第四章 原岩应力及其测量

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1、矿山岩石力学主讲：李俊平2011年元月4原岩应力及其测量（2~3学时）1岩体初始应力状态的概念与意义（掌握概念，了解意义）2岩体自重应力（掌握概念、特点与计算）3岩体构造应力（掌握概念、特点与方向判定）4岩体初始应力状态的主要分布规律（重点和难点，理解主要分布规律）5影响原岩应力分布的因素（了解）6岩体初始应力的几种测定方法（了解水压致裂法和孔底应力解除法，一般知道其它方法）原岩：未经工程开挖扰动仍处于自然平衡状态的岩体原岩应力：存在于原岩中的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或地应力围岩：受工程开挖影响应力

2、发生重新分布的岩体围岩应力：洞室开挖后，周围岩体失去原来的平衡，引起洞周一定范围内岩体应力改变，重新调整形成新的应力二次应力：岩体开挖扰动了原岩自然平衡状态，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，如围岩应力4.1概述原岩应力场：原岩应力在岩体空间中的分布状态原岩应力≈自重应力＋构造应力？？研究原岩应力的意义：1）次生应力直接影响岩体工程的稳定性，然而，次生应力是在原岩应力的基础上产生的；2）小规模的岩石工程的开挖设计和施工可根据经验，大规模则非经验能解决，必须理论研究与计算，按最大

3、主应力的方向决定工程走向，应力大小决定工程形态，并现场监测反馈；3）岩石的开挖效应不仅取决于当时的应力状态，也取决于历史上的全部应力状态4.1概述地应力的成因：1）大陆板块边界受压引起的应力场2）地幔热对流引起应力场3）地心引力引起的应力场4）岩浆侵入引起的应力场5）地温梯度引起的应力场温度梯度引起地层中不同深度具有不相同的膨胀6）地表剥蚀产生的应力场应力松弛赶不上剥蚀引起的岩体颗粒结构变化4.1概述自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力作用而产生的应力，也叫重力应力。它是由岩体自重引起的。重力应力场：由地

4、心引力引起的应力场分布特点为：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4.2重力应力场一、均匀岩体中的基本公式在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态其中λ为侧压力系数。对于成层岩体4.2重力应力场zzyxlssmmss=-==10===zxyzxytttz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=σ

5、z，各向等压的应力状态，又称为静水压力状态，海姆。4.2重力应力场二、各向异性岩体中的基本公式对于各向异性岩体，例如薄层状沉积岩：当岩层水平时则有：4.2重力应力场对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：当岩层垂直时联立求解上式得：4.2重力应力场一、构造应力场的概念构造应力：由地质构造作用产生的应力。或地壳内长期存在着的一种促使构造运动发生和发展的内在力。岩体构造应力是构造运动中积累或剩余的一种分布力。构造应力场：指构造应力在空间的分布状态。是构造运动中积累或剩余的一种应力场，它是剩余应力场。分三类：1）与构造行迹

6、相联系的原始构造应力；2）残余构造应力；3）现代构造应力。4.3构造应力场二、构造运动的起因（最具代表性）1、地质力学学说认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力：一种是经向水平离心力；一种是纬向水平惯性力。这两种力是引起地壳岩体中出现构造应力的根本原因。大量的实测资料说明岩体中水平应力大于垂直应力，说明构造应力以水平应力为主。2、板块构造学说认为板块运动核心是海底扩张。海底扩张是由于地幔对流引起的。源于1915年德国魏根纳提出大陆漂移学说，认为1.5亿年前，地球表面有一个统一的大陆－联合古大陆，其周围全

7、是海洋。从侏罗纪开始，联合古大陆分裂成6大板块，它们覆在软流圈上各自漂移，最终形成现今大陆和海洋的分布。4.3构造应力场非洲4.3构造应力场三、构造应力场分析1）根据岩体变形破坏机理，利用构造运动留下的遗迹（构造形迹）分析、判断构造应力的主应力方向。4.3构造应力场1(d)岩脉(e)褶皱2)构造体系及区域构造应力场对一个区域而言，在一次构造运动中，既有褶皱又有断层和节理等。这些构造形迹尽管形态各异、性质不同、大小悬殊，但大都不是孤立出现，而是相伴而生，共同形成一个构造体系。4.3构造应力场四、原岩构造应力场的

8、特点1）应力有压应力，亦可能有拉应力；2）以水平应力为主时，一般水平应力比垂直应力大；3）分布很不均匀，通常以地壳浅部为主；4）褶皱、断层和节理等各种构造行迹是相伴而生，共同形成一个构造体系4.3构造应力场4.4浅部地壳地应力分布的一般规律地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数（就小范围是变化的，包括大小与方向；就大区域是相对稳定的）实测垂直应力(v)基本等于