第五章 1 岩体应力与围岩应力分布.docx

第五章 岩体应力与围岩应力分布岩石变形和破坏都是在应力作用下的结果岩体中的应力有多大，又是怎样分布的呢？地下洞室开挖及建筑物作用，又会使岩体中的应力发生什么样的变化呢？因此，对岩体的稳定性分析，首先要掌握岩体中的应力状态和分 布规律岩体应力种类和分布1．岩体应力种类1）．自重应力 由岩体的自重所引起的应力称为岩体的自重应力2）．构造应力 由地壳构造运动在岩体中所引起的应力称为构造应力3）．温度应力由岩体内地温梯度的影响而产生的应力称温度应力4）．成岩应力 岩石生成过程中在成岩作用下所产生的应力 如结晶作用，变质作用，沉积作用，固结作用，脱水作用等5）．渗流荷载 地下水在岩体中运动所产生的荷载 渗流荷载一般作为外荷载6）．附加应力 由建筑物在岩基中所引起的应力7）．围岩应力① 应力重分布：地下洞室开挖后，使岩体中原来的应力发生改变, 把应力的这种变化称为应力重分布② 围岩：把应力重分布影响范围内的岩体称为围岩一►③ 围岩应力：围岩内的应力叫围岩应力2、地应力概念1）. 地应力岩体中各种应力的总称（一般不包括渗流荷载）2）. 应力场应力在空间有规律的分布状态称为应力场 如自重应力场，构造应力场。

3）. 天然应力（或初始应力）指工程施工前就存在于岩体中的应力，如自重应力、构造应力 温度应力、渗流荷载在天然应力中，成岩应力仅在岩石生成过程中起作用，温度应力 在地表浅部作用较小，所以，岩体中天然应力主要是构造应力和自重 应力，两者构成了天然应力场的主要部分岩体在长期的地质作用过程中，已处于一种天然的平衡状态，但 在工程建设中，不仅会施加附加应力，还会引起应力重分布，正是由 于工程建筑，岩体的天然稳定状态将随之改变3、天然地应力分布岩体中的天然应力状态：非常复杂影响因素：地质构造、岩性、地形、地貌等岩体中的天然应力大小及分布规律的认识仍是初步的到目前为止，对天然应力还缺乏完整的系统理论，还无法进行较完善的理论计算，只能由实测来确定这就给天然应力场的确定造成很大困难1）．岩体应力分布的本构模型设岩体为均质各向同性的弹性体，则按弹性力学原理有下列定解 问题1）平衡方程3c 比 Qt——+ ——y^ + ——z^ + X = 0 3x 3y 3zQt 3c Qt< ——+ + ——+ y = 0,Qx Qy QzQt Qt Qc——x^ + ——y^ + z + z = 0Qx Qy Qz（x、y、z是体积力），可推出［HJc + F = 02）应变与位移方程dudvdu,Y == +—dxxydxdydu ，dwdv ，Y二 +——dyyzdydzdu ，dudw ,dzY 二 zx+ dzdxxyz3）物理方程（应力与应变关系式）。

｝=1^怡｝（或《｝= [C]｛y｝）(4)边界条件(a) 位移边界条件：{u}={u0}(b) 应力边界条件：{Pn}=[o J{a } 或{o } = {O 0}u = 0很远解法：① 位移解法； ②应力解法特殊形状规则条件简单可得解析解然而，天然岩体并非理想的 弹性体，一般用有限元2）、自重应力场 在讨论岩体自重应力时假定：岩体为均质，各向同性的连续介质 这样可按弹性力学原理求解自重应力d=0dzQta）对于平面问题，若体积力为重力，则有 x-dxdo< M +dzV2(0 +o ) = 0xy式中Y为岩石的容重对于没有承受荷载的水平地表，由（a）得G = Y ・ z， T = 0 z xz均质各向同性介质体取 z 轴重直向下， x 、 y 面与地表一致的半无限体，在深度z处的垂直应力G =Y -zzy —岩体的容重（KN/m3）在水平方向上，有G =G ， £ = £x y x y考虑半无限体中的任一单元体都不可能产生侧向变形，则 £ =£ = 0按广义虎克定律：有◎ u uF — ◎ = 0E E y E zu◎ ◎二 K ◎x y 1— u z 0 zK =—^为岩石的静止侧压力系数，卩一泊松比 0 1-卩特点：①垂直和水平应力都是压应力。

② 在近地表浅部，或具有垂直张裂隙的岩体，在自重应力下，侧 向变形不受限制，则有◎ " =0，◎ =丫・z，即Ko=0ox y z 0③ 一般情况，岩石的实验室测定的卩=0.2〜0.3，则K°=0.25〜0.4 即c二◎沁1 c，水平应力约为垂直应力1/3x y 3 z④ 在地下深部，由于岩体处于塑性状态“〜0.5，则c =c二c，xyz 即天然自重应力场是静水压力状态，这就是著名的海姆假设非均质各向异性介质1）水平成层的岩体c = Y r - h ，z i i卩 Ec =c = --4^ cx y 1 — p E z丄h yxzhrrE r 'hi ii=1由广义虎克定律:—(J (J = 0E E y E// // 丄E——平行层理方向的弹模 //垂直层理方向的弹模(2)铅直成层的岩体X 1 - |Ll E <丄z],3）．构造应力场构造应力量由多种地壳构造运动而产生的应力，其特点是多以水平应力为主，即o h>o水平应力大于垂直应力构造应力只能由实测 hv获得4）．天然应力场的分布规律① 地应力场属于非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，其主应 力的大小和方向是随时间和空间而变化的。

到另一工程段都会发现应力大小与方向的显著变化；地宓力随时间变化更为明显，以！976 年的唐山地震为例，庄震前的1971年到1973年，自顺义吴雄寺测得的％^由0.65MPa积累 到l.lMPa；然而在震后的1976年g月到1977年7月，珀’则由0*9SMPa释放到0.3MP屯 此外，在地農期间最犬主应力力向可发生1『的变化，但主震后的一年左右，其应力方向 又会恢复到曜前方向.② 垂直应力随深度的变化垂直应力随深度而增大，且多呈线性增大，经统计，大概相当于平均容重为27KN/m3计算出来的重力Y③ 水平应力随深度的变化经各国实测统计结果，水平应力随深度增加呈线性关系，增大是 普遍规律• ■「测虽地点苦 性葆 度Cm)水平趙力(MPa)垂直应力水平应力 与蜀直应 力之比5打工程二号厂岗障:狀厚檯砂岩083.892.571.50映需翘毗下厂房花岗及花岗闪畏岩l 20012^69,921・巴、西藏琴桌璀湖电站厂岗泥质页袴及秒岗n点囲1.M50「・1二推电站厂房花崗岩WGg』2i.6Z'EH1工裡花崗岩 ^5〜§012.04*00U.30三峡XX机区.薄层中厚层檄结昱祀质条带僭15*75札鬧沢®i三集* X坝氏龙制灰岩100fi.384 .關2,nn太平坝二号滴黄緩花岗君一囚怏畧20,510.7［恋白山玉程「混命岩GO45*617.82,50以祉河三缴电站破酣玄武君enU932.S2(L讯氐札河三级电站火山角砾岩60O*S160*9540廊以礼河三级电姑玄武岩1751.992.3ft站內以礼河三级电站火山傅砥岩2208,^77.971.1?西洱河一级电站眼球狀片麻岩及看英云母片 岩夹黑云母眼球片麻岩608JS6 J>7I.3G云南第四臥厂石灰岩0〜"1.72~2 •汕人抹〜I YR1*胖④ 水平应力与垂直应力关系经大量实测统计，水平应力增加的梯度小于垂直应力的梯度，即O ~z斜率小于O〜h hv的斜率，则地表以下某一深度h0有：当h>h0时，有:当 h>h 时， O >O0 v hh

如果应力超过岩体强 度，光体破坏，应力就释放因此，岩动学性质对天然应力的影响十 分明显一般，①弹性模量较大的岩体有利于天然应力的积累；②而 塑性岩体易产生变形，不利用于应力积累；③对于软硬相间的岩石， 由于变形不均匀，将会产生附加应力二、高地应力问题岩体中的应力积累达到单轴强度时，就是高地应力高地应力表 现特征，首先是地震，在工程上① 岩爆、剥离 由于高地应力的存在，在地下洞室开挖中，会出现岩石的脆性破 裂，积聚在岩石中的应变能由于突然释放而产生岩爆或剥离在开挖前，岩石处于天向应力状态，岩石强度相对较离，当开挖 后，侧向应力减小至零，而岩石中的应力积累已超过岩石单轴强度， 则当应力超过值较小时，出现岩石剥离，应力大时出现岩爆② 岩坡错动边坡开挖中，由于高地应力卸荷后，发生岩坡错动有两种形式开挖线! A"③ 洞室缩径当洞壁应力超过岩石强度时，岩石向洞内变形这是软岩强流变成柔性剪切破坏的结果缩径多发生在矿山工程中（地下深部巷道）三、岩体渗流荷载分析1．等效连续介质渗流把裂隙岩体视为等效连续介质（如同土体一样），假定地下水渗流为层流（符合达西定律），则渗流微分方程为：aOxOH、Ox丿OH '°y丿+ lf KOz丿er （已知水头边界）1K型二q，（X, y, Z）er （已知补、排量边界） n dn 0 1n — r 上任一点的外法线方向。

2对上述是解问题求解可得岩体中渗流场分布一般只能用数值解 法2、离散介质渗流按岩体中的结构面所构成的空阀网络系统（即三维裂隙网络）， 假定每一条裂隙中的渗流为层流，符合单裂隙中的渗流方程，即布西 涅斯基定律V = r -b 2 J = K • J12 R对于离散介质渗流，只能建立离散的数值方程迓 T H = F1 j j 1 j=1迓 T H = Fnj j n j=1四、岩体应力的现场量测： 工程上常用的应力解除法和应力恢复法1、应力解除法 应力解除法既可量测洞室周围较强部分的岩体应力，又可量 测岩体深部的应力一） 应力解除法的基本原理 现在就以测定洞室边培岩体深部的应力为例，说明应力解除 法的基本原理f C)- 直洞窒边坟 根据材料力学的原理，，大小主应变可由下式计算求得主应变纭…％，之后，可按下式计算相应于这两个方向的主应力旷叭工与％ 灯皿x = 丁吕^亍（。