岩体的初始应力状态.ppt

第六章第六章 岩体的初始应力状态岩体的初始应力状态第一节第一节 初始应力状态的概念与初始应力状态的概念与意义意义Ø 开挖后，引起岩体的变形和破坏，是由于力的作用开挖后，引起岩体的变形和破坏，是由于力的作用 1．．原岩应力原岩应力（初始应力）（初始应力）—天然环境下地壳体天然环境下地壳体 中某一点所具有的应力状态，也称为地应力中某一点所具有的应力状态，也称为地应力 2．．次生应力次生应力—受井巷开挖、资源开采等工程影受井巷开挖、资源开采等工程影 响，在开采影响范围内，原岩应力平衡状态响，在开采影响范围内，原岩应力平衡状态 破坏后重新形成的平衡状态的应力，叫次生应破坏后重新形成的平衡状态的应力，叫次生应 力，也叫采动应力力，也叫采动应力 3．．应力重新分布应力重新分布：由原岩应力平衡状态到次生应力：由原岩应力平衡状态到次生应力平衡状态的转化过程，叫应力重新分布平衡状态的转化过程，叫应力重新分布 4．．原岩应力的组成原岩应力的组成 1）自重应力）自重应力—某一点的自重应力是上覆岩层某一点的自重应力是上覆岩层 的自重所引起，与上覆岩层的质量和埋藏深的自重所引起，与上覆岩层的质量和埋藏深 度有关度有关 。

2）） 构造应力构造应力—地质构造运动引起的地下某点地质构造运动引起的地下某点 的应力与岩体的特性（节理分布、岩体的应力与岩体的特性（节理分布、岩体 弹塑性、粘性特性）和地质构造现象有关弹塑性、粘性特性）和地质构造现象有关 3）） 其它作用其它作用—地形、地震、水、地温等均可地形、地震、水、地温等均可 产生地应力产生地应力u三种作用中，自重应力与地质构造应力是主要的，三种作用中，自重应力与地质构造应力是主要的，普遍存在着地应力普遍存在着地应力 5．．围岩围岩—地下开挖后影响开挖范围稳定性的周围地下开挖后影响开挖范围稳定性的周围岩体岩体 6．．研究初始应力状态的意义研究初始应力状态的意义—确定应力变化、设确定应力变化、设计工程支护计工程支护 第二节第二节 初始应力状态的应力场计算初始应力状态的应力场计算Ø一、岩体自重应力场一、岩体自重应力场 u1．海姆静水压力假说．海姆静水压力假说 1879年，瑞士地质学家海姆（年，瑞士地质学家海姆（Heim），提出原），提出原岩应力各向等压假说岩应力各向等压假说  ——铅重和水平应力； ——岩石密度，单均（2.5~2.7t/m3）； g ；——重力密度，N/m3； z ——自地表起至地下某一点的深度，m 。

即：铅垂应力等于上覆岩层的重量，水即：铅垂应力等于上覆岩层的重量，水平应力与铅垂应力均衡（相等）平应力与铅垂应力均衡（相等） 重力加密度，9.8m/s2l图图6-1 岩体自重垂直应力岩体自重垂直应力 l推导推导 ：：l100米处岩体应力：米处岩体应力： 即即100m深处的岩层垂直应力为深处的岩层垂直应力为2.5MPa 注意：上式是按单岩层平均计算，若有几个注意：上式是按单岩层平均计算，若有几个层，分别为层，分别为 则： （6-2） u2．金尼克假说．金尼克假说 根据线弹性约束条件推断根据线弹性约束条件推断已知：已知： （铅垂应力是自重应力）（铅垂应力是自重应力） 在均匀的、各向同性的岩体中，各单元受到约束，在均匀的、各向同性的岩体中，各单元受到约束，水平方向应变水平方向应变 ,即即 ：∵ 水平方向变形与另外两个方向的力有关水平方向变形与另外两个方向的力有关  广义虎克定律（弹性力学应广义虎克定律（弹性力学应力关系）力关系） 即：即： 令令 侧压系数 ∵u = 0.2~0.3， =0.25~0.43即即 按照金尼克的线弹性岩体假设按照金尼克的线弹性岩体假设水平应力水平应力 得：得： 水平应力小于垂直应力，侧压系数水平应力小于垂直应力，侧压系数 <1 即：即： （（6-3）） u3．麦克库钦理论．麦克库钦理论 1982年，麦克库钦（W.R.Mccuchen）根据近代大量原岩应力实测统计和资料分析 ，提出另一种重新认识地壳自重应力场学说，同时对称称之壳体求解单立体应力。

结论，自重应力分量结论，自重应力分量: （（6-4）） 即侧压力是强度的函数，为一条双曲线，即侧压力是强度的函数，为一条双曲线，z、、a、、b是一个常数，有一个基准面（地表下某一深度是一个常数，有一个基准面（地表下某一深度， =1之上， >1，之下 <1）） u 4．松散地层压力．松散地层压力 侧压系数：侧压系数： （（6-8）） ——松散介质（岩体）内摩擦角松散介质（岩体）内摩擦角， 即即u5．一定粘结力的松散地层压力．一定粘结力的松散地层压力 注：库仑准则  即：即： （（6-9）） 令令 （（6-10）） 即：即： 时，侧向应力系数时，侧向应力系数 深度较小时，侧向应力可能小于０，随着深度正比增加深度较小时，侧向应力可能小于０，随着深度正比增加 图6-3 松散岩体内的侧向应力 u几种自重应力理论的解释几种自重应力理论的解释 1）垂直应力是一个公认的参数与深度成正比： 2）水平应力与垂直应力的关系可用侧压系数表示，即 ： 3）侧压系数是一个复杂的问题，随着对岩体性质属性认识的不同有不同的认识 >1 ＝1 <1 l自己总结一下侧压系数的变化情况。

自己总结一下侧压系数的变化情况第三节第三节 岩体初始应力状态岩体初始应力状态的现场量测方法的现场量测方法Ø一、概述一、概述 u 1．岩体应力测量的种类．岩体应力测量的种类 1）初始应力测量）初始应力测量 2）次生应力测量）次生应力测量 u 2．应力测量地点．应力测量地点 钻孔中，地表露头，地下洞室的岩壁钻孔中，地表露头，地下洞室的岩壁 u 3．原岩应力测量原理．原岩应力测量原理  原岩应力是岩体内一点各个方向上应力分量总体原岩应力是岩体内一点各个方向上应力分量总体的量度一般情况下，六个应力分量是非零的，处的量度一般情况下，六个应力分量是非零的，处于相对静止平衡状态，无法直接得知因此，任何于相对静止平衡状态，无法直接得知因此，任何一种实测方法都需要经过扰动（通常是打钻孔），一种实测方法都需要经过扰动（通常是打钻孔），打破原有平衡状态，在从一种平衡状态到新的平衡打破原有平衡状态，在从一种平衡状态到新的平衡状态的过程中，通过对力或应力效应的间接测量来状态的过程中，通过对力或应力效应的间接测量来实现力或应力引起的最常见的效应是产生应变或实现力或应力引起的最常见的效应是产生应变或位移，借助传感器将受到的应变或位移的变化传递位移，借助传感器将受到的应变或位移的变化传递给二次仪表取得测量数据，进一步根据测量的应变给二次仪表取得测量数据，进一步根据测量的应变（位移）经力学反分析，最终获得原岩应力状态的（位移）经力学反分析，最终获得原岩应力状态的结果。

结果u 4．原岩应力测量方法．原岩应力测量方法 1）应力解除法）应力解除法 2）应力恢复法）应力恢复法 3）水压致裂法）水压致裂法 表6-1 地应力测量方法一览表测量原理测量方法解除方法使用条件可信度一、测量变形1．钢环变形计套孔解除要求不严较高2．钢弦应力计套孔解除要求不严较高3．压磁应力计套孔解除岩石完整较高4．液压计套孔解除要求较高参考二、测量应变5．孔底应变丛孔底解除岩石完整较低6．光弹双向应变计孔底解除岩石完整参考7．孔壁之轴应变丛套孔解除岩石完整较低三、包体变形8．光弹柱塞套孔解除适用于软岩参考9．罗恰光弹应力计套孔解除适用于软岩参考四、破裂10．水压致裂不用解除要求不高较高11．压裂声发射不用解除要求不高较低第四节第四节 初始应力现场量测方法初始应力现场量测方法 Ø一、概述一、概述Ø二、水压致裂法二、水压致裂法u（一）方法原理及技术（一）方法原理及技术 通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处，加液压通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处，加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中各特征点的压力将孔壁压裂，测定压裂过程中各特征点的压力及开裂方位，根据测得的压裂过程中泵压表头及开裂方位，根据测得的压裂过程中泵压表头读数，计算测点附近的岩体中的地应力大小和读数，计算测点附近的岩体中的地应力大小和方向。

方向 u（二）基本理论和计算方式（二）基本理论和计算方式 假设：钻孔垂直，垂直应力假设：钻孔垂直，垂直应力 是一个主应力另两个主应力 位于水平面内 向钻孔内注水压P、出现垂直孔壁的水压裂缝按结构与轴对称、载荷不对称的平面应变问题考虑平面内的应力关系，参见课本图6-9：水平剖面内钻孔受到无穷远处的应力 、作用，钻孔半径，孔外任意一点 ，孔内受到水压 Pb 则 （6-13） l考察钻孔内压力考察钻孔内压力P的变化导致孔裂的变化的变化导致孔裂的变化时，即孔壁压裂处时，即孔壁压裂处 （（6-14）） 当当 =0时时， 有最小值（极值），此时有最小值（极值），此时 （（6-15）） 按材料破坏的最大拉应力理论按材料破坏的最大拉应力理论：（（6-16）） 　为拉应力T0—岩体抗拉强度的数值，岩体抗拉强度的数值，>0 时，孔壁产生开裂（为最晚开裂位置）时，孔壁产生开裂（为最晚开裂位置）应力条件应力条件： （（6-17））or （注：T0<0） （（6-18）） 岩体中有孔隙水压力岩体中有孔隙水压力Pw时时，与与 抵消一部分抵消一部分 （6-19）） 考察岩体开裂后，裂缝扩展后水压考察岩体开裂后，裂缝扩展后水压Pb降至降至Ps 。

Ps——稳定开裂压力稳定开裂压力 6-15）变为：）变为： （理解为（理解为Pw与外力　　方向相同）与外力　　方向相同） 停泵后水压继续下降至停泵后水压继续下降至Ps，为裂缝闭合压力为裂缝闭合压力 水泵重新开启，重新开裂的压力水泵重新开启，重新开裂的压力Pb0称开启压力称开启压力 （（6-19）变为）变为(pb0代替代替pb)：： （（6-20）） 此时上式缺少一项此时上式缺少一项T0，表明岩体，表明岩体 处，已开处，已开裂不抗拉，裂不抗拉，T0不参与分析不参与分析6-19、、6-20比较得到比较得到 （（6-21）） 另外，当裂隙关闭压力另外，当裂隙关闭压力Ps0时，由于裂隙已经开裂时，由于裂隙已经开裂T 0=0，此时，，此时，Ps0进入裂隙面内，两隙面为一个与图中进入裂隙面内，两隙面为一个与图中 =0对应的平面，此时对应的平面，此时Ps0应与水平方向外力　　　平衡应与水平方向外力　　　平衡上式为泵压（上式为泵压pb0和和pb与岩体抗拉强度的关系与岩体抗拉强度的关系)即即 （如图中水平方向的较小主应力）（如图中水平方向的较小主应力） （6-22） 至此岩体破裂过程中的各压力与待求应力的关系至此岩体破裂过程中的各压力与待求应力的关系: （6-23） 由式由式6-23可知，可以根据水压致裂法的各种压力值可知，可以根据水压致裂法的各种压力值计算岩体内的较大的主应力计算岩体内的较大的主应力 ，较小的主应力较小的主应力 和岩体抗拉强度和岩体抗拉强度T0 。

其中，有关岩体水压致裂的压力其中，有关岩体水压致裂的压力 参数见图参数见图6-11 图6-11 压裂过程泵压变化及特征压力pb初始压裂压力pb稳定开裂压力ps关闭压力ps0空隙水压p0停泵后开启压力pb0psP0图中：图中：P0——岩体内孔隙水压力或地下水的受力；岩体内孔隙水压力或地下水的受力； Pb——注入钻孔内的液压力，将孔隙压裂注入钻孔内的液压力，将孔隙压裂 的初始压力；的初始压力；Ps——初始压裂后，使岩体稳定开裂的压力；初始压裂后，使岩体稳定开裂的压力； Ps0——稳定开裂后关闭泵压，保持的压力，稳定开裂后关闭泵压，保持的压力， 可能下降；可能下降；Pb0——停泵后，重新开泵将裂隙压开的压力，停泵后，重新开泵将裂隙压开的压力， 开启压力开启压力 u（三）水压致裂法的特点（三）水压致裂法的特点 1．设备简单只需用普通钻探方法打钻孔，用．设备简单只需用普通钻探方法打钻孔，用双端止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂双端止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩体，不需要复杂的电磁测量设备岩体，不需要复杂的电磁测量设备。

2．操作方便只通过液压泵向钻孔内注液压压．操作方便只通过液压泵向钻孔内注液压压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可3．测值直观它可根据压裂时泵压（初始开裂．测值直观它可根据压裂时泵压（初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力）计泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力）计算出地应力值，不需要复杂的换算及辅助测试，算出地应力值，不需要复杂的换算及辅助测试，同时还可求得岩体抗拉强度同时还可求得岩体抗拉强度4．测值代表性大所测得的地应力值及岩体．测值代表性大所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好的代表性的代表性 5．适应性强这一方法不需要电磁测量元件，．适应性强这一方法不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下作试验，不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下作试验，不怕电磁干扰，不怕震动不怕电磁干扰，不怕震动 因此，这一方法越来越受到重视和推广但因此，这一方法越来越受到重视和推广但它存在一个较大的缺陷，即主应力方向定不准它存在一个较大的缺陷，即主应力方向定不准Ø三、应力解除法三、应力解除法 1））原理：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人原理：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为地将该处的岩体单元与周围岩体分离，此时，单为地将该处的岩体单元与周围岩体分离，此时，单元体上的应力将解除。

同时，该单元体的几何尺寸元体上的应力将解除同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复，应用一定的测定手段测定弹性也将产生弹性恢复，应用一定的测定手段测定弹性恢复的应变，借助弹性理论的解答等计算应力状态恢复的应变，借助弹性理论的解答等计算应力状态 2）） 应力解除法的具体方法很多，按测试深度可以分应力解除法的具体方法很多，按测试深度可以分为表面应力解除、浅孔应力解除及深孔应力解除为表面应力解除、浅孔应力解除及深孔应力解除按测试变形或应变的方法不同，又可以分为孔径变按测试变形或应变的方法不同，又可以分为孔径变形测试，孔壁应变测试及钻孔应力解除法等形测试，孔壁应变测试及钻孔应力解除法等l下面主要介绍常用的钻孔应力解除法下面主要介绍常用的钻孔应力解除法  钻孔应力解除法可分为岩体孔底应力解除法和岩钻孔应力解除法可分为岩体孔底应力解除法和岩体钻孔套孔应力解除法体钻孔套孔应力解除法 u（一）岩体孔底应力解除法（一）岩体孔底应力解除法 l 岩体孔底应力解除法是向岩体中的测点先钻进岩体孔底应力解除法是向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔，在孔底中心处粘贴应变传感器一个平底钻孔，在孔底中心处粘贴应变传感器（例如电阻应变花探头或是双向光弹应变计），（例如电阻应变花探头或是双向光弹应变计），通过钻出岩芯，使受力的孔底平面完全卸载，从通过钻出岩芯，使受力的孔底平面完全卸载，从应变传感器获得的孔底平面中心的恢复应变，再应变传感器获得的孔底平面中心的恢复应变，再根据岩石的弹性常数，可求得孔底中心处的平面根据岩石的弹性常数，可求得孔底中心处的平面应力状态。

由于孔底应力解除法只需钻进一段不应力状态由于孔底应力解除法只需钻进一段不长的岩芯，所以对于较为破碎的岩体也能应用长的岩芯，所以对于较为破碎的岩体也能应用l 孔底应力解除法主要工作步骤参见图孔底应力解除法主要工作步骤参见图6-13，应变观测系，应变观测系统参见图统参见图6-14并将应力解除钻孔的岩芯，在室内测定其并将应力解除钻孔的岩芯，在室内测定其弹性模量弹性模量E 和泊松比，即可应用公式计算主应力的大小和和泊松比，即可应用公式计算主应力的大小和方向由于深孔应力解除测定岩体全应力的六个独立的应方向由于深孔应力解除测定岩体全应力的六个独立的应力分量需用三个不同方向的共面钻孔进行测试，其测定和力分量需用三个不同方向的共面钻孔进行测试，其测定和计算工作都较为复杂，在此不再介绍计算工作都较为复杂，在此不再介绍u（二）岩体钻孔套孔应力解除法（二）岩体钻孔套孔应力解除法 采用本方法对岩体中某点进行应力量测时，先向该点钻采用本方法对岩体中某点进行应力量测时，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，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。

力状态 l 该岩体应力测定方法的主要工作步骤参见图该岩体应力测定方法的主要工作步骤参见图6-15 所示 应力解除法采用的钻孔传感器可分为位移（孔径）应力解除法采用的钻孔传感器可分为位移（孔径）传感器和应变传感器两类以下主要阐述位移传感传感器和应变传感器两类以下主要阐述位移传感器测量方法器测量方法 中国科学院武汉岩土力学研究所设计制造的钻孔变形中国科学院武汉岩土力学研究所设计制造的钻孔变形计是上述第一类位移传感器，测量元件分钢环式和计是上述第一类位移传感器，测量元件分钢环式和悬臂钢片式两种（见悬臂钢片式两种（见图图6-16）图图6-16 钻孔变形计钻孔变形计• 该钻孔变形计用来测定钻孔中岩体应力解除前该钻孔变形计用来测定钻孔中岩体应力解除前后孔径的变化值（径向位移值），钻孔变形计置后孔径的变化值（径向位移值），钻孔变形计置于中心小孔需要测量的部位，变形计的触脚方位于中心小孔需要测量的部位，变形计的触脚方位由前端的定向系统来确定通过触脚测出孔径位由前端的定向系统来确定通过触脚测出孔径位移值，其灵敏度可达移值，其灵敏度可达1×10-4mm• 由于本测定方法是量测垂直于钻孔轴向平面内由于本测定方法是量测垂直于钻孔轴向平面内的孔径变形值，所以它与孔底平面应力解除法一的孔径变形值，所以它与孔底平面应力解除法一样，也需要有三个不同方向的钻孔进行测定，才样，也需要有三个不同方向的钻孔进行测定，才能最终得到岩体全应力的六个独立的应力分量。

能最终得到岩体全应力的六个独立的应力分量在大多数试验场合下，往往进行简化计算在大多数试验场合下，往往进行简化计算 ü例如假定钻孔方向与例如假定钻孔方向与 方向一致并认为方向一致并认为 ，则此时通过孔径位移值计算应力的公式，则此时通过孔径位移值计算应力的公式为：为：（6-20） 式中： ——钻孔直径孔直径变化化值；； d ——钻孔直径；孔直径； ——测量方向与水平量方向与水平轴的的夹角（角（见图6-17）；）； ——岩石岩石弹性模量与泊松比性模量与泊松比 •图图6-17 孔径变化的测量孔径变化的测量根据式（根据式（6-20），如果在），如果在0°，45°，90°三个方向上三个方向上同时测定钻孔直径变化，则可计算出与钻孔轴垂同时测定钻孔直径变化，则可计算出与钻孔轴垂直平面内的主应力大小和方向：直平面内的主应力大小和方向：且且 （判别式）（判别式） 式中式中 为为 与与 的夹角，但判别式小于的夹角，但判别式小于0时，则为时，则为 与与 的夹角式中用符号的夹角式中用符号 ，而不用，而不用 、、 ，表示它并不是真正的主应力，而是垂直于钻孔，表示它并不是真正的主应力，而是垂直于钻孔轴向平面内的似主应力轴向平面内的似主应力。

在实际计算中，由于考虑到应力解除是逐步向深在实际计算中，由于考虑到应力解除是逐步向深处进行的，实际上不是平面变形而是平面应力问处进行的，实际上不是平面变形而是平面应力问题，所以公式（题，所以公式（6-25）可改写为：）可改写为： （6-26） Ø四、应力恢复法四、应力恢复法u 应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前此法仅用于岩体表层，当已知种测试方法，目前此法仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用本方法较为方便某岩体中的主应力方向时，采用本方法较为方便u如果如果6-18所示，当洞室某侧墙上的表层围岩应力所示，当洞室某侧墙上的表层围岩应力的主应力方向各为垂直与水平方向时，就可用就的主应力方向各为垂直与水平方向时，就可用就应力恢复法测得的大小应力恢复法测得的大小图图6-18 应力恢复法原理图应力恢复法原理图u基本原理：在侧墙上沿测点基本原理：在侧墙上沿测点0，先沿水平方向，先沿水平方向（垂直所测的应力方向）开一个解除槽，则在槽（垂直所测的应力方向）开一个解除槽，则在槽的上下附近，围岩应力得到部分解除，应力状态的上下附近，围岩应力得到部分解除，应力状态重新分布。

在槽的中垂线重新分布在槽的中垂线OA上的应力状态，根上的应力状态，根据据H.N.穆斯海里什维里理论，可把槽看作一条缝，穆斯海里什维里理论，可把槽看作一条缝，得到得到：：（6-27） 式中, —— OA线上某点线上某点B的应力分量的应力分量;—— B点离槽中心点离槽中心O的距离的倒数的距离的倒数 ü在槽中埋设压力枕，并由压力枕对槽加压，若施在槽中埋设压力枕，并由压力枕对槽加压，若施加压力为加压力为P，则在，则在OA线上线上B点产生的应力分量为点产生的应力分量为:（6-28）ü当当压力枕所施加的力力枕所施加的力时，，这时B点的点的总应力力分量为：分量为：ü可见当压力枕所施加的力可见当压力枕所施加的力p 等于等于 时，则岩体时，则岩体中的应力状态已完全恢复，所求的应力中的应力状态已完全恢复，所求的应力 即由即由p值而得知，这就是应力恢复的基本原理值而得知，这就是应力恢复的基本原理u主要试验过程简述如下：主要试验过程简述如下： 1．在选定的试验点上，沿解除槽的中垂线上安．在选定的试验点上，沿解除槽的中垂线上安装好量测元件量测元件可以是千分表、钢弦应装好量测元件量测元件可以是千分表、钢弦应变计或电阻应变片等，若开槽长度为变计或电阻应变片等，若开槽长度为B，则应变则应变计中心一般距槽计中心一般距槽B/3，槽的方向与预定所需测定，槽的方向与预定所需测定的应力方向垂直。

槽的尺寸根据所使用的压力枕的应力方向垂直槽的尺寸根据所使用的压力枕大小而定槽的深度要求大于大小而定槽的深度要求大于B/22．记录量测元件．记录量测元件—应变计的初始读数应变计的初始读数3．开凿解除槽，岩体产生变形并记录应变计上的．开凿解除槽，岩体产生变形并记录应变计上的读数读数 4．在开挖好的解除槽中埋设压力枕，并用水泥砂．在开挖好的解除槽中埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙浆充填空隙5．待充填水泥浆达到一定强度以后，即将压力枕．待充填水泥浆达到一定强度以后，即将压力枕联结油泵，通过压力枕对岩体施压随着压力枕所联结油泵，通过压力枕对岩体施压随着压力枕所施加的施加的p的增加，岩体变形逐步恢复逐点记录压的增加，岩体变形逐步恢复逐点记录压力力p与恢复变形（应变）的关系与恢复变形（应变）的关系 6．当假设岩体为理想弹性体时，则当应变计恢复．当假设岩体为理想弹性体时，则当应变计恢复到初始读数时，此时压力枕对岩体所施加的压力到初始读数时，此时压力枕对岩体所施加的压力p即即为所求岩体的主应力为所求岩体的主应力• 如下图如下图6-20所示，所示，ODE为压力枕加荷曲线，压力枕为压力枕加荷曲线，压力枕不仅加压到使应变计回到初始读数不仅加压到使应变计回到初始读数（D点），即恢复点），即恢复了弹性应变了弹性应变 ，而且继续加压到，而且继续加压到E点，这样，在点，这样，在E点得点得到全应变到全应变 ；由压力枕逐步卸荷，得卸荷曲线；由压力枕逐步卸荷，得卸荷曲线EF，并，并得知：得知：• 这样，就可以求得产生全应变这样，就可以求得产生全应变 所相应的弹性所相应的弹性应变应变 与残余塑性应变与残余塑性应变 之值。

为了求得产生之值为了求得产生 所相应的全应变量，可以作一条水平线所相应的全应变量，可以作一条水平线KN与压与压力枕的力枕的OE和和EF线相交，并使线相交，并使MN= ，则此时，则此时KM就为残余塑性应变就为残余塑性应变 ，相应的全应变量，相应的全应变量 由值 就可在就可在OE线上求得线上求得C点，并求得与点，并求得与C点点相对应的相对应的p值，此即所求的值，此即所求的 值•除此以外，还可以由卸荷曲线求得残余塑性变形除此以外，还可以由卸荷曲线求得残余塑性变形所占全变形的比例，来推求初始应力例如某工所占全变形的比例，来推求初始应力例如某工程南程南424试点，压力枕加压所得的应力恢复变形试点，压力枕加压所得的应力恢复变形曲线如图曲线如图6-21所示图中所示图中p为压力枕的内压力，为压力枕的内压力，pr为施加于岩体的压力（单位均为为施加于岩体的压力（单位均为MPa）由于残余塑性变形占全变形的残余塑性变形占全变形的30%，残余变形占弹性，残余变形占弹性变形的变形的3/7，当解除变形，当解除变形 为为28μm，由图可得，由图可得到相应的岩体应力为到相应的岩体应力为1.18MPa。

•图图6-21 南南424试点应力恢复变形曲线及测量装置示意图试点应力恢复变形曲线及测量装置示意图第五节第五节 岩体初始应力状态岩体初始应力状态分布的主要规律分布的主要规律Ø 一、垂直应力随深度的变化一、垂直应力随深度的变化 u 岩体天然应力的垂直分量，一般认为等于岩体天然应力的垂直分量，一般认为等于 ，， 该点的上覆岩层的质量但从国内实测资料（水文该点的上覆岩层的质量但从国内实测资料（水文工程地质工程地质1980.2，陶振宇）看，垂直应力分量，陶振宇）看，垂直应力分量 与上覆岩层的质量与上覆岩层的质量 的比值在的比值在0.43～～19.8的范围的范围内，其中，（内，其中，（ / ）＞）＞1.2的占的占69%，（，（ / ）＜）＜0.8的占的占17.3%，这说明多数情况是（，这说明多数情况是（ / ）＞）＞1 u 有人总结了世界范围内的资料（有人总结了世界范围内的资料（25～～2700m范围内）范围内）后得出，后得出， 随深度随深度H的增大呈线性关系增加（图的增大呈线性关系增加（图6-22），大概相当于按平均密度为），大概相当于按平均密度为2.7g/cm3计算出来计算出来的重力的重力 。

Ø二、水平应力随深度的变化二、水平应力随深度的变化 u 水平应力与垂直应力的比值水平应力与垂直应力的比值K是随深度而变化的，是随深度而变化的，如图如图6-24所示在接近地表及浅层地层中，所测的所示在接近地表及浅层地层中，所测的地应力资料统计表明，大多数的实测结果表现了比地应力资料统计表明，大多数的实测结果表现了比值值K>1，即水平应力，即水平应力>垂直地应力但随着深度增加，垂直地应力但随着深度增加，就会出现就会出现K=1的状况，这个深度称为临界深度的状况，这个深度称为临界深度测量地区不同，临界深度也不同冰岛的实测资料表明测量地区不同，临界深度也不同冰岛的实测资料表明临界深度大约为临界深度大约为200m在南非和日本曾测得临界深在南非和日本曾测得临界深度为度为500m左右；在美国的水压致裂法测定资料表明，左右；在美国的水压致裂法测定资料表明，临界深度为临界深度为1000m左右而在加拿大和斯堪底维亚左右而在加拿大和斯堪底维亚测得的资料，在深度测得的资料，在深度2000m内，水平应力始终占优内，水平应力始终占优势，即临界深度在势，即临界深度在2000m以上Ø三、两个水平应力之间的关系三、两个水平应力之间的关系 u 关于两上水平应力关于两上水平应力 与与 间的关系，一般来讲，间的关系，一般来讲，无论是大区域或较小区域范围内，其大小和方向都无论是大区域或较小区域范围内，其大小和方向都有变化。

一般，有变化一般， / =0.2～～0.8，而大多数为：，而大多数为： 0.4～～0.7u根据不完全统计，我国与欧洲的资料列于表根据不完全统计，我国与欧洲的资料列于表6-2表6-2 两上水平应力分量之间的关系/实测地点统计数目 / 的比值（%）1.0～0.750.75～0.500.5～0.250.25～0合计斯堪的纳维亚等地511467136100北 美2222246239100中 国551256248100第六节第六节 高地应力地区的高地应力地区的主要岩石力学问题主要岩石力学问题Ø一、研究高地应力问题的必要性一、研究高地应力问题的必要性 u（一）（一）研究地应力是研究岩体力学不可缺少的一研究地应力是研究岩体力学不可缺少的一部分岩体力学与其他力学学科的最根本的区别部分岩体力学与其他力学学科的最根本的区别在于：岩体中具有初始地应力，所有一切岩体力在于：岩体中具有初始地应力，所有一切岩体力学现象都与地应力的大小有关因此，研究高地学现象都与地应力的大小有关因此，研究高地应力问题本身就是力学的基本任务应力问题本身就是力学的基本任务u（二）（二）岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地应力大小的变化而变化。

力传播规律都要受到地应力大小的变化而变化 l 例如，在低地应力和偏低压情况下，岩体的脆例如，在低地应力和偏低压情况下，岩体的脆断特性表现明显，受节理面制约而表现的各向异断特性表现明显，受节理面制约而表现的各向异性和非连续性也很明显岩体破坏时，峰值强度性和非连续性也很明显岩体破坏时，峰值强度与残余强度之间数值差较大在高地应力条件下，与残余强度之间数值差较大在高地应力条件下，岩体的脆性表现不太明显，而塑性表现明显，节岩体的脆性表现不太明显，而塑性表现明显，节理面的存在所引起的各向异性也会明显减弱，表理面的存在所引起的各向异性也会明显减弱，表现出连续介质的特性而且会呈现出高地应力的现出连续介质的特性而且会呈现出高地应力的特殊现象，有必要进行深入研究特殊现象，有必要进行深入研究u（三）（三）随着我国中、西部的开发，尤其是水电随着我国中、西部的开发，尤其是水电系统的工程建设，在高地应力地区出现特殊的系统的工程建设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题提出了新地压现象，给岩体工程稳定问题提出了新课题由于缺乏研究，对于高地应力地区出现的课题由于缺乏研究，对于高地应力地区出现的岩石力学问题缺乏有力的对策和措施，工程建设岩石力学问题缺乏有力的对策和措施，工程建设的发展需要研究高地应力问题。

的发展需要研究高地应力问题Ø二、高地应力判别准则和高地应力现象二、高地应力判别准则和高地应力现象u（一）高地应力判别准则（一）高地应力判别准则 1））不同学科与不同工程，对高地应力问题的表现和不同学科与不同工程，对高地应力问题的表现和理解不同，判别标准也不同所以，目前国际国内理解不同，判别标准也不同所以，目前国际国内尚无统一的标准尚无统一的标准 2））国内一般岩体工程以初始地应力在国内一般岩体工程以初始地应力在20～30MPa为为高地应力，因为在这样的应力水准下就易于出现高地高地应力，因为在这样的应力水准下就易于出现高地应力现象应力现象3））由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储能也不由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储能也不同一般来说，地区初始地应力大小尚与该地区岩体同一般来说，地区初始地应力大小尚与该地区岩体的变形特性有关，岩质坚硬，则就储存弹性能多，地的变形特性有关，岩质坚硬，则就储存弹性能多，地应力也大一般判别高地应力用比值应力也大一般判别高地应力用比值 来衡量，来衡量，按按《《工程岩体分级标准工程岩体分级标准》》（（GB50218-94））：： ＜＜4，称为极高初始地应力，，称为极高初始地应力， =4～～7为高地应力。

为高地应力上式中，上式中， 为岩石单轴饱和抗压强度；为岩石单轴饱和抗压强度； 为垂直洞轴线方向的最大初始地应力，即为垂直洞轴线方向的最大初始地应力，即 u（二）高地应力现象（二）高地应力现象（（1））岩芯饼化现象岩芯饼化现象在中等强度以下的岩体中在中等强度以下的岩体中进行勘探时，常可见到岩芯饼化现象美国进行勘探时，常可见到岩芯饼化现象美国L.Obert和和D.E.Stophenson（（1965年）年）用实验用实验验证的方法同样获得了饼状岩芯，并确定了饼状验证的方法同样获得了饼状岩芯，并确定了饼状岩芯是高地应力产物；从岩石力学破裂成因来分岩芯是高地应力产物；从岩石力学破裂成因来分析，岩芯饼化是剪张破裂产物除此以外，还能析，岩芯饼化是剪张破裂产物除此以外，还能发现钻孔缩径现象发现钻孔缩径现象 （（2））岩爆岩爆在岩性坚硬完整或较完整的高地应在岩性坚硬完整或较完整的高地应力地区开挖隧洞或探洞时，在开挖过程中，时有力地区开挖隧洞或探洞时，在开挖过程中，时有岩爆发生岩爆发生岩爆现象表现为随着巨大的响声，岩岩爆现象表现为随着巨大的响声，岩片以极快的速度向洞室内飞散开来，岩片呈透镜状或叶片以极快的速度向洞室内飞散开来，岩片呈透镜状或叶片状，其边缘像刀刃一样锐利片状，其边缘像刀刃一样锐利。

因此，岩爆就是岩石被因此，岩爆就是岩石被挤压到弹性限度，岩体内积聚的能量突然释放所造成的挤压到弹性限度，岩体内积聚的能量突然释放所造成的一种岩石破坏现象岩爆的发生常常造成隧洞或坑道的一种岩石破坏现象岩爆的发生常常造成隧洞或坑道的破坏，砸坏施工机械，并严重威胁着洞内工作人员的安破坏，砸坏施工机械，并严重威胁着洞内工作人员的安全从爆落岩片开头和留在洞壁的凹坑形状比较分析，全从爆落岩片开头和留在洞壁的凹坑形状比较分析，以岩石力学的观点来看，认为岩片是在压应力作用下的以岩石力学的观点来看，认为岩片是在压应力作用下的张破裂或剪切破坏而形成的破裂碎片以岩爆发生的部张破裂或剪切破坏而形成的破裂碎片以岩爆发生的部位来看，经常是在主地应力方向线与隧洞外轮廓相切的位来看，经常是在主地应力方向线与隧洞外轮廓相切的部位，因为这是应力集中最大的部位部位，因为这是应力集中最大的部位（（3））探硐和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶探硐和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑并有较大变形，在中等强度以下的岩体中哑并有较大变形，在中等强度以下的岩体中 ，开挖探硐，开挖探硐或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩体或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩体产生剥离现象。

有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤产生剥离现象有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有破哑声在软质岩体中则产生洞体较大的变形，击时有破哑声在软质岩体中则产生洞体较大的变形，位移显著，持续时间长，洞径明显缩小位移显著，持续时间长，洞径明显缩小4））岩质基坑底部降起、剥离以及回弹错动现象岩质基坑底部降起、剥离以及回弹错动现象在坚硬岩体表面开挖基坑或槽，在开挖过程中会产生坑突坚硬岩体表面开挖基坑或槽，在开挖过程中会产生坑突然隆起、断裂，伴有响声；或在基坑底部产生隆起剥离然隆起、断裂，伴有响声；或在基坑底部产生隆起剥离在岩体中，如有软弱夹层，则会在基坑斜坡上出现回弹在岩体中，如有软弱夹层，则会在基坑斜坡上出现回弹错动现象（见图错动现象（见图6-26）（（5））野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高由于高地应力的存在，致使岩体的声岩块试验结果高由于高地应力的存在，致使岩体的声波速度、弹性模量等参数增高，甚至比实验室无应力状波速度、弹性模量等参数增高，甚至比实验室无应力状态岩块测得的参数高野外原位变形测试线曲线的形状态岩块测得的参数高野外原位变形测试线曲线的形状也会变化，在坐标轴上有截距（图也会变化，在坐标轴上有截距（图6-27）。

Ø 图图6-26 基坑边坡回弹错动基坑边坡回弹错动 图图6-27 高地应力条件下岩体变形曲线高地应力条件下岩体变形曲线 Ø三、研究高地应力应注意的几个问题三、研究高地应力应注意的几个问题u（一）关于岩体的（一）关于岩体的潜塑潜塑状态状态l 由第二章所述岩石强度理论可知，岩石（体）由第二章所述岩石强度理论可知，岩石（体）发生何种破坏以及何种破坏形式，都可以通过莫发生何种破坏以及何种破坏形式，都可以通过莫尔包络线来判断由实验结果作出莫尔强度线尔包络线来判断由实验结果作出莫尔强度线（图（图6-28），然后根据岩体中的最大应力状态在），然后根据岩体中的最大应力状态在同一图中绘出应力圆，若应力圆位于莫尔包络线同一图中绘出应力圆，若应力圆位于莫尔包络线（图（图6-28曲线曲线2-2）以内，岩体处于弹性状态并）以内，岩体处于弹性状态并不发生破坏；若应力圆与曲线不发生破坏；若应力圆与曲线2-2相切或相交，相切或相交，则岩体出现塑性状态或断裂破坏则岩体出现塑性状态或断裂破坏 l由本章第二节及第四节有关内容可知，岩体的初始应由本章第二节及第四节有关内容可知，岩体的初始应力状态是十分复杂的。

一般来说，垂直应力大体等力状态是十分复杂的一般来说，垂直应力大体等于上覆岩层的重量于上覆岩层的重量 而水平应力也是随埋深而增而水平应力也是随埋深而增加，加， 在地壳表层，有在地壳表层，有K＞＞1的情况，的情况，也有也有K＜＜1的情况；随着深度增加，则会出现的情况；随着深度增加，则会出现K=1，，即静水压力状态即静水压力状态出现出现K=1的深度称为临界深度的深度称为临界深度，，世界各地的临界深度是不同的，有的地区较浅，仅世界各地的临界深度是不同的，有的地区较浅，仅200m左右，有的地区则在左右，有的地区则在2000m以上岩体在未以上岩体在未经开挖前，它的初始应状态一般可由垂直应力经开挖前，它的初始应状态一般可由垂直应力 与与水平应力水平应力 为主应力状态构成的应力圆来表示在为主应力状态构成的应力圆来表示在K=1的情况下，无论的情况下，无论 和和 绝对值为多大，由绝对值为多大，由于于 ，应力状态所构成的应力圆只是横坐标轴，应力状态所构成的应力圆只是横坐标轴上的一个点，应力绝对值大小则反映在坐标轴上上的一个点，应力绝对值大小则反映在坐标轴上的位置不同。

所以，在这种应力状态下，岩体单的位置不同所以，在这种应力状态下，岩体单元永远呈稳定状态，不会产生破坏元永远呈稳定状态，不会产生破坏一旦岩体被一旦岩体被开挖，开挖面附近的岩体单元由于一部分受力的开挖，开挖面附近的岩体单元由于一部分受力的岩体被挖去而产生不平衡力，岩体中的应力要重岩体被挖去而产生不平衡力，岩体中的应力要重新调整，这被称为应力重分布新调整，这被称为应力重分布应力重分布以后应力重分布以后岩体单元的应力状态作为主应力岩体单元的应力状态作为主应力 或或 而存在，另一垂直方向的应力则作为另一主应力而存在，另一垂直方向的应力则作为另一主应力若该主应力为拉应力，则组成的应力圆为单向受若该主应力为拉应力，则组成的应力圆为单向受拉状态；若该主应力为压应力，则组成的应力圆拉状态；若该主应力为压应力，则组成的应力圆为单向受压状态为单向受压状态该主应力的大小依据初始应力该主应力的大小依据初始应力 、、 的大小，洞形及岩的大小，洞形及岩体单元在洞周的位置不同而变化若初始地应力为体单元在洞周的位置不同而变化若初始地应力为 ，应力重分布后的另一应力一般等于（，应力重分布后的另一应力一般等于（-1～～3）） ，，并依此可构成应力圆，由莫尔包络线来判断岩体单元并依此可构成应力圆，由莫尔包络线来判断岩体单元的稳定状态。

以另一侧的主应力的稳定状态以另一侧的主应力 为例，就可为例，就可以由以由 和和 而构成应而构成应力圆力圆 l岩体单元是否会进入塑性状态（应力圆与莫尔包络岩体单元是否会进入塑性状态（应力圆与莫尔包络线相切），就取决于初始地应力线相切），就取决于初始地应力 的大小与岩体的大小与岩体单轴抗压强度单轴抗压强度 的大小如的大小如 ，则应力重，则应力重分布后应力圆在包络线范围内，岩体单元仍处分布后应力圆在包络线范围内，岩体单元仍处于弹性状态（图于弹性状态（图6-28）若 ≤ ，应力圆就，应力圆就会与强度包络线相遇，则应力重分布后岩体单元会与强度包络线相遇，则应力重分布后岩体单元就会进入就会进入塑性状态或产生破坏塑性状态或产生破坏（图（图6-28））l我们把我们把在初始应力状态下岩体单元处于稳定（弹在初始应力状态下岩体单元处于稳定（弹性）状态而一旦开挖就会处于塑性（破坏）状态性）状态而一旦开挖就会处于塑性（破坏）状态的岩体，称为岩体处于潜塑状态的岩体，称为岩体处于潜塑状态。

很显然，这种很显然，这种处于潜塑状态的岩体实际上就是处于高地应力状处于潜塑状态的岩体实际上就是处于高地应力状态从而也可以理解，高地应力的概念不仅取决态从而也可以理解，高地应力的概念不仅取决于初始地应力的绝对值，而且与工程状况（应力于初始地应力的绝对值，而且与工程状况（应力重分布状况不同）以及岩体坚硬程度（岩体的重分布状况不同）以及岩体坚硬程度（岩体的 ，，c，， 值）有关值）有关•图图6-28 用应力圆和莫尔包络线判断岩体是否破坏或进入用应力圆和莫尔包络线判断岩体是否破坏或进入塑性状态塑性状态u（二）处理高地应力的岩石力学原则（二）处理高地应力的岩石力学原则l 高地应力问题是近一、二十年才碰到的工程高地应力问题是近一、二十年才碰到的工程岩石力学问题，而且一旦遇到岩爆或大面积剥岩石力学问题，而且一旦遇到岩爆或大面积剥离，就会使施工人员受到伤害或工程稳定性得离，就会使施工人员受到伤害或工程稳定性得不到保证，所以对此问题应引起足够重视但不到保证，所以对此问题应引起足够重视但有关处理的报导不多，我们只能根据现有工程有关处理的报导不多，我们只能根据现有工程所采用的处理原则进行一些归纳，供参考所采用的处理原则进行一些归纳，供参考 。

1））在工程勘测期间，及早发现高地应力问题，在工程勘测期间，及早发现高地应力问题，以便及早作出应对措施和准备工作以便及早作出应对措施和准备工作 2））有岩爆等产生的工程伤害性的高地应力现象，有岩爆等产生的工程伤害性的高地应力现象，从岩石力学观点来讲，其基本特点是岩体完整坚从岩石力学观点来讲，其基本特点是岩体完整坚硬、积聚了大量能量因而，对应处理的基本思硬、积聚了大量能量因而，对应处理的基本思想是及早降低应力，释放能量想是及早降低应力，释放能量具体做法有：具体做法有：在在开挖面上及时打超前密集小孔；或从开挖面向钻开挖面上及时打超前密集小孔；或从开挖面向钻孔内和在一定深度内放炮，使在洞室四周一定范孔内和在一定深度内放炮，使在洞室四周一定范围内形成破碎带，从而降低洞周的应力围内形成破碎带，从而降低洞周的应力3））及时采取临时或永久性防护措施，使岩爆与及时采取临时或永久性防护措施，使岩爆与施工人员一定程度隔离开来；对大型洞室，为了施工人员一定程度隔离开来；对大型洞室，为了保护施工人员及机械的安全，可及早布置加保护施工人员及机械的安全，可及早布置加挂钢筋网，使过大的岩块不致伤害人、机挂钢筋网，使过大的岩块不致伤害人、机。

在设计支护结构时，考虑到高地应力引起的岩在设计支护结构时，考虑到高地应力引起的岩体位移变形量大，切忌设计刚性支护硬顶，而体位移变形量大，切忌设计刚性支护硬顶，而宜设计柔性支护，例如锚喷结构与高地应力状宜设计柔性支护，例如锚喷结构与高地应力状态协调4））工程中设计一定的应力降低措施：注意到工程中设计一定的应力降低措施：注意到岩爆等现象前在开挖面内一定深度范围内出现，岩爆等现象前在开挖面内一定深度范围内出现，这是因为开挖面形成了开挖空间和周围岩体中这是因为开挖面形成了开挖空间和周围岩体中出现应力重分布现象，可以想象，在完整岩体出现应力重分布现象，可以想象，在完整岩体中开挖隧洞过程中，如果同时在隧中开挖隧洞过程中，如果同时在隧洞两侧腰部切割一定深度的应力释放槽，就可使洞两侧腰部切割一定深度的应力释放槽，就可使隧洞周边一定范围内的应力进行释放，或将应力隧洞周边一定范围内的应力进行释放，或将应力集中的范围转移到岩体深部去如果岩体完整性集中的范围转移到岩体深部去如果岩体完整性好，也可以沿轴方向隔一定间距多开几条释放槽，好，也可以沿轴方向隔一定间距多开几条释放槽，确保应力释放和转移还有在设计岩体工程时，确保应力释放和转移。

还有在设计岩体工程时，应尽量避免引起应力集中的开挖形态，避免不必应尽量避免引起应力集中的开挖形态，避免不必要的小型叉洞和形状突变的洞形要的小型叉洞和形状突变的洞形 Ø我国九五规划建设重点开始向中、西部转我国九五规划建设重点开始向中、西部转移，由于我国中、西部绝大部分是山区，移，由于我国中、西部绝大部分是山区，今后建设工程会大量遇到岩体力学问题，今后建设工程会大量遇到岩体力学问题，也必然会碰到高地应力问题相信随着研也必然会碰到高地应力问题相信随着研究工作的不断深入和工程实践不断探索，究工作的不断深入和工程实践不断探索，对高地应力问题的认识会进一步加深，同对高地应力问题的认识会进一步加深，同时一定也会更多地创造出良好的对策和工时一定也会更多地创造出良好的对策和工程措施本章完）程措施本章完）。