岩体应力

工程岩体稳定性分析及工程设计的重要参数

岩体应力是工程岩体稳定性分析及工程设计的重要参数。岩体应力主要靠实测求得，特别是构造活动较强烈及地形起伏复杂的地区，自重应力理论将无力解决岩体应力同题，由于岩体应力不能直接测得，只能通过量测应力变化面引起的诸如位移、立变等物理量的变化值，然后基于某种假设反算出应力值。

定义

岩体应力，由于地壳中岩层重叠,并受长期的地质构造作用,岩体中各点的应力不同，可认为是空间和时间的函数。

分类

地壳中岩体应力分布状态称原岩应力场。岩体应力是分析判断岩土工程稳定性和采矿工程结构的基础资料。影响岩体应力形成的因素为：岩石的物理力学性质、地质构造及活动过程、地形条件、地下水、瓦斯以及人类生产活动等。岩体应力场主要由自重应力场、构造应力场以及因采掘工作引起的次生应力场构成。

自重应力场金尼克（Α．Н．Динниκ）于 1925年根据均质各向同性线弹性体假设，提出原岩应力计算公式:垂直方向主应力等于单位底面积上的岩土体自重,即σz=αZ,式中α为上覆岩层的平均容重,Z为深度。两个水平方向主应力σ x=σ y=λ σ z，侧应力系数λ=μ/（1-μ），式中μ为泊松比，一般岩土体的μ≈0.2～0.3，λ≈0.25。1912年,海姆(Heim)从岩土体有流变性出发,认为原岩体大都处于各向等压即静水压力状态，也可认为距地表深度较大时，因岩石呈塑性状态μ=0.5，λ=1岩体也会处于静水压力状态：σ x=σ y=σz。

构造应力场使初始呈水平沉积地壳形成山峦重叠的构造体系和构造型式的应力场。20世纪30年代中国地质学家李四光指出，地球自转速度变化，会在地壳中产生东西方向和南北方向作用的水平力。水平方向两个应力的数值和（σ x+σ y）远大于垂直应力的数值 σ z。50年代以后，随应力测量技术发展，美、苏、加、澳、中等国根据实测资料揭示，大多数情况下原岩水平应力比垂直方向主应力大1～3倍或更大；两水平轴向的主应力也并不相同，比值为0.3～0.8；垂直方向应力通常等于自重应力，有时为自重应力的1.5～3倍。原岩主应力方向，常稍偏离垂直和水平方向，这主要是受地质构造运动残余应力场的影响。

次生应力场巷道开掘,破坏原岩体的应力平衡,应力重新分布后形成的应力场见图（图1中符号所代表的量见自重应力场）。沿巷道断面水平轴线方向，应力重分布的特点见图1左部：剪应力增加的幅度，靠近巷道周边最大，越远越小。应力变化的数值，随岩性、深度、巷道断面形状和尺寸、开采条件和时间等因素而定。在巷道围岩的某些局部，由于原岩垂直应力与水平应力的比值、巷道断面形状、尺寸及岩体产状的不同，可能出现对巷道稳定极为不利的拉应力。应力重新分布时，巷道围岩释放潜能，迫使围岩向巷道空间移动。此后，如最大应力不超过岩石强度条件,围岩可自稳；否则,在围岩中将出现大小不等的破裂松动区,见图1右部。在松软岩石中，破裂过程的扩容为原体积的0.05～0.40，所造成位移的总量达10～50cm以上。

岩体应力、应变的特征之一，是达到破裂极限后的应力急剧降低，巷道围岩破裂区内的应力降为残余应力，形成应力降低区。由于该区内的部分岩体丧失承载能力，致使上覆地层重力绕过该区转嫁到邻近区域，与原有应力叠加,形成应力升高区。应力降低区与升高区,合称巷道影响区。其范围约为巷道断面最大尺寸的3～5倍。以应力升高值刚超过原岩应力5%的地方,作为巷道影响区的边界。开巷后应力升高区的应力与原岩应力的比值 K，称应力集中系数。方形或矩形断面巷道的直角拐点，理论上的K值为无限大。由于施工原因,该点处实际总是略呈圆弧,K值降为5～7,但仍比圆形、椭圆形断面的应力集中系数为大。

在受到采场围岩应力场的影响时，巷道围岩应力场会再次重新分布，导致应力叠加。这种影响称为采动影响。采准巷道经受采动影响后，它的应力场将更为复杂。

原岩应力主要用“应力解除”和“水力压裂”等方法实测确定。巷道围岩的应力场可用弹塑性力学、有限元法、边界元法、流变学等理论和数值方法，光弹、全息光弹、相似材料模型、离心模型模拟方法，以及与上述实测方法等结合研究。

参考书目

L.Obert & W.L.Duvall,Rock Mechanics and the Design of Structures in Rock,John Wiley & Sons,New York,1967.

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