3、巖體地應力問題

3.1問題的提出：人類對地應力的認識過程3.2地應力的成因3.3地應力的分布規律3.4地應力場與地下結構布置設計的關系

3.1問題的提出：人類對地應力的認識過程為什么在討論地下結構問題時，首先提出了地應力問題？答：地應力是影響地下結構穩定的主要因素，是引起地下結構變形和破壞的根本作用力。地應力決定了地下結構幾乎所有的邊界條件和地下工程實施的初始條件。是一切計算、試驗分析的前提和基礎。不了解地應力情況的地下結構設計，只能是盲目的設計。

人類對地應力的認識過程這個過程還不到100年1912年，瑞士地質學家A.Heim首次提出地應力的概念，并假定地應力是一種靜水壓力狀態。即地殼中任何一點的應力在各個方向相等，并且等于該點以上覆蓋的巖層產生的壓強。即：1926年，前蘇聯學者A.H.Gennik修正了A.Heim的靜水壓力的假定，認為垂直應力可以等于上覆巖層的重量，而側向應力（水平應力）應該是泊松效應的結果。它的值應該等于H乘以一個修正系數K，稱為側壓系數，根據彈性力學理論，他認為K＝/(1-),即：問題：難道地應力只與巖層重力有關嗎？回答是否定的。李四光曾在20年代根據許多地質現象提出：“在構造應力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應力分量的重要性遠遠超過垂直應力分量。”50年代，瑞典？的N.Hast在Scandinavia半島進行了大量的地應力測量工作，發現地殼上層最大主應力大部分是水平或接近水平的。最大水平應力的值一般為垂直應力的1～2倍，甚至更高。在某些地表處測得的水平地應力達到7Mpa。這個結果從根本上動搖了地應力是靜水壓力的理論，以及地應力以垂直應力為主的觀點。進一步研究表明：重力作用和構造作用是引起地應力的主要原因，尤其水平方向的構造運動對地應力場的形成影響最大。當前的地應力狀態主要由最近的一次構造運動所決定，但也與地殼演化歷史上的各次構造運動有關。最終的地應力場是歷次構造運動應力場的疊加。同時還受到其它因素的影響，造成了地應力場分布的復雜和多變性。幾種結構面的性質1.壓性結構面：垂直于最大主應力方向的結構面，如褶皺的軸面或直立巖層等。與最大主應力垂直的平面與地面的交線叫構造線。扭性（剪性）結構面：沿最大剪應力方向出現的“X”形結構面，其銳角平分線方向為最大壓應力方向。張性結構面：在拉應力作用下產生的破裂面，往往沿一對“X”形扭剪性結構面發育。3.2地應力的成因

產生的原因十分復雜包括地殼板塊運動中相鄰板塊之間的擠壓產生的應力地幔熱對流引起的應力場地心引力形成的自重應力場地球旋轉形成的慣性力場地下巖漿入侵和地殼非均勻擴容地殼溫度不均引起的應力水壓力地表風化剝蝕和其它物理化學變化引起的應力釋放等

3.2.1板塊運動引起的地應力

中國大陸板塊受到印度板塊和太平洋板塊

的擠壓，每年擠壓變形達數厘米。同時受到西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束。因而產生水平受壓的應力場，其主應力跡線如上圖所示。印度板塊和太平洋板塊的擠壓造成了我國大陸板塊邊緣的隆起和山脈的形成，同時也是我國地震的主要成因。3.2.2地幔熱對流引起的地應力

由硅鎂質組成的地幔因溫度很高，具有可塑性，并可以上下對流和蠕動．當地幔深處的上升流到達地幔頂部時，就分為二股方向相反的平流．經一定流程直到與另一對流圈的反向平流相遇，一起轉為下降流，回到地球深處，形成一個封閉的循環體系．地幔熱對流引起地殼下面的水平切向應力，在亞洲形成由孟加拉灣一直延伸到貝加爾湖的最低重力槽，它是一個有拉伸特點的帶狀區．我國從西昌、渡口到昆明的裂谷正位于這一地區．該裂谷區有一個以西藏中部為中心的上升流的大對流環，在華北－山西地塹有一個下降流．由于地幔物質的下降，引起很大的水平擠壓應力．

3.2.3地心引力引起的地應力由地心引力引起的應力場稱為自重應力場．自重應力場是各種應力場中唯一能夠計算的應力

場．地殼中任一點的自重應力等于單位面積的上覆巖層的重量。重力應力為垂直方向應力，它是地殼中所有各點垂直應力的主要組成部分．但是垂直應力一般并不完全等于自重應力，因為板塊移動，巖漿對流和侵入、巖體非均勻擴容、溫度不均和水壓梯度均會引起垂直方向應力變化．

3.2.4巖漿入侵引起的地應力巖漿侵入擠壓、冷凝收縮和成巖，均在周圍地層中產生相應的應力場，其過程也是相當復雜的．熔融狀態的巖漿處于靜水壓力狀態，對其周圍施加的是各個方向相等的均勻壓力．但是熾熱的巖漿侵入后即逐漸冷凝收縮，并從接觸介面處逐漸向內部發展．不同的熱膨脹系數及熱力學過程會使侵入巖漿自身及其周圍巖體應力產生復雜的變化過程．與上述三種應力場不同，由巖漿侵入引起的應力場是一種局部應力場．3.2.5地溫梯度引起的地應力地層的溫度隨著深度增加而升高，一般溫度梯度為3Ｃ／100ｍ．由于溫度梯度引起地層中不同深度不相同的膨脹，從而引起地層中的壓應力，其值可達相同深度自重應力的數分之一．另外，巖體局部冷熱不均，產生收縮和膨脹，也會導致巖體內部產生局部應力場．

3.2.6地表風化剝蝕引起的地應力地殼上升部分巖體因為風化、侵蝕和雨水沖刷搬運而產生剝蝕作用。剝蝕后，由于巖體內的顆粒結構的變化和應力松弛趕不上這種變化，導致巖體內仍然存在著比由地層厚度所引起的自重應力還要大得多的水平應力值。因此，在某些地區，大的水平應力除與構造應力有關外，還和地表剝蝕有關。3.3地應力的分布規律3.3.1地應力是時間和空間的函數

地應力在絕大部分地區是以水平應力為主的三向不等壓應力場．三個主應力的大小和方向是隨著空間和時間而變化的，因而它是個非穩定的應力場．地應力在空間上的變化，從小范圍來看，其變化是很明顯的，從一個礦山到另一個礦山，從某一點到相距數十米外的另一點，地應力的大小和方向也是不同的．但就某個地區整體而言，地應力的變化是不大的．

所以它是相對穩定的非穩定應力場。在某些地震活躍的地區，地應力的大小和方向隨時間的變化是很明顯的。如1976年唐山地震后，在唐山鳳凰山測得的最大主應力方向為北47°西，與區域應力場的最大主應力方向有較大偏差．78年，在同一地點測量，其最大主應力方向變為近東西向（北89°西）與區域應力場最大主應力方向相一致。邢臺地震區也有類似情況。前蘇聯的喀爾巴殲山、高加索等地，發現主應力方向每隔6～12年就有一次較大變化．我國甘肅六盤山主應力方向在三年內有20～30°的改變．而瑞典北部的梅爾格特礦區，發現現今應力場方向與20億年前應力場方向完全相同．3.3.2垂直地應力與埋深的關系.對全世界實測垂直應力σv的統計資料的分析表明，在深度為25～2700ｍ的范圍內，σv呈線性增長，大致相當于按平均容重γ等于27KN/m3計算出來的重力γH．但在某些地區的測量結果有一定幅度的偏差．如我國σv/γＨ=0.8～1.2的僅占5％，σv/γＨ＜0.8的占16％，而σv/γＨ＞1.2的占79％。前蘇聯測量資料表明：σv/γＨ＜０．８的占4％，σv/γＨ＝0.8～1.2的占23％，σv/γＨ＞1.2的占73％．

值得注意的是，在世界多數地區并不存在真正的垂直應力即沒有一個主應力的方向完全與地表垂直．但在絕大多數測點都發現確有一個主應力接近于垂直方向，其與垂直方向的偏差不大于20o。這一事實說明，地應力的垂直分量主要受重力的控制，但也受到其它因素的影響。3.3.3水平地應力普遍大于垂直地應力實測資料表明，在絕大多數（幾乎所有）地區均有兩個主應力位于水平或接近水平的平面內，其與水平面的夾角一般不大于30°．最大水平主應力普遍大于垂直應力。水平地應力與v之比值，為0.5～5.5，在很多情況下比值大于2。在淺埋地層中水平地應力普遍大于垂直地應力，說明板塊運動在形成地應力過程中起到主要控制作用。垂直地應力一般為最小主應力或中間主應力，極少情況下為最大主應力。3.3.4平均水平地應力與垂直地應力之比隨深度增加而減小這是一個普遍規律，但是減小的速度在各個地區有所不同。根據世界幾個國家的實測資料，Hock和Brown回歸出以下公式：上圖表明，在深度不大的情況下，水平地應力與垂直地應力之比相當分散，隨著深度增加，該值的變化范圍逐漸縮小并且有向1.0附近靠近的趨勢。這種趨勢表明，在地殼深部有可能出現靜水壓力狀態。加拿大的地應力實測情況回歸出如下公式：3.3.5水平地應力隨深度呈線形增加趨勢O.Stephansson

測出瑞典Fennoscandia

地區古陸地最大水平主應力和最小水平主應力隨深度變化的線性關系方程：h,max=0.0444H+6.7h,min=0.0329H+0.8可以看出公式中的常數項值比較大，當H等于0時，水平地應力仍有較大的數值，說明構造運動對地應力的影響是顯著的。

3.3.6最大、最小水平地應力有較大差異，反映出很強的方向性。二者之比可達1.25～5，一般為1.25～2.5。3.3.7地應力分布規律異常上述6點是地應力分布的一般規律，但是在地形變化、有地質構造、嚴重風化、溫度變化和地下水豐富的情況下，容易發生地應力場分布規律的異常。其中地形變化和地質構造影響最大。在具有負地形的峽谷或山區，地形的影響在侵蝕基準面以上及其以下一定范圍內表現特別明顯．

一般來說，谷底是應力集中的部位，越靠近谷底應力集中越明顯．最大主應力在谷底或河床中心近于水平，而在兩岸岸坡則向谷底或河床傾斜，并大致與坡面相平行．近地表或接近谷坡的巖體，其地應力狀態和深部及周圍巖體顯著不同，并且沒有明顯的規律性．隨著深度不斷增加或遠離谷坡，則地應力分布狀態逐漸趨于規律化，并且顯示出和區域應力場的一致性．在斷層和結構面附近，地應力分布狀態將會受到明顯的擾動．斷層端部、拐角處及交匯處將出現應力集中的現象．端部的應力集中與斷層長度有關，長度越大，應力集中越強烈．拐角處的應力集中程度與拐角大小及其與地應力的相互關系有關．當最大主應力的方向和拐角的對稱軸一致時，其外側應力大于內側應力．由于斷層帶中的巖體一般都比較軟弱和破碎，不能承受高的應力和不利于能量積累，所以成為應力降低帶，其最大主應力和最小主應力與周圍巖體相比均顯著減小．同時，斷層的性質不同對周圍巖體應力狀態的影響也不同．壓性斷層中的應力狀態與周圍巖體比較接近，僅是主應力的大小比周圍巖體有所下降；而張性斷層中的地應力大小和方向與周圍巖體相比均發生顯著變化．3.4地應力場與地下結構布置設計的關系3.4.1地下結構是否承受內水壓力不承受內水壓力的洞室結構盡量布置在地應力值較小的部位承受內水壓力的洞室結構則應布置在最小主應力大于最大內水壓力的部位

3.4.2地下洞室長軸與地應力的關系

一般情況下，地下洞室結構的長軸方向應該與最大主應力的水平投影方向呈小角度相交。在較均勻的巖體中，對高跨比接近1.0的洞室結構，洞軸線方位的布置應該使作用在洞室斷面上的垂直應力與水平應力盡量接近相等。根據三個主應力分量關系的不同，又可分為三種情況：h1>h2>vv>h1>h2h1>v>h2洞室長軸平行h1

洞室長軸垂直h1設洞室長軸與h1夾角為3.4.3地下結構斷面與地應力關系

3.4.4地下結構群布置與地應力關系隨著社會經濟和科學技術的發展，地下結構工程也由小規模、簡單斷面、單一結構向大規模、復雜斷面、群體結構發展，例如礦山工程、城市地下交通系統、地下水電站和抽水蓄能電站等等。礦山工程中相鄰巷道和工作面之間的間距問題，地下交通系統相鄰隧洞間距的選擇，地下水電站三大洞室的間距及主要和次要洞室之間