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四川大学岩石力学5.ppt

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第五章 岩体天然应力与洞室围岩的应力分布 Chapter 5 Earth stress and stress distribution of Tunnel Surrounding Rock,学习内容→ 垂直应力与水平地应力的特征,自重应力与海姆假说,岩体天然应力与地下、地面工程的关系和影响,应力解除法、恢复法、破裂法。,学习对象→岩石应力场、垂直应力、水平地应力、海姆假说以及岩体应力测量。,学习目的→ 理解和掌握有关概念,特别是掌握应力解除法、恢复法、破裂法。掌握垂直应力与水平地应力的特征,自重应力与海姆假说等。,学习提示 Learning Hints,§5.1 概述,5.1.1 概念,天然应力,指在天然状态下,岩体内部存在的应力,称为岩体天然应力或岩体初始应力,有时也称为地应力(构成:自重应力+构造应力+…)。,由于人类活动(工程开挖,修建建筑物)影响一定范围的天然应力,这种岩体被挠动后的应力称为“重分布应力”或“二次应力” 地下洞室二次应力=天然应力+开挖附加应力。,二次应力,§5.1 概述,5.1.1 概念,§5.1 概述,5.1.1 概念,5.1.1 概念,天然应力的表示,§5.1 概述,§5.1 概述,5.1.2 形成因素,影响岩体天然应力大小和分布规律的因素很多,主要有岩体自重(自重应力)、地质构造运动(构造应力)等;此外,成岩过程中的物理化学变化、地形地貌、地温梯度岩体特性的等均对岩体天然应力有不同程度的影响。,§5.1 概述,5.1.3 研究岩体天然应力的意义,岩土工程中,2. 坝基:二次应力场=地应力+开挖效应+建筑物附加应力场,边坡开挖:坡面回弹变形→坡体二次应力=地应力+开挖效应←释放荷载稳定性评价:刚体质量消失 基于应力的强度分析,3. 地下洞室:地应力,围岩稳定分析(围岩的变形、稳定)的基本荷载(力源).二次应力=初始地应力+开挖效应附加应力场,§5.1 概述,5.1.3 研究岩体天然应力的意义,地应力与地下洞室的关系,纵轴线与σ1近于平行(二滩尾水洞崩塌;甘肃金川隧洞),水平应力与垂直应力比值与体形关系 σz >σh:高度小跨度大(自重英里为主),近似椭圆形; σh>σz :高度大跨度小(构造应力为主),近似椭圆形;,§5.1 概述,5.1.3 研究岩体天然应力的意义,地应力对工程的影响,我国二滩(玄武岩),美国大古星(花岗岩)坝基开挖→像剥洋葱头一样,剥了一层又一层。处理方法:迅速浇注砼,高压固结灌浆,岩爆:在高地应力区→洞室开挖→弹性能释放 大的岩块坠落,小岩块弹射(太平驿水电站),§5.2 岩体中的地应力分布,5.2.1 自重应力与海姆假说,分析世界主要地区大量的地应力实测资料表明,在深度为25~2700m深度范围内,垂直地应力σv基本等于上覆岩层重量即σv=γH。,岩体中水平应力的分布和变化规律,是一个比较复杂的问题,根据已有的实测资料来看,岩体中的水平应力,主要受所研究地区现代构造应力场的控制,同时,还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用,现代断裂运动的应力释放和应力调整作用,以及岩体的力学特性等因素的影响。,5.2.1 自重应力与海姆假说,对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层,它们的应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力状态。在深度z处:,§5.2 岩体中的地应力分布,铅直应力:,水平应力:,自重应力,静止侧压力系数,当K0=1(即μ=0.5),出现水平向应力与垂直向应力相等,此为所谓的静水压力的情况。,5.2.1 自重应力与海姆假说,§5.2 岩体中的地应力分布,海姆假说,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 岩体中的地应力分布,5.2.1 地应力分布规律,三向不等压的空间地应力场,其大小和方向随时间和空间变化;,垂直与水平应力的关系,垂直应力σz,主要受上覆岩体自重形成。,水平应力σx,,5.2.1 地应力分布规律,水平应力σx,岩体中的水平应力,主要受所研究地区现代构造应力场的控制,同时,还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用,现代断裂运动的应力释放和应力调整作用,以及岩体的力学特性等因素的影响。,§5.2 岩体中的地应力分布,,水平岩层,5.2.1 地应力分布规律,水平应力σx,岩体中的水平应力,主要受所研究地区现代构造应力场的控制,同时,还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用,现代断裂运动的应力释放和应力调整作用,以及岩体的力学特性等因素的影响。,§5.2 岩体中的地应力分布,,河谷(4个分区:应力松弛区,过渡区,平稳区,集中区),岸坡:σ1//坡岸, σ3⊥岸坡 谷底:σ1水平,σ1= σh >σz (应力集中),5.2.1 地应力分布规律,§5.2 岩体中的地应力分布,5.2.1 地应
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