岩石力学-岩体初始应力状态.ppt

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1岩体初始应力状态的概念与意义研究岩体初始应力状态的工程意义：正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化合理设计地下工程的支护尺寸2、组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算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（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：（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质力学的方法加以判断。（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2．地表剥蚀时侧压力系数的影响图6-5侵蚀对某一深度上的应力的影响设某深度H0的一个岩石单元，该处初始侧压系数0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：（6-11）由于剥蚀后岩石单元埋深H=H0‑H，所以：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。三、影响岩体初始应力状态的其他因素（一）地形山谷谷底的应力很大:与岩体的均质程度有关（图6-6)地形对岩体初始应力影响的另一特征:(图6-7）（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3．岩体初始应力状态的现场量测方法二、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。Pbo——开启压力。（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)+Pba2/r2+1/2(1h-2h)(1-4a2/r2+3a4/r4)cos2=1/2(1h+2h)(1+a3/r2)-Pba2/r2（6-13）-1/2(1h-2h)(1-3a4/r4)cos2当=a，即孔壁处，则，r=Pb=(1h+2h)-Pb-2(1h-2h)cos2（6-14）当=0时，有最小值，即：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：32h‑1h‑Pb+T0=0（6-17）或1h=32h‑Pb+T0（6-18）如果岩体中有孔隙水压力Pw时，则式6-18）变为：1h=32h‑Pb+T0–Pw（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）1h=32h‑Pb0–Pw（6-20）对比式（6-19）与式（6-20），可得，Pb–Pb0=T0（6-21）在关闭压力Pso这一特征点上，孔壁已开裂，即To=0，所以，此时，Pso等于与裂隙面垂直的应力，亦即2h=Pso（6-22）由此通过分析：可得出主应力及岩体抗拉强度值2h=PsoPb–Pb0=T0（6-23）1h=32h‑Pb+T0（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力水压致裂法的主要缺点是地主应力方向难以确定，可由式（6-23）分析确定。（1）、一般z=h，作为地主应力之一，若z1，则，2h肯定为最小地主应力。由开裂方向可确定，2h或1h的方位，则三个地主应力的方位也可以相应地确定。（2）若2h>h，且孔壁开裂后孔内岩体出现水平裂缝，则此时，z=h为最小地应力，2h与1h各为中间地主应力及最大地主应力，垂直开裂方向即为最大地主应力方向。（四）水压致裂法的特点（三）应力解除法（二）岩体钻孔套孔应力解除法原理：进行岩体中某点应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。应力解除法所采用的钻孔传感器可分为：位移传感器和应变传感器两类。中科院武汉岩土所研究（制）的36-2型钻孔变形计，其变形计的直径为32mm，适应的测量孔直径为36mm。《岩