第五章巖體天然應力與洞室圍巖的應力分布

Chapter5EarthstressandstressdistributionofTunnelSurroundingRock學習內容→

垂直應力與水平地應力的特征，自重應力與海姆假說，巖體天然應力與地下、地面工程的關系和影響，應力解除法、恢復法、破裂法。學習對象→

巖石應力場、垂直應力、水平地應力、海姆假說以及巖體應力測量。學習目的→

理解和掌握有關概念，特別是掌握應力解除法、恢復法、破裂法。掌握垂直應力與水平地應力的特征，自重應力與海姆假說等。學習提示

LearningHints§5.1概述5.1.1概念

天然應力

指在天然狀態下,巖體內部存在的應力，稱為巖體天然應力或巖體初始應力，有時也稱為地應力（構成：自重應力+構造應力+…）。

由于人類活動（工程開挖，修建建筑物）影響一定范圍的天然應力，這種巖體被撓動后的應力稱為“重分布應力”或“二次應力”

地下洞室二次應力＝天然應力+開挖附加應力。

二次應力§5.1概述5.1.1概念§5.1概述5.1.1概念5.1.1概念天然應力的表示§5.1概述§5.1概述5.1.2形成因素

影響巖體天然應力大小和分布規律的因素很多，主要有巖體自重（自重應力）、地質構造運動（構造應力）等；此外，成巖過程中的物理化學變化、地形地貌、地溫梯度巖體特性的等均對巖體天然應力有不同程度的影響。§5.1概述5.1.3研究巖體天然應力的意義2. 壩基：二次應力場＝地應力+開挖效應+建筑物附加應力場邊坡開挖： 坡面回彈變形→坡體二次應力＝地應力+開挖效應←釋放荷載 穩定性評價：剛體質量消失基于應力的強度分析3. 地下洞室：地應力，圍巖穩定分析（圍巖的變形、穩定）的基本荷載（力源）.

二次應力＝初始地應力+開挖效應附加應力場§5.1概述5.1.3研究巖體天然應力的意義

地應力與地下洞室的關系縱軸線與σ1近于平行（二灘尾水洞崩塌；甘肅金川隧洞）水平應力與垂直應力比值與體形關系

σz

＞σh：高度大跨度小(自重應力為主)，近似橢圓形；

σh＞σz：高度小跨度大(構造應力為主)，近似橢圓形；§5.1概述5.1.3研究巖體天然應力的意義

地應力對工程的影響我國二灘（玄武巖），美國大古星（花崗巖）壩基開挖→像剝洋蔥頭一樣，剝了一層又一層。

處理方法：迅速澆注砼，高壓固結灌漿巖爆：在高地應力區→洞室開挖→彈性能釋放大的巖塊墜落，小巖塊彈射（太平驛水電站）§5.2巖體中的地應力分布5.2.1自重應力與海姆假說

分析世界主要地區大量的地應力實測資料表明，在深度為25～2700m深度范圍內，垂直地應力σv基本等于上覆巖層重量即σv=γH。

巖體中水平應力的分布和變化規律，是一個比較復雜的問題，根據已有的實測資料來看，巖體中的水平應力，主要受所研究地區現代構造應力場的控制，同時，還受到巖體自重、侵蝕所導致的天然卸荷的作用，現代斷裂運動的應力釋放和應力調整作用，以及巖體的力學特性等因素的影響。5.2.1自重應力與海姆假說

對于沒有經受構造作用、產狀較為平緩的巖層，它們的應力狀態十分接近于由彈性理論所確定的應力狀態。在深度z處：§5.2巖體中的地應力分布鉛直應力：水平應力：

自重應力靜止側壓力系數

當K0＝1(即μ=0.5)，出現水平向應力與垂直向應力相等，此為所謂的靜水壓力的情況。5.2.1自重應力與海姆假說§5.2巖體中的地應力分布

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量成正比，而水平應力大致與垂直應力相等。§5.2巖體中的地應力分布5.2.1地應力分布規律三向不等壓的空間地應力場，其大小和方向隨時間和空間變化;垂直與水平應力的關系垂直應力σz，主要受上覆巖體自重形成。水平應力σx5.2.1地應力分布規律水平應力σx

巖體中的水平應力，主要受所研究地區現代構造應力場的控制，同時，還受到巖體自重、侵蝕所導致的天然卸荷的作用，現代斷裂運動的應力釋放和應力調整作用，以及巖體的力學特性等因素的影響。§5.2巖體中的地應力分布

水平巖層5.2.1地應力分布規律水平應力σx

巖體中的水平應力，主要受所研究地區現代構造應力場的控制，同時，還受到巖體自重、侵蝕所導致的天然卸荷的作用，現代斷裂運動的應力釋放和應力調整作用，以及巖體的力學特性等因素的影響。§5.2巖體中的地應力分布

河谷（4個分區：應力松弛區，過渡區，平穩區，集中區）岸坡：

σ1//坡岸，σ3⊥岸坡

谷底：

σ1水平，σ1=σh

＞σz

（應力集中）5.2.1地應力分布規律§5.2巖體中的地應力分布5.2.1地應力分布規律水平應力σx

巖體中的水平應力，主要受所研究地區現代構造應力場的控制，同時，還受到巖體自重、侵蝕所導致的天然卸荷的作用，現代斷裂運動的應力釋放和應力調整作用，以及巖體的力學特性等因素的影響。§5.2巖體中的地應力分布

水平向地質構造+自重σ1//主要構造方向，且σ1

＞＞σz

若μ＝0.5k0=1σh=σz

靜水壓力（海姆假設）§5.3巖體地應力的量測

現場巖體應力可以在鉆孔中、露頭上和地下洞室的巖壁上測定，也可根據在地下測定的位移進行計算。目前常用方法是鉆孔應力解除法，應力恢復法和水壓致裂法三種。§5.3巖體地應力的量測5.3.1現場量測

應力解除法孔徑變形法

基本原理：（共同點）通過解除巖體中應力→量測孔徑（孔底、孔壁）變形（應變）→利用彈性理論→反求外部釋放應力（地應力）孔底應變法孔壁應變法5.三3.三1現場三量測應力三解除三法①孔徑三應變三法程序三：a：用13三0m三m鉆頭三鉆孔三至預三定深三度；b：用36三mm小鉆三頭鉆三孔h＝26～30三cm，孔三底磨三平；c：安三裝孔三徑變三形儀三；d：安三裝13三0m三m空心三鉆頭三套鉆e：折三斷巖三芯CA三SE三1假定三鉆孔三方向//三σ3§5.三3巖體三地應三力的三量測5.三3.三1現場三量測應力三解除三法①孔徑三應變三法采用三三孔三交匯三方法三：每三個孔三（與三鉆孔三軸線三垂直三平面三內）三：三兩個三正應三力，三一個三剪應三力（三三個三分量）三三個三孔：3×三3九個三方程三聯立三求空三間主三應力三（6個獨三立未三知量三）CA三SE三2若鉆三孔方三向不三平行三于σ3§5.三3巖體三地應三力的三量測§5.三3巖體三地應三力的三量測5.三3.三1現場三量測應力三解除三法②孔底三應變三法量測a、b面內三，在三套鉆三過程三中產三生的三應變→孔底三主應三變→主應三力5.三3.三1現場三量測應力三解除三法③孔壁三應變三法§5.三3巖體三地應三力的三量測孔壁三應變三法是三只需三在一三個鉆三孔中三通過三對孔三壁應三變的三量測三，即三可確三定巖三體的三六個三空間三應力三分量三。（套三鉆→解除三應力→測孔三壁應三變（三初）→推算P釋放三應力三）5.三3.三1現場三量測應力三解除三法③孔壁三應變三法§5.三3巖體三地應三力的三量測設鉆三孔前三巖體三中有三六個三應力三分量三，若三在彈三性巖三體中三鉆一三半徑三為r0的圓三形孔三則鉆三孔附三近應三力不三再保三持原三來的三狀態三。孔壁三上坐三標為r0，θ，Z的任三意一三點，三孔壁三上的三這些三應力三可以三通過三鉆孔三前巖三體中三的六三個應三力分三量表三示如三下：5.三3.三1現場三量測應力三解除三法③孔壁三應變三法§5.三3巖體三地應三力的三量測在一三個測三點三三個方三向測三試應三變：切向(θ三=π三/2三)+軸向(θ三=0三)+450方向(θ=三π/三4)根據三應變三換算三成應三力。計算出的地應力5.三3.三1現場三量測應力三解除三法③孔壁三應變三法§5.三3巖體三地應三力的三量測采用三孔壁三應變三測試三法測三定巖三體的三三向三應力三的具三體方三法是三用鉆三機鉆三孔，三鉆孔三需測三定應三力的三深度鉆孔三底面三用金三剛石三鉆頭三磨平三后再三用小三的鉆三孔自三孔底三面沿三孔軸三方向三繼續三鉆一三深度三約為45三cm的小三鉆孔三。在小三鉆孔三的中三部孔三壁上三選定三三個三測點三并在三每個三測點三上按三前述三規定三方向三安置三三個三應變三元件三。此三時讀三出各三測點三的應三變計三的初三讀數三，最后三再選三用適三當大三小的三鉆頭三在小三鉆孔三外圍三進行三套鉆三并取三出巖三芯。三此時三再讀三出完三全解三除了三應力三之后三巖芯三中孔三壁各三應變三元件三的讀三數，三然后三用套三取巖三芯前三后應三變元三件讀三數之三差，三按公三式計三算巖三體初三始應三力。§5.三3巖體三地應三力的三量測5.三3.三1現場三量測應力三恢復三法在量三測部三位→磨平→貼應三力片→初始三讀數三；開挖三（沿三與待三測主三應力三垂直三方向三開槽三）→地應三力釋三放→應變三增加三；利用三扁千三斤頂三反向三加壓三（應三力恢三復）→使應三變讀三數恢三復至三初始三讀數三地三應力三＝反三向油三壓特點三：適三合淺三表部三，當三非主三應力三面（三存在τ影響三）和三加載σ～ε與σ～ε卸載三不同三時，三誤差三！！§5.三3巖體三地應三力的三量測5.三3.三1現場三量測水壓三破裂三法水壓三破裂三法是三二十三世紀三七十三年代三初期三從石三油鉆三井探三采用三新技三術借三用而三來的三測定三深部三巖體三應力三的一三種方三法。三它借三助于三兩個三可膨三脹的三橡膠三塞，三在需三要測三定應三力的三深度三上封三閉隔三離一三段鉆三孔，三并用三水壓三方法三對被三隔離三段孔三壁施三加壓三力，三直至三孔壁三巖石三受拉三破裂三，最三后根三據破三裂壓三力、三封井三壓力三以及三橡膠三塞套三上壓三痕的三方位三，確三定巖三體天三然主三應力三的大三小和三方位三。這種三方法三最早三是由三美國三學者8等提三出的三，Ha三im三so三n教授三也是三該方三法的三理論三與實三踐的三有力三倡導三者。§5.三3巖體三地應三力的三量測5.三3.三1現場三量測水壓三破裂三法§5.三3巖體三地應三力的三量測5.三3.三1現場三量測水壓三破裂三法1、基三本原三理對測三試段三鉆孔三用特三制封三隔器三密封三起來三，然三后對三密封三段加三高壓三水直三至孔三壁巖三石產三生張三裂隙三。根三據裂三隙的三方向三及泵三壓的三大小三分析三確定三原巖三的應三力狀三態。水壓致裂裝置封隔器鉆孔高壓水2、基三本假三設（1）一三個主三應力三方向三是垂三直的三，其三大小三等于三上覆三巖層三的自三重應三力。三而另三外兩三個主三應力三是水三平的三，且三破裂三方向三垂直三于最三小主三應力三方向三。即三鉆孔三方向三為某三一主三應力三方向三。（2）巖三體是三均質三、各三向同三性的三線彈三性體三。§5.三3巖體三地應三力的三量測5.三3.三1現場三量測水壓三致裂三法§5.三3巖體三地應三力的三量測5.三3.三1現場三量測孔隙三水壓三力Ps關閉三壓力Pic三2使裂三縫重三新張三開的壓力pic三1孔壁三巖石三破裂三壓力（a）裂三縫沿三軸向三產生三和延三伸（b）裂三縫沿三軸向三產生三向水三平方三向延三伸5.三4.三1室內三量測聲發三射法(A三co三us三ti三c三Em三is三si三on，簡三稱AE法)是以三巖石三試件三的聲三發射三凱賽(K三ai三se三r)效應三對巖三石已三受過三的最三大應三力的三記憶三為基三礎，三用鉆三孔巖三芯制三成試三件，三由實三驗測三定原三地應三力的三方法三。其三特點三是不三需在三野外三作業三，不三破壞三鉆孔三結構三，僅三需鉆三孔巖三芯就三可進三行地三應力三測量三。可三廣泛三應用三于油三氣田三開采三、地三熱能三開發三、礦三山、三水電三、核三廢料三處理三等工三程中三的深三部應三力測三量。巖石三同金三屬材三料一三樣壓三縮時三具有三聲發三射的三凱塞三效應三，在三室內三對巖三心試三樣進三行壓三縮試三驗，三聲發三射活三動最三顯著三的地三方（三稱為Ka三is三er點）三所對三應的三外加三壓應三力即三為試三驗先三前所三受到三的最三大正三應力三。§5.三3巖體三地應三力的三量測5.三4.三1室內三量測§5.三3巖體三地應三力的三量測聲發三射——巖石三受外三荷載三作用三，其三內部三儲存三的應三變能三因微三裂隙三產生三和發三展而三快速三釋放三，從三而產三生彈三性波三，發三出聲三響，三稱為三聲發三射。凱塞三效應——19三50年，三德國三人J.三Ka三si三se三r發現三多晶三金屬三的應三力從三其歷三史最三高點三水平三釋放三后，三再重三新加三載，三當應三力未三達到三先前三最大三應力三值時三，很三少有三聲發三射產三生，三而當三應力三達到三和超三過歷三史最三高水三平后三，則三大量三產生三聲發三射，三這一三現象三稱為三凱塞三效應三。凱塞三點——從很三少產三生聲三發射三到大三量產三生聲三發射三的轉三折點三稱為三凱塞三點，三該點三對應三的應三力即三為材三料先三前受三到的三最大三應力三。5.三4.三1室內三量測§5.三3巖體三地應三力的三量測巖石三也有三聲發三射現三象。凱塞三效應三為巖三石應三力測三量提三供了三途經三。即三從原三巖中三取樣——沿6個不三同方三向制三備試三件（三每個三方向三試件三為15～25塊）——加壓三測試——凱塞三點——計算三地應三力。§5.三4水平三洞室三圍巖三的應三力計三算工程三應用三：關心三的洞三室的三二次三應力三（重三分布三應力三）＝三初始三應力+洞室三的開三挖附三加應三力。(洞室三強度三復核→圍巖三是否三穩定)在前三面介三紹了三巖體三地應三力的三形成三與量三測方三法。§5.三4水平三洞室三圍巖三的應三力計三算5.三4.三1圓形三洞室簡化當洞三室高三度遠三小于三洞室三埋深三時，三應力三沿高三度的三變化三可忽三略不三計。三一般三認為三埋深三大于三高度三三倍三時可三忽略三。5.三4.三1圓形三洞室初始三地應三力§5.三4水平三洞室三圍巖三的應三力計三算K0＝0、1/三3、15.三4.三1圓形三洞室當洞三室埋三深H＞30，近三似認三為洞三頂～三洞底σz近似三相等三，側三壓為三均布三，對三于圓三形洞三室可三簡化三“無三限平三板中三含圓三孔+外部三均布三面力三”。三借用三彈性三理論三：§5.三4水平三洞室三圍巖三的應三力計三算5.三4.三1圓形三洞室討論三：§5.三4水平三洞室三圍巖三的應三力計三算10Ca三se三15.三4.三1圓形三洞室討論三：§5.三4水平三洞室三圍巖三的應三力計三算20Ca三se三2a.圍巖三中的三徑向三應力三均小三于巖三體中三的初三始應三力γHb.圍巖三中的三切向三應力三均大三于巖三體中三的初三始應三力γH，并三在洞三壁處三達到三