最新巖體力學(xué)——天然應(yīng)力

1、2021-11-5尚輔網(wǎng)1第第6章章 巖體中的天然應(yīng)力巖體中的天然應(yīng)力6.1 概概 述述6.2 巖體天然應(yīng)力的分布特征巖體天然應(yīng)力的分布特征6.3 巖體天然應(yīng)力的確定巖體天然應(yīng)力的確定2021-11-5尚輔網(wǎng)2一、定義一、定義1.天然應(yīng)力天然應(yīng)力(地應(yīng)力、初始應(yīng)力等）人類工程活地應(yīng)力、初始應(yīng)力等）人類工程活動(dòng)之前存在于巖體中的應(yīng)力。動(dòng)之前存在于巖體中的應(yīng)力。2.重分布應(yīng)力重分布應(yīng)力（二次分布應(yīng)力、附加應(yīng)力等）（二次分布應(yīng)力、附加應(yīng)力等）由于工程活動(dòng)改變了的巖體中的應(yīng)力。由于工程活動(dòng)改變了的巖體中的應(yīng)力。 重分布應(yīng)力+天然應(yīng)力 相對(duì)于第2洞室的天然應(yīng)力2021-11-5尚輔網(wǎng)3二、天然應(yīng)力組成及

2、起源二、天然應(yīng)力組成及起源1.組成： 巖體自重自重應(yīng)力 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力流體作用滲流應(yīng)力 其它（地溫、地球化學(xué)作用等）)(zhgpw121vhhvgh拉張區(qū)擠壓區(qū)2.起源起源（主要指構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的起源）： 板塊運(yùn)動(dòng) 地幔熱對(duì)流 地球自轉(zhuǎn)速度變化2021-11-5尚輔網(wǎng)4西南：印度板塊向nne擠壓（5mm/a）東：太平洋板塊向w俯沖（1cm/a）南：菲律賓板塊向n俯沖北：西伯利亞板塊阻擋 1跡線：n-ne-ssev中國(guó)板塊處在四大板塊環(huán)繞中，它們碰撞擠壓，形成了中國(guó)大陸巖體中的天然應(yīng)力。2021-11-5尚輔網(wǎng)5三、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義三、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義1.研究歷史 世界上 ：

3、l1878年海姆提出天然應(yīng)力l1932年，在美國(guó)胡佛水壩下的隧道中，首次成功地測(cè)定了巖體中的天然應(yīng)力l到目前天然應(yīng)力測(cè)點(diǎn)遍布全球，有幾十萬個(gè)測(cè)點(diǎn)。大部分是淺部，最深5108米（美國(guó)密執(zhí)安水壓致裂法）。中國(guó)：l50年代末開始天然應(yīng)力量測(cè)，有幾萬個(gè)測(cè)點(diǎn)，最深的有3958米（天津大港）。 2021-11-5尚輔網(wǎng)62.研究意義 1）區(qū)域穩(wěn)定）區(qū)域穩(wěn)定 2）地下洞室穩(wěn)定）地下洞室穩(wěn)定 3）邊坡穩(wěn)定）邊坡穩(wěn)定 4）地基巖體穩(wěn)定）地基巖體穩(wěn)定2021-11-5尚輔網(wǎng)7以東經(jīng)100105o為界分東西兩區(qū)。q 強(qiáng)度上：西強(qiáng)東弱（西高東低）q 方向上：西： nne-ssw為主，東：近e-w。一、一、 分區(qū)性分區(qū)

4、性（以中國(guó)為例）（以中國(guó)為例）6.2 巖體天然應(yīng)力的分布特征巖體天然應(yīng)力的分布特征2021-11-5尚輔網(wǎng)8以東經(jīng)100105o為界分東西兩區(qū)。強(qiáng)度上：西強(qiáng)東弱方向上：西： nne-ssw為主， 東：近e-w。2021-11-5尚輔網(wǎng)9l上覆巖體自重上覆巖體自重l v多多為壓應(yīng)力為壓應(yīng)力l v多為最小主應(yīng)多為最小主應(yīng)力力，少數(shù)為中間主應(yīng)力與最大主應(yīng)力gh7 . 2v二、二、鉛直應(yīng)力鉛直應(yīng)力 （ v）2021-11-5尚輔網(wǎng)10三、三、 水平應(yīng)力（水平應(yīng)力（ h）l巖體中天然應(yīng)力常以水平應(yīng)力為主，即 h v，特別是特別是 hmax v ,據(jù)統(tǒng)計(jì)資料： h/v 0.8-3.0 ，說明說明：水平天然

5、應(yīng)力主要受構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制；l水平應(yīng)力具有強(qiáng)烈的各向異性各向異性，即h1 h2 ，我國(guó)華北hmin/ hmax0.2-0.8，華南hmin/ hmax0.3-0.75 。原原 因因:a.巖體各向異性；巖體各向異性；b.構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的方向性；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的方向性；l水平天然應(yīng)力以壓應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，僅在一些裂谷區(qū)、地塹區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且是以一向壓，一向拉多見。另外在地表卸荷帶影響區(qū)，也可能出現(xiàn)水平應(yīng)力為拉應(yīng)力的現(xiàn)象。2021-11-5尚輔網(wǎng)11四、天然應(yīng)力比值系數(shù)四、天然應(yīng)力比值系數(shù) 與深度與深度z 的關(guān)系的關(guān)系)15005 . 0()1003 . 0(zzhav定義定義：天然水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力的比

6、值為天然應(yīng)力比值系數(shù)()，它隨深度增加而減小。2021-11-5尚輔網(wǎng)12五、主應(yīng)力與水平面的關(guān)系五、主應(yīng)力與水平面的關(guān)系據(jù)主應(yīng)力與水平面的關(guān)系，可劃分為：l水平應(yīng)力場(chǎng) 兩個(gè)應(yīng)力軸近水平，或與水平面夾角很小，另一應(yīng)力軸近鉛直，三個(gè)應(yīng)力軸與空間坐標(biāo)一致，我國(guó)大陸范圍內(nèi)屬這種應(yīng)力場(chǎng);l非水平應(yīng)力場(chǎng)水平應(yīng)力與水平面夾45左右，另一軸與水平面夾045 左右，分布于板塊邊緣。2021-11-5尚輔網(wǎng)13六、高天然應(yīng)力六、高天然應(yīng)力l標(biāo)志 開挖洞室時(shí)，常產(chǎn)生巖爆、剝離； 收斂變形大，使開挖斷面變??； 軟弱夾層內(nèi)的物質(zhì)被擠出，節(jié)理閉合； 餅狀巖心； 水下開挖無水滲出。2021-11-5尚輔網(wǎng)14七、影響天然

7、應(yīng)力的因素七、影響天然應(yīng)力的因素1.地形起伏la.水平應(yīng)力向負(fù)地形集中，向正地形釋放lb.在斜坡附近，應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)+ + + + + + + + + +h2021-11-5尚輔網(wǎng)150000gzgzh2. 地表剝蝕地表剝蝕原地面原地面現(xiàn)地面現(xiàn)地面0zzzh0ohhzggzzzgzggzh1)(000剝蝕zzzgzzg1)()1(0002021-11-5尚輔網(wǎng)16該式說明：剝蝕后，巖體中一點(diǎn) 增大了，當(dāng)z大到一定值時(shí)，必有1的情況出現(xiàn)。zzgzzzzgh1 1)(0002021-11-5尚輔網(wǎng)173.結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面14.巖體性質(zhì)巖體性質(zhì) 硬巖往往可積累較高的應(yīng)力，而軟巖則相反5.地下水地下水

8、產(chǎn)生滲流應(yīng)力6.地溫地溫 產(chǎn)生溫度應(yīng)力2021-11-5尚輔網(wǎng)18自重應(yīng)力理論自重應(yīng)力理論地震震源機(jī)制解地震震源機(jī)制解地變形量測(cè)地變形量測(cè)天然應(yīng)力測(cè)量天然應(yīng)力測(cè)量大地水準(zhǔn)測(cè)量大地水準(zhǔn)測(cè)量三角網(wǎng)測(cè)量三角網(wǎng)測(cè)量gps測(cè)量測(cè)量天然天然應(yīng)力應(yīng)力確定確定方法方法2021-11-5尚輔網(wǎng)19vhhvgz121zha一、根據(jù)自重應(yīng)力理論確定巖體中的天一、根據(jù)自重應(yīng)力理論確定巖體中的天然應(yīng)力然應(yīng)力地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、地層平緩、當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上1 1、均質(zhì)各向同性巖體、均質(zhì)各向同性巖體2021-11-5尚輔網(wǎng)20vhhniiiveegz|2111ha11z22z33ziiz2 2、水平層狀巖體、水平層狀巖體2021

9、-11-5尚輔網(wǎng)21vhvhveegz112|1haz3、垂直層狀巖體2021-11-5尚輔網(wǎng)22二、天然應(yīng)力量測(cè)天天然然應(yīng)應(yīng)力力的的量量測(cè)測(cè)方方法法水壓致裂法水壓致裂法應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）套芯應(yīng)力解除法套芯應(yīng)力解除法光彈法光彈法聲發(fā)射法聲發(fā)射法x射線法射線法2021-11-5尚輔網(wǎng)23aamaxhminh1、水壓致裂法tpc1ps pc2p0水壓力隨時(shí)間的變化曲線2021-11-5尚輔網(wǎng)24tpc1ps pc2p0假設(shè)：假設(shè)： 天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場(chǎng)，其鉛直應(yīng)力鉆孔假設(shè)在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性巖體中 的一個(gè)小圓孔。作用應(yīng)力為 ，根據(jù)彈性理論中的柯西解，未加水壓

10、力時(shí)，aa兩點(diǎn)的應(yīng)力為： ， 在水壓力作用下，鉆壁產(chǎn)生拉破裂的條件為： gzminmax,hhmaxmin3hha1maxmin3cthhpa取取“”aamaxhminh2021-11-5尚輔網(wǎng)25維持破裂展開，又不繼續(xù)發(fā)展的條件為 聯(lián)立上兩式有：而：因此，可得測(cè)點(diǎn)的天然應(yīng)力為：21cctppshpmin2max3cshppminhspshpmin1max3ctshppshpmin2max3cthppgzv2021-11-5尚輔網(wǎng)26破裂平行于 ，垂直于 ，破裂方向由壓痕，井下電視確定。maxhminh優(yōu)點(diǎn)：測(cè)深大，z可達(dá)數(shù)百米，目前最深達(dá)5108米；施工技術(shù)簡(jiǎn)單，不需要應(yīng)力計(jì)等儀器方向方向：

11、據(jù)巖體破裂方向確定：據(jù)巖體破裂方向確定2021-11-5尚輔網(wǎng)27千斤頂油泵千斤頂壓力 pc測(cè)點(diǎn)分離值 d0 d步驟：在巖壁上選擇測(cè)點(diǎn)，固定a、b兩點(diǎn)。d15厘米；刻槽 應(yīng)力釋放、變形 d0 d；安裝扁千斤頂；加壓 應(yīng)力恢復(fù) d d0，到d=d0時(shí)的千斤頂壓力即為 ；r2、應(yīng)力恢復(fù)法（扁千斤頂法）2021-11-5尚輔網(wǎng)28重復(fù) 測(cè)量另一個(gè)方向的 w ；計(jì)算天然應(yīng)力；假定天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場(chǎng)，當(dāng)測(cè)得側(cè)壁應(yīng)力r和底板應(yīng)力w 時(shí)，則有：rwhrwv83818183vrwh2021-11-5尚輔網(wǎng)293、鉆孔套芯應(yīng)力解除法基本原理+vh1h2h儀器h套芯解除鉆孔鉆孔同心套鉆同心套鉆放放應(yīng)變計(jì)應(yīng)變計(jì)應(yīng)

12、力解除應(yīng)力解除應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力計(jì)算位移恢復(fù)位移恢復(fù)2021-11-5尚輔網(wǎng)30設(shè)天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場(chǎng)設(shè)天然應(yīng)力為水平應(yīng)力場(chǎng)cubuau113x45452cos(2)()3131maeru2cos(2)(2sin)31(2)31(2cos)31(2)31(cos)180cos(,sin)90cos()90(2cos(2)()45(2cos(2)(2cos(2)()3131)3131)3131)3131mcmcmbmaeruemrubemruaeruerueru計(jì)算公式：計(jì)算公式：應(yīng)變計(jì)互成45，據(jù)上式有2021-11-5尚輔網(wǎng)31用消元法解三元一次方程，得用消元法解三元一次方程，得：應(yīng)變計(jì)互為應(yīng)變計(jì)互為60時(shí)時(shí)，可按下列公式計(jì)算可按下列公式計(jì)算cacabcbbacacbbacauuuuutguuuuuureuuuuuure22)()(214)()(214223221）cbacbaccbbacbaaccbbacbauuuuutguuuuuuuuureuuuuuuuuure(2(32)()()(216)()()(21622232221cubuau113x60602021-11-5尚輔網(wǎng)32選點(diǎn)、鉆孔：130cm ，深度一般小于30m ；在 孔 底 打 一 測(cè) 量 孔 ：36cm，深度一般50cm，并洗干凈；安裝應(yīng)變計(jì)：并與應(yīng)變儀連接，測(cè)記穩(wěn)定初始讀數(shù)；套鉆解除：在應(yīng)力