1、2022-3-161第四章第四章 巖體地應力及其測量方法巖體地應力及其測量方法學習指導：學習指導：主要介紹巖石的初始應力概念，包括自重應力和構造應力，主要介紹巖石的初始應力概念，包括自重應力和構造應力，初始應力的量測方法及原理，扁千斤頂法和應力解除法等。初始應力的量測方法及原理，扁千斤頂法和應力解除法等。重重 點點 巖體的初始應力概念巖體的初始應力概念 巖體初始應力的測量方法巖體初始應力的測量方法4 巖體地應力及其測量方法巖體地應力及其測量方法 4.1概述概述 4.1.1 基本概念基本概念 地應力：地應力：系指天然環境下地殼巖土體內某一點所固有的應力狀態，即未受人工開挖擾動的應力，稱為地應力或

2、原巖應力。 次生應力：次生應力：受開挖、手動影響，在影響范圍以內的原巖應力平衡狀態被破壞后的應力稱為次生應力或誘發應力。 應力重分布：應力重分布：原巖應力到次生應力的轉換過程。 4 4.2 .2 地應力概論地應力概論 一、一、 地應力地應力 地應力分為地應力分為自重應力場自重應力場和和構造應力場。構造應力場。 自重應力自重應力: :由上覆巖體的自重所引起的應力；由上覆巖體的自重所引起的應力； 構造應力構造應力: :地層中由于過去地質構造運動產生和現在正在活地層中由于過去地質構造運動產生和現在正在活動與變化的應力，地質作用殘存的應力。動與變化的應力，地質作用殘存的應力。 二二. 地應力的特點及其

3、重要性地應力的特點及其重要性 地應力是引起采礦、水利水電、土木建筑和其他各種地下地應力是引起采礦、水利水電、土木建筑和其他各種地下工程或露天巖石開挖工程變形和破壞的原始動力，工程或露天巖石開挖工程變形和破壞的原始動力， 是確定工程巖體力學屬性，進行圍巖穩定性分析，實現巖是確定工程巖體力學屬性，進行圍巖穩定性分析，實現巖石工程開挖設計和決策的必要前提條件。石工程開挖設計和決策的必要前提條件。 2 地應力的特點及其重要性地應力的特點及其重要性 為了對各種巖石工程進行科學合理的開挖設計和施工，為了對各種巖石工程進行科學合理的開挖設計和施工，就必須對影響工程穩定性的各種因素進行充分調查，就必須對影響工

4、程穩定性的各種因素進行充分調查， 只有詳細了解了這些工程影響因素，通過定量計算和分只有詳細了解了這些工程影響因素，通過定量計算和分析，才能做出既經濟又安全實用的工程設計。析，才能做出既經濟又安全實用的工程設計。 例如：對于礦山來說，只有掌握了具體工程區域例如：對于礦山來說，只有掌握了具體工程區域的地應力條件，才能合理確定礦山總體布置，確的地應力條件，才能合理確定礦山總體布置，確定巷道和采場的最佳斷面形狀、斷面尺寸等。定巷道和采場的最佳斷面形狀、斷面尺寸等。 在確定巷道和采場走向時，也應考慮地應力的狀在確定巷道和采場走向時，也應考慮地應力的狀態態，最理想的走向是與最大主應力方向平行最理想的走向是

5、與最大主應力方向平行， 當然，在實際工程中還要綜合考慮工程需要和其當然，在實際工程中還要綜合考慮工程需要和其它影響因素。它影響因素。 綜上所述，地應力的特點及其重要性如下：綜上所述，地應力的特點及其重要性如下： 1、地應力是地下工程圍巖變形破壞原始動力；、地應力是地下工程圍巖變形破壞原始動力； 2、地位相當于工程中習慣性理解的外荷載，但又與、地位相當于工程中習慣性理解的外荷載，但又與材力、彈力中泛指的外荷載有所不同；材力、彈力中泛指的外荷載有所不同； 3、地下工程是先受力，后開挖，并且地應力從開挖、地下工程是先受力，后開挖，并且地應力從開挖前到最終一直對圍巖起著作用；前到最終一直對圍巖起著作用

6、； 4、地應力是涉及地殼問題、地下工程問題理論分析、地應力是涉及地殼問題、地下工程問題理論分析、計算中最基礎的原始資料。計算中最基礎的原始資料。 4.3 地應力的成因地應力的成因 1）海姆假設：）海姆假設： 在前言中我們已經介紹過，人們認識地應力還只是近在前言中我們已經介紹過，人們認識地應力還只是近百年的事，百年的事，1878年瑞士的地質科學家海姆（年瑞士的地質科學家海姆（A.Heim）在）在大型越嶺隧道的施工過程中，通過觀察與分析，首次提大型越嶺隧道的施工過程中，通過觀察與分析，首次提出了地應力的概念，出了地應力的概念，1）海姆假設：）海姆假設：假設地應力是靜水應力狀態，即地殼中任意一點的應

7、力在各假設地應力是靜水應力狀態，即地殼中任意一點的應力在各個方向上均相等，并且等于單位面積上覆蓋巖層的重量，即：個方向上均相等，并且等于單位面積上覆蓋巖層的重量，即：式中：式中： 水平應力；水平應力； 垂直應力；垂直應力； 覆蓋巖層的容覆蓋巖層的容重；重； 覆蓋巖層的深度。覆蓋巖層的深度。hvHhvH 海姆認為：海姆認為： （1）原巖應力各向等壓，即靜水壓力狀態。）原巖應力各向等壓，即靜水壓力狀態。 （2）上覆巖體的重量，歷經漫長的地質年代后，由）上覆巖體的重量，歷經漫長的地質年代后，由于材料的蠕變性及地下水平方向的約束條件，導致于材料的蠕變性及地下水平方向的約束條件，導致水平應力最終與鉛重應

8、力相均衡。水平應力最終與鉛重應力相均衡。 這一法則，仍被許多巖石力學家在認識深部地應力這一法則，仍被許多巖石力學家在認識深部地應力狀態時所接受。狀態時所接受。 2）金尼克假設）金尼克假設 1926年，原蘇聯學者金尼克修正了海姆的靜水壓力假設，年，原蘇聯學者金尼克修正了海姆的靜水壓力假設， 他認為地殼中各點的垂直應力等于上覆蓋巖層的重量，他認為地殼中各點的垂直應力等于上覆蓋巖層的重量， 而側向應力（水平應力）是泊松效應的結果，其值應為而側向應力（水平應力）是泊松效應的結果，其值應為 乘以一個修正系數。乘以一個修正系數。H 2）金尼克假設）金尼克假設 金尼克根據彈性理論（假定巖體是均勻的、連續的彈

9、性介質金尼克根據彈性理論（假定巖體是均勻的、連續的彈性介質體，得出水平應力總歸小于鉛垂應力的結論），體，得出水平應力總歸小于鉛垂應力的結論）， 認為這個認為這個測壓系數測壓系數等于等于 ，即：，即： 式中：式中： 上覆蓋巖層的泊松比，巖石的泊松比的常值范圍上覆蓋巖層的泊松比，巖石的泊松比的常值范圍為為0.150.30。1,1vhHH 此時，當此時，當 時，時， ，即，即海姆假說只是金尼克假海姆假說只是金尼克假說的一個特例說的一個特例。 同期的其他一些人主要關心的也是如何用一些數學公同期的其他一些人主要關心的也是如何用一些數學公式來定量地計算地應力的大小，并且也都認為地應力只式來定量地計算地應力

10、的大小，并且也都認為地應力只與重力有關，即以垂直應力為主，他們不同點只在于測與重力有關，即以垂直應力為主，他們不同點只在于測壓系數的不同。壓系數的不同。0.5hvH小結小結 地應力分布理論：地應力分布理論：1 1）海姆假設：）海姆假設：（首次提出了地應力的概念，靜首次提出了地應力的概念，靜水壓力假設）水壓力假設） 海姆假說：海姆假說：在巖體深處的初始垂直應力與其上覆巖體的重在巖體深處的初始垂直應力與其上覆巖體的重量成正比，而水平應力大致與垂直應力相等。量成正比，而水平應力大致與垂直應力相等。2 2）金尼克假設：）金尼克假設：（彈性力學假設）彈性力學假設） ， v v 為上覆巖層的柏松比。為上覆

11、巖層的柏松比。修正了海姆的靜水壓力假設，認為地殼中垂直應力等于上修正了海姆的靜水壓力假設，認為地殼中垂直應力等于上覆巖層重量，而水平應力是泊松效應的結果。覆巖層重量，而水平應力是泊松效應的結果。HvhHvHh1 我國的地質學家李四光：李四光： 20年代指出“在構造應力的作用僅影響地殼上層一定厚在構造應力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應力分量的重要性遠遠超過垂直應力度的情況下，水平應力分量的重要性遠遠超過垂直應力分量分量”。 50年代，年代，哈斯特哈斯特在測試地應力時也發現地殼上部的最大在測試地應力時也發現地殼上部的最大主應力幾乎處處是水平或接近水平的，而且主應力幾乎處處是水平或接近

12、水平的，而且最大水平應最大水平應力主應力一般為垂直應力的力主應力一般為垂直應力的12倍倍。 這樣就從根本上動搖了地應力是靜水壓應力的理論和垂這樣就從根本上動搖了地應力是靜水壓應力的理論和垂直應力為主的觀點。直應力為主的觀點。3 3）李四光：）李四光：在在構造應力的作用構造應力的作用僅影響地殼上層一僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應力分量的重要性遠遠超過垂定厚度的情況下，水平應力分量的重要性遠遠超過垂直應力分量。直應力分量。4 4）哈斯特：）哈斯特：地應力測量發現存在于地殼上部的地應力測量發現存在于地殼上部的最最大主應力幾乎處處是水平或接近水平的大主應力幾乎處處是水平或接近水平的，從根本上動

13、，從根本上動搖了地應力是靜水壓力的理論和以垂直應力為主的觀搖了地應力是靜水壓力的理論和以垂直應力為主的觀點。點。 5 5）近期研究：）近期研究：重力作用和構造運動是引起地應力的主要重力作用和構造運動是引起地應力的主要原因，其中尤以原因，其中尤以水平方向的構造運動水平方向的構造運動對地應力的形成對地應力的形成影響最大。當前的應力狀態主要由影響最大。當前的應力狀態主要由最近一次的構造運最近一次的構造運動動所控制，但也與歷史上的構造運動有關。所控制，但也與歷史上的構造運動有關。c c 地應力分布理論：地應力分布理論： 因此，因此，重力作用重力作用和和構造運動構造運動是引起地應力是引起地應力的主要原因

14、，的主要原因， 地應力的大小和方向不可能通地應力的大小和方向不可能通過數學計算或模型分析的方法來獲得，要了過數學計算或模型分析的方法來獲得，要了解一個地區的地應力狀態，唯一的方法就是解一個地區的地應力狀態，唯一的方法就是進行進行地應力測量地應力測量。 自重應力和構造應力：自重應力和構造應力：（1 1）巖體的自重應力）巖體的自重應力在均勻巖體中，深度為在均勻巖體中，深度為z z處的巖體的豎向自重應力為：處的巖體的豎向自重應力為：Hz0, yxyx 在半無限體中任一微元體上的正應在半無限體中任一微元體上的正應力均為主應力，且有力均為主應力，且有0 zxyzxy zzyx 1得：得： 0)(1 zy

15、xyxE 其中其中為巖體靜止側壓力系數。為巖體靜止側壓力系數。根據虎克定律：根據虎克定律：在均勻巖體中，巖體的自重初始應力狀態為：在均勻巖體中，巖體的自重初始應力狀態為：Hzzzyx 10 zxyzxy iniizh 1 iniinnznyxh11對于均質成層巖體：對于均質成層巖體：對于各向異性體，例如薄層狀沉積巖：對于各向異性體，例如薄層狀沉積巖：0/ EEEzyxyx yx 則有則有 ：zyxEE /1iniizh 1 巖體自重應力的特點：巖體自重應力的特點：（a）水平應力）水平應力x、y小于垂直應力小于垂直應力z ；（b） x、y、z均為壓應力；均為壓應力；（c） z只與巖體容重和深度有

16、關，而只與巖體容重和深度有關，而 x、 y還同時與巖體彈性常數還同時與巖體彈性常數E、有關；有關；（d）結構面影響巖體自重應力分布。）結構面影響巖體自重應力分布。 4.4. 地應力的成因地應力的成因 產生地應力的原因是十分復雜的，至今也不是十分清楚。產生地應力的原因是十分復雜的，至今也不是十分清楚。 近近30多年來的實測和理論分析表明，地應力的形成主要多年來的實測和理論分析表明，地應力的形成主要與地球的各種運動過程密切相關。與地球的各種運動過程密切相關。 包括：板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內應力、地心引力、包括：板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內應力、地心引力、地球旋轉、巖漿侵入和地球非均勻擴

17、容等。地球旋轉、巖漿侵入和地球非均勻擴容等。 另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其他物理化學變另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其他物理化學變化等也可以引起相應的應力場。下面就幾種主要成因進行分化等也可以引起相應的應力場。下面就幾種主要成因進行分述：述： （1）大陸板塊邊界受壓引起的應力場）大陸板塊邊界受壓引起的應力場 中國大陸板塊受到外部印度洋板塊和太平洋板塊中國大陸板塊受到外部印度洋板塊和太平洋板塊兩板塊的擠壓，推擠速度為每年數厘米，同時還受兩板塊的擠壓，推擠速度為每年數厘米，同時還受到西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束。到西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束。我國大陸板塊發我國大陸板塊發生變形

18、，產生水生變形，產生水平壓應力場，其平壓應力場，其主應力跡線如圖主應力跡線如圖4-1所示。所示。（2 2）地幔熱對流引起的應力場）地幔熱對流引起的應力場 由硅鎂組成的地幔因溫度由硅鎂組成的地幔因溫度很高，具有可塑性，并可以上很高，具有可塑性，并可以上下下對流和蠕動對流和蠕動。當地幔深處的。當地幔深處的上升流到達地幔頂部時，就分上升流到達地幔頂部時，就分為兩股方向為兩股方向相反的平流相反的平流，經一，經一定流程直到與另定流程直到與另一對流圈一對流圈的反的反向平流相遇，一起向平流相遇，一起轉為下降流轉為下降流回到地球深處，形成回到地球深處，形成封閉的循封閉的循環體系環體系。地幔熱對流引起地殼。地幔

19、熱對流引起地殼下面的下面的水平切向力水平切向力。 （3）由地心引力引起的應力場）由地心引力引起的應力場 由地心引力引起的應力場稱為重力應力場，重力由地心引力引起的應力場稱為重力應力場，重力應力場是各種應力場中唯一能夠計算的應力場。應力場是各種應力場中唯一能夠計算的應力場。 重力應力為垂直方向應力，它是地殼中所有各點重力應力為垂直方向應力，它是地殼中所有各點垂直應力的主要組成部分，垂直應力的主要組成部分， 但垂直應力一般并不完全等于自重應力，因為板但垂直應力一般并不完全等于自重應力，因為板塊移動、巖漿對流和侵入、巖體非均勻擴容、溫度塊移動、巖漿對流和侵入、巖體非均勻擴容、溫度不均和水壓梯度等，均

20、會引起垂直方向應力的變化。不均和水壓梯度等，均會引起垂直方向應力的變化。 由地心引力引起的應力場由地心引力引起的應力場 垂直應力垂直應力：平均容重，平均容重，KN/mKN/m3 3HH總深度（總深度（m m） 圖圖 巖體自重垂直應力巖體自重垂直應力HG （4）巖漿侵入引起的應力場）巖漿侵入引起的應力場 巖漿侵入擠壓、冷凝收縮和成巖過程，由于不同的巖漿侵入擠壓、冷凝收縮和成巖過程，由于不同的熱膨脹系數及熱力學過程等，均會在周圍地層中產生相熱膨脹系數及熱力學過程等，均會在周圍地層中產生相應的應力場，但它是一種局部應力場。應的應力場，但它是一種局部應力場。 巖漿傾入巖漿傾入擠壓、擠壓、冷凝收縮和成巖

21、冷凝收縮和成巖，均，均在周圍地層產生相應在周圍地層產生相應的應力場。的應力場。 與上述三種應力場與上述三種應力場不同，由巖漿侵入引不同，由巖漿侵入引起的應力場是一種起的應力場是一種局局部應力場。部應力場。 （5）地溫梯度引起的應力場）地溫梯度引起的應力場 地層的溫度隨著深度的增加而升高，一般的溫度梯度地層的溫度隨著深度的增加而升高，一般的溫度梯度為每百米為每百米3。 由于溫度梯度而引起地層中不同深度不同的膨脹，從由于溫度梯度而引起地層中不同深度不同的膨脹，從而引起地層中的局部壓應力產生。而引起地層中的局部壓應力產生。 隨埋深增加，地溫增高，巖體性質改變產生附加應力隨埋深增加，地溫增高，巖體性質

22、改變產生附加應力。 一般地溫梯度：一般地溫梯度： 巖體的體膨脹系巖體的體膨脹系數：數： ，巖體彈模，巖體彈模E=10E=104 4MPaMPa； 地溫梯度引起的溫度應力約為：地溫梯度引起的溫度應力約為： zMPazMPaEzT003.0101003.045 z-z-深度深度/m/m。溫度應力是同深度的垂直應力的溫度應力是同深度的垂直應力的1/91/9，并呈靜水壓力狀態。，并呈靜水壓力狀態。-510 100/3mC （6）地表剝蝕產生的應力場）地表剝蝕產生的應力場 地殼上升部分巖體因為風化、侵蝕和雨水沖刷搬運而產生地殼上升部分巖體因為風化、侵蝕和雨水沖刷搬運而產生剝蝕作用，由于巖體內的顆粒結構的

23、變化和應力松弛趕不上剝蝕作用，由于巖體內的顆粒結構的變化和應力松弛趕不上這種變化，導致巖體內仍然存在著比由地層厚度所引起的自這種變化，導致巖體內仍然存在著比由地層厚度所引起的自重應力還要大得多的水平應力重應力還要大得多的水平應力。 因此，在某些地區，大的水平應力除了與構造應因此，在某些地區，大的水平應力除了與構造應力有關，還和地表剝蝕有關。力有關，還和地表剝蝕有關。 區域初始應力場有一致性，而區域內局部地點的區域初始應力場有一致性，而區域內局部地點的初始應力又有很大差別，主要是由地質因素造成的。初始應力又有很大差別，主要是由地質因素造成的。孤立山體：孤立山體：巖體自重起主導作用，巖體自重起主導

24、作用，V H陡峭河谷陡峭河谷：底部出現應力集中，最大主應力與河谷底部出現應力集中，最大主應力與河谷軸近似垂直。如二灘水電站處于河谷地段的應力集軸近似垂直。如二灘水電站處于河谷地段的應力集中范圍達中范圍達500m，深度，深度250m斷裂帶：斷裂帶：殘留較大構造應力。如云南魯布革電殘留較大構造應力。如云南魯布革電站工程中巖體最大主應力與斷層走向近似垂直，站工程中巖體最大主應力與斷層走向近似垂直，積聚于上盤巖體中。積聚于上盤巖體中。地殼表面剝蝕：地殼表面剝蝕：垂直應力減少，近地表處，垂直應力減少，近地表處， H V此外，地震活躍地區，初始應力大小和方向還此外，地震活躍地區，初始應力大小和方向還隨時間

25、而變化。隨時間而變化。 通過理論、地質調查和大量的地應力測量資料的分通過理論、地質調查和大量的地應力測量資料的分析與研究，已初步認識到淺部地殼應力分布的一些析與研究，已初步認識到淺部地殼應力分布的一些基本規律：基本規律： （1 1）地應力是個相對穩定的非穩定應力場，它是時）地應力是個相對穩定的非穩定應力場，它是時間和空間的函數。間和空間的函數。 地應力在絕大部分地區是以水平應力為主的三向地應力在絕大部分地區是以水平應力為主的三向不等壓應力場。三個主應力的大小和方向是隨著時不等壓應力場。三個主應力的大小和方向是隨著時間和空間而變化的，因而它是一個非穩定的應力場，間和空間而變化的，因而它是一個非穩

26、定的應力場，4.2 地應力場的分布規律地應力場的分布規律 從小范圍來看，它在空間上的變化是比較明顯的，從小范圍來看，它在空間上的變化是比較明顯的，但就某個地區整體而言，其變化并不大。但就某個地區整體而言，其變化并不大。 在某些在某些地震活躍地區地震活躍地區，地應力的大小和方向隨，地應力的大小和方向隨時間的變化是很明顯的。時間的變化是很明顯的。 地震前，應力處于累積階段，應力值不斷升高，地震前，應力處于累積階段，應力值不斷升高，而地震時使集中應力得到釋放，應力值大幅度下降，而地震時使集中應力得到釋放，應力值大幅度下降，要過一段時間后才能恢復到震前狀態。要過一段時間后才能恢復到震前狀態。2 2）實

27、測鉛垂應力基本等于上覆巖層重量）實測鉛垂應力基本等于上覆巖層重量 對全世界實測統計資料的分析表明，在深度為對全世界實測統計資料的分析表明，在深度為25252700m2700m的范圍內，垂直應力呈線性增長，大致符合海的范圍內，垂直應力呈線性增長，大致符合海姆的假設規律，姆的假設規律， 但在某些地區的測量結果有一定的偏差，這些但在某些地區的測量結果有一定的偏差，這些偏差除測量誤差外，板塊移動、巖漿運動和不均勻偏差除測量誤差外，板塊移動、巖漿運動和不均勻膨脹、擴容等都會產生垂直應力異常。膨脹、擴容等都會產生垂直應力異常。 圖圖4-24-2是霍克（是霍克（E.HoekE.Hoek）和布朗（）和布朗（E

28、.T.BrownE.T.Brown）總結出來的世界各國值隨深度總結出來的世界各國值隨深度H H的變化規律。的變化規律。2 2）實測垂直應力基本等于上覆巖層的重量）實測垂直應力基本等于上覆巖層的重量 Hv 世界各國垂直應力隨深度變化的規律世界各國垂直應力隨深度變化的規律垂直應力 隨深度線性增加。平均容重約為27KN/m3HkPav27 （3）水平應力普遍大于鉛垂應力）水平應力普遍大于鉛垂應力 實測資料表明，在絕大多數地區均有兩個主應力位實測資料表明，在絕大多數地區均有兩個主應力位于水平或接近水平的平面內，其與水平面的夾角一般不于水平或接近水平的平面內，其與水平面的夾角一般不大于大于3030，最大

29、水平主應力普遍大于垂直應力，它們的，最大水平主應力普遍大于垂直應力，它們的比值一般在比值一般在0.50.55.55.5之間，在很多情況下比值大于之間，在很多情況下比值大于2 2。 垂直應力在大多數情況下為最小主應力，在少數情垂直應力在大多數情況下為最小主應力，在少數情況下為中間主應力，只在個別情況下為最大主應力。況下為中間主應力，只在個別情況下為最大主應力。 這說明，水平方向的這說明，水平方向的構造運動構造運動對地殼淺層地應力的對地殼淺層地應力的形成起形成起控制控制作用。作用。世界各國水平主應力與垂直主應力之間關系表世界各國水平主應力與垂直主應力之間關系表（4 4）平均水平應力與鉛垂應力的比值

30、隨深度增加而減）平均水平應力與鉛垂應力的比值隨深度增加而減小，但在不同地區，變化的速度很不相同。小，但在不同地區，變化的速度很不相同。該圖表明，在深度不該圖表明，在深度不大的情況下，兩者的大的情況下，兩者的比值相當分散。隨著比值相當分散。隨著深度的增加，該值的深度的增加，該值的變化范圍逐步縮小，變化范圍逐步縮小，并向并向1 1附近集中，這說附近集中，這說明在地殼深部有可能明在地殼深部有可能出現靜水壓應力狀態出現靜水壓應力狀態。垂直應力平均水平應力K3.0100K H5.01500K H4 4）平均水平應力與垂直應力之比隨深度增加而減小，且趨近于）平均水平應力與垂直應力之比隨深度增加而減小，且趨

31、近于1 1五、最大、最小水平主應力隨深度線性增加：五、最大、最小水平主應力隨深度線性增加： HmaxHmax6.76.70.0444H(Mpa)0.0444H(Mpa) HminHmin0.80.80.0329H(Mpa)0.0329H(Mpa)六、六、最大水平主應力和最小水平主應力之值一般相差較大，顯最大水平主應力和最小水平主應力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性。示出很強的方向性。 多數情況是多數情況是0.4-0.8。8 . 02 . 0maxmin HH 七、地應力除上述分布規律外，還受地形、巖體結構、七、地應力除上述分布規律外，還受地形、巖體結構、斷層等方面的擾動影響。斷層等方面的擾

32、動影響。 地形：對原始地應力的影響是十分復雜，地形：對原始地應力的影響是十分復雜，谷底是谷底是應力集中部位應力集中部位，越靠近谷底其應力集中程度也會，越靠近谷底其應力集中程度也會越明顯。越明顯。 隨著深度的增加或遠離谷底邊坡，則地應力分布隨著深度的增加或遠離谷底邊坡，則地應力分布狀態逐漸趨于規律化，并顯示出和區域應力場的狀態逐漸趨于規律化，并顯示出和區域應力場的一致性。一致性。斷層和結構面：地斷層和結構面：地應力分布狀態也會出現明顯的擾應力分布狀態也會出現明顯的擾動。動。 斷層端部、拐角處及交匯處斷層端部、拐角處及交匯處將出現應力集中的將出現應力集中的現象，現象，主應力方向大多平行或垂直于斷層

33、走向。主應力方向大多平行或垂直于斷層走向。 由于斷層帶中的巖體一般都比較軟弱和破碎，不由于斷層帶中的巖體一般都比較軟弱和破碎，不能承受高的應力和不利于能量積累，所以此處成為能承受高的應力和不利于能量積累，所以此處成為應力降低帶。應力降低帶。 隨著斷層性質的不同，其影響也不一樣，隨著斷層性質的不同，其影響也不一樣， 壓性斷層：壓性斷層：其中的應力狀態與周圍巖體比較接近，其中的應力狀態與周圍巖體比較接近， 只是主應力的大小比周圍巖體有所下降；只是主應力的大小比周圍巖體有所下降； 張性斷層：張性斷層：其中的地應力大小和方向與周圍巖體相其中的地應力大小和方向與周圍巖體相比均要發生顯著的變化。比均要發生

34、顯著的變化。4-3 高地應力區特征高地應力區特征maxbR圍巖強度比4.3.1 4.3.1 高地應力判別準則和高地應力現象高地應力判別準則和高地應力現象 1 1高地應力判別準則高地應力判別準則 高地應力是一個相對的概念。由于不同巖石具有不同的彈性高地應力是一個相對的概念。由于不同巖石具有不同的彈性模量，巖石的儲能性能也不同。一般來說，地區初始地應力大模量，巖石的儲能性能也不同。一般來說，地區初始地應力大小與該地區巖體的變形特性有關，巖質堅硬，則儲存彈性能多，小與該地區巖體的變形特性有關，巖質堅硬，則儲存彈性能多，地應力也大。因此高地應力是相對于圍巖強度而言的。也就是地應力也大。因此高地應力是相

35、對于圍巖強度而言的。也就是說，當圍巖內部的最大地應力與圍巖強度說，當圍巖內部的最大地應力與圍巖強度(Rb)(Rb)的比值達到某一的比值達到某一水平時，才能稱為高地應力或極高地應力。即水平時，才能稱為高地應力或極高地應力。即 2 2、高地應力現象、高地應力現象 （1 1）巖芯餅化現象）巖芯餅化現象 （2 2）巖爆。）巖爆。在巖性堅硬完整或較完整的高地應力在巖性堅硬完整或較完整的高地應力 地區開挖隧洞或探洞的過程中時有巖爆發生。地區開挖隧洞或探洞的過程中時有巖爆發生。巖爆巖爆 是巖石被擠壓到彈性限度，巖體內積聚的能量突然是巖石被擠壓到彈性限度，巖體內積聚的能量突然 釋放所造成的一種巖石破壞現象。釋

36、放所造成的一種巖石破壞現象。3)3)探洞和地下隧洞的洞壁產生剝離，巖體錘擊為嘶啞探洞和地下隧洞的洞壁產生剝離，巖體錘擊為嘶啞聲并有較大變形，在中等強度以下的巖體中開挖探洞聲并有較大變形，在中等強度以下的巖體中開挖探洞或隧洞，高地應力狀況不會像巖爆那樣劇烈，洞壁巖或隧洞，高地應力狀況不會像巖爆那樣劇烈，洞壁巖體產生剝離現象體產生剝離現象 有時裂縫一直延伸到巖體淺層內部，錘擊時有破有時裂縫一直延伸到巖體淺層內部，錘擊時有破啞聲。在軟質巖體中洞體則產生較大的變形，位移顯啞聲。在軟質巖體中洞體則產生較大的變形，位移顯著，持續時間長，洞徑明顯縮小。著，持續時間長，洞徑明顯縮小。 (4)(4)巖質基坑底部

37、隆起、剝巖質基坑底部隆起、剝離以及回彈錯動現象。離以及回彈錯動現象。 在堅硬巖體表面開挖基坑在堅硬巖體表面開挖基坑或槽，在開挖過程中會產生坑或槽，在開挖過程中會產生坑底突然隆起、斷裂，并伴有響底突然隆起、斷裂，并伴有響聲；或在基坑底部產生隆起剝聲；或在基坑底部產生隆起剝離。在巖體中，如有軟弱夾層，離。在巖體中，如有軟弱夾層，則會在基坑斜坡上出現回彈錯則會在基坑斜坡上出現回彈錯動現象。動現象。 (5)(5)野外原位測試測得的巖體物理力學指標比實野外原位測試測得的巖體物理力學指標比實 驗室巖塊試驗結果高。驗室巖塊試驗結果高。 巖體內開挖地下廠房、隧道、礦山地下巷道、采場等地下工程，引起挖空區圍巖應

38、力重新分布和集中，當應力集中到一定程度后就有可能產生巖爆。在地下工程開挖過程中，巖爆是圍巖各種失穩現象中反映最強烈的一種。它是地下施工的一大地質災害。由于它的突發性，在地下工程中對施工人員和施工設備威脅最嚴重。4.3.2 巖爆及其防治措施巖爆及其防治措施 巖爆：巖爆： 圍巖處于高應力場條件下所產生的巖片(塊)飛射拋撤，以及洞壁片狀剝落等現象叫巖爆。 LOREM 有的學者認為巖爆是受剪破裂；也有的有的學者認為巖爆是受剪破裂；也有的學者根據自己的觀察和試驗結果得出張破裂學者根據自己的觀察和試驗結果得出張破裂的結論；還有一種觀點把產生巖爆的巖體破的結論；還有一種觀點把產生巖爆的巖體破壞過程分為：劈裂

39、成板條、剪壞過程分為：劈裂成板條、剪( (折折) )斷成塊、斷成塊、塊片彈射三個階段式破壞。塊片彈射三個階段式破壞。地下工程中巖爆的形成條件及機理地下工程中巖爆的形成條件及機理：3( (3)3)爆炸拋射型爆炸拋射型 巖爆發生時巨石拋射，其聲響如同炮彈爆炸，拋射巖塊的體積數立方米到數十立方米，拋射距離幾米到十幾米。 (1)(1)破裂松脫型破裂松脫型 圍巖成塊狀、板狀、鱗片狀，爆裂聲響微弱，彈射距離很小，巖壁上形成破裂坑，破裂坑的深度主要受圍巖應力和強度的控制。1(2)(2)爆裂彈射型爆裂彈射型 巖片彈射及巖粉噴射，爆裂聲響如同槍聲、彈射巖片體積一般不超過0.33m3，直徑510cm。洞室開鑿后，一般出現片狀巖石彈射、崩落或成筍皮狀的薄片剝落，巖片的彈射距離一般為25m。巖塊多為中間厚，周邊薄的菱形巖片。2目前主要是根據現場調查所得到的巖爆特征，目前主要是根據現場調查所得到的巖爆特征，考慮巖考慮巖爆危害方式、危害程度以及對其防治對策等因素爆危害方式、危害程度以及對其防治對策等因素. .應變型，指坑道周邊堅硬巖體產生應力集中，在應變型，指坑道周邊堅硬巖體產生應力集中，在脆性巖石中發生激烈的破壞，是最一般的巖爆現脆性巖石中發生激烈的破壞，是最一般的巖爆現象；象；屈服型，指在有相互平行