第5章 地应力及其测量

四、研究原岩应力的意义 在岩体内或在岩基上修造建筑物时，由于施工开挖，改变 了岩体的边界条件，从而引起岩体应力的重分布，形成新 的应力状态，这会产生岩体的变形或破坏。在岩体应力重 分布的新情况下，再加上建筑物的各种荷载（如自重、水 压力等），岩体内各质点的应力必然会随之而发生变化， 这会导致新的破坏因素的出现。因此在工程实践中，进行 岩体工程稳定性分析时，原岩应力是必需的基本资料。 原岩应力是客观存在的，问题在于工程设计中如何正确地 认识它、适应它、甚至利用它，从而使工程达到既安全又 经济的效果。

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。当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就 分为二股方向相反的平流，经一定流程直到与另一对流圈 的反向平流相遇，一起转为下降流，回到地球深处，形成 一个封闭的循环体系 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，它是一个有 拉伸特点的带状区 我国从西昌、攀枝花到昆明的裂谷正位于这一地区，该裂 谷区有一个以西藏中部为中心的上升流的大对流环。在华 北—山西地堑有一个下降流，由于地幔物质的下降，引起 很大的水平挤压应力
坚硬完整的岩体，如果天然应力很高，聚集着大量的能量。在地下 洞室开挖过程中，围岩应力较大的部位被挤压到超过岩石的弹性限 度，积聚的能量会突然释放出来，先是撕裂声，随即就是爆炸声， 石片飞散，体积大者就地坠落，体积小者，则弹射出来，这就是岩 爆现象。强大的原岩应力是构成岩爆现象的决定性因素，因此，埋 深较大的地下洞室，在设计和施工中应慎重对待，并采取一些防治 措施。例如，注意导坑和洞室的断面形状，以避免强烈的应力集中 区；衬砌以采用混凝土为宜，而不用砌石圬工和装配式结构；加强 临时支护和危石的清理，认真观察围岩动态，如发现撕裂声，应立 即撤离人员与机具，目前已有一些工程采用声发射仪进行探测。岩 爆地段在开挖完成后，应立即进行衬砌浇筑，围岩不宜暴露时间过 长，并尽可能采用早强混凝土和适当延迟拆模。 （二）原岩应力对地面工程的影响 在岩基上修筑大坝，由于基坑开挖的减荷作用，将会引起坑底岩体 发生回弹隆起或坑壁岩层移动。这种岩体变形，在水平主应力较大， 岩体中存在着接近于水平产状的软弱面时特别显著。这不仅使岩体 的工程性质恶化，而且还会影响未来建筑物的受力状态和稳定。
第4章 地应力及其测量
概述
地应力分布的若干规律 高应力区的若干特征 地应力测量方法
1 Hale Waihona Puke 述地应力研究的必要性

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 是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其 他各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力， 是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩石 工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件 原岩应力是地下工程围岩变形、破坏的根本原因

地应力的影响因素 地壳浅部岩体地应力分布如此复杂，其基本原因在于它受到多种 因素的影响，归纳起来大致有如下几个方面。 （一）地质构造对地应力的影响 地质构造对地应力的影响，主要表现在影响应力的分布和传递方 面：在静应力场中，断裂构造对地应力大小和方向的影响是局部的。 在同一构造单元体内，被断层或其他大结构面切割的各个大块体 中的地应力大小和方向均较一致，而靠近断裂或其他分离面附近， 特别是拐弯处、交叉处及两端，应力的大小和方向才有较大变化。 地质构造面与地应力方向关系，当现代应力场是继承地质史上的 应力场时，一般在水平面内，最大主应力的方向常垂直于构造线。 （二）地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响 由构造作用与由剥蚀作用产生的水平应力的主要区别在于，由构 造作用产生的水平应力具有明显的方向性；而由剥蚀产生的水平应 力，按海姆假设条件，不具方向性。
平应力的存在。早在20世纪20年代，我国地质学家李 四光就指出：在构造应力的作用仅影响地壳上层一定 厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直 应力分量 20世纪50年代，哈斯特(N.Hast)首先在斯堪的纳维亚 半岛进行了地应力测量的工作，发现存在于地壳上部 的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最 大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍，甚至更多； 在某些地表处，测得的最大水平应力高达7MPa。这 就从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直 应力为主的观点

地温梯度引起的应力场

地层的温度随着深度增加而升高，一般温度梯度0.3℃/100m左 右，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
地表剥蚀产生的应力场
地表剥蚀产生的应力场导致岩体内部产生局部应力 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所引起 的自重应力还要大得多的水干应力值 因此，在某些地区，大的水平应力除与构造应力有关外，还 和地表剥蚀有关
地震本身是新构造运动的一种表现。我国绝大多数地震 是由新构造断裂运动引起来的。地震应力的特点是变化大， 具有明显的时间性和突发性。在地震应力场中，常常具有 较大的水平应力，地应力主轴方向亦不均匀，并能使地下 工程围岩和衬砌发生相当大的剪应力和拉应力。拉应力会 减小岩块间的摩擦力，这就是在地震中围岩产生纵向裂隙 和破坏增多的原因。随着地下工程埋深的增加和远离地震 震源，地震作用对工程的影响将逐渐减小。这是由于岩体 自重应力很大，地震应力相对较低，故使地下工程衬砌的 强迫振动和自由振动都很小。根据计算，九级地震产生的 地震围岩应力值，比震前应力值仅增加15%～20%。这个数 值没有超过围岩应力计算值的误差范围。
地应力认识进展
1912年瑞士地质学家海姆(A.Heim)在大型越岭隧道
的施工过程中，通过观察和分析，首次提出地应力的 概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中 任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面 积上覆岩层的重量
h v H
由于许多地质现象，如断裂、褶皱等均表明地壳中水

岩浆侵入引起的应力场
岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围地层中产生相 应的应力场，其过程也是相当复杂的 熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各 个方向相等的均匀压力，但是炽热的岩浆侵入后即逐渐冷 凝收缩，并从接触界面处逐渐向内部发展。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
实测垂直应力基本
等于上覆岩层的重 量


全世界实测垂直应力 的统计资料表明，在 深度为25~2700m的 范围内，垂直应力呈 线性增长 在某些地区的测量结 果有一定幅度的偏差， 上述偏差除有一部分 可能归结于测量误差 外，板块移动、岩浆 对流和侵入、扩容、 不均匀膨胀等也都可 引起垂直应力的异常
地温梯度和岩体局部受温度的影响。
2 地应力分布的若干规律
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


地应力在绝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， 从某一点到相距数十米外的另一点，地应力的大小和方向也 可能是不同的，但就某个地区整体而言，地应力的变化是不 大的。如我国的华北地区，地应力场的主导方向为北西到近 于东西的主压应力
后来的进一步研究表明，重力作用和构造运动是引起
地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对 地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要由最近 一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有 关。由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构 造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、 牵引和改造，另外，地应力场还受到其他多种因素的 影响，因而造成了地应力状态的复杂性和多变性，即 使在同一工程区域，不同点地应力的状态也可能是很 不相同的，因此，地应力的大小和方向不可能通过数 学计算或模型分析的方法来获得。要了解一个地区的 地应力状态，惟一的方法就是进行地应力测量


1926年，苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设，
认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而 侧向应力(水平应力)是泊松效应的结果，其值应为垂 直应力乘以一个修正系数
v H
h

1
H
同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公
式来定量地计算地应力的大小，并且也都认为地应力 只与重力有关，即以垂直应力为主，他们的不同点只 在于侧压系数的不同
大陆板块边界受压引起的应力场
中国大陆板块受到外部两块板块的推挤，即印度洋扳块和 太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到了 西伯利亚板块和菲律宾板块的约束 在这样的边界条件下，板块发生变形，产生水平受压应力 场，印度洋板块和太平洋板块的移动促成了中国山脉的形 成，控制了我国地震的分布
（四）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。 如图19-50所示为断层对自重应力的影响。由于断层两侧的岩块 形成了应力传递，使上大下小的楔体A产生了卸荷作用，致使地应 力降低；而下大上小的楔体B产生了加荷作用，致使地应力升高。 同时也产生了山峰处地应力低、沟谷处地应力高的现象。
（一）原岩应力与地下洞室的关系 原岩应力与地下洞室的关系最为密切。地下洞室的开 挖过程，实际上就是该处原岩应力的释放过程。由于岩 体内的能量得到释放，形成新的应力状态，引起围岩的 变形。洞室周边的应力与围岩较深部的应力相比，前者 常处于不利的受力状态。如果这种应力状态超过岩体的 强度条件，就可能发生破坏，甚至引起围岩的失稳。 在选择洞室轴线和断面形状时，就应该适应原岩应力 的状况，使围岩处于一个比较有利的应力分布状态（如 洞壁切向应力分布比较均匀，其数值又较小）。目前一 般的作法是让洞室的轴线与最大水平主应力的方向一致。 在地下洞室断面选择时，如何应用天然应力的实测资 料，这是一个尚待解决的重要课题。有人认为，在选择 设计方案时，掌握水平应力与垂直应力的比值，比了解 主应力的实际大小更为重要。例如，水平应力较大时， 以采用高度小而宽度大的近似椭圆形的断面为宜；而垂 直应力较大时，则宜采用高度大而宽度小的椭圆形断面。