第六章 岩体初始应力.ppt

第六章 岩体初始应力 中南大学 岩石力学与工程研究所 唐礼忠 6.5 岩体初始应力分布状态 6.1 初始应力的基本概念 6.2 岩体自重应力 6.3 岩体构造应力 6.4 岩体应力测定 6.1 初始应力的基本概念 -人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 一、定义 ——地应力、初始应力、原岩应力 -岩体在天然状态下的内在应力。 初始应力/in-situ stress： -在岩体工程开挖之前的岩体中或者在工程影响区之外的岩体中存在的三维应力 ++++++ ++++++ ++++++ 初始应力 → ← 重分布应力 ↓ ↑ r s 二、初始应力的组成 四、应力状态 三维应力状态，一般为压应力，包括应力大小和方向。 岩体自重→自重应力(gravitational stress) 构造运动→构造应力(tectonic stress) 流体作用→渗流应力 (seepage stress, water pressure) 其它（地温、地球化学作用等） 三、起源（主要指构造运动的起源） 板块运动 地幔热对流 地球自转速度变化 地下流体状态 6.2 岩体自重应力 自重应力是指上覆岩体的重量所产生的应力。 一、定义 二、计算公式 一般假定计算点附近岩体为均质、各向同性的连续体进行估算。铅垂方向自重应力分量 σz为单元体以上至地表的岩柱的重量，即： 式中，g 是岩体平均容重，KN/ m3；ｚ是计算点处距地表深度，m；σz 为铅垂应力分量，Mpa。 1、垂直应力计算 如果在研究深度范围内有几层不同的岩层，垂直应力分量可用下式计算： 式中，ρi 为第 i 层岩体密度；hi 为第i层岩体厚度；n 为计算的岩层数。 上式可改写为： 式中，ρ是岩体平均密度，KN/m3 ；ｇ是重力加速度：9.8m/s2；z 深度，m； λ称为侧应力系数，表示水平应力与垂直应力的比值。 半无限体各向同性弹性体中，岩体单元在x、y方向受相邻单元限制不产生变形，即εx=0，εy=0。由广义Hook定律，得 2、水平应力计算 可以得到 令 一般岩石的μ=0.2~0.3，则λ=0.25~0.43。 当μ=0.5时，λ=1，即σx=σy=σz ——静水压力状态 三、岩体自重应力的特点 自重应力的三个分量都是压应力； 铅垂应力分量只与岩体容重有关，水平应力还与岩体的弹性参数有关，小于铅垂应力； 岩体中的结构面影响岩体自重应力。 a. b. c. 6.3 岩体构造应力 一、构造应力场的概念 岩体构造应力是在地壳造山运动(tectogenesis )和造陆运动中积累(accumulate)或剩余(remain)的一种分布力。 2、构造应力场分类 按构造运动的活动性划分 古构造应力场 现今仍在活动的构造应力场 按构造运动的规模划分 全球性构造应力场 区域性构造应力场 局部构造应力场 1、构造应力场定义 二、构造应力场分析 主要借助于岩体中存在的各种构造形迹，弄清构造体系(structural system)，从而确定形成这种构造体系时的构造应力场的主应力方向 1、构造形迹(structural feature)的形成机理 构造形迹： 在一次构造运动中，形成一系列的褶皱和断裂（断层和节理等），它们是构造运动留下的遗迹 构造形迹 1）褶皱(fold) 褶皱和直立岩层的走向 构造线(structural line)： ——垂直于σ1 构造应力场的主应力方向 2）断层和节理 张性断裂和剪切断裂 张性断层： 大规模的张性断层的形成与岩石在单轴压缩条件下产生纵向劈裂相似，是由于张应变超过极限而产生的。 总体方向与最大主应力方向平行。 剪性断裂： 压性断层和扭性断层，都可用莫尔-库仑理论来解释 2、构造体系及区域构造应力场(regional structural streaa field) 对于一个区域来说，在一次构造运动中形成一系列的构造形迹， 构造体系： 在一次构造运动中不同规模的构造应力场具有逐级控制的关系。 例－米字形构造体系： 构造形迹的序次 构造应力场 6.4 岩体应力测定 一、应力解除法(stress? relief method) 1、基本原理 假定地下处于初始三维应力状态的岩体为线弹性体，将岩体脱离母岩，则所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复。 用仪器测得恢复应变，则为： 然后，利用弹性力学公式则可计算岩体初始应力 破坏联系-解除应力-弹性恢复-测出变形-根据变形，转求应力。 这个过程可以归结为： 2、孔底应力解除法 1）测定岩体应力的步骤 2）应变花(strain gauge rose)： 3）计算公式 （1）等角应变花情况 （2）直角应变花情况 3、孔径变形法 1）测定岩体应力的步骤 2）应力计