巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)

1、巖體力學(xué)Rock Mass Mechanics第六章：巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)Initial stress state of Rock Mass本章內(nèi)容本章內(nèi)容6.1 幾個(gè)基本概念6.2 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)及其影響因素6.3 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法6.5 高地應(yīng)力地區(qū)主要巖體力學(xué)問題本章內(nèi)容及基本要求1、巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的構(gòu)成；2、重力應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)；3、原巖應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)；4、應(yīng)力解除法的基本原理。重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)難點(diǎn)：1、掌握本課程重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容；2、了解原巖應(yīng)力分布狀態(tài)；3、了解影響原巖應(yīng)力分布的因素；4、熟悉幾種應(yīng)力解除法（孔底應(yīng)力解除法、孔壁應(yīng)變法、孔徑變

2、形法）測(cè)試原巖應(yīng)力的方法和測(cè)試步驟。基本要求：基本要求：本章內(nèi)容及基本要求原巖：原巖：未經(jīng)工程開挖而又不受開挖影響仍處于自然平衡狀態(tài)的巖體，稱為原巖。 原巖應(yīng)力：原巖應(yīng)力：原巖中天然賦存的應(yīng)力稱為原巖應(yīng)力，又稱為初始應(yīng)力或地應(yīng)力。圍巖：圍巖：受工程開挖影響應(yīng)力發(fā)生重新分布的巖體。圍巖應(yīng)力：圍巖應(yīng)力：洞室開挖后，周圍巖體失去原來的支撐，開始向洞內(nèi)位移，引起洞周一定范圍內(nèi)巖體應(yīng)力改變，重新調(diào)整形成新的應(yīng)力，稱為圍巖應(yīng)力，也稱次生應(yīng)力或二次應(yīng)力。自重應(yīng)力：自重應(yīng)力：地殼上部各種巖體由于受到地心引力的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力。它是由巖體自重引起的。 6.1 幾個(gè)基本概念構(gòu)造應(yīng)力：構(gòu)造應(yīng)力：由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的

3、應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。或地殼中長(zhǎng)期存在著一種促使構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。原巖應(yīng)力場(chǎng)：原巖應(yīng)力場(chǎng)：原巖應(yīng)力在巖體空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為原巖應(yīng)力場(chǎng)，又稱為初始應(yīng)力場(chǎng)。即未經(jīng)采動(dòng)的巖體在天然狀態(tài)下所具有的應(yīng)力狀態(tài)。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)：構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)：構(gòu)造應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。 原巖應(yīng)力原巖應(yīng)力自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力 迄今為止，對(duì)原巖應(yīng)力還無法進(jìn)行較完善的理論計(jì)算，而只能依靠實(shí)際測(cè)量來建立巖體中初始應(yīng)力狀態(tài)。6.1 幾個(gè)基本概念 在均勻巖體中，巖體的垂直應(yīng)力垂直應(yīng)力 z z等于上浮巖體的重量：iniizh 1 zz 6.2 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)及其影響因素p6.2.1

4、巖體自重應(yīng)力場(chǎng) 若認(rèn)為巖體為均質(zhì)、連續(xù)且各向同性體，各巖體單元橫向變形為0，即x= y=0，則由廣義胡克定律： 11xxyzyyzxEE 其中為側(cè)壓力系數(shù)，巖體（0.2,0.3），則（0.25,0.43）；另外， zzyx 1解上式得水平應(yīng)力水平應(yīng)力 x x、 y y為為：0 zxyzxy 6.2 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)及其影響因素p6.2.1 巖體自重應(yīng)力場(chǎng) 巖體自重應(yīng)力隨著深度呈線性增加，淺部處于彈性狀態(tài)；超某一臨界深度（砂巖500m、花崗巖2500m），巖體處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)（開挖前為彈性，開挖后呈塑性），此時(shí)，其近于0.5，則近于1.0，巖體所受垂直與水平應(yīng)力相等，即靜水

5、壓力狀態(tài)靜水壓力狀態(tài)，該現(xiàn)象瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆（A.Heim）1987年在研究阿爾卑斯山深大隧道時(shí)發(fā)現(xiàn)，稱為海姆假說海姆假說。6.2 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)及其影響因素p6.2.1 巖體自重應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力：構(gòu)造應(yīng)力：由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力；地質(zhì)構(gòu)造水平包括水平運(yùn)動(dòng)（造山運(yùn)動(dòng)）與垂直運(yùn)動(dòng)（造陸運(yùn)動(dòng)），水平運(yùn)動(dòng)如板塊移動(dòng)、碰撞，對(duì)巖體構(gòu)造應(yīng)力的形成起控制作用，即構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主。目前，構(gòu)造應(yīng)力尚無法用數(shù)學(xué)力學(xué)的方法分析計(jì)算，只能采用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力量測(cè)方法求得，但構(gòu)造應(yīng)力的方向可根據(jù)地質(zhì)力學(xué)的方法加以判斷。例如，對(duì)于斷層、褶曲等一般認(rèn)為自重應(yīng)力是主應(yīng)力之一，另一主應(yīng)力與斷裂構(gòu)造系正交。6.2 巖

6、體初始應(yīng)力場(chǎng)及其影響因素p6.2.2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)正斷層：正斷層：1自重應(yīng)力， 3與斷層走向正交逆斷層：逆斷層：3自重應(yīng)力， 1與斷層走向正交平移斷層：平移斷層：2自重應(yīng)力， 1與斷層走向成3045夾角，且1與2均為水平方向，巖脈、褶曲巖脈、褶曲均可推斷構(gòu)造應(yīng)力方向，見圖6-3。6.2 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)及其影響因素p6.2.2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)正斷層:上盤下降，下盤相對(duì)上升，多為張力和重力作用；逆斷層：上盤上升，下盤相對(duì)下降，多為水平擠壓作用。平移斷層：應(yīng)力是來自兩旁的剪切力作用，其兩盤順斷層面走向相對(duì)位移，而無上下垂直移動(dòng)。 除地質(zhì)構(gòu)造和自重應(yīng)力外，地形、地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、巖體力學(xué)性質(zhì)、水、溫度等。（一）

7、地形（一）地形故，山峰處初始應(yīng)力低，溝谷處初始應(yīng)力高山峰處初始應(yīng)力低，溝谷處初始應(yīng)力高6.2 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)及其影響因素p6.2.3 影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的因素（二）地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)（二）地質(zhì)構(gòu)造形態(tài) 背斜褶曲背斜褶曲，兩翼自重應(yīng)力大，中部低承載拱受力特點(diǎn)；向斜褶曲，相反。 斷層斷層，楔體A產(chǎn)生卸荷作用，自重應(yīng)力降低；而楔體B產(chǎn)生加荷作用，自重應(yīng)力升高。6.2 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)及其影響因素p6.2.3 影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的因素（三）巖體力學(xué)性質(zhì)（三）巖體力學(xué)性質(zhì) 堅(jiān)硬完整堅(jiān)硬完整（積聚大量應(yīng)變能）巖體，初始地應(yīng)力高；軟弱破碎軟弱破碎巖體，初始地應(yīng)力低； 耶格提出初始地應(yīng)力與巖體抗壓強(qiáng)度成正比；E大

8、于50GPa， 1一般1030MPa， E小于10GPa， 1一般小于10MPa。（四）水（四）水 巖體裂隙或孔隙中的水，靜止時(shí)靜水壓力靜水壓力（地下水位的升降引起初始地應(yīng)力的減增），流動(dòng)時(shí)動(dòng)水壓力動(dòng)水壓力（給予周圍巖體動(dòng)水摩擦力和動(dòng)水流向應(yīng)力，增加初始應(yīng)力）。6.2 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)及其影響因素p6.2.3 影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的因素（五）溫度（五）溫度 巖漿侵入或者隨著深度的增加，溫度升高，使巖體膨脹，產(chǎn)生熱應(yīng)力熱應(yīng)力，增加初始應(yīng)力； 若地溫梯度=3C/100m，巖體熱膨脹系數(shù)約為10-5，一般巖體彈性模量E=10GPa，則地溫引起的溫度應(yīng)力T約為： T =E Z=0.0310-5104 Z

9、=0.003 Z MPa Z為研究點(diǎn)處的深度，m。 巖體的溫度是壓縮應(yīng)力（熱漲、巖體限制、受壓），隨深度增加而增加隨深度增加而增加。溫度應(yīng)力約為自重應(yīng)力的1/9左右，且呈靜水壓力狀態(tài)。6.2 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)及其影響因素p6.2.3 影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的因素 目前，原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)深度達(dá)3000m。在這一深度內(nèi)，原巖應(yīng)力變化規(guī)律大致可歸納為以下幾點(diǎn)： 絕大多數(shù)地區(qū)為以水平應(yīng)力為主的三向不等壓且非穩(wěn)定（大小與方向隨空間與時(shí)間變化而變化）應(yīng)力場(chǎng)； 在某些地震帶，方向與大小隨時(shí)間變化而變化非常明顯，地震前應(yīng)力大小積累增大，地震中集中應(yīng)力釋放而大幅降低，而方向地震時(shí)明顯改變，地震后慢慢調(diào)整后恢復(fù)地震前狀態(tài)

10、。6.3 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律p6.3.1巖體初始應(yīng)力場(chǎng)是時(shí)間與空間的函數(shù) 全世界實(shí)測(cè)V統(tǒng)計(jì)資料分析表明，深度252700m， V線性增加，大致為=27kN/m3計(jì)算的自重應(yīng)力，部分地區(qū)存在偏差（測(cè)量誤差、板塊移動(dòng)、巖漿侵入、擴(kuò)容、不均勻膨脹等）。 霍克（霍克（E.Hoek）與布朗）與布朗（E.T.Brown）6.3 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律p6.3.2 實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量 實(shí)測(cè)表明，大多地區(qū)兩個(gè)主應(yīng)力方向水平或接近水平，其與水平面夾角一般不大于30。最大水平主應(yīng)力h,max普遍大于垂直應(yīng)力v ，其比值一般為0.55.5，大多數(shù)情況，比值大于2。 h,max與h,min的算

11、術(shù)平均值h,av與v的比值一般為0.55.0，大多數(shù)為0.81.5。這說明在地殼淺部巖體平均水平應(yīng)力普在地殼淺部巖體平均水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力遍大于垂直應(yīng)力。 垂直應(yīng)力大多時(shí)為最小主應(yīng)力；少數(shù)時(shí)為中間主應(yīng)力；個(gè)別時(shí)為最大主應(yīng)力。這是由于構(gòu)造應(yīng)力這是由于構(gòu)造應(yīng)力主要以水平應(yīng)力為主主要以水平應(yīng)力為主。6.3 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律p6.3.3水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力 表6-1為世界部分國(guó)家水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值統(tǒng)計(jì)。6.3 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律p6.3.3 水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力 圖6-8為世界部分國(guó)家取得的實(shí)測(cè)結(jié)果。6.3 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律p6.3.4平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比

12、值 隨深度增加而減小 圖6-8表明，深度不大的情況下， h,av/v的值相當(dāng)分散。隨著深度增加，該值的變化范圍逐步縮小，并趨近于l，這說明在地殼深部有可能出現(xiàn)靜水壓力在地殼深部有可能出現(xiàn)靜水壓力狀態(tài)狀態(tài)。 霍克和布朗根據(jù)圖6-8所示結(jié)果回歸出以下公式：,10015000.30.5h avvHH式中，H為深度，m。6.3 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律p6.3.4平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值 隨深度增加而減小 通過研究南部非洲、美國(guó)、日本、冰島及加拿大等地區(qū)的初始應(yīng)力量測(cè)結(jié)果，得到地殼內(nèi)水地殼內(nèi)水平應(yīng)力隨深度增加呈線性關(guān)系增大是普遍規(guī)律平應(yīng)力隨深度增加呈線性關(guān)系增大是普遍規(guī)律。 斯蒂芬森（O.Step

13、hansson）等人根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果給出了芬諾斯堪的亞古陸最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度H（m）變化的線性方程：,max,min6.7 0.0444()0.8 0.0329()hhHMPaHMPa6.3 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律p6.3.5水平主應(yīng)力隨深度呈線性增加 一般，最小水平主應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力的比值相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性，其比值通常為0.20.8，多數(shù)情況為0.40.8 ，見表6-2。6.3 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律p6.3.6 兩個(gè)水平主應(yīng)力一般相差較大量測(cè)目的：量測(cè)目的：了解巖體中應(yīng)力的大小與方向，為巖體工程受力狀態(tài)及巖體支護(hù)與加固提供依據(jù)，也可預(yù)報(bào)巖體失穩(wěn)和巖爆發(fā)生；分

14、為初始地應(yīng)力和地下工程應(yīng)力分布量測(cè)。量測(cè)方法：量測(cè)方法：一種是硐室表面測(cè)量，再把開挖擾動(dòng)考慮進(jìn)入（不準(zhǔn)確，甚至完全錯(cuò)誤；二是硐室表面打小孔進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)后小孔內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)力解除法與水壓致裂法）。具體的方法：具體的方法：據(jù)量測(cè)原理的不同有應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)應(yīng)力解除法力解除法、應(yīng)變恢復(fù)法應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)變解除法、水壓致裂水壓致裂法法、聲發(fā)射法聲發(fā)射法、X射線法、重力法共八類。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.1 概述1 1、基本原理、基本原理 對(duì)測(cè)試段鉆孔用特制封隔器密封起來，然后對(duì)密封段加高壓水直至孔壁巖石產(chǎn)生張裂隙。根據(jù)裂隙的方向及泵壓的大小分析確定原巖的應(yīng)力狀態(tài)。p水壓致水壓致裂裝置裂裝置

15、封隔器封隔器鉆孔鉆孔高壓水高壓水6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.2 水壓致裂法2 2、基本假設(shè)、基本假設(shè) （1）一個(gè)主應(yīng)力方向是垂直的，其大小等于上覆巖層的自重應(yīng)力。而另外兩個(gè)主應(yīng)力是水平的，且破裂方向垂直于最小主應(yīng)力方向。 （2）巖體是均質(zhì)、各向同性的線彈性體。3 3、適用條件：、適用條件： 完整性好的脆性巖體。完整性好的脆性巖體。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.2 水壓致裂法4、測(cè)試步驟、測(cè)試步驟（1）打鉆孔并用封隔器密封待加壓段，鉆孔直徑與封隔器直徑一致，封隔器直徑有38mm，5lmm，76mm，9lmm，110mm，130mm等。封隔器是兩個(gè)膨脹橡膠塞，可用液體，也可用

16、氣體進(jìn)行充壓。橡膠塞之間的封堵段長(zhǎng)度為0.51.0m。（2）向隔離段注射高壓水，不斷加大水壓，至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力pi。（3）停止增壓，關(guān)閉高壓泵，壓力迅速下降，裂隙停止擴(kuò)展，并趨于閉合，當(dāng)壓力降到使裂隙處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)的平衡壓力，此時(shí)應(yīng)力稱為關(guān)閉壓力，記為ps；最后卸壓，使裂隙完全閉合。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.2 水壓致裂法（4）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開并記下裂隙重開時(shí)的壓力pr和隨后的恒定關(guān)閉壓力戶ps。這種卸壓-重新加壓的過程重復(fù)2-3次，以提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。上述步驟(2)、(3)記錄了壓力時(shí)間關(guān)系和流量時(shí)間關(guān)系，見圖6-10。初始開裂壓力

17、pi關(guān)閉壓力ps裂隙重開時(shí)的壓力pr孔隙水壓力p06.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.2 水壓致裂法（5）將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設(shè)備從鉆孔中取出。（6）測(cè)量水壓致裂裂隙和鉆孔試驗(yàn)段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小，測(cè)量可以采用井下攝影機(jī)、井下電視、井下光學(xué)望遠(yuǎn)鏡或印模器印模器。前三種方法代價(jià)昂貴，操作復(fù)雜，而印模器則比較簡(jiǎn)便、實(shí)用。其結(jié)構(gòu)及形狀與封隔器相似，其外面包裹一層可塑性橡皮或類似材料，將其連同加壓管路一起送入水壓致裂部位，然后將印模加壓膨脹，使鉆孔上的所有節(jié)理裂隙均印在印模器上。印模器裝有定向系統(tǒng)，以確定裂隙的方位，一般情況下，水壓致裂裂隙為水壓致裂裂隙為一組徑向相對(duì)的

18、縱向裂隙一組徑向相對(duì)的縱向裂隙，很容易辨認(rèn)出來。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.2 水壓致裂法5、水壓致裂法測(cè)定系統(tǒng)、水壓致裂法測(cè)定系統(tǒng)6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.2 水壓致裂法6、應(yīng)力計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算兩向受不相等的均布力1、2作用時(shí)的應(yīng)力分量： 2cos)31)(1(2)1(22222212221rrr 2cos)31 (2)1 (244212221rr 2sin)31)(1 (2222221rr 孔壁（孔壁（=r)應(yīng)力分量：應(yīng)力分量： 2cos)( 20, 02121 式中：為周邊一點(diǎn)與1的夾角。當(dāng)0o時(shí)，取極小值，此時(shí)123 2 （1）6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6

19、.4.2 水壓致裂法由彈性力學(xué)厚壁筒公式，在只受內(nèi)壓q1作用：,1112222qrRR 1222211qrRR 若R,得到具有圓孔的無限大薄板，或具有圓形孔道的無限大彈性體，其解答為：,122qr 122qr 若 r,得到：,1q 1q 根據(jù)巖體力學(xué)應(yīng)力符號(hào)規(guī)定，得孔壁切向應(yīng)力：1q （2）6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.2 水壓致裂法p 當(dāng)鉆孔受水壓力P作用，且受水平原巖應(yīng)力1 、 2作用，鉆孔壁的最小切向應(yīng)力為式（1）與（2）的疊加：巖體破裂條件：t p 123 于是：于是：213itpp 式中pi為孔壁發(fā)生初始裂縫時(shí)的水壓力，t為封隔段巖石抗拉強(qiáng)度。 可見，當(dāng)水壓力達(dá)到pi時(shí)，孔

20、壁將沿1的方位開裂。如果鉆孔中有裂隙水，其水壓力為P0，則：2103itpP（3）6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.2 水壓致裂法p 繼續(xù)注入高壓水，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂隙深度達(dá)到3倍鉆孔直徑時(shí)，此處接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定(PS),則有：2 sP2103rpP 如果測(cè)出封隔段巖石抗拉強(qiáng)度t，即可由式（3）、（4）求出1和2。（4） 因此，在初始裂隙產(chǎn)生后，將水壓力卸除，使裂隙閉合，然后重新加壓，使裂隙重新打開，這時(shí)水壓力為pr，則有（5）由式（5）、（4）可求出1和2。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.2 水壓致裂法 聯(lián)立解得：2 sP2103rpP（4）（5）2

21、103itpP（3） A、 巖石抗拉強(qiáng)度：巖石抗拉強(qiáng)度：tirpp B、 最大水平應(yīng)力：最大水平應(yīng)力：1max03Hsitppp C、 最小水平應(yīng)力：最小水平應(yīng)力：sHp min2 可見，水壓致裂法只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大和最小主應(yīng)力，實(shí)際上是一種二維應(yīng)力測(cè)量方法。若要確定測(cè)點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)，必須打互不平行的交匯于一點(diǎn)的的三個(gè)鉆孔。這是非常困難的。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.2 水壓致裂法7、水壓致裂法評(píng)價(jià)、水壓致裂法評(píng)價(jià) 優(yōu)點(diǎn)： 1、能測(cè)量深部巖體應(yīng)力（5000m）； 2、可以使用各種尺寸的勘探鉆孔，在勘探階段便可測(cè)定； 3、不需對(duì)鉆孔進(jìn)行應(yīng)力解除，不需精密的儀器； 4、不

22、需要巖體彈性參數(shù)。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 1、假定鉆孔方向?yàn)橹鲬?yīng)力方法，因此，實(shí)測(cè)的三維主應(yīng)力是近似的。 2、設(shè)備笨重，鉆孔封隔加壓技術(shù)較復(fù)雜。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.2 水壓致裂法1、基本原理、基本原理 地下某點(diǎn)的巖體處于三向壓縮狀態(tài)，如用人為的方法解除其應(yīng)力，必然發(fā)生彈性恢復(fù)，測(cè)定其恢復(fù)的應(yīng)變，利用彈性力學(xué)公式則可算出巖體初始應(yīng)力。zzyyxxzyx ,解除應(yīng)力；彈性恢復(fù)，測(cè)出變形；根據(jù)變形，轉(zhuǎn)求應(yīng)力。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法（1）已知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除）已知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除 如圖示平板：13, yx1 3 3 1 xy在受力狀態(tài)下，貼上應(yīng)變片此時(shí)：0

23、, 013 yx卸去外力，變形恢復(fù)，此時(shí)：13, yx根據(jù)廣義虎克定律：根據(jù)廣義虎克定律：)(1311 E)(1133 E解得：解得：)(13121 E)(11323 E(1)6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法由彈性原理： 2sin2sincos22xyyx 式中：為x軸成角度方向的線應(yīng)變 。由上式可解得x,y,xy（2）未知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除）未知主應(yīng)力方向的應(yīng)力解除1 2 3 xy1 2 3 1121212sin2sincos xyyx 2222222sin2sincos xyyx 3323232sin2sincos xyyx (2)6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6

24、.4.3 應(yīng)力解除法解得x,y,xy,可按下式求出主應(yīng)變1 2 和0221)2()2()(21xyyxyx yxxy 02tg223)2()2()(21xyyxyx 已知1,3,0 ,即可按(1)式求出主應(yīng)變1 ,3 。(3)6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法（3）應(yīng)變花種類應(yīng)變花種類 為計(jì)算方便，常把三個(gè)應(yīng)變片布置成如圖所示的形式。 即：等角應(yīng)變花、直角應(yīng)變花6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法A、直角應(yīng)變花直角應(yīng)變花1 00，2 450，3 90029045245090031)()(22)(21 90045900022tg 將x,y,xy 代入(3)式

25、得：(4),0 x 2)(2145xyyx ,90y 將1,3,0 代入(1)式求出主應(yīng)變1 ,3 ： 29045245090031)()(1212 E(5)6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法B、等角應(yīng)變花等角應(yīng)變花100，2600，3120020120212060260012060031)()()(32)(31 由上式可解得x,y,xy ，并將其代入(3)式得：(7),0 x )33(4160 xyyx (6)33(41120 xyyx 6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法將（7）式 代入(1)式得： 20120212060260012060031)()

26、()()1(32)1(3 E 注意：按上式方法計(jì)算得出的1 ，3 是平面狀態(tài)下（鉆孔斷面內(nèi)）的次主應(yīng)力，而不是該點(diǎn)的主應(yīng)力。 次主應(yīng)力：是某坐標(biāo)面內(nèi)兩個(gè)正應(yīng)力的極值，一般不等于主應(yīng)力；次主應(yīng)力面上仍有剪應(yīng)力；只有在三個(gè)正交的平面上的剪應(yīng)力都為零時(shí)，次主應(yīng)力才等于主應(yīng)力。(8)6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法測(cè)定巖體應(yīng)力的步驟：1、打大孔至測(cè)點(diǎn)，磨平孔底。2、在孔底粘貼電阻應(yīng)變花探頭。3、解除應(yīng)力，測(cè)量其應(yīng)變。4、取出巖芯，測(cè)其彈性參數(shù)。5、計(jì)算巖體應(yīng)力。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法對(duì)于等角應(yīng)變花，孔底平

27、面內(nèi)的應(yīng)力按下式計(jì)算：對(duì)于等角應(yīng)變花，孔底平面內(nèi)的應(yīng)力按下式計(jì)算： 1)22(311)22(31201206000120600Ex 1)22(311)22(31201206000120600Ey)()1(312060 Exy6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法- 孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法對(duì)于直角應(yīng)變花，孔底平面內(nèi)的應(yīng)力按下式計(jì)算：)11(2900900 Ex )(2)1(290045 Exy)11(2900900 Eyx ,y ,z ,xy為孔底平面上開挖擾動(dòng)的次次主應(yīng)力主應(yīng)力。(9)(9)6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除

28、法孔底平面位置處的原巖應(yīng)力按下式經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：zyxxcba zyxycab xyxyd 式中：x，y，z為孔底的原巖應(yīng)力。其中，a,b,c,d系數(shù)無理論解，只有通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值分析求得。不同的研究者給出不同的值，古德曼解值：(9)(9)027. 0423. 191. 0473. 0;15. 0085. 030. 12dcba6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法 孔底應(yīng)力解除法的評(píng)價(jià): 優(yōu)點(diǎn)：解除巖芯短，不需要打很長(zhǎng)的套孔巖芯，適用于完整性差的巖體。 缺點(diǎn)：采用孔底應(yīng)力解除時(shí)，單孔不能確定巖體應(yīng)力的六個(gè)分量，必須進(jìn)行三孔測(cè)定，才能確定巖體的原巖應(yīng)力

29、；另外，在用三個(gè)鉆孔測(cè)一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，孔底很難處在一個(gè)共面上，而影響測(cè)量結(jié)果；再之，無理論計(jì)算公式，只能用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算巖體的三維應(yīng)力。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔底應(yīng)力解除法孔底應(yīng)力解除法 孔徑變形法通過測(cè)定鉆孔孔徑變形求解巖體應(yīng)力，其應(yīng)力解除工序?yàn)椋?、打大孔至測(cè)點(diǎn)，磨平孔底。2、打同心小孔，安裝孔徑變形計(jì)探頭。3、延伸大鉆孔解除應(yīng)力，同時(shí)測(cè)量孔徑變形。4、取出巖芯，測(cè)其彈性參數(shù)E、。5、計(jì)算巖體應(yīng)力。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔徑變形法孔徑變形法 假定孔徑變形計(jì)探頭的三個(gè)觸頭相對(duì)于巖體應(yīng)力1 的夾角為1、2、3，測(cè)得的孔徑變形分

30、別為u1、u2、u3，孔壁徑向位移為其1/2。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔徑變形法孔徑變形法 由彈性力學(xué)公式，在二向應(yīng)力1、3的作用下，無限大平板內(nèi)圓孔周邊徑向位移 u 的計(jì)算公式為： 2cos)(23131Edu平面應(yīng)力：平面應(yīng)變：1 3 2cos)(2)1 (31312Edu式中：d圓孔直徑；u圓孔周邊的徑向位移；u的方向與1的夾角。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔徑變形法孔徑變形法當(dāng)1，2，3的間隔為600時(shí)，按下式計(jì)算巖體應(yīng)力： 如果（d)式成立，則1為1 與u1的夾角，否則為2 與u1的夾角。 上式中的K，對(duì)于淺孔，可作平面應(yīng)力

31、問題處理，K=d/EK=d/E ；對(duì)于深孔，可作平面應(yīng)變問題處理，K=K=（1 12 2)d/E)d/E 。其中d為鉆孔直徑，為巖石的泊松比。(10)(10)6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔徑變形法孔徑變形法當(dāng)1，2，3的間隔為450時(shí)，按下式計(jì)算巖體應(yīng)力： 如果（d)式成立，則1為1 與u1的夾角，否則為2 與u1的夾角。 上式中的K，對(duì)于淺孔，可作平面應(yīng)力問題處理，K=d/E ;對(duì)于深孔，可作平面應(yīng)變問題處理，K=（12)d/E .其中d為鉆孔直徑，為巖石的泊松比。(11)6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔徑變形法孔徑變形法 按上式計(jì)算得出

32、的1 ， 2 是鉆孔斷面內(nèi)的次主應(yīng)力。 要確定一點(diǎn)的全應(yīng)力，必須向測(cè)點(diǎn)打三個(gè)不同方向的鉆孔，進(jìn)行同樣測(cè)定，然后再按最小二乘法求解（數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)） 。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔徑變形法孔徑變形法 測(cè)試工序：測(cè)試工序： 孔壁應(yīng)變法是通過測(cè)定鉆孔孔壁的應(yīng)變求解巖體應(yīng)力的6個(gè)分量，其應(yīng)力解除工序與孔徑變形法相似：1、打大孔至測(cè)點(diǎn)，磨平孔底。2、打同心小孔，安裝應(yīng)變花探頭。3、套孔解除應(yīng)力，超過小孔底部5cm,同時(shí)測(cè)量孔壁應(yīng)變。4、取出巖芯，測(cè)其彈性參數(shù)E、 。5、計(jì)算巖體應(yīng)力。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法 應(yīng)變計(jì)探頭孔壁布

33、置3個(gè)應(yīng)變花，每個(gè)應(yīng)變花由3個(gè)應(yīng)變片組成，采用直角應(yīng)變花形式?？妆趹?yīng)變花布置：孔壁應(yīng)變花布置：6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法 一個(gè)無限體的鉆孔，受到無限遠(yuǎn)處的三維應(yīng)力場(chǎng)（原巖應(yīng)力場(chǎng)x、y、z、xy 、 yz 、zx )作用時(shí)，孔邊圍巖應(yīng)力（ r、z、r 、z、rz，采用柱坐標(biāo)，柱坐標(biāo)的z軸和直角坐標(biāo)的z軸相一致）分布公式為：鉆孔圍巖應(yīng)力分布公式：鉆孔圍巖應(yīng)力分布公式：6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法 2sin)341 (2cos)341 (2)1 (24422442222rararararaxyyxyxr

34、 2sin)31 (2cos)31 (2)1 (2444422rararaxyyxyx zxyyxzrara 2sin42cos)( 22222 2cos)321 (2sin)321 (244224422rarararaxyyxr )1)(cossin(22rayzzxz )1)(sincos(22rayzzxrz (12)(12)6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法 當(dāng)r=a時(shí)，即鉆孔壁上的應(yīng)力為：0 rzrr 2sin42cos)(2)(xyyxyx zxyyxz 2sin42cos)(2)cossin(2 yzzxz 可見，鉆孔壁上各點(diǎn)處于二向應(yīng)力

35、狀態(tài)，在孔壁上的z-坐標(biāo)平面內(nèi)布置應(yīng)變花測(cè)量應(yīng)變以求應(yīng)力是可行的。(13)6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)力和孔壁應(yīng)變的關(guān)系：孔壁應(yīng)力和孔壁應(yīng)變的關(guān)系：EEZ 在 -z 坐標(biāo)系：)(2,90045900zz由虎克定律：EEZZ )(21145ZZEE(14)x)( zzy 6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)力和原巖應(yīng)力的關(guān)系：孔壁應(yīng)力和原巖應(yīng)力的關(guān)系： 由（14）式可由孔壁應(yīng)變求出孔壁應(yīng)力，由（13）式即可求出原巖應(yīng)力，令式中=/2, , 7/4, 。EEZ EEZZ )(21145ZZEE (1

36、4)0 rzrr 2sin42cos)(2)(xyyxyx zxyyxz 2sin42cos)(22(sincos)zxyzz(13)6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法當(dāng)=/2(15)yx 3zyxz )(2zxz 2 當(dāng)=7/4(16)yx 3 zyxz )(2yzz 2 (17)xyyx 4)( zxyz 4)(2zxyzz 當(dāng)= 可見，求解6個(gè)原巖應(yīng)力分量，只需選取上面其中6方程即可?？妆趹?yīng)變法只打一個(gè)鉆孔就可以確定一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.3 應(yīng)力解除法-孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法聲發(fā)射聲發(fā)射巖石受外荷載作用，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存

37、的應(yīng)變能因微裂隙產(chǎn)生和發(fā)展而快速釋放，從而產(chǎn)生彈性波，發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射。凱澤效應(yīng)凱澤效應(yīng) 1950年，德國(guó)人J.Kasiser發(fā)現(xiàn)多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高點(diǎn)水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到先前最大應(yīng)力值時(shí)，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到和超過歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象稱為凱澤效應(yīng)。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.4 應(yīng)力恢復(fù)法（自學(xué)）應(yīng)力恢復(fù)法（自學(xué)）p6.4.5 聲發(fā)射法聲發(fā)射法凱澤點(diǎn)凱澤點(diǎn)從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為凱澤點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。 巖石也具有聲發(fā)射現(xiàn)象。 凱澤效應(yīng)為巖石應(yīng)力測(cè)量提供了途經(jīng)。即從原巖中取樣沿

38、6個(gè)不同方向制備試件（每個(gè)方向試件為1525塊）加壓測(cè)試凱澤點(diǎn)計(jì)算地應(yīng)力。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.5 聲發(fā)射法聲發(fā)射法注意：聲發(fā)射法測(cè)定的為巖體先前受到的最大應(yīng)力，而非現(xiàn)今地應(yīng)力。6.4 巖體初始應(yīng)力的量測(cè)方法p6.4.5 聲發(fā)射法聲發(fā)射法研究高地應(yīng)力問題的必要性：研究高地應(yīng)力問題的必要性：研究高地應(yīng)力本身就是巖石力學(xué)的基本任務(wù)。巖體的本構(gòu)關(guān)系、破壞準(zhǔn)則以及巖體中應(yīng)力傳播規(guī)律都要受到地應(yīng)力大小的變化而變化。隨著采礦深度的增加，我國(guó)中西部的開發(fā)，尤其是水電工程建設(shè)，在高地應(yīng)力地區(qū)出現(xiàn)特殊的地壓現(xiàn)象，給巖體工程穩(wěn)定問題提出了新課題。6.5 高地應(yīng)力地區(qū)的主要巖體力學(xué)問題p6.5.1

39、 高應(yīng)力區(qū)判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象 高應(yīng)力判別準(zhǔn)則高應(yīng)力判別準(zhǔn)則目前國(guó)際國(guó)內(nèi)無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 國(guó)內(nèi)一般巖體工程以初始地應(yīng)力在20-30MPa為高地應(yīng)力(大于800米深)。不同巖石彈性模量不同，巖石的儲(chǔ)能性能不同，地應(yīng)力也不同，高地應(yīng)力是相對(duì)于圍巖強(qiáng)度而言的。高應(yīng)力為一相對(duì)概念，埋深大不一定存在高應(yīng)力問題，埋深小可能存在高應(yīng)力問題。當(dāng)圍巖內(nèi)部最大應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度比值達(dá)到一定水平時(shí)，才能稱為高應(yīng)力，即： maxbR圍巖強(qiáng)度比極高地應(yīng)力高地應(yīng)力一般地應(yīng)力法國(guó)隧道協(xié)會(huì)4我國(guó)工程巖體分級(jí)基準(zhǔn)（GB50218-94）7日本新奧法指南19966日本仲野分級(jí)46.5 高地應(yīng)力地區(qū)的主要巖體力學(xué)問題p6.5.1 高應(yīng)

40、力區(qū)判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象 高應(yīng)力判別準(zhǔn)則高應(yīng)力判別準(zhǔn)則高初始地應(yīng)力巖體在開挖中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象 應(yīng)力情況主要現(xiàn)象強(qiáng)度比極高應(yīng)力硬質(zhì)巖：開挖過程有巖爆產(chǎn)生，有巖塊彈出，硐室發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差，基坑開挖有剝離現(xiàn)象，成型性差。軟質(zhì)巖：巖芯有餅化現(xiàn)象，開挖工程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。不易成洞，基坑發(fā)生顯著隆起或剝離，不易成形。4高應(yīng)力硬質(zhì)巖：開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂紋增多，成洞性較差，基坑時(shí)有剝離現(xiàn)象，成形性一般尚可。軟質(zhì)巖：巖芯時(shí)有餅化現(xiàn)象，開挖工程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，成洞性差。基坑時(shí)有隆起現(xiàn)象，成形性較差。4-76.5 高地應(yīng)力地區(qū)的主要巖體力學(xué)問題p6.5.1 高應(yīng)力區(qū)判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象 高地應(yīng)力現(xiàn)象高地應(yīng)力現(xiàn)象巖芯餅化現(xiàn)象：是一種巖體力學(xué)現(xiàn)象，高地應(yīng)力區(qū)所特有的鉆進(jìn)過程中巖芯裂成餅狀的現(xiàn)象。中等強(qiáng)度以下巖體在高應(yīng)力作