地应力知识.docx

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地应力知识

地应力知识简介

　　地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。

　　随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。

一    地应力的成因

　　产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。

30多年来的实测和理论分析表明，地应力形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：

板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。

另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。

　　1  大陆板块边界受压引起的应力场

　　以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。

在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。

　　2  地幔热对流引起的应力场

　　由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动。

地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽。

　　3  由地心引力引起的应力场（也称为重力场）

　　重力场，是各种应力场中唯一能够计算的应力场。

重力应力为垂直方向应力，是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。

　　4  岩浆侵入引起的应力场

　　岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。

熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。

　　岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。

　　5  地温梯度引起的应力场

　　地层的温度随着深度增加而升高，一般为a=3℃/100m。

由于地温梯度引起地层中不同深度不相同的膨胀，从而引起地层中的压应力，其值可达相同深度自重应力的数分之一。

　　6  地表剥蚀产生的应力场

　　地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用。

剥蚀后，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度引起的自重应力还要大得多的水平应力值。

因此，在某些地区，水平应力除与构造应力有关外，还和地表剥蚀有关。

二  地应力的研究观点

　　对地应力的研究已有一百多年的历史了，但总的说来，现在主要有三种观点：

　　1  “静水应力式”分布的观点

　　它最早是海姆（Heim）于1878年提出的“静水压力”假说。

以后（1905~1912年），又提出相应的应力计算公式。

1925年，金尼克也提出了弹性理论计算法及相应的公式。

但事实表明，它们只能适用于一定的环境条件下，如，埋深较大的未受到扰动的地层。

　　2  垂直应力为主的观点

　　它是岩石力学工作者基于弹性理论提出的，但由于他们对地质条件的多样性与复杂性不甚了解，所以事实证明，此观点也只适用于某些特定的场合。

　　3  水平应力为主的观点

　　本世纪20年代，李四光教授指出地壳运动是以水平运动为主，应力场是以水平应力为主导的。

50年代，瑞典的哈斯特通过大量的应力测量研究工作后，发现地壳岩土体中的应力场是以水平压应力为主的应力场。

此外，克鲁泡特金（Kropotkin）在前苏联，G.赫盖特在加拿大，沃洛特尼斯基（Worotnicki）和德纳姆（Denham）在澳大利亚，海姆森（Haimson）、古德曼教在美国等的许多地区，都发现地壳中的水平应力大于垂直应力的情况，并分别给出了平均水平应力与深度的关系式。

还有我国的孙广忠（1993）、陶振宇（1990）、朱焕春  （1994）等也均对此研究做出了贡献。

现有的资料也表明，世界上大多数地区地壳岩土体内的天然应力状态是以水平应力为主的观点，但同时也告诉我们不能忽视其它因素的作用和否认其它两类应力状态的存在。

　　现有的资料表明，地应力的总体特征表现为：

地应力具有显著的离散性，地应力场是一个很不均一的应力场，它不但表现在地应力随深度方面的变化，而且在不同的范围，从区域范围直至岩石的亚微观范围均能表现出来。

其根本原因，在于岩体中地应力的分布受各种地质因素的影响。

当然，无论是垂直应力，还是水平方向的最大水平应力及最小水平应力，总体上均随深度呈线性增加，水平应力与自重垂直应力的比值随深度逐渐减小，离散性亦逐渐减小，到一定的深度便趋于稳定。

　　研究者还在构造应力的分析，影响地应力分布的各种地质因素，残余应力的分类，高地应力的判断，以及在高地应力作用下岩石的某些特殊岩石力学现象等方面均取得了显著的进展，如：

利用岩体工程地质力学方法确定构造残余应力或地应力场，从工程岩体的破坏或稳定性评价方面得出高地应力的判断标准等，它们在工程实践中具有实际的工程意义及应用价值。

　　此外，岩体中存在的应力是岩体产生变形破坏的力学依据。

由于开挖引起的重分布应力受岩体初始应力的控制，所以，地应力场对工程稳定状态总体上存在着一定的控制作用。

三  地应力分布的一些基本规律

　　通过理论研究，地质调查和大量的地应力测量资料的分析研究，已经初步认识到浅部地壳应力分布的一些基本规律：

　　1  地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。

　　地应力在对大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。

三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的，因而它是一个非稳定的应力场。

　　地应力在空间上的变化，从小范围来看，其变化是很明显的，但就某个地区整体而言，地应力的变化是不大的。

　　在某些地震活跃地区，地应力的大小和方向随着时间的变化是很明显的。

地震前，处于应力积累阶段，应力值不断升高，而地震时使集中的应力得到释放，应力值突然大幅度下降，主应力在地震发生时会明显改变，地震一段时间后又会恢复到震前的状态。

　　2  实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量

　　对全世界实测垂直应力бz的统计资料分析表明，在深度25~2700m范围内，呈线性增长，大致相当于按平均容重等于27kN/m3计算出来的重力。

　　3  水平应力普遍大于垂直应力

　　实测资料表明，在绝大多数地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于30度，最大水平主应力普遍大于垂直应力。

　　4  平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。

　　5  最大水平主应力和最小主应力也随深度呈线性增长关系。

与垂直应力不同的是，在水平主应力线性回归方程中的常数项比垂直应力线性回归方程中常数项的数值要大些，这反映了在某些地区近地表处仍存在显著水平应力的事实。

　　6  最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。

　　7  地应力的上述分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。

四  地应力测量研究进展

　　无论是地应力的理论研究，还是地应力在工程中的应用或对岩体稳定性的评价，均需定量地确定岩体中的应力状态。

因此，长期以来，国内外对地应力理论研究及应用均非常重视各种应力量测技术及方法。

　　  1915年，瑞典的哈斯特（N.Hast）首先开始量测初始地应力，由此开创了通过现场量测信息反演确定初始地应力的历史。

继哈斯特之后，许多国家先后开展了这项工作，积累了许多初始地应力的实测资料，将这些资料进行综合分析。

特别是近20年来，随着计算机技术和数值分析方法的进步，在定量计算方法研究方面取得了不少成果。

　　原位地应力量测始于二十世纪30年代。

从二十世纪50年代以来，随着岩体应力量测技术及量测方法的发展，多种地应力量测的有效方法得到广泛应用。

目前，国内外常用的地应力量测方法有：

钻孔变形计、压磁应力计、钻孔包体式应力计、钻孔孔底应变计、钻孔三轴应变计、水压破裂法、钢弦应力计、声发射法、空心包体应变法、用赤平投影地质力学方法确定地应力主方向，用Kaiser效应测量地应力大小的新方法、应力恢复法等，但它们一般情况下适用于对由坚硬岩石组成地段的地应力测量。

　　实际上，上述方法大体上可分为地应力测试法和初始应力场分析法。

前者可通过仪器直接或间接进行地应力的测量。

国外许多学者对它进行了大量研究，代表性的有古德曼（R.E.Goodman），A.J.Bowling.（1976），张倬元等，蔡美峰（2002）等都对它做出了贡献；后者可通过运用地质、数学或力学等进行理论分析，采用其它技术方法作手段，如计算机等，从而得出其应力的方法，它大体上可分为：

边界荷载调整法，应力函数的趋势面分析、地质力学构造分析法、统计分析法、解析分析法、模型模拟试验法和位移反分析法等。

如日本神户大学的樱井春辅等。

美国学者古德曼（R.E.Goodman），意大利学者焦德（G.Gioda）等；国内的杨志法等。

李光煜，白世伟等，杨林德等，王士天  （2002  ），谷德振，杨志法（1987），霍克（E.Hoek）、布朗（E.T.Brown）和邵建国  （2000）（冯紫良，1983）黄润秋（1997）（杨林德，  1999）等都对此做了较深入的研究。

　　  除以上方法之外，还有学者将数值模拟模型、物理模拟模型、灰色理论（李龙林  1999）、神经网络或与有限元模拟相结合（孔广亚（1996，2002）、遗传算法（李守巨，  2001）  、GPS等方法运用到地应力场的分析中。

　　由于地壳岩土体中的应力场受多种因素的作用与影响，很多方法与理论需要进一步的发展与完善，特别是适用于弹塑性、塑性等岩土体方面的测试方法与理论研究。

五  常用地应力测量方法简介

　　常用的应力量测方法主要有：

应力解除法、应力恢复法和水压致裂法等。

这些方法的理论基础是弹性力学。

因此，岩体应力测试均视岩体为均质、连续、各向同性的线弹性介质。

　　1  应力解除法

　　应力解除法的基本原理是：

岩体在应力作用下产生变形（或应变）。

当需测定岩体中某点的应力时，可将该点一定范围内的岩体与基岩分离，使该点岩体上所受应力解除。

这时由应力产生的变形（或应变）即相应恢复。

通过一定的量测元件和仪器量测出应力解除后的变形值，即可由确定的应力与应变关系求得相应应力值。

应力解除法据测量方法不同可分为表面应力解除法、孔底应力解除法和孔壁应力解除法三种，各种方法根据测量元件不同又可细分为各种不同的方法。

　　2  应力恢复法

　　应力恢复法一般在平硐壁面（也可在地表露头面）上进行。

在岩面上切槽，岩体应力被解除，应变也随之恢复；然后在槽中再埋入液压枕，对岩体施加压力，使岩体的应变恢复至应力解除前的状态；此时，液压枕施加的压力即为应力解除前岩体受到的应力，这一应力值实际上是平硐开挖后壁面处的环向应力。

通过量测应力恢复后的应力和应变值，利用弹性力学公式即可求解出测点岩体中的应力状态。

　　3  水压致裂法

　　水压致裂法是在竖直钻孔内封隔一段，  向其中注入高压水；压力达到最大值Pb后岩壁破裂压力下降，最终保持恒定以维持裂隙张开；关闭注液泵，压力因液体流失而迅速下降，裂隙闭合，压力降低变缓，其临界值为瞬时关闭压力P0；完全卸压后再重新注液，得到裂隙的重张压力Pr以及瞬时关闭压力P0，最后通过印模器或钻孔电视纪录裂缝的方向。

研究孔内压力随时间的变化曲线，通过公式计算水平方向地应力。