岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第七章岩体中的天然应力

第七章岩体中的天然应力第一节概述岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的重要因素。

人类工程活动之前存在于岩体中的应力，称为天然应力或地应力(stress in the earth’s crust)。

人类在岩体表面或岩体中进行工程活动的结果，必将引起一定范围内岩体中天然应力的改变。

岩体中这种由于工程活动改变后的应力，称为重分布应力。

相对于重分布应力而言，岩体中的天然应力亦可称为初始应力(initiaLstress)。

1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的应力。

半个多世纪来，在世界各地进行了数以十万计的岩体应力量测工作，从而使人们对岩体中天然应力状态有了新的认识。

1951年，瑞典的哈斯特(Hast)成功地用电感法测量岩体天然应力，并于1958年在斯堪的纳维亚半岛进行了系统的应力量测。

首次证实了岩体中构造应力的存在，并提出岩体中天然应力以压应力为主，埋深小于200m的地壳浅部岩体中，水平应力大于铅直应力，以及天然应力随岩体埋深增大而呈线性增加的观点。

利曼(Leeman，1964)以“岩体应力测量”为题，发表了一系列研究论文，系统地阐明了岩体应力测量原理、设备和量测成果。

1973年苏联出版了《地壳应力状态》一书，汇集了苏联矿山坑道岩体的应力实测成果。

各国的研究都证明了哈斯特的观点。

1957年，美国哈伯特(Hubbert)和威利斯(Willis)提出用水压致裂法(hydraulic fracturing method)测量岩体天然应力的理论。

1968年美国海姆森(Haimson)发表了水压致裂法的专题论文。

与此同时，伴随石油工业的发展，水压致裂法在生产实践中得到了广泛的应用。

水压致裂法的应用，使岩体中应力量测工作，从几十米、数百米延至数千米深度，并获得大量的深部岩体天然应力的实测数据。

在此基础上，美国用水压致裂法开展了兰吉列油田注水引起的诱发地震机理的综合研究，并成功地解析了诱发地震的机理。

1975年盖依等人根据岩体应力的实测数据的分析，提出了临界深度的概念，在该深度以上水平应力大于铅直应力，该深度以下水平应力小于铅直应力。

研究表明，临界深度随地区不同而不同，如冰岛等地为200m，日本和法国为400～500m，中国和美国为1 000m，加拿大为2 000m。

我国的岩体天然应力测量工作开始于50年代后期，至60年代才广泛应用于生产实践。

到目前为止，我国岩体应力测量已得到数以万计的数据，为研究工程岩体稳定性和岩石圈动力学问题提供了重要依据。

一般认为，天然应力是各种作用和各种起源的力，它主要由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。

研究还表明，岩体应力状态不仅是一个空间位置的函数，而且是随时间推移而变化的。

岩体在天然应力作用下，不是处于静力稳定，而是处于一种动力平衡状态，一旦应力状态发生改变，这种动力平衡条件将遭破坏，岩体也将发生这样或那样的失稳现象。

引起岩体应力条件改变的因素很多，例如地球旋转速度的变化、日月的潮汐作用、太阳活动性的变化及人类工程活动等，均可以使岩体的应力状态发生变化。

岩体中的天然应力状态，在研究区域稳定、岩体稳定性以及在原位岩体测试工作中，均具有重要的实际意义。

任何地区现代构造运动的性质和强度，均取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。

从工程地质观点看，地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害。

从岩体力学观点出发，地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。

在一定的天然应力场基础上，常因修建大型水库改变了地区的天然应力场而引起水库诱发地震。

研究表明，水库诱发地震的发生，主要与地区的地震地质条件(尤其是岩体天然应力条件)、库水引起断裂构造带中水压力增大、岩体物理力学性质的改变以及水库水体重量作用有关。

一般来说，水库蓄水，将会引起水库范围内和水库周边断裂带中法向应力减小。

对于水库周边断裂而言，水库水体的重量还可以增大这些断裂发生倾向滑错的剪应力，这就是说，水库周边断裂更容易因蓄水而诱发地震。

但是，根据对水库周边断裂的估算，由于修建大型水库引起的剪应力和抗剪强度下降的数值之和仅在几个兆帕范围之内。

例如，我国新丰江水库，由于水库荷载造成的最大附加剪应力，在库心为0.3MPa，在主震发生的峡谷区仅为0.5MPa，主震应力降为1MPa。

由此可见，水库地震能否发生，主要是取决于地区的地震地质条件，特别是地区岩体的天然应力状态。

因此，岩体天然应力状态及其变化，对于研究地震的发生条件和进行地震预报，都是十分重要的。

天然应力状态与岩体稳定性关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。

越来越多的资料表明，在岩体高应力区，地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖，常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，使工程岩体失稳。

对于地下洞室而言，岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源。

天然应力状态的影响，主要取决于垂直洞轴方向的水平天然应力σh和铅直天然应力σv的比值，以及它们的绝对值大小。

从理论上讲，对于圆形洞室来说，当天然应力绝对值不大，σh／σv＝1时，围岩的重分布应力较均匀，围岩稳定性最好；当σh／σv＝1／3时，洞室顶部将出现拉应力，洞侧壁将会出现大于2.67σv的压应力，可能在洞顶拉裂掉块，洞侧壁内鼓张裂和倒塌。

如果地区的铅直应力σv为最小主应力，由于σhmax／σv＞1.0，所以洞轴线与最大主应力σhmax方向一致的洞室围岩稳定性，要较轴线垂直于σhmax方向的洞室围岩稳定性好。

例如，前苏联希宾地块拉斯武姆齐尔矿在挖掘主巷道与辅助巷道时，曾出现了非常强烈的岩爆。

研究表明，岩爆发生在弹脆性的霓霞石—磷霞岩组成的水平巷道顶面，而且最强烈的岩爆出现在南北方向的主巷道中，而东西方向巷道中几乎没有。

该矿的岩体应力量测结果表明，在埋深为100m的600m范围内，岩体中最大水平主应力σhmax 的方向为SE100°，应力值为57.0MPa，另一水平主应力为23.0MPa，铅直应力σv也为23.0MPa；在埋深为600m的440m范围内，最大水平主应力σhmax的方向为SE110°，应力值为78.0MPa，另一水平主应力为15.0MPa，铅直应力为18.0MPa。

南北方向巷道σhmax／σv比值约为2.5～4.3，东西方向巷道σhmax／σv比值约为0.83～1.0。

因此，该区南北向巷道轴线近似垂直最大主应力方向，σhmax／σv 比值较大，且应力绝对值也较大，是导致该区南北向巷道顶板发生岩爆的根本原因。

对于有压隧道而言，当σh／σv≥1.0，且应力达到一定数值时，围岩将具有较大承受内水压力的承载力可资利用。

因此，岩体中具有较高天然水平应力时，对有压隧洞围岩稳定有利。

对地表工程而言，如开挖基坑或边坡，由于开挖卸荷作用，将引起基坑底部发生回弹隆起，并同时引起坑壁或边坡岩体向坑内发生位移。

这类实例很多，其中以加拿大安大略省的一个露天采坑、美国南达科他州俄亥坝静水池基坑、美国大古力坝坝基以及我国葛洲坝电站厂房基坑开挖过程中所发生情况最为典型。

加拿大安大略省某露天采坑开挖在水平灰岩岩层中，当开挖深度达15m时，坑底突然裂开，裂缝迅速延伸，裂缝两侧15m范围内的岩层向上隆起，最大高度达2 4m。

研究表明，隆起轴垂直于区域最大主应力作用方向。

美国南达科他州的俄亥坝静水池基坑开挖在白垩纪页岩夹薄层斑脱岩地层中。

1954年2月开始开挖，1955年3月完成，最大开挖深度为6.1m。

现场观察表明，到1954年12月，基坑底总回弹量达20cm，其中90％是在开挖期间发生的。

当时基坑底部已有断层面未发现位移，但于1955年1月，发现基坑底面沿原断层面错开，上盘上升，错距达34cm。

美国大古力坝基坑开挖在花岗岩中，在开挖基坑过程中，发现花岗岩呈水平层状开裂，且这种现象延至较大深部。

我国葛洲坝电站厂房基坑开挖在白垩纪粉砂岩和粘土岩互层地层中，在开挖中，基坑上游坑壁沿坑底附近视倾斜1°～3°的212夹层泥化面发生逆向滑错，最大错距8cm。

基坑坡面倾向为199°，而坑壁岩体位错方向却为223°，二者之间相差24°。

事后岩体天然应力量测结果表明，该处最大水平主应力σhmax的作用方向为NE45°(即225°)左右，坑底高程处应力值为：σhmax＝3.1MPa，σhmin＝2.3MPa。

因此，电站厂房基坑坑壁岩体滑错方向是与最大水平天然应力作用方向相一致的。

基坑岩体回弹隆起、位错和变形的结果，将使地基岩体的透水性增大，力学性能恶化，甚至使建筑物变形破坏。

总之，岩体的天然应力状态，对工程建设有着重要意义。

为了合理地利用岩体天然应力的有利方面，根据岩体天然应力状态，在可能的范围内合理地调整地下洞室轴线、坝轴线以及人工边坡走向，较准确地预测岩体中重分布应力和岩体变形，正确地选择加固岩体的工程措施。

因此，对重要工程，均应把岩体天然应力量测与研究当作一项必须进行的工作来安排。

第二节岩体中天然应力的分布特征自50年代初期起，许多国家先后开展了岩体天然应力绝对值的实测研究，至今已经积累了大量的实测资料。

本节从工程观点出发，根据收集到的岩体应力的实测资料，对地壳表层岩体天然应力的基本特征进行讨论。

一、岩体中的铅直天然应力应力实测结果表明，绝大部分地区的铅直天然应力σv大致等于按平均密度ρ＝2.7g／cm3计算出来上覆岩体的自重(图7-1)。

但是，在某些现代上升地区，例如位于法国和意大利之间的勃朗峰、乌克兰的顿涅茨盆地，均测到了σv显著大于上覆岩体自重的结果(σv／ρgZ≈1.2～7.0，Z为测点距地面的深度)。

而在俄罗斯阿尔泰区兹良诺夫矿区测得的铅直方向上的应力，则比自重小得多，甚至有时为张应力。

这种情况的出现，大都与目前正在进行的构造运动有关。

图7-1 铅直应力与埋藏深度关系的实测结果铅直天然应力σv常常是岩体中天然主应力之一，与单纯的自重应力场不同的是：在岩体天然应力场中，σv大都是最小主应力，少数为最大或中间主应力。

例如，在斯堪的纳维亚半岛的前寒武纪岩体、北美地台的加拿大地盾、乌克兰的希宾地块以及其他地区的结晶基底岩体中，σv基本上是最小主应力。

而在斯堪的纳维亚岩体中测得的σv值，却大都是最大主应力。

此外，由于侧向侵蚀卸荷作用，在河谷谷坡附近及单薄的山体部分，常可测得σv为最大主应力的应力状态。

二、岩体中的水平天然应力岩体中水平天然应力的分布和变化规律，是一个比较复杂的问题。

根据已有实测结果分析，岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制，铜时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷作用、现代构造断裂运动、应力调整和释放以及岩体力学性质等因素的影响。