2019岩土工程师高频考点：岩体初始应力的基本概念

　　一、岩体初始应力的基本概念

　　(一)初始应力状态的概念与意义

　　所谓岩体的初始应力，是指在天然状态下存在于岩体内部的应力。在地质学中，通常又称它为地应力。

　　岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的。显然，岩体的地质构造应力是与岩体的特性(例如岩体中的裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等)有密切关系，也与正在发生过程中的地质构造运动以及与历次构造运动所形成的各种地质构造现象(例如断层、褶皱等)有密切关系。因此，岩体中每一单元的初始应力状态都是随该单元的位置不同而有所变化。此外，影响岩体初始应力状态的因素还有地形、地震力、水压力、热应力等，但这些因素所产生的地应力，大都是次要的，只是在特定的情况下才需考虑。因此，对于岩石工程来说，主要应考虑自重应力和地质构造应力。

　　地面和地下工程的稳定状态与岩体的初始应力状态密切相关。岩体在开挖以后，改变了岩体的初始应力状态，使岩体应力重新分布，有可能使得岩体中某些部位形成应力集中，从而引起岩体的变形或破坏。对于地下洞室工程来讲，我们把与洞室本身稳定性密切相关的岩体称为围岩。洞室的开挖引起围岩的应力变化，这将影响洞室本身的稳定状态。而且为了维持围岩的稳定，岩体工程能正常运营，必须进行人工支护。合理地设计支护结构，确定经济合理的衬砌尺寸，都与岩体的初始应力状态紧密相关。所以，研究岩体的初始应力状态，就是为了正确地确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化，合理地设计岩体工程的加固措施。

　　(二)岩体初始应力场及其计算

　　1.　岩体自重应力场

　　岩体自重应力场的计算，大都是建立在假定岩体为均匀连续介质基础之上的。因此，可以应用连续介质力学的原理来计算岩体的自重应力场。设岩体为半无限体，地面为水平面，距地表深度为H处，有一单元体，其上作用的应力

　　2.　岩体的构造应力场

　　地壳的各种地质构造是在大范围内的巨大的地质构造应力场作用下发生和形成的。在各个不同的地质年代里，都有不同的地质构造运动发生，地质构造运动过程一般需要很长时间。在同一个地区，一个构造运动结束之后，或者就在这个构造运动发生的过程中，又有新的构造运动发生，就会形成新的构造应力场与老构造应力场的叠加，形成复杂的复合构造应力场。各种复杂的地质构造就是在长期的地质构造运动作用下形成的。

　　由于地质构造运动，岩体经受了相当大的外力作用，形成了各种地质构造，例如向斜、背斜和各种褶皱，以及产生断裂而形成各种节理及断层等。在地质构造应力场作用下，使岩体产生弹性变形和塑性变形，因而使岩体中储存着弹性能，岩体的塑性变形使部分能量转化为热能与位能，或者由于岩体的流变特性，使得构造应力场中的地质构造应力得以部分释放。因此，在地质构造运动中，岩体中储存的能量是通过弹性变形才能达到的，岩体的弹性变形越大，则岩体储藏的能量就越多。当岩体中的应力达到强度极限，岩体产生破坏。除岩体中保存一部分残余变形外，其储存的能量将部分或全部释放，构造应力也就部分或全部消失。若岩体中的应力尚未达到强度极限，但由于岩体的流变特性，也会使构造应力部分消失。因此，地质构造运动产生地质构造应力，但岩体中储存的构造应力不可能无限地积累起来，视所处地区不同或地质条件不同，岩体的构造应力可能全部或部分释放，成为残余应力。

　　因此，岩体构造应力可以分为现代构造应力及地质构造残余应力。由于地壳是处于不断运动之中，仅仅是存在相对活跃期或静止期，所以，要在岩体中区分哪些是现代构造应力和残余应力，就目前的认识水平而言，实际上是不可能的。

　　3.岩体初始应力的影响因素

　　1)地形

　　2)地质条件对自重应力的影响

　　地质构造对自重应力也有影响。图15-3-8所示为背斜褶曲的影响，在褶曲两翼显示出应力增大，而在褶曲中部则应力降低。也可以推测，在向斜的两翼会出现应力降低、而在向斜核部显示出应力增大的现象。

　　3)水压力和热应力

　　存在于岩体裂隙或孔隙中的水，静止时呈现静水压力，流动时产生动水压力。在通常情况下，静水压力只是起到减轻岩体质量的浮力作用，浮力的大小等于水的密度与所考虑点的水头高度的乘积。岩体中地下水位的升降，可引起岩体重量的减少或增加，因此，静水压力要视具体情况具体分析其产生的作用。

　　动水压力是指地下水在水头差的作用下，沿岩体的裂隙或孔隙流动时，给予周围岩块表面的动水摩擦力和动水流向应力。这种力对岩体工程的影响较小，一般可不予考虑。