第 5章 岩体天然应力及其测量岩石力学课程组华北水利水电学院学习指导
本章主要介绍了岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，介绍了初始应力的量测方法及原理，包括应力解除法和应力恢复法。
重 点
岩体的初始应力概念
岩体初始应力的测量方法
5.1 概 述
地壳在漫长的地质年代里始终处于不断运动与变化之中，
例如，由于地壳的构造运动常使岩层产生褶皱、断裂和错动，这些现象的出现都是岩层或岩体受力的结果。引起岩体产生应力的原因很多，有构造运动所产生的 构造应力,
由上覆岩体的重量所引的 自重应力,气温变化所引起的温度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、
固结作用、脱水作用所引起的应力，其次还有由于地下开挖在洞室围岩中所引起的应力重分布和高坝等建筑物在岩基中所引起的附加应力等。岩体中的应力有的是由于人类活动而引起的，有的则在工程建筑之前早就产生了。凡是在工程施工开始前就已存在于岩体中的应力，称为 初始应力或天然应力或地应力 (构造应力和自重应力都是初始应力 )。初始应力的大小主要取决于上覆岩层的重量、构造作用的类型、强度和持续时期的长短等。
5.2 岩体的初始应力
自重应力
zz
zyx K 0
10
K
静止侧压力系数
5.2 岩体的初始应力
海姆假说当侧压力系数 K=1时，就出现侧向水平应力与垂直应力相等的所谓静水压力情况。这就是 1878年著名瑞士地质学家海姆 (Heim)所指出的情况。他根据在开挖横贯阿尔卑斯山的大型隧洞的观察中，
发现隧洞的各个方向上都承受着很高的压力。于是他提出了著名的 海姆假说,在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。
5.2 岩体的初始应力
构造应力在漫长的地质年代里，由于地壳的构造运动，不仅在岩层或岩体中引起构造应力，同时也在岩层和岩体中引起相应的变形，这种变形表现为各种岩层和岩体以不同产状、形状和一定的几何形态有规律地分布于地壳中。对于现时还在活动的构造应力场的研究，主要的手段之一就是进行 构造应力的实测 。对于过去所形成的古构造应力场的研究，
最重要的手段就是在野外对于古时地壳运动所遗留下来各种踪迹进行实地调查研究，并确定各种构造型式的存在和它们的构造特征。然后再采用各种相应的方法进行模拟实验，同时配合有关应力场的理论分析进行研究。
5.2 岩体的初始应力
初始应力的分布特点
1)一般情况下岩体中的初始应力场多数是三向不相等的空间应力场，最大水平主应力大于垂直应力，最小水平主应力的数值则变化较大。
2)初始应力的大小、方向与地质构造有着密切关系。很明显，
位于活动断层的拐弯或交叉处的断裂构造则产生较大的应力集中，其它部位的断裂构造反而引起应力释放，促使岩体应力的重新分布。
3)岩体上覆岩层的重量是形成岩体初始应力的基本因素之一
4)地形地貌对初始应力有一定的影响，因为地形被切割后必然引起新的重分布应力，这就使得河谷两岸岩壁的最大主应力方向往往与山坡方向一致，而最小主应力方向则是谷坡的法线方向
5.3 岩体初始应力的量测方法
应力解除法的基本原理洞室边墙洞室边墙
ε min
ε
α
ε
ε
ε ma x
213232221321
m i n
m a x
3
2
3
1
321
32
2
3
2
tg
m a xm i n2m i n
m i nm a x2m a x
1
1
E
E
5.3 岩体初始应力的量测方法
应力解除法的空间应力量测共面三孔交汇法确定三维应力
ζ
ζ
η xzη
z y
ζ
η zx
钻孔
η y1 x 1
钻孔钻孔
δ
δ
钻孔
η x3 y 3
ζ
钻孔
ζ
ζ
ζ
ζ
η x2
钻孔
η xy
ζ
η yz
η yx
5.3 岩体初始应力的量测方法
应力解除法的空间应力量测孔壁应变测试法测点1(
θ 1= π )
测点 ( θ
＝ 7 π /4)
基线测点2( θ 2
= π /2 )
ζ θ
θ
η θ
ζ
r 0
5.3 岩体初始应力的量测方法
应力恢复法槽应变片岩体利用应力恢复法量测岩体表面应力时，应在岩体表面沿不同方向安置三个应变计，
以便能够测出岩体沿这三个不同方向的伸缩变形。先读出应变计的初始读数。然后，
沿着与所测应力相垂直的方向开挖一狭长槽，如图所示。
本章主要介绍了岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，介绍了初始应力的量测方法及原理，包括应力解除法和应力恢复法。
重 点
岩体的初始应力概念
岩体初始应力的测量方法
5.1 概 述
地壳在漫长的地质年代里始终处于不断运动与变化之中，
例如，由于地壳的构造运动常使岩层产生褶皱、断裂和错动，这些现象的出现都是岩层或岩体受力的结果。引起岩体产生应力的原因很多，有构造运动所产生的 构造应力,
由上覆岩体的重量所引的 自重应力,气温变化所引起的温度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、
固结作用、脱水作用所引起的应力，其次还有由于地下开挖在洞室围岩中所引起的应力重分布和高坝等建筑物在岩基中所引起的附加应力等。岩体中的应力有的是由于人类活动而引起的，有的则在工程建筑之前早就产生了。凡是在工程施工开始前就已存在于岩体中的应力，称为 初始应力或天然应力或地应力 (构造应力和自重应力都是初始应力 )。初始应力的大小主要取决于上覆岩层的重量、构造作用的类型、强度和持续时期的长短等。
5.2 岩体的初始应力
自重应力
zz
zyx K 0
10
K
静止侧压力系数
5.2 岩体的初始应力
海姆假说当侧压力系数 K=1时，就出现侧向水平应力与垂直应力相等的所谓静水压力情况。这就是 1878年著名瑞士地质学家海姆 (Heim)所指出的情况。他根据在开挖横贯阿尔卑斯山的大型隧洞的观察中，
发现隧洞的各个方向上都承受着很高的压力。于是他提出了著名的 海姆假说,在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。
5.2 岩体的初始应力
构造应力在漫长的地质年代里，由于地壳的构造运动，不仅在岩层或岩体中引起构造应力，同时也在岩层和岩体中引起相应的变形，这种变形表现为各种岩层和岩体以不同产状、形状和一定的几何形态有规律地分布于地壳中。对于现时还在活动的构造应力场的研究，主要的手段之一就是进行 构造应力的实测 。对于过去所形成的古构造应力场的研究，
最重要的手段就是在野外对于古时地壳运动所遗留下来各种踪迹进行实地调查研究，并确定各种构造型式的存在和它们的构造特征。然后再采用各种相应的方法进行模拟实验，同时配合有关应力场的理论分析进行研究。
5.2 岩体的初始应力
初始应力的分布特点
1)一般情况下岩体中的初始应力场多数是三向不相等的空间应力场，最大水平主应力大于垂直应力，最小水平主应力的数值则变化较大。
2)初始应力的大小、方向与地质构造有着密切关系。很明显，
位于活动断层的拐弯或交叉处的断裂构造则产生较大的应力集中，其它部位的断裂构造反而引起应力释放，促使岩体应力的重新分布。
3)岩体上覆岩层的重量是形成岩体初始应力的基本因素之一
4)地形地貌对初始应力有一定的影响，因为地形被切割后必然引起新的重分布应力，这就使得河谷两岸岩壁的最大主应力方向往往与山坡方向一致，而最小主应力方向则是谷坡的法线方向
5.3 岩体初始应力的量测方法
应力解除法的基本原理洞室边墙洞室边墙
ε min
ε
α
ε
ε
ε ma x
213232221321
m i n
m a x
3
2
3
1
321
32
2
3
2
tg
m a xm i n2m i n
m i nm a x2m a x
1
1
E
E
5.3 岩体初始应力的量测方法
应力解除法的空间应力量测共面三孔交汇法确定三维应力
ζ
ζ
η xzη
z y
ζ
η zx
钻孔
η y1 x 1
钻孔钻孔
δ
δ
钻孔
η x3 y 3
ζ
钻孔
ζ
ζ
ζ
ζ
η x2
钻孔
η xy
ζ
η yz
η yx
5.3 岩体初始应力的量测方法
应力解除法的空间应力量测孔壁应变测试法测点1(
θ 1= π )
测点 ( θ
＝ 7 π /4)
基线测点2( θ 2
= π /2 )
ζ θ
θ
η θ
ζ
r 0
5.3 岩体初始应力的量测方法
应力恢复法槽应变片岩体利用应力恢复法量测岩体表面应力时，应在岩体表面沿不同方向安置三个应变计，
以便能够测出岩体沿这三个不同方向的伸缩变形。先读出应变计的初始读数。然后，
沿着与所测应力相垂直的方向开挖一狭长槽，如图所示。
