1、2 地应力的工程地质研究 资源环境学院地应力的种类 1 应力状态及应力场分布变化规律 2 地应力研究的工程意义 3 地应力工程地质研究的内容和方法 4 内容提要2.1 地应力的种类 一、基本概念 地应力：地壳岩体内在天然状态条件下所具有的内应力。 地壳岩体内的天然应力状态，是指未经人为扰动的，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态，常称为天然应力或初始应力。 人类从事工程活动，在岩体天然应力场内，因挖除部分岩体或增加结构面而引起的应力，称为感生应力或次生应力。 地应力场:地壳内各点的应力状态在空间分布的总合称为地应力场。地应力的
2、种类 自重应力由岩体自重产生的应力 构造应力指由构造运动引起的地应力 剩余应力地壳受风化剥蚀，承载岩体由于 卸荷作用残留在岩体中的自相平 衡的应力 变异应力由岩体的物理状态、化学性质或赋 存条件方面的变化而引起的应力 二、地应力分类1、自重应力 垂直应力 水平应力 gh h z 不同岩体的泊松比不同，重力场中地壳内各点水平应力不同。当岩体位于地壳内不太深处，一般岩石泊松比为0.2-0.3，侧压力系数为0.25-0.43，因此，垂直应力大于水平应力。地面呈水平的半无限弹性岩体的自重应力的主平面是铅直的和水平的。 地表以下较深部如深达千米，侧压力系数趋近于1。地壳深处岩体往往接近于静水压力状态，两
3、邻质点均有大小相同的自重应力，同一深度上水平应力等于垂直应力，垂直三者面上无剪应力，两相邻质点均不会发生相对错动2、构造应力 活动的构造应力：近期和现代地壳运动正在积累的应力，也是地应力中最活跃最重要的一种，常导致岩体的变形与破坏； 残余的构造应力：古构造运动残留下来的应力。 构造应力以弹性应变能量形式存在于强烈活动构造带岩体内，地应力突然增大并超过岩体的强度时，可能引起岩体突然破裂，而产生地震或发生滑坡。构造应力的起源 其一，由于地球自转速度的变化产生了离心惯性力和纬向惯性力而引起的； 其二，板块运动的观点解释，认为是由于地幔物质热对流使板块之间相互碰撞、挤压而引起全球构造应力场。 构造应力
4、存在于构造运动强烈的地带，如强烈褶皱地带、深大断裂带常积累有很大的地应力；但如该地区岩体裂隙特别发育或岩体塑性较大时，新的构造应力便难于积累，地应力的强度就大为降低，这样就使岩体中的天然应力具有自重应力场的特点。剩余应力：指地壳受风化剥蚀，承载岩体由于卸荷作用残留在岩体中的自相平衡的应力，致使垂直应力相应降低，水平应力则保持不变。 变异应力：由岩体的物理状态、化学性质或赋存条件方面的变化而引起的应力，通常只具有局部意义。例如岩浆的侵人，沿接触带产生很大的压应力；喷出时，岩浆迅速冷凝，沿某一方向产生收缩节理，而使岩体应力分布具有明显的各向异性。 3、剩余应力和变异应力一、地应力状态类型 目前有三
5、种观点： “静水压力式”分布观点 由瑞士地质学家海姆于1905-1912年提出的，他以岩体具有蠕变的性能为依据，认为地壳岩体任一类的应力都是各向相等的，均等于上覆岩层的自重，即： x = y = v =h 阿尔卑斯山的一些隧道中岩体的作用性能与此理论相符。 2.2 天然应力状态及应力场分布变化规律垂直应力为主的观点 基于弹性理论提出的，认为岩体内的应力主要是重力场作用下形成的自重应力。 z h 在地质历史上未遭遇构造变动且现代无明显新构造运动的沉积岩地区。水平应力为主的观点 上世纪20年代由李四光提出，50年代瑞典的N.哈斯特在矿岩石应力测量和大地测量中，直接认识了地应力的存在和变化，并被广泛
6、承认。其认为地壳上部的地应力具有三个特点： 普遍存在水平压应力，在所有深度上水平应力都大大超过由于覆盖层重量引起的铅直应力； 水平应力具有高度的方向性，即两个水平应力的大小不等； 应力处于动态平衡状态。天然应力比值系数K天然应力场中铅直应力与水平应力的比值。 y x = zz KK 或 K=0，地壳表层垂直柱状节理发育且透水性良好的玄武岩地区、某些张性构造断裂带、边坡卸荷带； 1K0，地壳浅部沉积岩，厚度变化不大，且未经明显构造扰动的坚硬的岩体地区； K=1，地壳深部塑性区，未经明显构造扰动的泠凝过程中的岩浆岩体地区； K1，地壳浅部存在有明显构造应力场的地区。1K0和 K1较常见。 考虑到地
7、应力三个主应力的作用及其在地壳中的效应，将天然应力划分为两类状态。 第一类：最大主应力为倾斜的。其所产生的两组剪力面，一是穿切地壳接近铅直的面，另一是穿切地壳接近水平的面。 第二类：主应力有两个近于水平，另一近于铅直。 中间主应力近于铅直； 最小主应力轴 3 近于铅直； 最大主应力轴 1 近于铅直。中间主应力近于垂直，最大主应力 1和最小主应力 3近于水平，分布于我国中西部广大地区。在这种应力状态下，如果发生破坏（或再活动）是沿走向与最大主压应力成约30 40 左右交角的陡立面产生走向滑动性的断裂活动，此类三向应力状态称为潜在走向滑动型。最小主应力轴 3近于垂直，最大主应力与中间主应力轴近于水
8、平。喜马拉雅的前缘地区属于这种类型。在此种应力状态下发生的破坏，是逆断型的，即沿走向与最大主应力垂直的剖面X裂面产生逆断活动，故可称为潜在逆断型。应力场中的最大主应力轴 1垂直，其余两主应力水平分布。主要分布于我国的东部和东北部。此应力状态下发生的破坏（或再活动），是沿走向与最小主应力轴相垂直的面，发生正断性质的活动，故可称为潜在正断型。1、垂直应力的分布 世界各地实测应力资料的统计表明，不同地区地壳表层岩体垂直应力随深度的分布，通常有如下关系： （大体相当于岩体的平均容重，A为常数） 地表表层岩体内的垂直应力主要由上覆岩层自重所引起，即随深度而线性增大，且其增长率相当于岩体的平均容重； vA
9、h = + 二、应力场分布变化规律布朗-霍克方程 海姆森方程垂直地应力随深度而增加 (据G.Herget,1988) 哈盖特方程 垂直应力大致分布于平均密度为2.7g/cm 3 的覆盖层重量引起的应力梯度直线周围。我国垂直应力与上覆岩层自重应力的比值可在0.43-19.8的范围内变动，分散性很大。水平应力随深度的变化关系比较复杂，地壳上部水平应力总的说来大于垂直应力。但近几年来，随着深部应力测量技术的发展，人们发现，在地壳深处，水平应力并不大于垂直应力。 2、水平应力的分布水平地应力随深度而增加 (据G.Herget,1988)影响水平初始地应力因素： 沉积物横向约束造成的、与重力有关的横向应
10、力分量； 裂缝引起的应力调整； 地形引起的应力调整； 构造起源的纯应力； 侵蚀作用和地壳运动引起的剥蚀作用而造成的残余水平应力； 沉积作用、冰川或火山活动产生的荷载引起的应力调整； 岩石受湿膨胀引起的应力。对于侵入体，当岩体侵入时，由于岩体呈熔融状态侵入地下一定深处，其中的应力呈静水应力式分布。 如下图所示：AB为原始地面，则岩体内任一深度h 0+h处的P点的应力为： () =+ hv0 hh此后，岩体经剥蚀而出露地表。随着岩体剥蚀卸荷，岩体内的应力随之而变化，但垂直应力 v与水平应力 h的变化幅度不同。假定剥蚀厚度为h 0，则上述P点处的 v和 h分别变为： () = + = v00 hhh
11、h () + =+ = h0 0 0 12 hh hh h 11现代地应力场中最大主压应力的方向，主要取决于所处地区的地质历史和构造运动的方式、方向，具有明显的区域性特点。 根据地应力测量和地壳形变测量，地震断层资料和天然地震的震源机制解，已经对全球最大主压应力方向的分布情况有了概略的了解。 我国现代地应力活动分区。我国大陆大致以甘、青交界一川、滇中部一线为界，其东、西两部分近期构造应力活动方式明显不同： 3、最大主压应力中国现今主应力优势方向1)我国西部地区主要受到南北方向的挤压作用。 2)我国东部地区以近东西向挤压作用为主，而且以秦岭纬向构造带为界，其南北两部分情况略有不同，北部的华北、东
12、北地区，其主压应力方向以北东东一近东西向为主，而南部的华南地区以东西一北西西向为主。 3)在东西部交界地带，构造应力活动的情况比较复杂，地震的P轴方位，随时间的变化显示出南北和近东西向的两个优势方向，尤其是6级以上地震的压应力轴方位表现得更为清楚。 4)大量的原地应力测量结果表明，一般都是压应力。记录到张应力的地区只具有局部性的特征，而且大部分与岩石裂隙带或破碎带有关。2.3 地应力研究的工程意义 地应力的大小、方向和分布、变化规律除了与地震和断裂活动密切相关，影响到工程场地的区域稳定性外，还对工程建筑的设计和施工有直接的影响。 基坑底部的隆起、破坏； 基坑边坡的剪切滑移； 边坡的倾倒变形；
13、岩爆：岩体内储存的应变能以动能方式释放的结果常引起隧洞或巷道破坏，危及人身安全，影响施工。 洞室围岩的稳定：当水平压应力占优势时，对拱顶的建筑是有利的。当围岩中垂直压应力占主导，而且岩体松软或节理裂隙发育时，就很难形成坚固的拱坝。图基坑边坡剪切滑移图二滩引水隧洞岩爆发生部位示意图2.4 地应力工程地质研究的内容和方法 （1）古构造应力场和现代地应力场基本特征 根据现场收集的剪切裂隙和张裂隙方向的资料，取其统计的平均数据，采用赤平投影解析法，根据两组共轭剪切裂隙确定应力轴的方位。共轭剪切裂隙的交线是中间主应力轴，锐角的分角线为最大主压应力轴，钝角的分角线为最小主压应力轴。地震震源机制解的研究。根
14、据地震时地震波资料推断震源形成机制。 （2）研究区内岩体应力积累条件和程度 历史上各时期及当代地壳隆起的速度与高度。区内应力集中的条件和应力集中区的分布。作为高地应力区标志的地质、地貌现象的发育和分布情况。最小水平主地应力方向 最大水平主地应力方向（3）岩组分析 偏光显微镜及伦琴射线仪等观测不同地质体内矿物颗粒的应变状态，从而得出主应力的作用方向。 （4）岩体天然应力的现场测定 （5）构造应力图的编制地应力测量的方法 岩体应力测试方法 直接测试法 应力恢复法 应力解除法 水力压裂法（水压致裂法） 间接测试法 钻孔崩落法 定向岩心非弹性应变恢复法 凯塞尔效应测试法应力解除法和应力恢复法测地应力布
15、置图(1)应力恢复法 是在岩体表面或地下洞室围岩表面预先布置好测量元件，当其旁边开槽解除岩体中的应力时，测量元件读数便发生变化。再把平面扁千斤顶放入槽内加压，使测量元件恢复到原来状态，此时千斤顶的应力就是垂直槽壁方向的应力。(2)应力解除法 1)孔壁应变法。 是借助粘贴在钻孔孔壁上的电阻应变片，测量套孔应力解除前后所得的孔壁表面应变变化，据弹性理论计算岩体中某一点的三向应力的方法。所谓套孔，是指同心而不同直径的两个钻孔。先钻较小直径的内孔，将岩心取出，后钻较大直径的外孔，环切一圈形成环形槽，从而使岩心(中间为内孔)与周围岩体分离。2)孔径变形法 是通过测试安装在钻孔内的孔径变形计，量测套钻解除
16、前后所得的钻孔孔径变化，来计算岩体内某一点应力的方法。测求岩体某一点的空间应力，应采用三个钻孔作交会测试。 3)孔底应变法 是通过测试在铅直孔孔底粘贴应变片，量测套钻解除前后所得的岩心应变，来计算岩体内某一点应力的方法。测求岩体某一点的空间应力，应采用三个钻孔作交会测试。是在钻孔内用两个可膨胀的橡 胶封隔器将钻孔的试验段隔离开 来，施加水压，通过测量(在试验 水平面)岩石的裂隙产生传播、保 持和重新开裂所需的水压力，来确定垂直于钻孔平面最大、最小主应力的方法。它们的方向，一般通过观测和测量由水压力导致钻孔壁面的裂隙的方位获得。这种方法是目前在深孔内能确定岩体应力的唯一的一种技术。 (3)水压致
17、裂法在无实测成果时，可根据地质勘察资料对初始应力场作出评估： (1)较平缓的孤山体，一般情况下，初始应力的垂直应力为自重应力。(2)通过对历次构造形迹的调查和对近期构造运动的分析，以第一序次为准，根据复合关系，确定最新构造体系，据此确定初始应力的最大主应力方向。(3)埋深大于1000m，随着深度的增加，初始应力场逐渐趋向于静水压力分布，大于1500m以后，一般可按静水压力分布考虑。 岩体初始应力场评估(4)在峡谷地段，从谷坡至山体以内，可区分为应力释放区、应力集中区和应力稳定区。峡谷的影响范围，在水平方向一般为谷宽的13倍。对两岸山体，最大主应力方向一般平行于河谷，在谷底较深部位，最大主应力趋
18、于水平且转向垂直于河谷。(5)地表岩体剥蚀显著地区，水平向应力仍按原覆盖厚度计算。(6)发生岩爆或岩芯饼化现象，应考虑存在高初始应力的可能。应力情况 主要现象 极高应力 1 硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差；基坑有剥离现象，成形性差2 软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞；基坑发生显著隆起或剥离，不易成形 4 高应力 1 硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥防和掉场现象，新生裂缝较多，成洞性较差；基坑时有剥离现象，成形性一般尚好。2 软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间较长，成洞性差；基坑有隆起现象，成形性较差 47 注： max 为垂直洞轴线方向的最大初始应力。 高初始应力地区岩体在开挖过程中出现的主要现象 max c R 结束
