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1、第六章第六章 岩体的初始应力状态岩体的初始应力状态第一节第一节 初始应力状态的概念与初始应力状态的概念与意义意义 开挖后，引起岩体的变形和破坏，是由于力的作用开挖后，引起岩体的变形和破坏，是由于力的作用。1原岩应力原岩应力（初始应力）（初始应力）天然环境下地壳体天然环境下地壳体 中某一点所具有的应力状态，也称为地应力。中某一点所具有的应力状态，也称为地应力。2次生应力次生应力受井巷开挖、资源开采等工程影受井巷开挖、资源开采等工程影 响，在开采影响范围内，原岩应力平衡状态响，在开采影响范围内，原岩应力平衡状态 破坏后重新形成的平衡状态的应力，叫次生应破坏后重新形成的平衡状态的应力，叫次生应 力，
2、也叫采动应力。力，也叫采动应力。3应力重新分布应力重新分布：由原岩应力平衡状态到次生应力：由原岩应力平衡状态到次生应力平衡状态的转化过程，叫应力重新分布。平衡状态的转化过程，叫应力重新分布。4原岩应力的组成原岩应力的组成 1）自重应力）自重应力某一点的自重应力是上覆岩层某一点的自重应力是上覆岩层 的自重所引起，与上覆岩层的质量和埋藏深的自重所引起，与上覆岩层的质量和埋藏深 度有关度有关。2）构造应力构造应力地质构造运动引起的地下某点地质构造运动引起的地下某点 的应力。与岩体的特性（节理分布、岩体的应力。与岩体的特性（节理分布、岩体 弹塑性、粘性特性）和地质构造现象有关。弹塑性、粘性特性）和地质
3、构造现象有关。3）其它作用其它作用地形、地震、水、地温等均可地形、地震、水、地温等均可 产生地应力。产生地应力。u三种作用中，自重应力与地质构造应力是主要的，三种作用中，自重应力与地质构造应力是主要的，普遍存在着地应力普遍存在着地应力。5围岩围岩地下开挖后影响开挖范围稳定性的周围地下开挖后影响开挖范围稳定性的周围岩体岩体。6研究初始应力状态的意义研究初始应力状态的意义确定应力变化、设确定应力变化、设计工程支护计工程支护。第二节第二节 初始应力状态的应力场计算初始应力状态的应力场计算一、岩体自重应力场一、岩体自重应力场 u1海姆静水压力假说海姆静水压力假说 1879年，瑞士地质学家海姆（年，瑞士
4、地质学家海姆（Heim），提出原），提出原岩应力各向等压假说岩应力各向等压假说。铅重和水平应力；岩石密度，单均（2.52.7t/m3）；g；重力密度，N/m3；z 自地表起至地下某一点的深度，m。即：铅垂应力等于上覆岩层的重量，水即：铅垂应力等于上覆岩层的重量，水平应力与铅垂应力均衡（相等）。平应力与铅垂应力均衡（相等）。重力加密度，9.8m/s2l图图6-1 岩体自重垂直应力岩体自重垂直应力 l推导推导：l100米处岩体应力：米处岩体应力：即即100m深处的岩层垂直应力为深处的岩层垂直应力为2.5MPa。注意：上式是按单岩层平均计算，若有几个注意：上式是按单岩层平均计算，若有几个层，分别为层
5、，分别为 。则：（6-2）u2金尼克假说金尼克假说 根据线弹性约束条件推断。根据线弹性约束条件推断。已知：已知：（铅垂应力是自重应力）（铅垂应力是自重应力）在均匀的、各向同性的岩体中，各单元受到约束，在均匀的、各向同性的岩体中，各单元受到约束，水平方向应变水平方向应变,即即：水平方向变形与另外两个方向的力有关水平方向变形与另外两个方向的力有关 广义虎克定律（弹性力学应广义虎克定律（弹性力学应力关系）力关系）即：即：令令 侧压系数 u=0.20.3，=0.250.43即即 按照金尼克的线弹性岩体假设按照金尼克的线弹性岩体假设水平应力水平应力 得：得：水平应力小于垂直应力，侧压系数水平应力小于垂直
6、应力，侧压系数 1，之下 1 1 0。时，孔壁产生开裂（为最晚开裂位置）。时，孔壁产生开裂（为最晚开裂位置）。应力条件应力条件：（6-17）or（注：T01，即水平应力，即水平应力垂直地应力。但随着深度增加，垂直地应力。但随着深度增加，就会出现就会出现K=1的状况，这个深度称为临界深度。的状况，这个深度称为临界深度。测量地区不同，临界深度也不同。冰岛的实测资料表明测量地区不同，临界深度也不同。冰岛的实测资料表明临界深度大约为临界深度大约为200m。在南非和日本曾测得临界深。在南非和日本曾测得临界深度为度为500m左右；在美国的水压致裂法测定资料表明，左右；在美国的水压致裂法测定资料表明，临界深
7、度为临界深度为1000m左右。而在加拿大和斯堪底维亚左右。而在加拿大和斯堪底维亚测得的资料，在深度测得的资料，在深度2000m内，水平应力始终占优内，水平应力始终占优势，即临界深度在势，即临界深度在2000m以上。以上。三、两个水平应力之间的关系三、两个水平应力之间的关系 u 关于两上水平应力关于两上水平应力 与与 间的关系，一般来讲，间的关系，一般来讲，无论是大区域或较小区域范围内，其大小和方向都无论是大区域或较小区域范围内，其大小和方向都有变化。一般，有变化。一般，/=0.20.8，而大多数为：，而大多数为：0.40.7。u根据不完全统计，我国与欧洲的资料列于表根据不完全统计，我国与欧洲的
8、资料列于表6-2。表6-2 两上水平应力分量之间的关系/实测地点统计数目 /的比值（%）1.00.750.750.500.50.250.250合计斯堪的纳维亚等地511467136100北 美2222246239100中 国551256248100第六节第六节 高地应力地区的高地应力地区的主要岩石力学问题主要岩石力学问题一、研究高地应力问题的必要性一、研究高地应力问题的必要性 u（一）（一）研究地应力是研究岩体力学不可缺少的一研究地应力是研究岩体力学不可缺少的一部分。岩体力学与其他力学学科的最根本的区别部分。岩体力学与其他力学学科的最根本的区别在于：岩体中具有初始地应力，所有一切岩体力在于：岩
9、体中具有初始地应力，所有一切岩体力学现象都与地应力的大小有关。因此，研究高地学现象都与地应力的大小有关。因此，研究高地应力问题本身就是力学的基本任务。应力问题本身就是力学的基本任务。u（二）（二）岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应岩体的本构关系、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。力传播规律都要受到地应力大小的变化而变化。l 例如，在低地应力和偏低压情况下，岩体的脆例如，在低地应力和偏低压情况下，岩体的脆断特性表现明显，受节理面制约而表现的各向异断特性表现明显，受节理面制约而表现的各向异性和非连续性也很明显。岩体破坏时，峰值强度性和非连续性也很明显。岩体破坏时，峰值
10、强度与残余强度之间数值差较大。在高地应力条件下，与残余强度之间数值差较大。在高地应力条件下，岩体的脆性表现不太明显，而塑性表现明显，节岩体的脆性表现不太明显，而塑性表现明显，节理面的存在所引起的各向异性也会明显减弱，表理面的存在所引起的各向异性也会明显减弱，表现出连续介质的特性。而且会呈现出高地应力的现出连续介质的特性。而且会呈现出高地应力的特殊现象，有必要进行深入研究。特殊现象，有必要进行深入研究。u（三）（三）随着我国中、西部的开发，尤其是水电随着我国中、西部的开发，尤其是水电系统的工程建设，在高地应力地区出现特殊的系统的工程建设，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
11、新地压现象，给岩体工程稳定问题提出了新课题。由于缺乏研究，对于高地应力地区出现的课题。由于缺乏研究，对于高地应力地区出现的岩石力学问题缺乏有力的对策和措施，工程建设岩石力学问题缺乏有力的对策和措施，工程建设的发展需要研究高地应力问题。的发展需要研究高地应力问题。二、高地应力判别准则和高地应力现象二、高地应力判别准则和高地应力现象u（一）高地应力判别准则（一）高地应力判别准则 1）不同学科与不同工程，对高地应力问题的表现和不同学科与不同工程，对高地应力问题的表现和理解不同，判别标准也不同。所以，目前国际国内理解不同，判别标准也不同。所以，目前国际国内尚无统一的标准。尚无统一的标准。2）国内一般岩
12、体工程以初始地应力在国内一般岩体工程以初始地应力在2030MPa为为高地应力，因为在这样的应力水准下就易于出现高地高地应力，因为在这样的应力水准下就易于出现高地应力现象。应力现象。3）由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储能也不由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储能也不同。一般来说，地区初始地应力大小尚与该地区岩体同。一般来说，地区初始地应力大小尚与该地区岩体的变形特性有关，岩质坚硬，则就储存弹性能多，地的变形特性有关，岩质坚硬，则就储存弹性能多，地应力也大。一般判别高地应力用比值应力也大。一般判别高地应力用比值 来衡量，来衡量，按按工程岩体分级标准工程岩体分级标准（GB50218-94）：4，
13、称为极高初始地应力，称为极高初始地应力，=47为高地应力。为高地应力。上式中，上式中，为岩石单轴饱和抗压强度；为岩石单轴饱和抗压强度；为垂直洞轴线方向的最大初始地应力，即为垂直洞轴线方向的最大初始地应力，即 。u（二）高地应力现象（二）高地应力现象（1）岩芯饼化现象岩芯饼化现象。在中等强度以下的岩体中。在中等强度以下的岩体中进行勘探时，常可见到岩芯饼化现象。美国进行勘探时，常可见到岩芯饼化现象。美国L.Obert和和（1965年）年）用实验验证的方法同样获用实验验证的方法同样获得了饼状岩芯，并确定了饼状岩芯是高地应力产得了饼状岩芯，并确定了饼状岩芯是高地应力产物；从岩石力学破裂成因来分析，岩芯
14、饼化是剪物；从岩石力学破裂成因来分析，岩芯饼化是剪张破裂产物。除此以外，还能发现钻孔缩径现象。张破裂产物。除此以外，还能发现钻孔缩径现象。（2）岩爆岩爆。在岩性坚硬完整或较完整的高地应。在岩性坚硬完整或较完整的高地应力地区开挖隧洞或探洞时，在开挖过程中，时有力地区开挖隧洞或探洞时，在开挖过程中，时有岩爆发生。岩爆发生。岩爆现象表现为随着巨大的响声，岩岩爆现象表现为随着巨大的响声，岩片以极快的速度向洞室内飞散开来，岩片呈透镜状或叶片以极快的速度向洞室内飞散开来，岩片呈透镜状或叶片状，其边缘像刀刃一样锐利片状，其边缘像刀刃一样锐利。因此，岩爆就是岩石被。因此，岩爆就是岩石被挤压到弹性限度，岩体内积
15、聚的能量突然释放所造成的挤压到弹性限度，岩体内积聚的能量突然释放所造成的一种岩石破坏现象。岩爆的发生常常造成隧洞或坑道的一种岩石破坏现象。岩爆的发生常常造成隧洞或坑道的破坏，砸坏施工机械，并严重威胁着洞内工作人员的安破坏，砸坏施工机械，并严重威胁着洞内工作人员的安全。从爆落岩片开头和留在洞壁的凹坑形状比较分析，全。从爆落岩片开头和留在洞壁的凹坑形状比较分析，以岩石力学的观点来看，认为岩片是在压应力作用下的以岩石力学的观点来看，认为岩片是在压应力作用下的张破裂或剪切破坏而形成的破裂碎片。以岩爆发生的部张破裂或剪切破坏而形成的破裂碎片。以岩爆发生的部位来看，经常是在主地应力方向线与隧洞外轮廓相切的
16、位来看，经常是在主地应力方向线与隧洞外轮廓相切的部位，因为这是应力集中最大的部位。部位，因为这是应力集中最大的部位。（3）探硐和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶探硐和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑并有较大变形，在中等强度以下的岩体中哑并有较大变形，在中等强度以下的岩体中，开挖探硐，开挖探硐或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩体或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩体产生剥离现象。有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤产生剥离现象。有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有破哑声。在软质岩体中则产生洞体较大的变形，击时有破哑声。在软质岩体中则产生洞体较大的变形，位移显著，
17、持续时间长，洞径明显缩小。位移显著，持续时间长，洞径明显缩小。（4）岩质基坑底部降起、剥离以及回弹错动现象岩质基坑底部降起、剥离以及回弹错动现象。在。在坚硬岩体表面开挖基坑或槽，在开挖过程中会产生坑突坚硬岩体表面开挖基坑或槽，在开挖过程中会产生坑突然隆起、断裂，伴有响声；或在基坑底部产生隆起剥离。然隆起、断裂，伴有响声；或在基坑底部产生隆起剥离。在岩体中，如有软弱夹层，则会在基坑斜坡上出现回弹在岩体中，如有软弱夹层，则会在基坑斜坡上出现回弹错动现象（见图错动现象（见图6-26）。）。（5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高。由于高
18、地应力的存在，致使岩体的声岩块试验结果高。由于高地应力的存在，致使岩体的声波速度、弹性模量等参数增高，甚至比实验室无应力状波速度、弹性模量等参数增高，甚至比实验室无应力状态岩块测得的参数高。野外原位变形测试线曲线的形状态岩块测得的参数高。野外原位变形测试线曲线的形状也会变化，在坐标轴上有截距（图也会变化，在坐标轴上有截距（图6-27）。）。图图6-26 基坑边坡回弹错动基坑边坡回弹错动 图图6-27 高地应力条件下岩体变形曲线高地应力条件下岩体变形曲线 三、研究高地应力应注意的几个问题三、研究高地应力应注意的几个问题u（一）关于岩体的（一）关于岩体的潜塑潜塑状态状态l 由第二章所述岩石强度理论
19、可知，岩石（体）由第二章所述岩石强度理论可知，岩石（体）发生何种破坏以及何种破坏形式，都可以通过莫发生何种破坏以及何种破坏形式，都可以通过莫尔包络线来判断。由实验结果作出莫尔强度线尔包络线来判断。由实验结果作出莫尔强度线（图（图6-28），然后根据岩体中的最大应力状态在），然后根据岩体中的最大应力状态在同一图中绘出应力圆，若应力圆位于莫尔包络线同一图中绘出应力圆，若应力圆位于莫尔包络线（图（图6-28曲线曲线2-2）以内，岩体处于弹性状态并）以内，岩体处于弹性状态并不发生破坏；若应力圆与曲线不发生破坏；若应力圆与曲线2-2相切或相交，相切或相交，则岩体出现塑性状态或断裂破坏。则岩体出现塑性状态
20、或断裂破坏。l由本章第二节及第四节有关内容可知，岩体的初始应由本章第二节及第四节有关内容可知，岩体的初始应力状态是十分复杂的。一般来说，垂直应力大体等力状态是十分复杂的。一般来说，垂直应力大体等于上覆岩层的重量于上覆岩层的重量 。而水平应力也是随埋深而增。而水平应力也是随埋深而增加，加，。在地壳表层，有。在地壳表层，有K1的情况，的情况，也有也有K1的情况；随着深度增加，则会出现的情况；随着深度增加，则会出现K=1，即静水压力状态。即静水压力状态。出现出现K=1的深度称为临界深度的深度称为临界深度，世界各地的临界深度是不同的，有的地区较浅，仅世界各地的临界深度是不同的，有的地区较浅，仅200m
21、左右，有的地区则在左右，有的地区则在2000m以上。岩体在未以上。岩体在未经开挖前，它的初始应状态一般可由垂直应力经开挖前，它的初始应状态一般可由垂直应力 与与水平应力水平应力 为主应力状态构成的应力圆来表示。在为主应力状态构成的应力圆来表示。在K=1的情况下，无论的情况下，无论 和和 绝对值为多大，由绝对值为多大，由于于 ，应力状态所构成的应力圆只是横坐标轴，应力状态所构成的应力圆只是横坐标轴上的一个点，应力绝对值大小则反映在坐标轴上上的一个点，应力绝对值大小则反映在坐标轴上的位置不同。所以，在这种应力状态下，岩体单的位置不同。所以，在这种应力状态下，岩体单元永远呈稳定状态，不会产生破坏。元
22、永远呈稳定状态，不会产生破坏。一旦岩体被一旦岩体被开挖，开挖面附近的岩体单元由于一部分受力的开挖，开挖面附近的岩体单元由于一部分受力的岩体被挖去而产生不平衡力，岩体中的应力要重岩体被挖去而产生不平衡力，岩体中的应力要重新调整，这被称为应力重分布新调整，这被称为应力重分布。应力重分布以后。应力重分布以后岩体单元的应力状态作为主应力岩体单元的应力状态作为主应力 或或 而存在，另一垂直方向的应力则作为另一主应力。而存在，另一垂直方向的应力则作为另一主应力。若该主应力为拉应力，则组成的应力圆为单向受若该主应力为拉应力，则组成的应力圆为单向受拉状态；若该主应力为压应力，则组成的应力圆拉状态；若该主应力为
23、压应力，则组成的应力圆为单向受压状态。为单向受压状态。该主应力的大小依据初始应力该主应力的大小依据初始应力 、的大小，洞形及岩的大小，洞形及岩体单元在洞周的位置不同而变化。若初始地应力为体单元在洞周的位置不同而变化。若初始地应力为 ，应力重分布后的另一应力一般等于（，应力重分布后的另一应力一般等于（-13），并依此可构成应力圆，由莫尔包络线来判断岩体单元并依此可构成应力圆，由莫尔包络线来判断岩体单元的稳定状态。以另一侧的主应力的稳定状态。以另一侧的主应力 为例，就可为例，就可以由以由 和和 而构成应而构成应力圆力圆。l岩体单元是否会进入塑性状态（应力圆与莫尔包络岩体单元是否会进入塑性状态（应力
24、圆与莫尔包络线相切），就取决于初始地应力线相切），就取决于初始地应力 的大小与岩体的大小与岩体单轴抗压强度单轴抗压强度 的大小。如的大小。如 ，则应力重，则应力重分布后应力圆在包络线范围内，岩体单元仍处分布后应力圆在包络线范围内，岩体单元仍处于弹性状态（图于弹性状态（图6-28）。若）。若 ，应力圆就，应力圆就会与强度包络线相遇，则应力重分布后岩体单元会与强度包络线相遇，则应力重分布后岩体单元就会进入就会进入塑性状态或产生破坏塑性状态或产生破坏（图（图6-28）。l我们把我们把在初始应力状态下岩体单元处于稳定（弹在初始应力状态下岩体单元处于稳定（弹性）状态而一旦开挖就会处于塑性（破坏）状态性）
25、状态而一旦开挖就会处于塑性（破坏）状态的岩体，称为岩体处于潜塑状态的岩体，称为岩体处于潜塑状态。很显然，这种。很显然，这种处于潜塑状态的岩体实际上就是处于高地应力状处于潜塑状态的岩体实际上就是处于高地应力状态。从而也可以理解，高地应力的概念不仅取决态。从而也可以理解，高地应力的概念不仅取决于初始地应力的绝对值，而且与工程状况（应力于初始地应力的绝对值，而且与工程状况（应力重分布状况不同）以及岩体坚硬程度（岩体的重分布状况不同）以及岩体坚硬程度（岩体的 ，c，值）有关。值）有关。图图6-28 用应力圆和莫尔包络线判断岩体是否破坏或进入用应力圆和莫尔包络线判断岩体是否破坏或进入塑性状态塑性状态u（
26、二）处理高地应力的岩石力学原则（二）处理高地应力的岩石力学原则l 高地应力问题是近一、二十年才碰到的工程高地应力问题是近一、二十年才碰到的工程岩石力学问题，而且一旦遇到岩爆或大面积剥岩石力学问题，而且一旦遇到岩爆或大面积剥离，就会使施工人员受到伤害或工程稳定性得离，就会使施工人员受到伤害或工程稳定性得不到保证，所以对此问题应引起足够重视。但不到保证，所以对此问题应引起足够重视。但有关处理的报导不多，我们只能根据现有工程有关处理的报导不多，我们只能根据现有工程所采用的处理原则进行一些归纳，供参考所采用的处理原则进行一些归纳，供参考。1）在工程勘测期间，及早发现高地应力问题，在工程勘测期间，及早发
27、现高地应力问题，以便及早作出应对措施和准备工作。以便及早作出应对措施和准备工作。2）有岩爆等产生的工程伤害性的高地应力现象，有岩爆等产生的工程伤害性的高地应力现象，从岩石力学观点来讲，其基本特点是岩体完整坚从岩石力学观点来讲，其基本特点是岩体完整坚硬、积聚了大量能量。因而，对应处理的基本思硬、积聚了大量能量。因而，对应处理的基本思想是及早降低应力，释放能量。想是及早降低应力，释放能量。具体做法有：具体做法有：在在开挖面上及时打超前密集小孔；或从开挖面向钻开挖面上及时打超前密集小孔；或从开挖面向钻孔内和在一定深度内放炮，使在洞室四周一定范孔内和在一定深度内放炮，使在洞室四周一定范围内形成破碎带，
28、从而降低洞周的应力。围内形成破碎带，从而降低洞周的应力。3）及时采取临时或永久性防护措施，使岩爆与及时采取临时或永久性防护措施，使岩爆与施工人员一定程度隔离开来；对大型洞室，为了施工人员一定程度隔离开来；对大型洞室，为了保护施工人员及机械的安全，可及早布置加保护施工人员及机械的安全，可及早布置加挂钢筋网，使过大的岩块不致伤害人、机。挂钢筋网，使过大的岩块不致伤害人、机。在设计支护结构时，考虑到高地应力引起的岩在设计支护结构时，考虑到高地应力引起的岩体位移变形量大，切忌设计刚性支护硬顶，而体位移变形量大，切忌设计刚性支护硬顶，而宜设计柔性支护，例如锚喷结构与高地应力状宜设计柔性支护，例如锚喷结构
29、与高地应力状态协调。态协调。4）工程中设计一定的应力降低措施：注意到工程中设计一定的应力降低措施：注意到岩爆等现象前在开挖面内一定深度范围内出现，岩爆等现象前在开挖面内一定深度范围内出现，这是因为开挖面形成了开挖空间和周围岩体中这是因为开挖面形成了开挖空间和周围岩体中出现应力重分布现象，可以想象，在完整岩体出现应力重分布现象，可以想象，在完整岩体中开挖隧洞过程中，如果同时在隧中开挖隧洞过程中，如果同时在隧洞两侧腰部切割一定深度的应力释放槽，就可使洞两侧腰部切割一定深度的应力释放槽，就可使隧洞周边一定范围内的应力进行释放，或将应力隧洞周边一定范围内的应力进行释放，或将应力集中的范围转移到岩体深部
30、去。如果岩体完整性集中的范围转移到岩体深部去。如果岩体完整性好，也可以沿轴方向隔一定间距多开几条释放槽，好，也可以沿轴方向隔一定间距多开几条释放槽，确保应力释放和转移。还有在设计岩体工程时，确保应力释放和转移。还有在设计岩体工程时，应尽量避免引起应力集中的开挖形态，避免不必应尽量避免引起应力集中的开挖形态，避免不必要的小型叉洞和形状突变的洞形。要的小型叉洞和形状突变的洞形。我国九五规划建设重点开始向中、西部转我国九五规划建设重点开始向中、西部转移，由于我国中、西部绝大部分是山区，移，由于我国中、西部绝大部分是山区，今后建设工程会大量遇到岩体力学问题，今后建设工程会大量遇到岩体力学问题，也必然会碰到高地应力问题。相信随着研也必然会碰到高地应力问题。相信随着研究工作的不断深入和工程实践不断探索，究工作的不断深入和工程实践不断探索，对高地应力问题的认识会进一步加深，同对高地应力问题的认识会进一步加深，同时一定也会更多地创造出良好的对策和工时一定也会更多地创造出良好的对策和工程措施。（本章完）程措施。（本章完）