水利工程岩土工程质量检测培训教材

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1、水利工程岩土工程质量检测培训教材(白世伟周火明等)2007年8月第一节孔壁应变法测试第二节孔底应变法测试第三节孔径变形法测试第四节水压致裂法测试第五节表面应变法测试第六节岩体应力测试套钻孔应力解除法实测数据整理说明第六章岩体应力测试岩体应力泛指岩体内部存在的应力。在天然状态下，岩体内部存在的应力，称为岩体初始应力、天然应力或岩体原始应力，在地质学中通常都称为地应力。岩体被扰动后的应力称为二次应力或围岩应力（对地下洞室而言）。岩体初始应力不仅与岩体自重、地质构造运动有关，而且与地形地貌、成岩过程的物理化学变化、地温梯度、岩体特性等有着

2、密切的关系，它随着地壳岩体所处的位置和时间不同而变化，因此它是一种复杂的综合性的应力状态。岩体应力的成因大致有岩体自重、地质构造运动、地形地貌、剥蚀作用和封闭应力等五个方面，其中主要成因为岩体自重应力和地质构造应力。第六章岩体应力测试世界范围内地应力分布的一些基本规律性主要有以下几点：图6.0-1地应力与岩体埋藏深度关系曲线地表下深度H/m(1)实测铅垂应力基本等于上覆岩层重量。H．K．布朗总结全世界有关铅垂应力σv资料表明，在深度为25-2700m范围内，铅垂应力σv随深度大致按岩石重度的比率线性增加（图6.0-1）。垂直应力σv

3、/MPa(2)水平应力σh普遍大于铅垂应力σv。据实测资料统计，最大水平应力与铅垂应力的比值，即侧压系数λ一般为0.5-5.5，大部分在0.8-1.2之间，总的来说，水平应力σh多数大于铅垂应力σv。(3)平均水平应力与铅垂应力的比值λ是随深度而变化的，BrownE.T.和HoekE.根据各地实测资料概括为如下经验公式（见图6.0-2）：100/H＋0.30≤λ≤1500/H＋0.5从已有的资料来看，在深度不大的情况下，λ的变化范围很大，平均水平应力与铅垂应力之间不存在固定的关系。随着深度的增加，λ值分散度变小，并且趋向于1，表明深

4、部极大时岩体可能处于接近于静水压力的状态。图6.0-2侧压力系数与深度关系平均水平地应力与铅垂地应力的比值地表以下深度H/m(4)最大水平主应力方向与地质构造的关系。现代岩体中最大水平主应力方向，主要取决于现代地质构造应力场，与历史上曾经出现过的地质构造应力场不存在必然的联系，它们之间的关系比较复杂，通过对地质结构面的力学性质及其组合关系分析和地质力学分析，才可以初步判断地质构造应力场的主压应力方向。关于岩土工程地应力场：（1）自重应力。假定岩体简化为均质半无限弹性体，忽略地质构造和地形变化对岩体初始应力的影响，自重应力引起的应力场

5、随深度的变化如图6.0-3所示，其量值为σz'＝γH，σx'＝σy'＝λγH式中：λ为侧压系数，可根据半无限体侧向变形为零的条件求得：图6.0-3自重应力场的变化规律λ＝μ/（1-μ）图6.0-3自重应力场的变化规律（2）构造应力。按照板块运动（大陆漂移）学说，地质构造应力一般认为是水平向作用力。假定地质构造应力S为沿水平轴x方向作用，即坐标轴x，y，z都与应力场的主方向一致，它随深度的变化如图7.0-4所示。图6.0-4地质构造应力场的变化规律（3）岩体初始应力场。一般情况下岩体初始应力场为岩体自重引起的应力场与地质构造运动引起的

6、应力场的叠加（忽略岩体初始应力场的次要组成成分），取自重应力场的主轴与地质构造应力场的主轴一致，它随深度变化如图6.0-5所示，规律如下：①岩体初始应力场的各应力分量，除靠近地表以外，沿深度的变化均可用线性方程来概化，即沿深度呈直线变化；②在岩体初始应力场中，大主应力σ1在浅层为水平向，到达较大深度后转变为铅垂向；中主应力σ2或小主应力σ3在浅层为铅垂向，到达较大深度后转变为水平向。它们由两个直线段组成，其转折点深度为临界深度；图6.0-5初始应力场变化规律③在临界深度以上岩体初始应力场是以地质构造应力场为主导，大主应力为水平向，其

7、量值随深度增加的幅度较小。在临界深度以下，就转变以自重应力场为主导，即大主应力为铅垂向，其量值随深度增加的幅度较大。临界深度附近，存在一个主应力方向逐渐调整变化的过渡带。④河谷应力场，水电工程多建于河谷地区，其应力场分布有独特的规律，见图6.0-6。图6.0-6河谷地区地应力场分布规律（4）二次应力场当在岩体内或在基岩上修建工程时，由于施工开挖，改变了岩体的初始边界条件，使岩体内的能量得到释放，从而引起围岩的应力重分布，形成新的应力状态，产生围岩变形或破坏。如在地下工程中（地下厂房，矿山，公路、铁路隧道），常因开挖而引起围岩失稳；在

8、水工大坝基岩中常因开挖卸荷而造成基岩变形或位错等。为了评估岩土工程的稳定性，必需研究二次应力场。为了分析岩土工程的二次应力场，首先必需知道岩体初始应力状态。因此岩体初始应力是岩体工程勘测设计所必须的基本资料。而岩体初始应力场只能通过现