岩体天然应力与洞室围岩的应力分布

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1、第五章岩体的天然应力与洞室围岩的应力分布第一节概述第二节岩体中的天然应力的组成与计算第三节高地应力地区的主要岩石力学问题第四节岩体天然应力的现场量测第五节洞室围岩应力的计算主要内容概念：天然状态下岩体内的应力，又称地应力、初始应力;由于人类工程活动而产生的应力称重分布应力或二次应力。分布：极其复杂,目前对天然应力的大小,分布规律还未能确切掌握。组成：自重应力，构造应力和残余应力，温度应力等。研究意义：是工程稳定性分析的原始参数。不仅影响场地的稳定性（区域性）；影响工程的设计与施工（地下和地面工程）；同岩体力学特性有密切关系。第一节概述原岩应力垂直应力：—平均重度，KN/m3侧压

2、力：H—总深度（m）—侧压力系数的取值有4种可能岩体自重垂直应力第二节岩体中天然应力的组成与计算一.岩体自重应力场，海姆假说由于岩体自重而产生的应力。对于没有经受构造作用，产状较为平缓的岩层，其中的应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力值。（1）岩体假定处于弹性状态由推出得：岩体由多层不同性质岩层组成时(图5-2)第j层应力：原始垂直应力和水平应力：半无限体中任一单元都受到相邻岩体的限制，水平方向不可能产生侧向变形一般试验条件下测定的μ=0.2-0.3,此时λ=0.25-0.43自重垂直应力分布（2）Heim假设（塑性状态）当原始应力超过一定的极限，岩体就会处于潜塑状态或塑性

3、状态。（相当于）（3）岩体为理想松散介质（风化带、断层带）由极限平衡理得（4）当松散介质有一定粘聚力时注：当说明无侧压力侧压力为：无侧压力深度松散岩体内的侧向压力二.岩体构造应力（判断、测试，不能计算）由于地质构造活动在岩体中引起的应力场，这种应力与一定范围内地质构造有关。构造应力的特点，主要表现为具有强烈方向性的，数值较大的水平应力，这就形成某些地区水平应力大于垂直应力的特点。构造应力场的研究主要是地质力学中研究课题。古构造应力场：在野外对古时地壳运动所遗留下的各种踪迹进行实地调查研究并确定各种构造型式的存在和它们的构造特征，然后再采用各种相应的方法进行模拟实验，同时配合有关

4、应力场的理论分析进行研究。现时还在活动的构造应力场的研究，就是进行构造应力场的实测。当构造应力存在时。地形对初应力的影响三.影响岩体初应力状态的其它因素（1）地形-自重的减小或增大（2）地质条件对初应力的影响。背斜对地应力的影响断层对地应力的影响（3）水压力、热应力孔隙水压力、流动水压力(影响小，可不计)、静水压力（悬浮作用）热胀冷缩在岩体中产生热应力。地温升高会使岩体内地应力增加，一般地温梯度：岩体的体膨胀系数：，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力约为：z--深度/m。温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。四.岩体天然应力的分布特点和分布规律1.

5、一般情况下岩体的天然应力场多数是三向不等的空间应力场，最大水平应力大于垂直应力，最小水平应力的数值则变化较大。2.天然应力的影响因素：地质构造，岩性，地形地貌等。（1）天然应力的大小，方向与地质构造有密切关系。位于活动断裂的拐弯或交叉处的断裂构造，产生较大的应力集中，其它部位应力释放。（2）坚硬完整的岩体内，可积聚大量的应变能形成较高的天然应力，软弱破碎的岩体应力较低。在地质构造基本相同条件下，天然应力的量级与岩体的力学性质直接相关。（3）地形地貌对天然应力有一定影响。地形切割必然引起新的重分布应力。3.岩体垂直天然应力与水平天然应力实测垂直应力随深度的变化垂直应力随深度线性增

6、加。平均重度约为27KN/m3(1)垂直应力随深度的变化规律平均水平应力随深度而增加(2)水平应力随深度的变化(3)水平应力与垂直应力的比值K在接近地表及浅层地层中，水平应力大于垂直应力。但随深度增加就会出现K=1的状况。根据国内外资料统计，水平应力多数大于垂直应力。最大水平应力与实测垂直应力的比值（侧压力系数）一般为0.5至5.5，大部分在0.8至1.2之间。最大值达到了30或更大。我国实测资料表明，该值在0.8至3.0之间，而大部分为0.8至1.2。布朗和霍克根据全球资料的统计结果，其中侧压力系数的变化范围为：上限：　　；下限：(4)两水平应力之间的比例表两个水平应力分量之

7、间的关系两个水平应力σx，σy，一般比值为，而大多数为0.4～0.7。第三节高地应力地区的主要岩石力学问题一、研究高地应力问题的必要性研究高地应力本事就是岩石力学的基本任务。岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地应力大小的变化而变化。随着采矿深度的增加、我国中西部的开发，尤其是水电工程建设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题提出了新课题。二、高地应力判别准则和高地应力现象（一）高地应力判别准则（1）目前国际国内无统一的标准。（2）国内一般岩体工程以初始地应