的接触 面、火山岩中的凝灰岩夹层等。
变质岩有片理、板理等由于矿物定向排列形 成的结构面。
2）构造结构面：是断裂面(包括构造裂隙面、断层面)、错动面、破 碎带的统称。
3）次生结构面：是在风化、卸荷、地下水等人作用下形成的风化 裂隙、破碎带、卸荷裂隙、泥化夹层、夹泥层等。
2 、结构面特征
1）结构面规模：指结构面长度和宽度，相差悬殊，有的长上千公 里、宽数千米，例如断层带；有的长数十厘米、宽数厘米。
4 、岩体结构特征
岩体的结构特征是指岩体中结构面和结构体的组合方式。按结构 面特征和结构体特征分为：整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散 体结构四大类9个亚类。(表7-2）
7.2.2 岩体的工程地质性质
第七章 测井地应力分析、测井构造解释
出现在最大水平主应力方向 上;
对于倾斜井眼，当井眼长短
轴之比大于最大、最小水平 主应力之比时，压裂缝在最 大水平主应力方向上;
当井眼长短轴之比小于最大、
最小水平主应力之比时，则 压裂缝在最小水平主应力方 向上。
核磁共振实验室
4、双侧向测井
挤压带的泥岩或致密灰岩
核磁共振实验室
一、测井进行地质构造解释的一般原理
利用测井资料研究地质构造面对的是井筒内可
见的小型规模的地质构造，主要是断层、褶皱和 不整合三类。
由于现代地层倾角测井技术和井壁成像测井技术
能准确确定地层产状和构造要素。因此，研究构 造的主要测井资料也是依靠对地层倾角测井和井 壁成像测井资料的解释。
种参数, 在断层破碎带或地应力集中段都有相应 的响应。在张裂缝带, 斯通利波能量衰减显著。
核磁共振实验室
6、偶极子横波成像测井
在成岩期和成岩后,如果水平应力存在着较大的各
向异性,岩石会表现出侧向差异压实现象。此时, 最大水平主应力方向上侧向压实程度较高,而在 最小水平应力方向上侧向压实程度较低,从而造成 了应力引起的岩石物理各向异性。
褶皱是指岩石受力作用后产生的弯曲地质构造。
有两种基本的形态：背斜(向上弯曲）和向斜 （向下弯曲）。
核磁共振实验室
1、褶皱的要素
①核：又称核部，系褶
皱的中心部位的岩层。
②翼：又称翼部，系指
褶皱核部两侧的岩层， 在横剖面上，构成两翼 的同一招皱面拐点的切 线的夹角称为“翼间 角”。
③转折端：系指一翼向
如果井钻在背斜的顶
部，这时测得的地层 倾角就很小，倾斜方 位角也就很乱，只有 钻在两翼上，才会显 示出倾角较大，方位 角一致的绿色模式 。
第七章 应力、应变及温度监测
目录第七章应力、应变及温度监测 (166)第一节应变监测 (166)一、差动电阻式应变计 (166)二、弦式应变计 (167)三、应变计安装 (168)第二节接缝和位移监测 (173)一、差动电阻式测缝计（位移计） (173)二、弦式测缝计（位移计） (174)三、电位器式测缝计（位移计） (175)四、仪器安装 (176)第三节钢筋应力与钢板应力监测 (178)一、差动电阻式钢筋计 (178)二、振弦式钢筋计 (179)三、钢筋计安装 (180)第四节压力监测 (183)一、混凝土压应力计 (183)二、土压力计 (187)第五节锚索（锚杆）荷载监测 (195)一、仪器结构 (195)二、工作原理 (195)三、锚索测力计的安装埋设 (195)四、关于仪器的现场率定 (197)第六节温度监测 (198)一、电阻温度计 (198)二、电阻温度计的使用 (199)第七节仪器的验收、保管与电缆接长 (199)一、验收与保管 (199)二、电缆接长与电缆安装 (200)第八节数据读取 (201)一、人工测量 (201)二、自动测量 (201)第七章应力、应变及温度监测第一节应变监测为了解岩土工程和其他混凝土建筑物的应力分布情况，工程上一般通过安装埋设应变计用于监测建筑物的应变，再通过力学计算来求得应力分布，因而应变计是安全监测的重要手段之一。
从使用环境看，应变计使用相当广泛，即适用于长期埋设在水工建筑物或其它建筑物内部，也可以埋设在基岩、浆砌块石结构或模型试件内。
配合无应力计桶还可作为无应力计使用。
从工作原理上分，国内工程最常用的应变计有差动电阻式应变计和钢弦式应变计两种。
一、差动电阻式应变计1. 仪器结构差阻式系列应变计主要由电阻感应组件、外壳及引出电缆密封室三个主要部分构成，下图所示为250mm标距应变计的结构示意图。
图7-1 250mm标距差阻式应变计结构示意图图中电阻感应组件主要由两根专门的差动变化的电阻钢丝与相关的安装件组成。
岩体原始应力的名词解释
岩体原始应力的名词解释岩体是地壳中的固体岩石，它们构成了地球表面的大部分陆地，并承受着地壳中的各种力量和应力。
在地质演化的过程中，岩体中存在着原始应力，这是指岩石形成和沉积时的初始应力状态，通常受到地壳构造、板块运动、重力、地质作用等多种因素的影响。
岩体原始应力是岩石内部及其周围环境中存在的应力状态，它是一种内在的力量平衡状态。
岩体原始应力可以分为横向应力和纵向应力两个主要方向。
横向应力是指垂直于岩石层面的应力，它可以使岩石发生剪切和摩擦等形变。
纵向应力是指平行于岩石层面的应力，它可以使岩石发生蠕变和延展等形变。
岩体的原始应力与地壳构造密切相关。
地壳是地球地表及其下部较薄的岩石层，它由不同性质和构造的岩石组成，同时受到岩石变形、板块运动和地壳运动等作用的影响。
这些作用导致了地壳中的张应力和压应力的形成，进而影响了岩体的原始应力状态。
例如，在板块碰撞造山过程中，由于岩石受到的压力增大，岩体中的压应力也相应增加，从而使得岩体的原始应力发生改变。
除了地壳构造，重力也是岩体原始应力的重要来源。
地球上的重力场对岩石的应力状态有着重要影响，它会引起岩石的竖向和横向应力分布的不均匀性。
比如，在山地地区，由于山体的重力作用，岩体受到的压力会增加，从而导致原始应力的变化。
地质作用也会对岩体原始应力造成影响。
例如，在岩石的沉积过程中，由于上覆物的重力作用和沉积物本身的重压力，岩石会受到压力和应力的影响，形成初始的应力状态。
而在岩石的变质过程中，温度和压力的改变也会导致岩体原始应力的改变，这是由于岩石的结构和组成发生了变化。
了解岩体原始应力对于地质科学和工程实践具有重要意义。
在地质科学研究中，通过对岩体原始应力的研究，可以了解到地壳的结构和形变历史，揭示地质过程和构造演化的规律。
在工程实践中，了解岩体原始应力可以帮助工程师设计和施工地下工程，预测和评估地壳的稳定性和岩石的破裂状况，避免地质灾害的发生。
综上所述，岩体原始应力是指岩石形成和沉积时的初始应力状态，它受到地壳构造、板块运动、重力、地质作用等多种因素的影响。
岩体中的天然应力概述
第一节概述一、定义（1）天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
又称地应力、初始应力等。
（2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。
又称二次分布应力、附加应力等。
天然应力，没有工程活动开挖洞室后的应立场，为重分布应力，与天然应力有所改变在附近开挖第二个洞室，则视前一个洞室开挖后的应立场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力二、天然应力的组成天然应力一般由以下几部分组成：•由岩体自重引起的自重应力•由构造运动引起的构造应力•由流体作用引起的渗流应力•其它（如，地温引起的温差应力、地球化学作用引起的化学应力等）三、天然应力的研究历史与研究意义1、研究历史（1）世界上•1878年海姆提出天然应力；•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天然应力；•到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。
大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致裂法）。
（2）中国•20世纪50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米（天津大港）。
2、研究意义（1）区域稳定任何地区现代构造运动的性质和强度，均取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。
从工程地质观点看，地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害。
从岩体力学观点出发，地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。
在一定的天然应力场基础上，常因修建大型水库改变了地区的天然应力场而引起水库诱发地震。
（2）地下洞室稳定对于地下洞室而言，岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源。
如果天然应力分布不均匀，可能在洞顶拉裂掉块，洞侧壁内鼓张裂和倒塌。
（3）边坡稳定天然应力状态与岩体稳定性关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。
越来越多的资料表明，在岩体高应力区，地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖，常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，使工程岩体失稳。
第七章 岩体本构关系与强度理论
14
最易扩展的裂纹端部附近的最大切向拉应力
第 七 章 岩 石 的 破 坏 判 据
( 1 3 ) 2 b m 4( 1 3 )
用单轴拉伸破坏时的抗拉强度来表示临界值
( 1 3 ) 2 8 t 1 3
1 3 1 2( 1 3 )
σb：椭圆周边切向应力； m=b/a，a为椭圆长半轴，b为椭圆短半轴； α：椭圆偏心角。
11
假定： （1）岩体内裂纹形状是一个很扁平的椭圆； （2）岩石性质的局部变化忽略不计； （3）岩体内裂纹与裂纹之间相互不发生影响； （4）椭圆形裂纹周围的应力系统作为平面问题处理。
裂纹尖端附近，α→0，故sinα→α，cosα→1
12
2、强度准则 （1）以σy 、τxy表示的强度准则
第 七 章 岩 石 的 破 坏 判 据
当单向拉伸破坏时，τxy=0，σy=σt，代入得
b m t t 2 t
或
2 1/ 2 2 t y ( t2 xy )
4 t ( t y )
d b 0 d
sin 2 0
( 1 3 )
2 1 2 3 2 1
12 32
2 3
0
1 2
0
2 cos 2 2 2
1 3 cos2 2(1 3 )
β称为破裂发生角
二、莫尔判据
第 七 章 岩 石 的 f ( ) 破 坏 判 •判断岩石中一点是否会发生剪切破坏时，可在莫尔包络 据 线上，叠加上反映实际研究点应力状态的莫尔应力圆， 如果应力圆与包络线相切或相割，则研究点将产生破坏； 如果应力圆位于包络线下方，则不会产生破坏。 5
地应力概念与其测量方法
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。
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。
地应力概念和其测量方法
次生应力（二次应力）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 的应力称为次生应力或二次应力。
地应力概念和其测量方法
地应力概念和其测量方法
本章内容：
§5-1 概述 §5-2 地应力成因 §5-4 岩体初始应力分布状态 §5-5 岩体初始应力场测定
地应力概念和其测量方法
§5-1 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。
目前，原岩应力的实测深度达3000m。在这一深度内，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；
二、水平应力σH普遍大于垂直应力σv ,即 侧压力系数λ＝σH/σv >1;
三、原岩应力三个主应力σHmax，σHmin，σv均随深度增加而增大； 1、平均水平应力σH与垂直应力σv 的比值随深度增加而减小。
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。
地应力概念和其测量方法
5.4 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