p1(121 C/svicntg)sin
4、据实测数据统计 (0.31z0) 0hav(0.51z5)00
二）、天然应力的量测
天
水压致裂法
然 应
应力恢复法（扁千斤顶法）
力 套芯应力解除法 的
量
光弹法
测
方
声发射法
法
X射线法
1、水压致裂法
pc1 pc2 ps p0
t
水压力随时间的变化曲线
假设： 天然应力为水平应力场，其铅直应力 gz
剥蚀
0 h
z
'gz0gz g(z0z) gz
z0
h'0 gz g(0z0 z)
1
1
· h
现地面
'
z
· h'
g0(z
z)
1
z
o
h'
g0(z
z) 1
z
'
gz
0
0
1
z z
该式说明：剥蚀后，岩体中一
点 增大了，当△Z大到一定 的情况下，必有>1的情况出
现;
3.结构面
……
岩体中天然应力常以 水平应力为主，即h> v 水平应力具有强烈的 方向性和各向异性
水平天然应力以压应 力为主
四）、天然应 力比值系数与 深度z 的关系
❖定义：天然水平 应力与铅直应力 的比值为天然应 力比值系数 ， 它 随深度增加而 减小。
(0.31z0)0ha v(0.51z5)00
五）、应力轴与水平面的关系
天然应力分布
6 岩体中的天然应力
❖ 6.1 概 述 ❖ 6.2 岩体天然应力的分布特征 ❖ 6.3 岩体天然应力的确定
6.1 概 述
一）、定义
1.天然应力(地应力、初始应力等）人类工程活 动之前存在于岩体中的应力。
2.重分布应力（二次分布应力、附加应力等）由 于工程活动改变了的岩体中的应力。
++++++
钻孔假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中
的一个小圆孔。作用应力为 hmax hm , ，in根据弹性
开挖洞室时，常产生岩爆、剥离； 收敛变形大，使开挖断面变小； 软弱夹层内的物质被挤出，节理
闭合； 饼状岩心； 水下开挖无水渗出。
七）、影响天然应力的因素
1.地形起伏 ❖ a.水平应力向负地形集中，向正地形释放 ❖ b.在斜坡附近，应力方向发生偏转
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
++++
+
h
+
+
2.地表剥蚀
原地面
g0 ,zh00g0z
据应力轴与水平面的关系，天然应力状态划分为：
❖水平应力场— 两个应力轴近水平，或与水平面 夹角很小，另一应力轴近铅直，他的三个应力轴 与空间坐标一致，我国大陆范围内属这种应力场;
❖非水平应力场—水平应力与水平面夹45°左右， 另一轴与水平面夹0~45 °左右，分布于板块边 缘。
六）、高天然应力的标志：
东：近E-W。
二）、铅直应力 （V）
❖ 上覆岩体自重
V 2.7gh
❖ V多为压应力 ❖ V多为最小主应力，少数
为中间主应力与最大主应 力
三）、 水平应力（ h）
❖ 岩体中天然应力常以水平应力为主，即h> v， 特别是 hmax> v ,据统计资料： h/v≈0.8-3.0 ， 说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应 力场的控制;
++++++
++++++
天然应力
∧
→ ←
↓↑
重分布应力
∧
→ ←
↓↑
相对于第2洞 室的天然应力
二）、天然应力的组成及起源
1.组❖❖岩 构成体 造：自 运重 动→→自构重造应应力力V h1
gh
h2
V
1
❖流体作用→渗流应力 pwg(hz)
❖其它（地温、地球化学作用等）
2.起源（主要指构造运动的起源）：
❖ 水h2平，应我力国具华有北强烈hm的in/方h向ma性x≈和0.2各-0向.8异，性华，南即hmhin1/≠ hmax≈0.3-0.75 。原 因a.岩体各向异性;b.构造运 动的方向性;
❖ 水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、 地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。 另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力 为拉应力的现象。
❖板块运动
❖地幔热对流 ❖地球自转速度变化
拉张区 挤压区
板块运动
•中国板块处在四大板块环 绕中，它们碰撞挤压，形 成了中国大陆岩体中的天 然应力。 •西南：印度板块向NNE挤 压（5mm/a） •东：太平洋板块向W俯冲 （1cm/a） •南：菲律宾板块向N俯冲 •北：西伯利亚板块的阻挡 •1迹线：N-NE-SSE
1
…
4.岩体性质
硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反
5.地下水
产生渗流应力
6.地温
产生温度应力
6.3 岩体天然应力的确定
天然 应力 确定 方法
自重应力理论
天然应力测量 大地水准测量
地变形量测
三角网测量
GPS测量 地震震源机制解
一）、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力
地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面
1、均质各向同性岩体
V h1
gz h2
1
V
z
A ·h
2、水平层状岩体
V
n i 1
i gzi
h1
h2
1
E|| E
V
1z1 2z2 3z3
i zi
…
A · h
3、垂直层状岩体
V
gz
h1
1
E E|
V
h2
1
V
z
…
·
A
h
如果除自重应力外，还有渗流应力、地温应力等 时，分别叠加即为天然应力。
三）、天然应力的研究历史与研究意义 1.研究历史
①世界上 :
❖ 1878年海姆提出天然应力
❖ 1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地 测定了岩体中的天然应力
❖ 到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。 大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致 法）。
②中国：
❖ 50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深 的有3958米（天津大港）。
2.研究意义
❖ 1）区域稳定 ❖ 2）地下洞室稳定 ❖ 3）边坡稳定 ❖ 4）地基岩体稳定
6.2 岩体天然应力的分布特征
一 ） 、
分
区
性
（
以
中
国
为 以东经100～105o为界分东西两区。
例 ）
• 强度上：西强东弱（西高东低）
• 方向上：西： NNE-SSW为主，东：近E-W。
以东经100～105o为界分东西两区。 •强度上：西强东弱（西高东低） •方向上：西： NNE-SSW为主，
侧压力系数概念与确定
侧压力系数
h v
侧压力系数确定：
1、弹性体
m 1
式中：m为系数；对各向同性岩体：m=1 对各向异性岩体：m=EⅡ/E⊥ 或 m=E ⊥ /E Ⅱ
侧压力系数确定：
2、对散体结构岩体
a p
式中： atg2(4o5/2) ptg2(4o5/2)
3、对粘塑性岩体
a p
式中：
a1(121 C/ svicntg)sin