岩体渗流应力

工程上计算由渗流而产生的岩体应力常按两个步骤进行。

(1) 按一定的岩体渗流数学模型求得渗流场h=p/r. z的分布(r.为水的容重，z为位置水头，p为孔隙压力)。按下式求出掺流的单位体力荷载：

fi=-pi

(2)用数值分析法(例如有限单元法)计算岩体渗流应力。必要时再根据应力场修正裂隙隙宽, 重新进行渗流场计算，反复迭代至收敛。当计算城岩体相对均一。算题规模不大，也可采用渗流场与应力场全耦合法直接求解。

岩体渗流应力的另一特殊性，是其与水荷载的历史有关。在建筑物施工前、施工期及运行期中，岩体渗流场常发生相应的变化。某时段的渗流应力不仅决定于该时段的掺流荷载，而且决定于渗流荷载的历史。因此，为了求得岩体渗流应力，需用渗流增量荷载分析方法。

岩体渗流应力(stress due to seepage in rockmass)是指岩体在渗流作用下产生的应力。

研究岩体渗流应力的主要目的是分析岩体的变形与稳定。岩体渗流应力决定于渗流场，而渗流场又决定于岩体裂隙系统的物理和几何特性。作为几何特性的裂隙隙宽与岩体应力有关，即岩体渗流场与应力场有关。岩体渗流场和应力场相互影响，构成了岩体渗流应力分析的特殊性和复杂性 。

工程措施的设置能够改变渗流场的分布，从而也改变岩体渗流应力场。合理地布置防渗帷幕和排水设施，可优化渗流应力状态，使之有利于工程的安全 。2100433B

本项课题研究内容为裂隙岩体渗流应力耦合特性及分析研究，以试验为基，注重理论分析和归纳。通过渗流应力耦合试验，提出渗流应力耦合关系式，并用于龙滩高碾压砼坝断面优化招标设计。首次提出裂隙岩体四自由度全耦合分析方法，突破目前普遍采用的渗流场和应力场分开计算，交叉迭代的计算程式，成为目前较完善的分析方法，编制了相应程序可资历应用，完成交叉裂隙水流模型试验，建立了交叉水流局部水头损失的理论模式及相应的修正系数，改进完善了网络渗流的计算，澄清了网络裂隙水流计算中是否要考虑交叉引起的水冰损失的争论。本研究丰富了岩石力学内容，促进裂隙水力学发展起到积极作用。成果理论水平高，有较好的应用前景。培养了高层次人才。 2100433B

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,1967.2100433B

岩体应力测量是指利用岩体应力作用的物理效应间接测量岩体应力的方法。岩石应力是一个假想的物理量，对它不能直接度量和观测，国内外广泛应用应力解除法测试岩体应力。应力解除法又分为孔底应力解除法与套孔应力解除法两种。这些方法的原理是通过粘在孔底或孔内、孔壁上的应变传感元件在卸载前后孔径或孔壁的变化，求得原岩应力。

学科：工程地质学

词目：岩体应力测量

英文：stress measurement of rock mass

释文：岩体应力测量是指用仪器在现场测量岩体的应力，以研究岩体应力分布规律，评价围岩及大型边坡等的稳定性。通过确定地壳近期构造应力状态还可以进行地震预报等。岩体应力测量方法繁多，主要有应力解除法、应力恢复法和水力压裂法等。进行岩体应力测量的仪器主要有电阻应变仪、电感测压仪和光弹仪等。 2100433B