岩体的初始应力状态.docx
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岩体的初始应力状态
第三讲 岩体的初始应力状态
一、 内容提要：
本讲主要讲述岩体初始应力的基本概念、量测方法及岩体初始应力状态的分布规律；
二、 重点、难点：
岩体初始应力场及其计算；岩体初始应力的影响因素；岩体初始应力的分布规律；对于岩体初始应力水压致裂法及应力解除法的基本原理作一般了解；
三、 内容讲解：
一、岩体初始应力的基本概念
（一）初始应力状态的概念与意义
所谓岩体的初始应力，是指在天然状态下存在于岩体内部的应力。
在地质学中，通常又称它为地应力。
岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的。
显然，岩体的地质构造应力是与岩体的特性（例如岩体中的裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等）有密切关系，也与正在发生过程中的地质构造运动以及与历次构造运动所形成的各种地质构造现象（例如断层、褶皱等）有密切关系。
因此，岩体中每一单元的初始应力状态都是随该单元的位置不同而有所变化。
此外，影响岩体初始应力状态的因素还有地形、地震力、水压力、热应力等，但这些因素所产生的地应力，大都是次要的，只是在特定的情况下才需考虑。
因此，对于岩石工程来说，主要应考虑自重应力和地质构造应力。
【例题1】下列各项有关岩体初始应力的叙述，正确的选项为（ ）。
A. 岩体的初始应力是由岩体的自重和地质构造运动引起的；
B. 地形、地震力、水压力、热应力等因素不会产生地应力；
C. 岩体中每一单元的初始应力状态与该单元的位置无关；
D. 对于岩石工程而言，主要应考虑自重和地质构造应力；
答案:
D
【例题2】岩体的的初始应力主要由下列哪些因素引起（ ）。
A. 地震力
B. 热应力
C. 地形
D. 构造运动
答案:
D
地面和地下工程的稳定状态与岩体的初始应力状态密切相关。
岩体在开挖以后，改变了岩体的初始应力状态，使岩体应力重新分布，有可能使得岩体中某些部位形成应力集中，从而引起岩体的变形或破坏。
对于地下洞室工程来讲，我们把与洞室本身稳定性密切相关的岩体称为围岩。
洞室的开挖引起围岩的应力变化，这将影响洞室本身的稳定状态。
而且为了维持围岩的稳定，岩体工程能正常运营，必须进行人工支护。
合理地设计支护结构，确定经济合理的衬砌尺寸，都与岩体的初始应力状态紧密相关。
所以，研究岩体的初始应力状态，就是为了正确地确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化，合理地设计岩体工程的加固措施。
（二）岩体初始应力场及其计算
1. 岩体自重应力场
岩体自重应力场的计算，大都是建立在假定岩体为均匀连续介质基础之上的。
因此，可以应用连续介质力学的原理来计算岩体的自重应力场。
设岩体为半无限体，地面为水平面，距地表深度为H处，有一单元体，其上作用的应力
【例题3】某场地土层自地表以下20m深度范围内均为粉质粘土，地下水位在地表以下10m处，水位以上土的天然重度＝18.6KN/m3，饱和重度为20.1KN/m3，试确定：
1、地表以下10m处土的自重应力值为（ ）。
A. 186kpa
B. 201kpa
C. 86kpa
D. 101kpa
答案：
A
2、地表以下15m处土的有效自重应力值为（ ）。
A. 279kpa
B. 302kpa
C. 129kpa
D. 237kpa
答案：
D
【例题4】在地下某深度处，岩体自重应力场中，垂直应力为2000kpa，水平应力为500kpa，则该深度处的侧压力系数为（ ）。
A. 1
B. 0.75
C. 0.5
D.0.25
答案：
D
若岩体由多层不同重力密度的岩层所组成（图15-3-2）。
每层岩层的厚度依次为hl，h2，…，hi…，hn，各层的重力密度依次分别为y1，y2，…，yi…，yn，则岩体的自重初始应力为:
国外有资料说明，工程的现场量测结果中，侧压力系数并不符合海姆假说。
这种情况往往与地质构造应力有密切关系。
如果岩体由松散的碎石、砂及卵石组成，可以近似地认为岩体是理想松散介质，可由松散介质极限平衡条件来建立垂直应力与侧向应力的关系：
【例题6】对于理想的松散岩体，其侧压力系数的大小只与岩体的（ ）有关。
A. 泊松比
B. 粘聚力
C. 内摩擦角
D. 重力密度
答案：
C
【例题7】对于理想的松散岩体，其侧压力系数的大小为（ ）。
A.1
B.0.5
C.0.33
D.0.25
答案：
C
实际破碎岩体一般不能视为理想松散介质，而把它看作为具有一定粘聚力的松散介质。
2. 岩体的构造应力场
地壳的各种地质构造是在大范围内的巨大的地质构造应力场作用下发生和形成的。
在各个不同的地质年代里，都有不同的地质构造运动发生，地质构造运动过程一般需要很长时间。
在同一个地区，一个构造运动结束之后，或者就在这个构造运动发生的过程中，又有新的构造运动发生，就会形成新的构造应力场与老构造应力场的叠加，形成复杂的复合构造应力场。
各种复杂的地质构造就是在长期的地质构造运动作用下形成的。
由于地质构造运动，岩体经受了相当大的外力作用，形成了各种地质构造，例如向斜、背斜和各种褶皱，以及产生断裂而形成各种节理及断层等。
在地质构造应力场作用下，使岩体产生弹性变形和塑性变形，因而使岩体中储存着弹性能，岩体的塑性变形使部分能量转化为热能与位能，或者由于岩体的流变特性，使得构造应力场中的地质构造应力得以部分释放。
因此，在地质构造运动中，岩体中储存的能量是通过弹性变形才能达到的，岩体的弹性变形越大，则岩体储藏的能量就越多。
当岩体中的应力达到强度极限，岩体产生破坏。
除岩体中保存一部分残余变形外，其储存的能量将部分或全部释放，构造应力也就部分或全部消失。
若岩体中的应力尚未达到强度极限，但由于岩体的流变特性，也会使构造应力部分消失。
因此，地质构造运动产生地质构造应力，但岩体中储存的构造应力不可能无限地积累起来，视所处地区不同或地质条件不同，岩体的构造应力可能全部或部分释放，成为残余应力。
【例题9】在地质构造运动过程中，岩体当中的储存的能量是通过哪种方式形成的（ ）。
A. 弹性变形
B. 塑性变形
C. 流动变形
D. 残余变形
答案：
A
【例题10】岩体当中的残余应力属于（ ）。
A. 自重应力
B. 构造应力
C. 地震力
D. 热应力
答案：
B
因此，岩体构造应力可以分为现代构造应力及地质构造残余应力。
由于地壳是处于不断运动之中，仅仅是存在相对活跃期或静止期，所以，要在岩体中区分哪些是现代构造应力和残余应力，就目前的认识水平而言，实际上是不可能的。
目前，岩体的构造应力尚无法用数学力学的方法进行分析计算，而只能采用现场应力量测的方法来求得。
但是，构造应力场的方向可以根据地质力学的方法加以判断。
因为各种形态不同的地质构造是各地质历史时期的构造运动的产物。
地质构造的遗迹，例如断层、褶曲等保留在岩体中，它的走向与形成时的应力有一定的关系。
根据各种地质构造的分布和组成规律，分析历次构造运动，特别是近期构造运动，确定最新构造体系，进行地质力学分析，就可以根据构造线确定构造应力场的主轴方向。
根据地质构造和岩石强度理论，一般认为自
3．岩体初始应力的影响因素
1）地形
地形的起伏影响岩体内的自重应力。
但这种地形的影响只是在地表下一定深度范围内较明显。
如图15-3-6所示。
山谷的谷底的应力由于凹口的应力集中而很大。
在均质岩层中（图15-3-6（a）），凹口的应力集中现象还比较规则，而在非均质岩层中，岩体中的应力变化还会随岩性的变化而变得更复杂（图15-3-6（b））。
图15-3-7显示了地形对岩体初始应力影响的另一特征。
即在水平地表附近的地应力，其主应力几乎与地面线平行，第一主应力为沿地面方向，与第二、三主应力有较大差异；在深处，则呈静水压力状态见图（15-3-7（a））。
而斜坡的垂直方向上应力则几乎等于零。
在斜坡上的局部上凸部位，其应力急骤减小，而在斜坡下凹地方则应力增大。
在山谷的尖槽底下，则现场应力会很大，接近或达到岩石强度。
见图15-3-7（b）
【例题12】由于地形的起伏影响岩体内的自重应力，在山谷的下列各个部位，地应力最大的是（ ）。
A. 谷底
B. 斜坡
C. 山顶
D. 斜坡上凸处
答案：
A
2）地质条件对自重应力的影响
地质构造对自重应力也有影响。
图15-3-8所示为背斜褶曲的影响，在褶曲两翼显示出应力增大，而在褶曲中部则应力降低。
也可以推测，在向斜的两翼会出现应力降低、而在向斜核部显示出应力增大的现象。
【例题13】在背斜褶曲中，初始应力最大的部位是（ ）。
A. 翼的端部
B. 翼的中部
C. 褶曲中部
D. 褶曲部位
答案：
B
【例题14】在向斜褶曲中，初始应力最大的部位是（ ）。
A. 翼的端部
B. 翼的中部
C. 褶曲中部
D. 褶曲部位
答案：
C
图15-3-9所示为断层对自重应力的影响。
由于断层两侧的岩块形成了应力传递，使上大下小的楔体A产生了卸荷作用，致使地应力降低；而下大上小的楔体B产生了加荷作用，致使应力升高。
同时也产生了山峰处地应力低、沟谷处地应力高的现象。
3）水压力和热应力
存在于岩体裂隙或孔隙中的水，静止时呈现静水压力，流动时产生动水压力。
在通常情况下，静水压力只是起到减轻岩体质量的浮力作用，浮力的大小等于水的密度与所考虑点的水头高度的乘积。
岩体中地下水位的升降，可引起岩体重量的减少或增加，因此，静水压力要视具体情况具体分析其产生的作用。
动水压力是指地下水在水头差的作用下，沿岩体的裂隙或孔隙流动时，给予周围岩块表面的动水摩擦力和动水流向应力。
这种力对岩体工程的影响较小，一般可不予考虑。
【例题15】对于岩体工程而言，应考虑的水压力为（ ）。
A. 静水压力
B. 动水压力
C. 静水压力和动水压力
答案：
A
岩体受局部加温或冷却会产生膨胀或收缩，这样，会在岩体内部产生热应力。
例如，无论是大块侵入岩体还是侵入岩流或小型岩脉，岩浆融流都会使周围岩体受热膨胀，周围岩体限制受热岩体的膨胀，从而在岩体中增加了热应力；当冷却时，又会产生收缩，这样，会在岩体内部造成一些成岩裂隙（例如玄武岩的柱状节理），并在岩石本身及周围岩体中保留部分残余热应力。
此外，随着岩体的埋深增加，地温也会逐渐上升，地温升高也会使岩体内部地应力增加，一般地温梯度=3℃／l00m，岩体的体膨胀系数约为10-5，一般弹性模量E=104MPa，所以，地温梯度引起的温度应力约为
式中，H为研究点深度（m）。
岩体的地温应力是压缩应力，并随深度增加。
在深度相同的情况下，约为垂直重力应力的1／9左右，并且呈静水压力状态
【例题16】岩体的地温应力是压缩应力，随深度的变化规律为（ ）。
A. 增加
B. 减小
C. 不变
D. 以上三种均可产生
答案：
A
二、岩体初始应力量测方法简介
（一）岩体应力现场量测方法概述
岩体应力现场量测的目的是在于了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。
岩体应力量测还可以是预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具。
岩体应力量测可以分为岩体初始应力量测和地下工程应力分布量测。
前者是为了测定岩体初始地应力场，后者则为测定岩体开挖后引起的应力重分布状况。
从岩体应力现场量测的技术来讲，这二者并无原则区别，只是要求前者的测点，布置在未受开挖而产生影响的岩体内。
岩体应力量测可以在钻孔中、露头上和地下洞室的岩壁上进行，也可以在地下工程中根据两点间的位移来进行反算而求得。
通常应用较多的三种方法是应力解除法、应力恢复法和水压致裂法。
每种方法都有不同的优点和缺点，可以相互取长补短。
因为岩体应力存在于岩体中，是一种岩体内部的受力，并在受力过程中产生变形，这种变形大部分是可恢复的弹性变形，但也有部分是不可恢复的变形。
所以，每一种应力量测技术都要扰动岩石，以便产生能够进行现场量测的“量”（大部分是测量位移值或应变值），然后根据一定的理论模式进行分析计算。
为了量测岩体中某个位置的应力，就必须使用钻具钻孔或开挖，以便到达该测量点，这必然会扰动岩体。
因此，对某个测点进行位移量测，并根据某种理论模式进行计算以后，还必须根据开挖或钻进的方法和尺度，进行修正。
如果说，某种应力量测方法的精确度能控制误差在0.4MPa以内，其结果通常被认为是令人满意的。
【例题17】通常应用较多的岩体初始应力量测方法当中不包括（ ）。
A.应力解除法
B.应力恢复法
C.水压致裂法
D. 点载荷试验法
答案：
D
【例题19】对于岩体的初始应力进行量测时，不能采取的方法是（ ）。
A. 在钻孔中进行
B. 在露头上进行
C. 模拟真实环境进行
D. 在地下洞室的岩壁上进行
答案：
C
【例题20】在对岩体初始应力进行量测时，所测量的成果为（ ）。
A. 位移值
B. 应力值
C. 重度值
D. 厚度值
答案：
A
目前已经形成了许多地应力测量方法，这些方法在有关的文献中已做了详细的介绍，概括起来如表15-3-1。
（二）水压致裂法
1．方法原理及技术
水压致裂法的基本点是通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压。
将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表头读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。
压裂点上、下用止水封隔器密封，其结构如图15-3-10所示。
水压致裂过程中泵压变化及其特征压力示于图15-3-11。
各特征压力的物理意义注释如下：
P0—岩体内孔隙水压或地下水压力；
Pb—注入钻孔内液体压力将孔壁压裂的初始压裂压力；
PS—液体进入岩体内连续地将岩体劈裂的液体压力，称为稳
定开裂压力；
Ps0—关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。
如果围岩
渗透性大，该压力将逐渐衰减。
Pb0—停泵后重新开泵将裂缝重新张开的压力，称为开启压力。
2．基本理论和计算公式
3．根据水压致裂法试验结果计算地应力
水压致裂法的缺点是地主应力方向难以确定。
在式（15-3-23）的基础上，可以通过分析的方法来初步解决。
4．水压致裂法的特点
1）设备简单。
只需用普通钻探打孔，用双止水装置密封，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。
2）操作方便。
只通过液压泵向钻孔内注液压裂岩体，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，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抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好的代表性。
5）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。
但它存在一个较大的缺陷，即主应力方向定不准。
【例题21】用水压致裂法量测岩体初始应力时存在着一个较大的缺陷是（ ）。
A. 主应力方向定不准
B. 设备简单便操作性较差
C. 试验时怕电磁干扰，怕震动
D. 测量时较复杂
答案：
A
（三）应力解除法
应力解除法是岩体应力量测中应用较广的方法。
它的基本原理是：
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，岩体单元上所受的应力将被解除。
同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。
应用一定的仪器，测定这种弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。
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。
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。
有关这三种测试方法请参见“工程岩体试验方法标准”中岩体应力测试章节在此不作介绍。
【例题22】采用孔壁应变测试方法测试孔壁应变时，该种方法属于（ ）。
A. 应力解除法
B. 应力恢复法
C. 水压致裂法
答案：
A
三、岩体初始应力状态的主要分布规律
（一）垂直应力随深度的变化
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（工程岩体分级标准（GB50216—94）条文说明）看，
有人总结了世界范围内的资料（25～2700m范围内）后得出，随深度H的增大呈线性关系增加（图15-3-13），大概相当于按平均密度为2.7g／cm3计算出来的重力。
【例题23】垂直应力随深度的变化规律为（ ）。
A. 随深度H的增大呈线性关系增加
B. 随深度H的增大呈线性关系减小
C. 与深度H的变化无关
答案：
A
（二）水平应力随深度的变化
通过研究南部非洲、美国、日本、冰岛及加拿大等地区的应力测量结果可以看出，尽管随着地质环境的变化其结果有所差异，但揭示出地壳内水平应力随深度增加呈线性关系增大（图15-3-14）是普遍规律。
【例题24】水平应力随深度的变化规律为（ ）。
A. 随深度H的增大呈线性关系增加
B. 随深度H的增大呈线性关系减小
C. 与深度H的变化无关
答案：
A
（三）水平应力与垂直应力的比值K
水平应力与垂直应力的比值K是随深度而变化的，如图15-3-15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明了比值K>1，即水平应力>垂直地应力。
但随着深度增加，就会出现K=1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。
冰岛的实测资料临界深度大约为200m。
在南非和日本曾测得临界深度为500m左右；在美国的水压致裂法测定资料表明，临界深度为1000m左右。
而在加拿大和斯堪底纳维亚测得的资料，在深度2000m内，水平应力始终占优势，即临界深度在2000m以上.与垂直应力分量之比作为地表以下深度的函数[引自hoek和Blown1978]
【例题25】根据实测资料分析，在浅层地层中水平应力与垂直应力的比值K的大小一般情况下为（ ）。
A. K>1
B. K＜1
C. K＝1
答案：
A
（四）两个水平应力之间的关系
当然，有时出现两个水平应力相等的情况，这主要在构造简单，地层平缓的地区。
【例题26】在一般情况下，两个水平应力之间的关系为（ ）。
A. σHy／σHx＞1
B. σHy／σHx＜1
C. σHy／σHx＝1
答案：
B
【例题27】在构造简单，地层平缓的地区，两个水平应力之间的关系为（ ）。
A. σHy／σHx＞1
B. σHy／σHx＜1
C. σHy／σHx＝1
答案：
C
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