岩体力学第5章.ppt

* * * * * 第5章 5.1　概述5.2　岩体中的天然应力5.3　岩体中天然应力的测量 5.1　概述 地应力是指存在于地层中未受扰动的天然应力，也称原岩应力、岩体初始应力或绝对应力。 岩体初始应力包括岩体自重应力、岩体构造应力、水压力和温度压力等，主要由自重应力与构造应力组成。水压力和温度压力存在于岩层中的局部区域。研究表明，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，尤其以水平构造运动对地应力的形成影响最大。构造运动历程中应力场累次叠加、牵引和改造以及其他多种因素影响，导致了地应力状态的复杂性和多变性。另外，温度梯度、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。 5.2　岩体中的天然应力 5.2.1　岩体自重应力5.2.2　岩体构造应力5.2.3　岩体中的天然应力的分布规律 5.2.1　岩体自重应力 1)当岩体视为各向同性的弹性体时，由于岩体单元在各个方向都受到与其相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即εx=εy=0,而相邻岩体的阻挡就相当于对单元体施加了侧向应力(σx,σy)，根据广义胡克定律，有2)当岩体由多层不同重力密度的岩层所组成(见图5-2)，各岩层的厚度为hi(i=1,2,…,n)，重度为γi(i=1,2,…,n)，泊松比为μi(i=1,2,…,n)，则第n层底面岩体的自重初始应力为 5.2.1　岩体自重应力 图5-1　岩体单元的自重应力状态 图5-2　自重垂直应力分布图 5.2.2　岩体构造应力 岩体构造应力是在地壳运动和造陆运动中积累或剩余的一种分布力。剧烈构造运动会导致岩层发生皱褶和形成山脉及各种断层和节理、劈理等破坏，该类构造运动称之为造山运动。缓和构造运动会使地层发生缓慢升降，该类构造运动称之为造陆运动。构造运动开始至造山运动，构造应力逐步积累，造陆运动则会使构造应力的逐步释放，不完全释放形成剩余应力场。因此，构造应力场是一种动态变化的应力场。 5.2.3　岩体中的天然应力的分布规律 1.地应力是相对稳定性的非稳定应力场，是时间与空间的函数 2.实测垂直应力σv基本等于上覆岩层的重量3.水平应力普遍大于垂直应力4.水平应力与垂直应力的比值随深度变化而变化 5.最大水平主应力和最小水平主应力与深度变化有关 6.水平应力具有明显的方向性7.地应力分布规律还会受地形地貌等因素的影响 1.地应力是相对稳定性的非稳定应力场，是时间与空间的函数 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应力的大小和方向随空间和时间而变化，是非稳定应力场。地应力空间分布的变化，小范围内变化很明显，但就某一地区整体而言，地应力变化不大。 2.实测垂直应力σv基本等于上覆岩层的重量 实测结果分析表明，地层25～2700m深度范围内，垂直应力呈线性增长，大致相当于岩层平均重度为27kN/m3时的重力，某些地区存在一些偏差。 3.水平应力普遍大于垂直应力 图5-3　垂直压力与深度H关系分布图 3.水平应力普遍大于垂直应力 表5-1　部分国家与地区水平与垂直主应力的比值统计表 4.水平应力与垂直应力的比值随深度变化而变化 图5-4　平均主应力与垂直应力的比值随深度变化分布图 5.最大水平主应力和最小水平主应力与深度变化有关 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。与垂直应力不同的是，在水平主应力随深度变化的线性回归方程中，常数项相对要大些，体现了某些地区近地表岩层存在显著水平应力的事实。 6.水平应力具有明显的方向性 表5-2　部分地区两个水平主应力的比值表 7.地应力分布规律还会受地形地貌等因素的影响 地应力的分布规律还会受到地形地貌、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，特别是地形地貌与断层的扰动影响最大。 5.3　岩体中天然应力的测量 5.3.1　地应力测量方法5.3.2　直接测量法5.3.3　间接测量法 5.3.1　地应力测量方法 岩体中天然应力的测量就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态。通常是通过足够数量的“点”测量，并借助数值分析和数理统计的方法，确定测量地区的地应力状态。根据测量原理的不同，地应力测量方法可分为直接法和间接法两大类，其中又可进一步分为应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法、重力法等。根据测量手段的不同，可将在实际测量中使用过的测量方法分为构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法等五大类。 5.3.2　直接测量法 1.扁液压千斤顶法2.水压致裂法 1.扁液压千斤顶法 (1)测量原理　其基本原理是，扁液压千斤顶施加给岩体表面凿出的岩槽两壁一压力载荷后，岩槽附近岩体产生位移，通过岩槽开挖前后岩槽两侧岩面上确定测点位移的恢复，测得岩体的垂直岩槽方向