岩体初始应力和其测量.ppt

第五章  岩体初始应力及其测量; ;1、岩体初始应力场的构成； 2、重力应力场和构造应力场的特点； 3、原岩应力场的分布状态； 4、应力解除法的基本原理。 关键术语：原岩、原岩应力、自重应力、构造应力、应力解除 要求：1、掌握本课程重点难点内容； 2、了解原岩应力分布状态； 3、了解影响原岩应力分布的因素； 4、熟悉几种应力解除法测试原岩应力的方法和测试步骤。;§5-1 基本概念;自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。它是由岩体自重引起的。 自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态称为自重应力场。 构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。 构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。; 次生应力（二次应力）岩体开挖扰动了原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的应力称为次生应力或二次应力。 原岩应力≈自重应力＋构造应力 迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。 ;§5-2 岩体的自重应力;得：;在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：;对于均质成层岩体：;对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：;解得 ：; 岩体自重应力的特点： （1）水平应力σx、σy小于垂直应力σz ； （2） σx、σy、σz均为压应力； （3） σz只与岩体密度和深度有关，而 σx、σy还同时与岩体弹性常数E、μ有关； （4）结构面影响岩体自重应力分布。; 在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，μ=0.20~0.30,在深部，岩体转入塑性状态， μ=0.50 ，λ＝1，则有： σx= σy= σz＝γz 各向等压的应力状态，又称为静水压力状态。 著名的海姆假说（瑞士地质学家1871） ;§5-3 岩体构造应力;二、构造运动的起因;三、构造应力场分析;2、断层和节理的形成机理;由地质特征推断构造应力方向;由地质特征推断构造应力方向;（二）构造体系及区域构造应力场;§5-4 岩体初始应力（原岩应力）分布状态; 2、两个水平应力的关系一般有;四、原岩应力的分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。 地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平行； 断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。;§5-5 岩体初始应力场测定;1、已知主应力方向的应力解除 如图示平板：;由弹性原理：;解得εx,εy,γxy,可按下式求出主应变ε1 ε2 和α0;3、应变花种类;A、直角应变花 α1 ＝ 00，α2 ＝ 450，α3 ＝ 900;B、等角应变花 α1＝00，α2＝600，α3＝1200;将（7）式 代入(1)式得：;（二） 应力解除方法;对于等角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：;对于直角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：;孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算：; 孔底应力解除法的评价 优点：解除岩心短，不需要打很长的套孔岩心，适用于完整性差的岩体。 缺点：采用孔底应力解除时，单孔不能确定岩体应力的六个分量，必须进行三孔测定，才能确定岩体的原岩应力；无理论计算公式，只能用经验公式计算岩体的三维应力。;2、孔径变形法; 假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩体应力σ1 ’ 的夹角为θ1、θ2、θ3，测得的孔径变形分别为u1、u2、u3,孔壁径向位移为其1/2。; 由弹性力学公式，在二向应力σ1、σ3的作用下，无限大平板内圆孔周边径向位移 u 的计算公式为：; 当θ1，θ2，θ3的间隔为600时，按下式计算岩体应力：; 当θ1，θ2，θ3的间隔为450时，按下式计算岩体应力：; 按上式计算得出的σ1 ’， σ2 ’是钻孔断面内的次主应力。 要确定一点的全应力，必须向测点打三个不同方向的钻孔，进行同样测定，然后再按最小二乘法求解。;3、 孔壁应变法; 应变计探头孔壁布置3个应变花，每个应变花由3个应变片组成，采用直角应变花形式。; 一个无限体的钻孔，受到无限远处的三维应力场（原岩应力场σx、σy、σz、τxy 、 τyz 、τzx )作用时，孔边围岩应力（ σr、σθ、σ’z、τrθ 、τz’θ、τ