第第66章岩体天然应力章岩体天然应力第第66章岩体天然应力章岩体天然应力2011.5.22011.5.2§1概述§2岩体中天然应力的分布规律§3岩体天然应力测量§4岩体中天然应力的估算§5岩体天然应力场的回归分析§6高地应力的若干特征§1概述一、定义1.天然应力(地应力、初始应力等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。2.重分布应力（二次分布应力、附加应力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。→←重分布应力↓↑∧++++++++++++++++++天然应力→←↓↑∧相对于第2洞室的天然应力二、天然应力的研究历史及意义1、研究历史国际：•最早的地应力模型是1912年瑞士地质学家Haim提出的各向等压假说，认为水平地应力和垂直地应力相等，且均等于上覆岩层的单位重量•1926年前苏联学者金尼克根据线弹性理论修正了海姆的静水压力假设，即认为水平地应力大小应取决于当前岩层的泊松比，水平地应力与垂直地应力之比为μ/（1-μ)•1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力.•20世纪50年代,哈斯特利用压磁应力计在瑞典拉伊斯瓦尔铅矿和斯堪的纳维亚半岛4个矿区进行了大规模地应力测量,并首次发表了近地表地层中的实测水平应力高于垂直应力的成果,此后地应力测量才迅速在欧洲、北美洲、南澳洲和亚洲开展.•1957年，美国哈伯特和威利斯提出用水压致裂法测量岩体天然应力的理论。•1975年，盖依等人根据岩体应力的实测数据的分析，提出了临界深度的概念，即认为在该深度以上，水平应力大于垂直应力；在该深度以下，水平应力小于垂直应力。临界深度随地区不同而不同。•目前地应力测点遍布全球，有几十万个。大部分是浅部，最深5108米(美国密执安水压致裂法)。国内：•我国地应力测量与研究起于20世纪50年代末,李四光和陈宗基为主要创始人,首次于1962－1964年在三峡平善坝址获得了岩体面应力实测结果.1964年在大冶铁矿进行了国内首次应力解除法测量.到了70年代后,我国地应力测量快速发展。1980年10月在河北易县首次成功进行了水压致裂法地应力测量,现测量深度已突破2000m.1984年引进并改进了瑞典的深钻孔水下三向应变计,使其最大测量深达530m.之后,空心包体应变计研制成功.国际上对深钻、超深钻的划分标准（3000m以下为中浅钻,5000m以上为超深钻）,我国还停留在中浅钻孔地应力测试水平.2研究意义三、天然应力的成因§2岩体中天然应力的分布规律一、地壳中主应力以压应力为主，方向基本上是垂直和水平的。二、天然应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，是时间和空间的函数。三、垂直天然应力四、水平天然应力五、天然水平应力与垂直应力的比值◆天然应力比值系数（地应力测压系数）与深度的关系六、一个相当大的区域内，最大主应力方向是相对稳定的七、区域构造场常常决定局部点的主应力河谷构造应力的主要部分随剥蚀卸载很快释放掉。接近河谷岸坡表面存在的地应力分布差异很大。已经发现在接近河谷岸坡表面部分为岩石风化和地应力偏低带，往下则逐渐过渡到地应力平稳区。八、天然应力状态§3岩体天然应力测量一、应力恢复法（扁千斤顶法）•基本原理二、套心法（钻孔套心应力解除法）•类型据传感器和测量物理量不同•理论计算•缺点三、水压致裂法是国际岩石力学学会试验方法委员会推荐的岩石应力测量方法（一）水压致裂法基本原理利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度封隔一段钻孔，然后泵入液体对该段钻孔施压，直至压裂，根据压裂参数计算地应力。§4岩体中天然应力的估算一、垂直天然应力估算二、水平天然应力估算1、隆起、剥蚀卸载作用对值的影响2、断层作用对值的影响在地壳表层岩体中，常发育有正断层和逆断层。正断层形成时的应力状态是：σ1为铅直，σ3为水平，因此3hagZ1vgZ由库伦强度判据知：正断层形成时的破坏主应力与岩体强度参数间关系为：即213tan(45/2)c2tan(45/2)cagZgZ•因此，正断层形成的天然应力比值系数λa为：•逆断层形成时的应力状态为：最小主应力σ3为铅直，最大主应力σ1为水平，即•同理可得逆断层形成时的天然应力比值系数λp为：1(45/...
