岩石力学(5).ppt

第五章 岩体天然应力与洞室围岩的应力分布,一、岩体的应力类型 地应力是工程前、后岩体中应力的总称 ⑴构造应力—由地壳构造运动在岩体中所引起的应力 ⑵自然（作用）应力—自重、温度变化、地震、固结、沉积、变质、结晶、脱水所引起的应力 ⑶附加应力—人类活动（工程）作用 工程施工前就存在与岩体内的应力称初始应力或天然应力第一节 概 述,二、概念在天然状态下,岩体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体初始应力人类进行工程建设将引起一定范围内岩体初始应力的改变，工程建设扰动后的岩体应力称为重新分布应力或二次应力影响岩体天然应力大小和分布规律的因素很多，主要有岩体自重、构造作用类型、强度和持续时期的长短等自重引起的岩体应力称为自重应力；由于岩体构造作用引起的应力称为岩体构造应力此外，成岩过程中的物理化学变化、地形地貌、地温梯度等均对岩体天然应力有不同程度的影响第二节 岩体中的地应力,一、地应力的变化规律1 地应力场为不稳定应力场一般情况下，地应力场是一个三向不等压的空间应力场，其中主应力大小和方向是随空间与时间的变化而变化的2 垂直应力与水平应力的关系分析大量的实测资料表明，在深度为25-2700m深度范围内，垂直地应力σv基本等于上覆岩层重量即σv=γH。

岩体中水平应力的分布和变化规律，是一个比较复杂的问题，根据已有的实测资料来看，岩体中的水平应力，主要受所研究地区现代构造应力场的控制，同时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用，现代断裂运动的应力释放和应力调整作用，以及岩体的力学特性等因素的影响，见表5-1人们将水平应力与垂直应力的比值称为侧压比（用λ表示），通过实测资料发现，它与深度存在以下关系：见图5-1所示由图可见：H小于1000时，侧压比较为分散随着深度的增大，侧压比趋近于1二、自重应力与海姆假说现取水平应力和铅直应力之比，称为侧压力系数，记为K0对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层，它们的应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力状态因此，如果以坐标平面xy为地表面，z轴垂直向下的半无限体，在深度为z处的垂直应力σz，显然可按下式计算：式中：γ---岩体容重 水平应力为：式中： K0---岩石的静止侧压力系数 μ---岩石的泊松比，一般为0.2-0.3，此时K0为0.25-0.4当K0=1时，就出现水平向应力与垂直向应力相等的所谓的静水压力式的情况，这也是海姆所提出的假说，他根据在开挖贯穿阿尔卑斯山的大型隧洞的观察中，发现隧洞的各个方向上都承受很高的压力，于是提出了著名的海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。

三 高地应力区特征 3.1高地应力现象⑴ 岩心饼化、钻孔缩径现象；⑵岩爆（围岩产生岩片飞射抛洒及洞壁片状剥落的现象）⑶ 探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离；⑷岩质基坑底部隆起；⑸野外原位测试测得的岩体物理指标比实验室岩块实验结果高3.2岩爆发生的判据 ⑴当Rc/σmax＞7时，无岩爆； ⑵当Rc/σmax=4～7时，可能发生轻微或中等岩爆； ⑶当Rc/σmax＜4时，可能发生严重岩爆 3.3岩爆的防治 ⑴围岩加固措施； ⑵改善围岩应力条件；（隧道选线、合理的断面形状、施工方式、应力解除） ⑶改善围岩性质 ⑷施工安全措施,图6-26 基坑边坡回弹错动,三、岩体应力与工程的关系 建筑物修造，会引起岩体应力的重新分布，形成新的应力状态，这会产生岩体的变形或破坏进行稳定分析岩体天然应力是必须的基本资料 岩体天然应力与地下洞室的关系最为密切，地下洞室的开挖过程，实际上就是该处天然应力释放过程由于岩体内的能量得到释放，形成新的应力状态，产生围岩的变形洞室周边的应力与围岩深部的应力相比，前者常处于不利的受力状态如果这种应力状态超过岩体的强度条件，就可能发生破坏，甚至引起围岩的失稳那么在选择洞室轴线和断面形状时，就应该适应天然应力的状况，使围岩处于一个比较有利的应力分布状态。

目前一般的作法是使洞轴线与最大水平主应力的方向一致 在地下洞室断面选择时，如何应用天然应力的实测资料，这是一个尚待解决的重要课题有人认为，在选择设计方案的时候，掌握侧向水平应力与垂直应力的比值λ比了解主应力的实际大小更为重要例如侧向水平应力较大时，以采用高度小而宽度大的近似椭圆形的断面为宜，而垂直应力较大时，宜采用高度大而宽度小的椭圆形断面对于圆形有压隧洞，人们总希望尽可能使隧洞横断面上的垂直初始应力与侧向水平初始应力大致相等从理论上讲，此时围岩中的重分布应力比较均匀，围岩的稳定性最好并且初始应力值达到一定数值时，岩体强度又较高，那么围岩将具有较大的承载能力可资利用在有压水工隧洞设计中是一个有利因素，使岩体可以分担更多的内水压力，而衬砌可以减薄坚硬完整的岩体，如果天然应力很高，则可以聚集大量的能量地下洞室开挖过程中，在围岩应力较大的部位，岩石被挤压到超过它的弹性限度，积聚的能量会突然释放出来，形成“岩爆”现象，它不仅危及施工人员和设备的安全，并且给生产造成巨大损失 在岩基上修建大坝，由于基坑开挖的卸荷作用，将会引起基坑底部、岩体发生回弹隆起，或坑壁岩层移动，这种岩体变形，在水平主应力较大，岩体中存在着近于水平产状的软弱面时，特别明显。

这不仅使岩体的工程性质恶化，而且还会影响未来建筑物的受力状态和稳定第三节 岩体应力的现场量测,在进行工程设计时，岩体中初始应力的大小及其分布状态，是不可缺少的重要资料，这一部分工作一般由勘察、试验研究部门来承担因为初始应力不容易计算，最好而且最可靠的办法是现场量测另外对于已经建成使用的工程，为了检测岩体中应力的变化和活动情况，以及对理论计算进行校核，也需要对岩体应力进行量测 现场岩体应力可以在钻孔中、露头上和地下洞室的岩壁上测定，也可根据在地下测定的位移进行计算地应力测量方法，包括多种测试手段和许多测量工具 目前常用的方法是应力解除法，应力恢复法所有应力测量技术都要扰动岩石 一 应力解除法 （一）应力解除法的基本原理 1 适用范围：洞室周围较浅部分的岩体应力、岩体深部的应力 2 基本原理: 首先对所测定的岩体进行钻孔、在孔底贴应变片、读数,再“套钻”掏槽，形成与周围岩体相脱离的岩柱，使周围岩体作用于岩芯上的应力被解除掉，读应变片读数利用弹性力学原理可计算出到小主应变和夹角，并进一步计算出两个方向上的主应力3 实验步骤：如图5-2所示 1 利用钻头自边墙钻一深度为Z的钻孔，并用嵌有细粒金刚石的钻头将孔底磨平抛光。

2 在钻孔底面贴上三个互成120度交角的电阻应变片 3 通过电阻应变仪读出相应的三个应变片的初始读数 4 用与钻孔直径相同的套钻钻头进行套钻孤立岩柱-岩芯，岩体作用于岩芯上的应力就被解除，岩芯也就产生相应的变形） 5 在应变仪上可读出相应的三个读数，它们分别与套钻前的三个初始读数的差，就表示岩芯分别沿三个不同方向的应变值4 计算： 根据材料力学原理，大小主应变可用下式计算：最大主应变与ε1之间的夹角α由5-5式计算：,（二） 岩体的三向应力量测 一般情况下，岩体中任一点的应力分量有六个，前面介绍每一个钻孔仅能提供两个正应变和一个剪应变值因此，确定岩体中6各应力分量时，一般需要通过三个钻孔量测资料才能确定 介绍两种方法： 1. 采用共面三钻孔孔底应变法可以确定三向应力确定空间应力场(见图5-3)为了测定图中的三向应力，可在xz平面中分别打三个钻孔①②③利用表5-2中所列的有关公式即可确定待求的六个空间应力分量2.孔壁应变测试法 测试原理见107页，一个测点可以建立三个关系式，三个测点可以建立9个关系式，选出6个关系式就可计算出6各应力分量 该方法的优点：只需在一个钻孔内通过对洞壁3个点应变的量测，即可完全确定岩体的6各孔间应力分量。

求得最大，最小主应变值后，可按下式计算相应于这两个方向的最大最小主应力值：上式可计算量测浅处岩体应力时采用（按照平面应力问题计算）；对深出岩体应力的量测则要按照平面变形问题计算主应力，这时5-6式中E和μ分别用E/（1-μ2）和μ/（1-μ）代替具体测试方法是用钻机钻孔，如图5-5所示 钻孔底面用金刚石钻头磨平后再用小的钻孔自孔底面沿孔轴方向继续钻一深度约为45cm的小钻孔这时就在小钻孔的中部孔壁上选定三个测点并在每个测点上按前述规定方向安置三个应变元件此时读出各测点的应变计的初读数，并将应变计的测量导线引出孔外，然后封住小钻孔的孔口，以防水流入小钻孔而损坏孔内的应变元件，最后再选用适当大小的钻头在小钻孔外围进行套钻并取出岩芯此时再读出完全解除了应力之后岩芯中孔壁各应变元件的读数，然后用套取岩芯前后应变元件读数之差，按相应的公式计算岩体初始应力二、应力恢复法（与刻槽法基本一致） 应力恢复法，也称扁千斤顶法，它是廷色林(Tincelin)于1952年在法国使用的一种简单可靠的应力测量方法 1、基本原理：首先对所测定的岩体应力进行释放,再另外施加应力使岩体的变形恢复到原来的状态，这时所施加的应力即为岩体应力。

2、步骤: 1 在岩体表面上布置一组或多组测量点，贴应变片，读出初始值； 2 顺着与所测应力相垂直的方向设置一道深槽，目的是解除槽壁应力，读出应变计读数； 3 将扁千斤顶置于槽中，施加荷载，直至应变计读数恢复至初始读数为至这时千斤顶施加于槽壁上的单位压力即为槽壁上原有的法向应力 这种方法可以不用测岩体的应力应变关系而直接得出岩体的应力工程实例：孔径变形法在二滩水电站测试结果及分析 二滩水电站位于四川攀枝花市，坝高245m，地下厂房长240m、宽27.5m、高约65m，与主厂房配套的还有主变室和尾水调压室，连同连接管道，形成一个复杂的洞室群 二滩水电站坝址位于雅砻江与金沙河交汇处，高山峡谷中，两岸临江坡高400～500m，河谷呈不对称V形河谷处于受雅砻江、西番田和金河-菁河等几个断裂带所包围的共和断块上该断块周围的深大断裂具有地质历史上的长期活动性，根据板块理论，二滩地区处于印度板块和欧亚板块的挤压带上，构造运动使岩体内存在着较高的挤压应力二滩水电站前期要论证的问题之一：1 岩体应力究竟有多高？在工程各部位的分布特征是什么？对设计的影响，该区域能建如此巨大的水电站吗？2 前期勘探中，在河谷区域的钻孔内不能取得完整岩心，岩心多破裂成饼状，希望查清钻孔岩心饼状破裂的力学机制，更想从岩心饼状破裂现象揭示坝址区岩体应力状态特征？3 深切河谷建电站大型洞室群不得不安排在狭笮区域，洞室间距尽可能小，施工扰动在洞周围产生的塑性区或破损区相互叠加，严重威胁地下工程稳定性，能否找到最佳方案，使其产生的破损区最小，支护成本最低，而洞群地下工程最稳定？,为此，在可行性研究阶段进行了大量现场应力测量，测点布置在拟议中的坝轴线和底下厂房所在的岩体内，在河床基处布置了两个深度约60m的深孔应力测量。

经过大量的应力实测资料分析，得到如下结论：1 坝区位于高应力区，地下厂房应力量级20-30MPa（提供参数）2 地下厂房区域，最大主应力方向同雅砻江河谷走向垂直本试验结果指出应该调整设计改变厂房轴线方向3 在河谷岸坡及河谷深切处应力高度集中，在垂直钻孔水平面上最大应力值达到60MPa应力高度集中，出现饼状岩心）4 河谷地区的应力场有其独特的分布特征，从河谷向岸坡和岩体深部，应力分布可以大概划分为应力集中区、应力扰动区和应力平稳区第四节 水平洞室围岩的应力计算,围岩定义：地下工程施工影响范围内的岩土体称为围岩 围岩稳定：指一定时间内，在地质力或工程荷载作用下，岩土体不产生破裂或失稳 在岩体内开挖洞室的结果是破坏了岩体原来的平衡状态，引起应力的重新分布，使围岩产生变形当重新分布后的应力达到或超过岩石的强度极限时，除弹性变形外，还将产生较大的塑性变形在设计各种类型的洞室时，为了分析洞室的稳定性，一方面研究岩体的强度特性，另一方面必须掌握围岩的初始应力和重分布应力 本节主要介绍水平洞室围岩的重分布应力及其分布规律,。