2011-03-高地应力地区河谷应力场特征
高地应力
2、调整围岩加应力状态，消除或减轻岩爆：①喷洒 高压水：爆破后立即向工作面及附近洞壁岩体喷 洒高压水，喷洒范围延长到离工作面100m处，施 作锚杆时，再利用锚杆孔向岩体深处洼水，以增 强岩体的塑性，减弱岩体的脆性，经常保持岩体 的潮湿状态，可降低岩爆的强烈程度。②超前应 力解除：在强烈岩爆区，可在隧道两侧拱脚附近 打地应力释放孔，孔深3.0m，间距0.5~1.0m，拱 部则以0~10的仰角打超前应力释放孔，孔径 42mm以上，孔深根据钻机性能，尽可能加深， 使前方拱部围岩的高地应力提前释放。 使用岩台车施工时，在掌子面周边拱线处钻两 排4.5m~5m深的炮眼，炮眼间距50cm，外插用 30度左右，间隔装药，引爆后在拱部2~3m以上的 岩体内部形成一个爆破松动圈，截断岩体内部应 力的集中，使岩体本身形成一个保护层。
高地应力现象
1. 2. 3. 4. 5.
岩芯饼化现象。 岩爆。（图1） 探硐和地下隧道洞地洞壁产生剥离，岩体锤 击为嘶哑声并有较大变形。 岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象。 （图2） 野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实 验室岩块试验结果高。（图3）
图1
图2 2
图3
高地应力区域隧道施工
研究高地应力应注意的问题
（一）关于岩体的浅塑状态
可以通过莫尔强度包络线来判断岩石（体）发生 何种破坏及形式。若应力圆位于莫尔包络线以内， 岩体处于弹性状态并不发生破坏；若二者相交或是 相切，则岩体出现塑性状态或断裂状态。 当 σ v = σ H ，应力状态所构成的应力圆只是横坐标 轴上的一点，在这种应力状态下，岩体单于永远呈 稳定状态，不会破坏。 我们把初始应力状态下岩体单元处于稳定（弹性 状态而一旦开挖就会处于塑性（破坏）状态的岩体， 称为岩体浅塑状态。
深切河谷应力场分布特征研究
第一作者简介 ： 郑小燕 ， ， 师 ， 女 工程 注册 岩土工程 师， 硕士。研究方
向： 岩土体稳定性 。Ｅｍａ ： Ｍｌ ｚ０ １ ６ ．ｏ ． ｉ ｓ ｏ ２０ ＠１３ ｃｍ。 ｌｗ ｗ
Ｉ。模 型左 右 两侧 采 用 水 平 向约 束 ， 边 界 采 用 竖 Ｔ Ｉ 底
直方 向约束 。
２ 期 ｌ
郑小燕 ， ： 等 深切河谷应力场分 布特 征研究
３ 河谷应力场分布特征
３ １ 无卸 荷带影 响 ．
第 １ ２卷
第２期 １
２１ ０ ２年 ７月
科
学
技Ｖｏ． ２ Ｎｏ ２ Ｊ １ Ｏ ２ １１ ． １ ｕ ．２ １
ｌ７ — １ １ （０ ２ ２ —３６ ０ ６ １ ８５ ２ １ ） １５ ６ ・５
Ｓ ｉｎｃ ｃ ｎｏｏ ｙ ｎ ｇ ｎ ｅｉ ｇ ｃｅ ｅ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ
域 地应力 场 的分 布 ， 一 方 面 又 受 地 表 剥 蚀 、 流 另 河 侵 蚀等 地表 地 质作 用 的 控制 。在河 谷 不 同位 置 上 ，
这两方 面作 用 的表 现 强度 不 同 ， 即河 谷 应力 场 主要 是在 自重应 力 、 构造 应 力 双重 作 用 下 由于河 谷 深切 作 用导致 谷坡 应力 卸 荷 ， 而形 成 特 有 的河 谷 应 力 进
表 明：） １ 结合初始应力场特征 ， 自自重应力与构造 应力角度 提 出应 力场 分 区标 准。２ 对于无 卸荷带 的均质 弹性边坡 ， 可 ） 无构 造应力作用 时， 可分 为应力释 放及 应力平 稳 ２个 区。有构造应力作用 时， 可分 为应力集 中及 应力平稳 ２个 区。３ 对于存在 卸 ） 荷 带的边坡 ， 则从坡表到坡里可分为应力降低 区、 应力 升高 区及 应力平稳 区 ３个 区。４ 由于构造 应力场 的存在 ， 得 河谷 内 ） 使
5地应力及其测量
岩爆的弹射程度； （4）岩爆通过何种方式出现，这取决于围岩的岩性、岩体结构特征、弹性变
形能的积累和释放时间长短。
岩爆渐进破坏过程示意图
A、劈裂；B、剪断；C、弹射
我国工程岩体分类标准采用的岩爆发生判据如下： [1] 当 Rc / max >7 时，无岩爆； [2] 当 Rc / max =4～7 时，可能会发生轻微岩爆或中等岩爆； [3] 当 Rc / max <4 时，可能会发生严重岩爆。 式中，
h,av
h,max h,min
2
h,a 1500 100 0.3 0.5 H H
5、最大、最小水平主应力随深度线性增加：
σHmax＝6.7＋0.0444H(Mpa) σHmin＝0.8＋0.0329H(Mpa)
6、两个水平应力的关系一般有
H min 0.2 ~ 0.8 H max
§5.3 高地应力区特征
研究高地应力问题的必要性：
研究高地应力本身就是岩石力学的基本任务。
岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律
都要受到地应力大小的变化而变化。 随着采矿深度的增加，我国中西部的开发，尤其是水 电工程建设，在高地应力地区出现特殊的地压现象， 给岩体工程稳定问题提出了新课题。
地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面 (1)均质各向同性岩体
V gz h1 h 2 1 V
z
A
·
h
(2)水平层状岩体
n V i gzi i 1 E|| h2 V h1 1 E
V gh h1 h 2 1 V
迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，而只
输电线路在高海拔地区的应力强度分析研究
输电线路在高海拔地区的应力强度分析研究输电线路是现代电力系统中不可或缺的一部分，它们承担着将发电厂发出的电能输送到各个城市、乡村的重要任务。
然而，在高海拔地区，由于气候、地形等因素的影响，输电线路所承受的风压、气压等应力也与一般地区不同。
因此，对输电线路在高海拔地区进行应力强度分析研究，不仅有助于提高线路的稳定性和可靠性，而且还可以为更好地建设和维护电力系统提供科学依据。
一、高海拔地区与输电线路高海拔地区特指海拔在2000米以上的地区，这样的地区通常具有气温低、气压大、风力强等特点。
在这样的环境下，由于大气密度变小，所以空气的介电常数也会减小，这会影响到输电线路的电介质强度。
同时，在这样的环境下，由于氧气含量减少，所以电气放电的可能性也会增加。
这对输电线路的稳定性和安全性都会产生一定的影响。
二、应力强度分析的常用方法对输电线路在高海拔地区的应力强度进行分析的主要方法有以下几种：1.气流模拟法：可以通过建立复杂的计算模型，分析输电线路所处环境的气流状况，计算出空气对输电线路的风压、风速等参数，进而预测线路所承受的风应力、飞沙石等应力。
2.电气场模拟法：根据输电线路所处环境的气象数据等参数，建立线路所处位置的电气场模拟计算模型，分析线路所承受的沿面电压、楔形电势等参数。
3.有限元灵敏度分析法：将输电线路的结构形式建立成有限元模型，同时将风压、沿面电压等外部荷载进行模拟，在此基础上进行灵敏度分析，得出输电线路的应力强度分布规律。
针对上述分析方法，各种方法都有其优点和缺点，具体情况可以根据实际需要选择相应方法进行分析。
三、应力强度分析的影响因素输电线路在高海拔地区所承受的应力强度受到多方面因素的影响，主要是以下几个方面：1.气流方向和速度：在复杂地形和气候条件下，风向和速度的变化对输电线路的应力强度有着直接的影响。
2.输电线路本身的形状和材料：对于不同形状和材料的输电线路，其所承受的应力强度也会有所不同。
中国西南深切峡谷岸坡地应力场基本特征
3
地应力垂向变化规律
3.1 主应力量级随垂向埋深变化规律 统计表明， 主应力分量量级随垂向埋深 H 增大 而有规律变化，如图 1 所示。垂直埋深为 0～300 m 时，主应力量级分布较为离散，最大主应力1 最大 约为 40 MPa，最小仅约为 5 MPa；中间主应力2 最大约为 36 MPa，最小约为 2 MPa；最小主应力3 最大约为 22 MPa，最小仅约为 1.6 MPa。垂直埋深 300～700 m 时，主应力量级分布较为集中，最大主 应力为 15～30 MPa；中间主应力为 10～20 MPa； 最小主应力为 5～12 MPa。 随垂向埋深增加，主应力量级总体表现为随埋 深增大而线性增大，且存在上、下界限，变化规律 为
地应力测试方法主要包括水压致裂法、应力解 除法与应力恢复法。测试点岩性多为岩浆岩，少量 为变质岩，岩石弹性模量、单轴抗压强度均较高， 总体属坚硬岩范畴。测点所处边坡坡度较陡，一般 约 40° ～50° ，局部超过 70° ，自然坡高约 350～ 650 m，测点分布于埋深、水平深度均为 0～700 m 范围。
收稿日期：2015-01-09 基金项目：国家重点基础研究发展计划（ No.2011CB013501） ；国家自然科学基金（ No.41272333） 。 This work was supported by the National Basic Research Program of China (2011CB013501) and the National Natural Science Foundation of China (41272333). 第一作者简介：李华，男，1973 年生，硕士，教授级高级工程师，主要从事水电勘察设计方面的研究工作。E-mail: 743282592@ 通讯作者：赵其华，男，1965 年生，博士，教授，博士生导师，主要从事工程地质、边坡工程方面的研究工作。E-mail: zhqh@
4.3高地应力区特征
重新调整，称为应力重分布。
第九页，共十二页。
我们把初始应力状态下岩体单元处于稳
定（弹性）状态而一旦开挖就会处于塑性 （破坏）状态的岩体，称为岩体潜塑状态。
（二）处理高地应力的岩石力学原则
（1）及早发现，及早作出对应措施和准备工作。 （2）及早降低应力，释放能量。具体做法是：在开
挖面上及时(jíshí)打超前密集小孔；或从开挖面内向 内钻孔和在一定深度内放炮，在一定范围内形成破 碎带，降低洞周的应力。
第十二页，共十二页。
第十页，共十二页。
（3）及早采取临时性和永久性防护措施， 使岩爆与施工人员一定程度(chéngdù)隔离开 来。在设计支护结构时，宜设计柔性支护。
（4）工程中设计一定的应力降低措施：切 割应力释放槽，尽量避免引起应力集中的 开挖形态，避免不必要的小型叉洞和形状 突变的洞形。
第十一页，共十二页。
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内容 总结 (nèiróng)
4.3 高地应力区的特征。岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律 都要受到地应力大小的变化而变化。二、高地应力判别准则和高地应力现象。（3） 由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储能性能(xìngnéng)也不同。若二者相交或 是相切，则岩体出现塑性状态或断裂状态。（1）及早发现，及早作出对应措施和 准备工作。或从开挖面内向内钻孔和在一定深度内放炮，在一定范围内形成破碎 带，降低洞周的应力。在设计支护结构时，宜设计柔性支护。返回
哑声并有较大变形
（4）岩质基坑底部 隆起、剥离以及回 弹错动现象.
图 二滩引水隧洞岩爆发生(fāshēng) 部位示意图
第三页，共十二页。
第四页，共十二页。
第五页，共十二页。
图 基坑(jī kēnɡ)边坡回弹错动
特殊地质基础施工方案高地应力地层的基坑开挖与支护
特殊地质基础施工方案高地应力地层的基坑开挖与支护特殊地质基础施工方案：高地应力地层的基坑开挖与支护地基工程是建筑工程中至关重要的一部分，而在一些特殊地质条件下进行地基开挖与支护工作则需要特殊的施工方案。
本文将重点讨论高地应力地层的基坑开挖与支护的相关问题，并提出一种适用于此类情况的施工方案。
1. 高地应力地层特点高地应力地层是指地下水位较低，土体中存在较高的地应力的地层。
这种地层的主要特点有：1.1 高固结应力导致土体较为坚硬，开挖困难；1.2 土体的渗透性差，不易排水；1.3 存在地下水表面降低的风险；1.4 地下水泉眼增多，易发生水文灾害。
2. 基坑开挖与支护的重要性在高地应力地层中进行基坑开挖与支护工作是非常关键的。
恰当的开挖与支护方案可保证地基的稳定性，确保施工期间的安全，同时也能减少地下水的涌入和相关地质灾害的发生。
3. 施工方案的设计针对高地应力地层的开挖与支护，我们提出以下施工方案：3.1 基坑开挖方案在高地应力地层的基坑开挖中，应采用分层开挖的方式，逐层进行挖掘。
每挖掘一层后，及时进行支护，使地基保持稳定。
这样可以避免整个基坑一次性开挖导致土体失稳的风险。
3.2 支护形式选择由于高地应力地层存在地应力较大的特点，传统的支护形式可能不足以满足安全要求。
我们建议采用预应力锚杆支护技术，通过固定锚杆来增加土体的抗拉强度，使基坑周边土体保持相对稳定。
同时，加固梁的设置也需根据不同地质条件进行合理布置，以进一步提高支护效果。
3.3 排水系统的设计在高地应力地层中，土体渗透性较差，不易排水。
因此，为了保证施工期间的安全性和施工质量，应设计合理的排水系统。
可以考虑采用深井抽水法，通过井筒抽取地下水，保持基坑的干燥状态，避免地下水涌入对基坑的影响。
4. 施工过程控制在实际施工中，除了合理的方案设计外，施工过程的控制也至关重要。
4.1 合理施工顺序的确定在进行高地应力地层基坑开挖时，要根据具体情况合理确定施工顺序。
岩体天然应力状态
地壳表层地应力状态
二、河谷侵蚀侧向卸荷
河谷下切或边坡开挖过程中，随着 边坡侧向应力的解除（卸荷），边坡产 生回弹变形，边坡应力产生相应的调整， 其结果是在边坡一定深度范围内形成二 次应力场。
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
1.隆爆现象 隆爆（POP-UP） 地表岩体中的一种“类 构造”现象。表现为长的隆褶或类似于 低角度逆断层的断隆。 一般认为，这类隆爆是该区地表岩体中 的一种与高水平应力释放有关的表生时 效变形现象。
2.地质构造运动
地质构造运动是指地壳结构改变和地壳物质变位的运动。又称地壳运动或 大地构造运动。人类对固体地球研究范围仅限地壳，所以地质构造运动是指地 壳运动，如板块俯冲、界面弯曲、层面滑移、物质上涌和物质对流等。
天然应力状态的形成
3.岩浆侵入
岩浆侵人挤压、冷凝收缩和成岩等过程，均会在周围岩体中产生相应的应 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 施加各向相等的均匀压力。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。
3.应力释放型的深大拉张变形带 近年来，在雅砻江锦屏、金沙江向家坝等多个水电建设工程地质勘察过程 中，发现在一些河谷岸坡中向坡内数百米深处还发现有深大的拉裂缝和拉张 陷落带。这类拉张变形带以其规模大、延伸方向稳定及发育深而区别于通常 的卸荷裂隙。 这种拉张变形的成因之一是特殊地质、地貌环境条件下，由河谷下切水平 卸荷导致的“应力释放型”时效变形现象。
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
中国西南岩石高边坡的主要特征及其演化
第20卷第3期2005年3月地球科学进展ADVANCES I N EART SC I ENCEVOl.20NO.3M ar.!2005文章编号"1001-8166(2005)03-0292-06中国西南岩石高边坡的主要特征及其演化黄润秋成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室9四川成都610059摘要"岩石高边坡是山区工程建设的主要地质环境和工程承载体9尤其是在我国西南地区9高边坡问题几乎成了重大工程建设的首要工程地质和岩土工程问题o结合西南地区地质环境的特点9分析和总结了该地区岩石高边坡发育的主要特征9认为边坡高陡\地应力量级高\具有复杂的变形历史构成了这一地区高边坡有别于一般的特殊性o提出了描述工程高边坡环境的超高系数的概念\区域高地应力环境的形成机理\河谷高边坡应力场特征和发育模式o从河谷发育的动力学过程出发9提出了自然河谷高边坡发育的三阶段理论9即表生改造\时效变形和失稳破坏o关键词"中国西南9岩石高边坡9应力场模式9变形破坏演化中图分类号"P642.2文献标识码"A1概述岩石高边坡是山区工程建设中的主要地质环境和工程承载体9尤其是在我国西南地区9高边坡问题几乎成了重大工程建设的首要工程地质和岩土工程问题O中国西南部地区地处青藏高原的东侧9受青藏高原近百万年来持续隆升的影响9在青藏高原与云贵高原和四川盆地之间形成了总体呈南北走向的巨大的大陆地形坡降带9构成我国大陆地形从西向东急剧骤降的特点;在此过程中9发育于青藏高原的长江(金沙江)及其主要支流(雅聋江\大渡河\岷江)以及雅鲁藏布江\澜沧江\怒江等深切成谷9从而在这个巨大的大陆地形坡降带上形成高山峡谷的地貌特征O也正是由于受到青藏高原持续隆升的影响9高原物质向东部及东南部的挤出9从而在高原周边9扬子地台西缘形成和发育了大量挽近期以来有强烈走滑和逆冲活动的活动性断裂9导致在这个带上形成了以H高地壳应力7和H强地震活动7的区域内动力条件O内\外动力条件在该地区的强烈交织与转化9从而导致这一地区特殊和复杂的地质环境条件和强烈的河谷动力学过程9主要表现为C高地应力环境\断裂强活动性及强震的特殊动力环境\深切峡谷的强卸荷改造环境\复杂岩(土)体结构环境\复杂水文地质环境和特殊的河床深厚覆盖层环境等O这些复杂和特殊的地质环境条件在全世界范围内也是罕见的9某些条件甚至是独特的O正是由于这样特殊的地质环境条件9导致西南地区以崩塌\滑坡\泥石流为典型的地质灾害事件特别发育9并且具有规模大\机理复杂\危害大\防治难度高等特点9构成影响和制约这一地区重大工程建设和威胁人民生命财产安全的一个重要环境地学问题O本文结合西南地区地质环境的特点9分析和总结了西南地区岩石高边坡发育的一些主要特征9认为边坡高陡\地应力量级高\具有复杂的变形历史构成了这一地区高边坡有别于一般的特殊性O提出了描述工程高边坡环境的超高系数的概念\区域高地应力环境的形成机理\河谷高边坡应力场特征和发育模式O从河谷发育的动力学过程出发9提出了自然河谷高边坡发育的三阶段理论9即表生改造\时效收稿日期"2003-10-29#修回日期"2004-08-16.基金项目"国家自然科学基金项目H西部生态与环境7重大研究计划项目H中国西部物碳地质环境条件形成机理及其工程环境效应研究7(编号C90102002)资助.作者简介"黄润秋(1963-)9男9湖南长沙人9教授9主要从事地质工程\岩土工程教学与科研工作.E-m ail C hr C＠变形和失稳破坏2中国西南地区岩石高边坡的主要特征由于所处的特殊地域与地质环境条件9西南地区岩石高边坡的表现特征与这一地区的深切峡谷地貌和活跃的内外动力地质条件是紧密联系在一起的9是地壳表层内外动力地质作用在边坡这类地质体上的综合表现总结起来9除了通常的地质结构条件外9西南地区岩石高边坡还具有以下几方面独特的特征2.l边坡高陡!坡型复杂这是西南地区岩石高边坡最为直接的表观特征尽管边坡的高陡只是一个几何上的表现9但也正是由于这种高陡的几何特征9构成了产生高边坡稳定性问题最为重要的原因之一边坡的高度通常是指边坡从坡脚到第一个坡肩(或分水岭)的垂直高度对高边坡下一个严格的高度定义是比较困难的9这取决于不同领域和不同的工业部门对边坡的理解和应对边坡问题所具备的能力与手段9也取决于边坡地质环境条件的优劣从目前的情况来看9大致可作如下的划分:水利水电工程9天然>200 m9人工>100m;交通工程9天然>100m9人工>50 m;山区城市边坡9天然>50m9人工>20m其中9水利水电工程领域的高边坡具有最大的高度9因此9问题也最为突出表1列出了我国西部地区已建\在建和拟建的几座大型水利水电工程天然和人工高边坡的高度和天然边坡坡度情况可见9目前我国的水电工程天然高边坡最大高度已超过1000m(如雅砻江锦屏水电站高边坡)9人工高边坡最大已经达到约700m (如小湾水电站高边坡);而天然边坡的平均坡度大多在40 以上这样规模的边坡高陡在全世界范围表l西部地区在建和拟建的大型水电工程高边坡情况Table l S lo p e hei g ht i n t he construction s ites ofso m e h y dro p ower st ation i n Chi na工程名称自然坡高(m)自然坡度()人工坡高(m)超高比1小湾水电站高边坡700～800476702.7 2天生桥水电站高边坡400503503.0 3锦屏水电站高边坡>1000>55>300>3.0 4溪洛渡水电站高边坡330>603001.25 5向家坝水电站高边坡350>402002.0 6糯扎渡水电站高边坡800>43>4002.6 7拉西瓦水电站700>55>3002.8 9紫坪铺水电站350>402802.2内也是罕见的尽管目前西南地区大型水电工程的大坝建设已经接近了300m级的高度9但是9相对于边坡的高度而言9大多数情况下9大坝这类主体构筑物的高度还远小于天然边坡的高度9也就是说9坝顶高程以上还有很大的天然边坡这部分边坡构成了水电工程枢纽建筑物重要的环境9哪怕是有局部的小规模失稳9都会对枢纽区各类建筑或构筑物带来摧毁性的破坏因此9这部分边坡往往对水工建筑(构筑)物的环境安全带来重要的影响9也往往是工程前期论证中所重视不够的问题为了比较直观的反映坝顶高程以上天然边坡对工程安全的影响程度或工程的高边坡环境质量9我们提出了超高比的概念9其定义为:超高比(Ch)=坝顶高程以上天然边坡的高度/枢纽主体建(构)筑物的高度(大坝高度)我们认为:Ch值在1.0～1.3之间9工程的高边坡环境较好9运行期间出现高边坡稳定性问题的可能性较小;Ch值在1.3～2.0之间9高边坡环境为中等9出现高边坡稳定性问题的可能性较大;当Ch值大于2.09则高边坡的环境为差9将出现高边坡稳定性问题9必须引起高度的重视表1所列数据表明9西部地区已建和在建的大型水电工程9边坡超高比大多在2.0以上9有的甚至超过3.0这从另一个角度表明了这一地区工程边坡环境的严峻性2.2边坡应力量级高这是西部地区岩石高边坡的另一个显著特征由于西部地区9尤其西南地区恰好处在环青藏高原东侧的周边地带9印度板块与欧亚板块碰撞导致青藏高原物质向E及SE挤出9致使环青藏高原周边地带的强烈挤压9形成这一区域的高地应力环境和活动性断层的强烈新活动;加之深切河谷的地貌特征9更加剧了高边坡应力场的复杂性资料和研究表明9西南地区边坡应力环境和边坡应力场具有以下主要特征!1"区域应力场背景值高#局部存在特殊的高应力集中机制$根据对西南地区区域构造应力场的数值模拟反演研究[192]9环青藏高原周边地带区域构造应力场总体背景水平在6～10MPa之间但在局部地区存在高地应力集中的特殊机制9目前揭示的主要有以下存在形式:(a)H岷山隆起型应力集中模式以川西北断块最为典型:N WW向的托索湖_马芯断裂与NE向的龙门山断裂在川西北地区交汇在近E W向构造应392第3期黄润秋:中国西南岩石高边坡的主要特征及其演化力的驱动下9断块向东强力挤入过程中9在构造收口部位受阻9导致因 卡口7效应而应力高度集中0< > 构造楔型7应力集中模式0以川滇菱形断块中段的安宁河断裂带最为典型:近SN 向的安宁河断裂9其旁侧发育了NE 及N W 向的次级断层9它们与安宁河断裂交汇9构成 构造楔形体70在近E W 向的构造应力场作用下9楔形断块尖端强力挤入并错断安宁河主断裂带9导致安宁河断裂的走滑活动受阻而形成高度应力集中0<c > 构造圈闭型7应力集中模式0以贵州天生桥地区最为典型:当构造表现为箱式背斜的特征时9其几何特征的圈闭性非常不利于内部构造应力的释放9尤其是当两翼的岩层倾角很陡时9尽管有河流的下切作用9但岩层倾角仍然大于河谷边坡的坡角9岩层不得于边坡切出9原始构造应力更难于释放0这种情况下9在背斜构造内部所 封闭7的原始构造应力可达20MPa 以上0(2)边坡应力的H 驼峰型7分布0河谷下切或边坡开挖过程中9随着边坡侧向应力的解除<卸荷>9边坡产生回弹变形9边坡应力产生相应的调整9其结果是在边坡一定深度范围内形成二次应力场分布0大量的实测资料和模拟研究表明9边坡二次应力场具有与隧洞围岩应力分布类似的特征9如图1所示9即也包括了应力降低区<a a 0>~应力增高区<a >a 0>和原岩应力区<a =a 09实际为不受卸荷影响的区域>0边坡应力随深度的这种分布形式我们称之为 驼峰应力分布70其中9应力降低区和应力增高区< 驼峰区7>对应了边坡的卸荷影响范围0<a >应力降低区<或应力松弛带>:指靠近河谷岸坡部位9由于谷坡应力释放<松弛>而使河谷应力<主要指a 1>小于原始地应力的区域0这个区的范围一般与野外鉴定的谷坡卸荷带范围大致相当9其深度<水平距岸坡表面>一般在0～50m 之间9实测图l 河谷应力场的分布F i g .l A t yp ica l s tres s d is tribution p attern in a dee p va lle y的最大主应力一般在0～5.0MPa 之间0当边坡受特定的结构面控制并具有很高的原始构造应力背景时9边坡卸荷应力释放也可导致异常深度的应力松弛或卸荷带的形成[3]9其水平深度可达150～200m 9但通常表现为不均匀的松弛9局部还可能保存较高的应力水平<15～20MPa >0大量的工程实践表明9应力降低区由于边坡发生了卸荷松弛9因此9也是岩体工程地质特性产生变异最为显著的区域0大部分的岩体工程地质现象和工程地质问题都发生在这个区域内0< >应力增高区:指由于河谷应力场的调整9而使岸坡一定深度范围内出现的河谷应力高于原始地应力的区域0这个区域一般在水平距岸坡表面150～300m 之间范围9应力量级在10～25MPa 之间0大型地下厂房的布置应尽量避开这个区域9尤其是150～250m 这个应力相对最高的区域0<c >原始应力区:指河谷岸坡较大深度以内9应力场基本不受河谷下切卸荷影响而保持了原始状态的区域0在西南地区的深切峡谷中9该带的范围一般是在250～300m 深度以内0(3)河谷底部的H 高应力包7现象0河谷底部的应力具有非常独特的特征9主要表现为比较浅的应力释放区<或降低区>和明显的 高应力包7现象0应力降低区的深度范围一般在0～25m 之间9很少超过30m 0若干工程揭示的现象表明9 应力包7的范围可以采用a 1=25MPa <也就是岩芯饼裂7出现的最低应力量级>来划定9其深度范围可达谷底以下150～200m 9应力集中量级在25～40MPa 之间9最高可达50～60MPa <二滩>020世纪80年代以来的研究表明9岩芯饼裂是高地应力地区特有的现象9是鉴定高地应力的重要标志[495]0研究表明9花岗岩类地层中9以剪断型为主的岩芯饼裂9其形成的应力场条件为:a 1 30MPa 对岩芯裂而不断7的情形9a 1也在25～30MPa 之间0当然岩芯饼裂的形成与岩性条件也密切相关9在一定的应力场条件下:高弹模~高强度的岩体9如玄武岩等9其储能条件差9回弹变形小9产生饼裂的可能性就小 中等 偏高模量和强度的岩体9如花岗岩~灰岩等9其储能条件最好9因而9饼裂最易在这类岩体中形成 对低模量~低强度的岩体9在较高的地应力条件下9可能就会因出现塑性变形而难以积累起足够的弹性应变能9故一般不会出现岩芯饼裂现象0(4)区域应力场和河流下切速率对河谷边坡应492地球科学进展第20卷力场的影响!研究表明区域构造应力场的大小和方向直接影响河谷应力的集中程度0一般情况下区域构造应力场每增大1.0MPa谷底的应力集中将增加3～5MPa0当区域应力场的最大主应力方向(a1>与谷坡垂直时更容易产生谷底的应力集中;而当a1与岸坡平行时应力集中的程度会明显的降低如溪洛渡水电站坝址区0河谷应力的分布还受到河谷下切速率和历史的影响0河谷快速下切的地区一般应力降低区(释放区>的深度范围较小应力集中强度相对较低0反之则应力降低区(释放区>深度范围变大应力集中强度增高0谷坡位置越高表明经历的卸载历史越长应力降低区(释放区>的深度也就越大0"5#边坡结构对应力场的影响!由软弱互层状岩体组成的边坡强度高的地层其应力明显高于相对较软的地层两者性质差异越大应力的差异也就越大在这种情形下软硬岩层之间的界面部位往往是剪应力高度集中的部位也是边坡潜在破坏面的孕育部位0河谷岸坡附近的断层对谷坡应力的传递有明显的阻隔和分异作用0当断层为陡倾角顺岸坡发育时其外侧岩体的应力会产生一定程度的降低而内侧岩体的应力会相对升高0倾向河谷方向发育的中-缓倾角断层可能成为谷坡应力释放的窗口这种情况下谷坡应力场会受到较大的影响02.3具有复杂的变形破裂演化历史西南地区岩石高边坡发育的另一个重要特征就是绝大多数边坡表出较为显著的时效变形特征并且具有复杂的变形演化历史0这种现象最早被张倬元王兰生王士天等认识并研究6他们于70年代末期提出了斜坡变形破坏的基本地质力学模式这是这一领域传统的G地质历史分析方法7在认识论上一个G质7的飞跃0后来的实践表明尽管斜坡演化的时效变形具有高度的复杂性和多样性但他们所建立的6类基本地质力学模式基本上客观地概括了斜坡变形破坏的根本0需要指出的是:"1#高边坡时效变形发生的规模和范围超过了人们的想象!近些年来工程实践所揭示的高边坡时效变形现象已不在局限于独立的边坡或过去人们所理解的有限深度范围0在雅砻江的某河段沿江砂板岩的倾倒变形长度达到了数公里3;在黄河上游某大型水电工程的库区高逾700m的花岗岩高边坡顶部可以观察到宽大的拉裂现象20类似这样的现象还常常被人们误判为是褶皱断层或别的构造成因但它们的确是边坡时效变形的产物0"2#坚硬的岩层也可以有强烈的表现!这似乎是令人难以理解的但毕竟这样的现象发生了尤其是在花岗岩片麻岩这类坚硬但不失韧性的岩类中表现尤为充分0在澜沧江的某大型水电建设工地开挖所揭露的现象清晰表明被东西向结构面切割的片麻岩体弯曲时效变形的厚度超过了200m甚至可以看到岩板在现场所表现的清晰的G柔性7弯曲0边坡变形破坏演变的时效性给我们以下启示:岩石高边坡的稳定性不是静止的而是一个动态演化的地质历史过程0这个过程就是伴随时效变形的发生边坡潜在滑动面不断地孕育发展演化最终进入累进性破坏而贯穿的过程0岩石高边坡稳定性的评价不仅是一个强度稳定性问题更为重要的是一个变形稳定性问题在岩石高边坡的稳定性评价中要贯彻变形稳定性评价的思想0岩石高边坡稳定性的控制关键在于控制变形0变形控制住了不具备进一步发展的条件了潜在滑动面的演化就会在G孕育7或者G发展7阶段结束从而进入不了最终的累进性破坏阶段03高边坡发育演化的动力学过程20世纪70年代人们就认识到岩石边坡失稳之前一般都要经历一个随着时间而发展的变形破坏过程6～9这以后对岩石高边坡变形破坏机制的研究一直为人们所关注0这里最为重要的研究方法就是通过现象的观察和分析研究岩石边坡所经历的变形过程及伴随这一过程岩体内部的破裂行为;力图通过这样的分析阐明边坡失稳之前潜在滑动面的孕育累进性破坏及可能的贯穿过程从而为岩石高边坡稳定性的评价及失稳预测提供基础0实际上变形破坏机制分析已经成为岩体稳定性工程地质评价的一个重要组成部分以至于当人们发现仅靠传统的强度理论计算难以对具有复杂地质结构和变形历史行为的边坡做出稳定性的确切判断时转而提出了变形稳定性的概念110研究表明岩石高边坡变形和失稳是一个动态的地质历史过程这种过程的地质-力学行为表现在2个方面:一个是岩质高边坡形成过程中伴随河谷的下切或地貌的改造过程河谷构造应力释放从而驱动边坡岩体产生变形和破裂以适应新的平衡状态这个过程我们称之为表生改造0当边坡由于表生改造而完成应力场的调整边坡应力场转为以自重应力场为主的状态这时边坡可能形成新的稳592第3期黄润秋:中国西南岩石高边坡的主要特征及其演化定结构而处于平衡状态也可能由于不良的地质条件而在自重应力场的驱动下继续发生随时间的变形这个变形过程我们称之为时效变形o边坡时效变形的持续发展过程也就是边坡潜在滑动面的逐渐孕育和演化过程当潜在滑动面发展到一定的阶段将进入累进性破坏阶段对应于边坡监测位移-时间关系的加速变形阶段o从边坡进入累进性阶段直至边坡的最终破坏我们称之为破坏阶段o 边坡经表生改造进入时效变形再由时效变形进入最终的破坏阶段严格说来这是任何一个边坡演化都将经历的3个阶段o但是从是否具有工程地质意义的角度来讲边坡的演化能否进入时效变形阶段并通过时效变形进入最终的破坏主要还取决于边坡的地质结构特征o通常情况下以下几类边坡的地质结构非常有利于边坡在完成表生改造后进入时效变形阶段:(1>边坡内具有倾向坡外的缓倾角结构面且其倾角与其残余摩擦角接近o(2>边坡具有由软岩构成的软弱基座o(3>由近直立中-薄层状岩层构成的陡边坡(尤其是软岩或有软岩夹层>o(4>碎裂结构岩体边坡o显然边坡的表生改造和时效变形是边坡演化统一过程的2个不同阶段其不稳定的发展结果是导致边坡岩体潜在滑动面的逐渐形成并最终在边坡自身或某种外营力的驱动和触发下破坏产生滑坡o因此对边坡岩体表生时效变形机理的研究是阐明大滑坡机理及进行滑坡预测和防治工程方案制定的地质理论基础o大量的工程实例表明在典型的河谷区尤其是峡谷地貌区高边坡演化具有明显的垂向分带性即从河谷边坡的下部到顶部将会依次出现处于表生改造时效变形及失稳破坏3个阶段的边坡特征如图2所示o在河谷边坡的底部由于谷底的G约束作用7 根据圣维南原理一定深度和高程影响范围内的应力得不到释放从而形成谷底的G应力约束区7或高地应力区o向上离开这个约束区后一定高程范围内处于由于卸荷所引起的构造应力释放阶段也就是表生改造阶段在这个区域内可以见到各种表生改造的现象包括新的破裂结构面体系o到了河谷边坡的中-高高程部位谷坡应力已得到充分的释放各种时效变形现象开始充分发育和展现边坡处于时效变形阶段o而到了谷坡的高程部位岸坡往往已结束了时效变形阶段的演化表现出各类破坏现象尤以大型崩塌滑坡的发育为典型o图2典型河谷边坡的演化阶段的垂直分带F i g.2V ertical Zones of a t yp ical valle y s l o p e evol ution4结论岩石高边坡是一类特殊的工程地质体o从这类边坡的自然属性出发本文分析和总结了我国西南地区岩石高边坡的发育特征和演化的动力学过程o 主要结论如下:(1>西南地区岩石高边坡具有区别于一般高边坡的特征主要表现为:边坡高陡超高系数大地应力高和复杂的变形破裂演化历史o(2>可以采用超高系数来表征岩石高边坡的高度特征和工程的高边坡环境o(3>岩石高边坡的应力场特征(从坡面水平向边坡内部>符合G驼峰7应力分布由应力降低区应力增高区和原始应力区组成o在河谷底部存在G高应力包7的现象o(4>岩石高边坡大都经历了不同程度的变形破裂演化历史一些坚硬的岩体同样可以表现出强烈的时效变形现象o(5>岩石高边坡的演化可划分为3个阶段即表生改造阶段时效变形阶段和失稳破坏阶段o通常这3个阶段的演化具有垂直上的分带性由河谷底部向坡顶3个阶段随高程的变化依次出现o参考文献!References"#1I uan g Run C i u W an g Shiti an Zhan g ZhuO y uan et al.E p i-g enti cal Pr Ocess Of t he Eart h C r ust i n SOut h West er n Chi na andEn g i neeri n g Envir On m ent al E ff ects M I.Chen g du:S i chuan U-ni versit y Press2002.黄润秋王士天张倬元等.中国西南地壳浅表层动力学过程与工程环境效应研究M I.成都:四川大学出版社2002.2I uan g Run C i u Zhan g ZhuO y uan W an g Shiti an.S y st e m ati c692地球科学进展第20卷。
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科研热词 地应力 黄河 非线性反演 锦屏二级水电站 芙蓉峡 结构特征 索依村滑坡 稳定性 神经网络 深埋长隧 河谷演化 河流阶地序列 河流袭夺 河曲地区 河口三角洲 沉积层序 构造运动 构造应力 晚第四纪 成因机制 应力扰动区 常山 地层剥蚀 国家地质公园 反演 光释光年代 倾倒弯曲-拉裂 中国沿海 下切河谷
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
科研热词 龙门山 背斜 现状 澜沧江 河谷演化 河谷应力场 河流阶地 沉积学研究 气候变化 气候 构造 晚第四纪 晚更新世 断层 数值分析 成因机制 应力分区 平通河流域 展望 奎屯河 天山 大型边坡 地貌演化 倾倒变形体 东海外陆架
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
科研热词 沉积相 长江三角洲 冰后期 麻黄山地区 金沙江 鄂尔多斯盆地 烂泥沟滑坡 测年 河谷演化 沉积过程 末次盛冰期 延安组 工程效应 峨眉山玄武岩 层序 头寨滑坡 地质构造约束 古河谷 其宗河段 体系域 下切河谷层序 下切河谷
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
高地应力特软煤层掘进工作面应力场分布规律研究
高地应力特软煤层掘进工作面应力场分布规律研究矿井开采深度增加的过程中，采掘工作面的应力场也会发生相应的变化，其中的高地应力的条件下松软煤层的掘进工作面也会出现一定的变化。
本文结合工程实际，简要分析了高地应力特拉煤车掘进工作面应力场分布的规律理论，并对其分布规律进行了现场测试和数值模拟，并对高地应力高瓦斯压力特软煤层掘进工作面进行了突出预测。
标签：突出预测；应力场分布规律；高地应力1 分析高地应力特软煤层掘进工作面应力场分布规律的相关理论根据岩石蠕变曲线（图1）可知三条蠕变曲线。
根据蠕变试验结果可知，如果一个较小的恒定荷载持续地对岩石产生作用，那么随着时间的增长，岩石的变形量也会有所增加。
然而随着时间的增加，蠕变变形的速率也会逐渐减小，最后到达一个稳定的极限值，也就是稳定蠕变。
如果具有较大的荷载，那么蠕变就会无限增长，产生典型的不稳定蠕变。
应力大小决定了煤岩是发生不稳定蠕变还是发生稳定蠕变。
如果应力没有超过长期强度，那么煤岩就按照稳定蠕变发展，否则就向不稳定蠕变发展。
根据应变力学特征，在高地应力作用下，深部矿井采掘工作面的松软煤层还没有达到峰值强度，但是随着时间的增加变形仍然会不断增加，直接进入变形阶段，这一现象又被称为静疲劳现象，也就是煤岩会出现应变软化。
此时工作面前方的应力分布尚未出现峰值区域。
例如某煤矿的煤层坚固性系数在0.1-0.2之间，具有比较完整和坚硬的顶底板，从预测指标3m开始，钻孔深度增加的过程中工作面前方没有出现明显的应力峰值。
2 现场测试高地应力特软煤层掘进工作面应力场的分布规律2.1 现场检测原理由于当前我国尚未有比较成熟的技术手段来对掘进工作面前方的应力场进行有效的测试，本文采用了KSE-Ⅲ型钢弦测力仪。
在工作面前方埋设应力计对工作面前方固定位置的相对应力变化进行检测，从而对工作面前方的应力分布规律进行反演。
将KSE-Ⅲ型钻孔应力计压力枕布置在采掘工作面前方煤体内钻孔中，并且注入液压油，促使探头和煤岩耦合，这样就可以用压力枕内的液体压力来表示煤体应力的变化，并将其转变成为钢弦振动的频率信号，再使用专业软件就可以将其转换为应力值。
第3章地应力及其测试
锦屏河谷下切后最大主应力分布
58 锦屏河谷下切后剪应力分布图
——
下 蚀 作 用 的 结 果
峡
谷
地
貌
虎跳峡
三峡
59
3.3 高地应力区特征
研究高地应力问题的必要性 • 研究高地应力本身就是岩石力学的基本任务。 • 岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地
应力大小的变化而变化。
60
高地应力判别准则和高地应力现象
53
4）平均水平应力与垂直应力之比随深 度增加而减小，且趋近于1
平均水平应力 K 垂直应力
K 1500 0.5 Z
K 100 0.3 Z
54
• 5）最大和最小水平主应力也随深度呈线性 增长关系
55
6）最大水平主应力与最小水平主应力之差随深度 增加而增大,一般差别很大。
56
世界部分国家和地区两个水平主应力的比 值表
1. 高地应力判别准则
（1）目前国际国内无统一的标准。
（2）国内一般岩体工程以初始地应力在20-30MPa为高地应力(大于800米
深)。
（3）由于不同岩石，弹性模量不同，岩石的储R能c性能也不同。按《工程岩体
分级标准》（GB50218-2014）：
称为极高初始地应力，
度；
为高地应力。 其中： 为岩石单轴饱和抗压强
•近代地质力学的观点认为，在全球范围内构造应力的总 规律是以水平应力为主。
•我国地质学家李四光认为，因地球自转角度的变化而产
生地壳水平方向的运动是造成构造应力是水平应力为主的
重要原因。
14
15
地应力分布理论：
• 海姆假设： （首次提出了地应力的概念，静水压力假设）
高地应力地区的主要岩石力学问题
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工程应用
通过对高地应力地区岩石的强度与稳定性进行分析，可以为相关工程提供重要的设计依据和施工 建议，确保工程的安全性和经济性。
03 高地应力地区主要岩石力 学问题
岩爆现象及产生条件
岩爆现象
岩爆是高地应力地区岩石在开挖过程中因应力释放而导致的 突然、猛烈破坏现象，常伴随岩石弹射、剥落和破裂声。
对象包括各种天 然岩石和人工岩石，如地壳中的 岩层、矿山中的矿体、水利工程 中的坝基和岸坡等。
高地应力地区特点
高地应力
高地应力是指地壳内部由于自重、 构造运动等因素产生的应力，其
大小和方向随时间和空间而变化。
复杂地质环境
高地应力地区通常伴随着复杂的地 质环境，如断层、褶皱、节理等， 这些地质构造对岩石的力学性质产 生重要影响。
高地应力地区的主要岩石力学问题
目录
• 岩石力学基础概念 • 高地应力地区岩石力学性质 • 高地应力地区主要岩石力学问题 • 岩石力学实验方法与技术应用 • 高地应力地区工程实践案例分析 • 预防措施与治理方案设计
01 岩石力学基础概念
岩石力学定义与研究对象
岩石力学定义
岩石力学是研究岩石在外界因素 （如荷载、温度、湿度等）作用 下，岩石的应力、应变、破坏、 稳定性及其加固的学科。
治理方案制定原则和目标
原则
安全可靠、经济合理、技术可行、环保可持续。治理方案应确保高地应力地区 的稳定性和安全性，同时考虑经济成本和技术实现的可行性，并符合环保要求。
目标
降低地应力、改善岩石力学性质、提高工程稳定性。通过治理方案实施，旨在 降低高地应力地区的应力水平，改善岩石的力学性质，提高工程的整体稳定性。
5-地应力
第五章地应力Chapter 5 Geostress学习提示学习对象→岩石应力场、垂直应力、水平地应力、海姆假说以及岩体应力测量。
学习内容→垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说，岩体天然应力与地下、地面工程的关系和影响，应力解除法、恢复法、水压致裂法。
学习目的→理解和掌握有关概念，特别是掌握应力解除法、恢复法、水压致裂裂法。
掌握垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说等。
5.1.1 概念☐天然应力把赋存于原岩中的、由各种地质作用、构造运动、岩体自重、水、温度、地震等引起的应力场称为岩体中的天然应力或原岩应力或初始应力（Initial Stress ）或地应力（Geostress ）当人类岩体表面或岩体内进行工程活动时，如开挖、填方、上部建筑物的修建等，必然对原岩中一定范围内的天然应力产生扰动，这种因人类活动而改变的应力称为重分布应力或二次应力或次生应力。
☐二次应力☐原岩一般来说，把未经人类活动扰动与影响且仍处于自然平衡状态的岩体成为原岩。
无论地应力或是二次应力，它们在岩体空间中有规律的分布形态称为应力场。
5.1.1 概念自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。
它是由岩体自重引起的。
自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态称为自重应力场。
构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。
或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。
构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。
5.1.1 概念 （天然）应力的表示{}{}3213210ααασσσσ={}{}xz yz xy z y x τττσσσσ=05.1.2 天然应力的形成因素影响岩体天然应力大小和分布规律的因素很多，主要有岩体自重（自重应力）、地质构造运动（构造应力）等；此外，成岩过程中的物理化学变化、地形地貌、地温梯度岩体特性的等均对岩体天然应力有不同程度的影响。
深切河谷应力场分布特征研究
深切河谷应力场分布特征研究郑小燕;甘玉叶【摘要】利用数值模拟分析软件,研究了构造应力及卸荷带存在情况下深切河谷应力场分布特征及应力场分带标准.结果表明:1)结合初始应力场特征,可自自重应力与构造应力角度提出应力场分区标准.2)对于无卸荷带的均质弹性边坡,无构造应力作用时,可分为应力释放及应力平稳2个区.有构造应力作用时,可分为应力集中及应力平稳2个区.3)对于存在卸荷带的边坡,则从坡表到坡里可分为应力降低区、应力升高区及应力平稳区3个区.4)由于构造应力场的存在,使得河谷内应力集中的水平明显提高,集中的范围明显变大.5)随着卸荷带厚度的增加,应力集中区向坡体内部相应移动.%Using the numerical simulation software, the stresses field and grade standard to stress of a high valley slope with tectonic stress and unloading district are presented. Conclusions can be drawn as follows: 1) the stress field could be classified from self-weight stress and tectonic stress, combining with the in-situ stress field characteristic. 2) the homogeneous elastic slope without unloading district could be classified into two zones as the stress-releasing zone and the stress - stable zone from surface to inside without tectonic stress, stress-concentrating zone and stress-stable zone with tectonic stress. 3) the slope with unloading district could be classified into three zones as the stress-releasing zone, stress-concentrating zone and the stress - stable zone from surface to inside. 4 ) the stress concentrating zone and value would be increasing with tectonic stress increasing. 5 ) the stress concentrating zone transfers into the slope inside with the depth of unloading increasing.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)021【总页数】5页(P5366-5370)【关键词】河谷;应力场;卸荷带;划分标准【作者】郑小燕;甘玉叶【作者单位】北京市地质工程勘察院,北京100048;北京岩土工程勘察院, 北京100083【正文语种】中文【中图分类】TU432;TV223.32我国是世界上水能资源最为丰富的国家，但可开发的大部分水资源主要集中于西南、西北的高山峡谷区。
高地应力的机理及其现象
高地应力
• 不同国家对高地应力的定义是很悬殊的，地应力 对隧道工程造成的灾害最典型为：
• 对硬脆性岩体而言为岩爆 • 对软岩则为洞室大变形
• 一般来说：所谓高地应力是指初始应力特别是它 们的水平初始应力分量大大超过其上覆盖层的岩 体的重量。
垂直和水平地应力分布
• 为了解决现在工程上的许多难题，各国都对垂直应力和水 平应力进行了相应的研究。
（从实验曲线可以看出， 实验室与野外测试结果 比较，斜率有了明显差 异。）
高地应力研究意义重大
• 高地应力条件下岩石表现出十分特殊的力学行为。
• 研究高地应力下岩体的特性，对于揭示卸载岩体 的力学行为及其破坏的力学机理、完善和发展岩 体力学理论、研究人类工程活动诱发的地质灾害 机理等方面均具十分重要的理论意义,而且对于岩 体工程实践也具有重大的经济效益和很高的实用 价值。
※岩爆
• 也称冲击地压，它是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一 定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现 象。
一般认为，有五大因素影响或控
制岩爆的发生：
(1)岩石干燥无水； (2)岩石抗压强度较高(>80MPa)； (3)岩石完整性好； (4)隧道埋深较大； (5)最大初始地应力，岩石单轴抗 压强度>l/7。
特点如下： • a. 所有的饼状岩芯在形态上均有其共同特征； • b. 饼状岩芯是钻进过程中差异卸荷回弹的产物，
破裂主要发生在一定高度的岩芯根部； • c. 饼状岩芯的产生需具备特定的岩体力学条件； • d. 弹性高，储能条件好的岩性条件，如火成岩； • e. 整体块状的岩体结构条件； • f. 高地应力条件，最大主应力在30MPa以上；
（岩爆发生机理）
※岩质基坑底部隆起、剥离以Fra bibliotek回弹错动• 基坑开挖完成后,基坑 底面的变形量由两部分 组成:
2011-03-高地应力地区河谷应力场特征
我国是世界上水能资源最为丰富的国家，理论 蕴藏量高达 6.8×108 kW，居世界首位，其中可供开 发利用的约 3.8×108 kW， 这其中大部分集中于西南、 西北的高山峡谷中，特别是西南地区，占全国开发 总量的 61%。尽管我国水能资源丰富，但开发程度 很低，为此，国家制定了“西电东送”的宏观战略，
－4]
0.10 0.16 0.22
0.10 0.04 0.16 0.22 0.28 0.10 0.16 0.22 0.28
0.10 0.16 0.22
-20 -30
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 距离/m
50 60
(b) 河谷最小主应力分布图 (×106 Pa)
。
图 3 弹性、均质各向同性河谷有构造应力的应力分布 Fig.3 The stress distribution of the elastic, homogeneous, isotropic valley
30 20
高程/m
10 0 -10 -20 -30 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 距离/m (a) 河谷最大主应力分布图 (×106 Pa)
图 1 河谷模型及剖分图示 Fig.1 Valley model and its meshes
图2(a)是河谷最大主应力分布等值线图， 图2(b) 是河谷最小主应力分布等值线图。可以看出，无构 造应力作用下，均质、弹性各向同性介质中河谷应 力场的具有如下分布规律： （1）主应力迹线在坡面附近发生明显偏转，在 坡面附近与临空面近于平行，并且越靠近临空面， 最大主应力越接近平行于临空面，最小主应力则与 之近于正交； （2）应力分异的结果，在坡面附近造成应力集 中带。谷底最大主应力显著提高，最小主应力则在 表面处为 0，甚至出现拉应力。这些规律已被写入 教科书中[3
第四章岩体地应力及其测量方法_岩石力学
H
0.8 ~ 1.2
v 27H MPa
实测垂直应力随深度的变化
15
第4章 岩体地应力及其测量方法
•3.平均水平应力随深度而增加 水平应力普遍大于垂直应力。
16
第4章 岩体地应力及其测量方法 的比值随深度增加而减小
K
平均水平应力 垂直应力
K
1500 0.5 H
K
100 0 .3 H
• 研究高地应力本身就是岩石力学的基本任务。 • 岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地 应力大小的变化而变化。 • 随着采矿深度的增加，我国中西部的开发，尤其是水电工程建 设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题
提出了新课题。
28
第4章 岩体地应力及其测量方法
4.3.1 高地应力判别准则和高地应力现象
22
雅山形成示意图
第4章 岩体地应力及其测量方法
23
地形三级阶梯
第4章 岩体地应力及其测量方法
24
第4章 岩体地应力及其测量方法
我国可分为三类基本反映构造应力场状态的地区： （ 1 ）强烈构造应力区：包括台湾、西藏、新疆、甘肃、 青海、云南、宁夏、四川西部等； （ 2 ）中等构造应力区：包括河北、山西、陕西关中地区、 山东、辽宁南部、吉林延吉地区、安徽中部、福建、广东沿海 地区及广西等； （ 3 ）弱构造应力区：包括江苏、浙江、湖南、湖北、河 南、贵州、四川东部、黑龙江、吉林及内蒙的大部分。 同一类地区，其构造应力仍是不均匀分布，与小的地质 构造运动（地壳变形）有关，有的地段强、有的地段弱。
h
在斜坡附近，应力方向发生偏转
地形对初应力的影响： 山峰处地应力低 沟谷处地应力高
第六章-地应力
岩石力学
第四章:岩体地应力及其测量方法
Rock mass stress and its measurement
2021/2/21
1
4.1 概 述
岩体介质有别于其他任 何介质的主要特征在 于,岩体内部应力和自 重及地质构造运动有 着密不可分的联系。 受其影响导致岩体内 部初始应力场分布相 当复杂。
在工程荷载作用下,岩体 内部应力重新分布导 致工程产生变形和破 坏，所以了解初始应 力场在岩体内分布情 况就显得非常重 要。
2021/2/21 （a）直角形;
（b）阶梯型;
（c）窝状形；
33
4.3 高应力区特征
4.3.2 岩爆及其防治措施
岩爆产生的条件: ➢ 地下工程开挖,硐室空间的形成为岩爆产生的几何条件; ➢ 围岩应力重分布和集中导致大量弹性变形能产生、积累。 ➢ 岩体承受极限应力产生初始破裂后剩余弹性变形能的集中
②高地应力现象 ➢ 岩芯饼化现象:是一种岩体力学现象,高地应力区所特有的钻进过程中
岩芯裂成饼状的现象。中等强度以下岩体在高应力作用下会产生饼化 现象,钻孔会产生缩径。 ➢ 岩爆:坚硬完整岩体在强地应力作用下产生的能量突然以岩块崩塌的形 式释放的事件。 ➢ 洞壁剥离：中等强度的岩体中开挖隧道，洞壁出现层层脱离的现象。 ➢ 基坑底部隆起：岩体开挖卸荷，出露岩石短期回弹。 ➢ 原位参数增高：岩体中高应力的存在，使得岩体波速、弹性模量增高。
高地应力
浅谈高地应力地区的几个常见问题Discussion on A Few Problems in the Areas with HighGround Stress学生姓名指导教师摘要通过对地应力级别的判别与影响因素分析，岩爆预测方法与防治控制措施，洞室各种硬度岩体的大变形问题的弹塑原理与控制机理等使用一些基本理论来进行分析，高地应力条件下各种大变形问题的弹塑性理论原理和蠕变破坏理论的分析，探讨工程措施的基本原理与基本处理方法，并总结了几种关键的处理方法，对高地应力区域工程设计与施工提供参考。
关键词：地下洞室；高地应力；岩爆；大变形；弹塑性理论；蠕变破坏理论；施工AbstractThis paper analyzes the factors that determine magnitude of in—situ stress and Its influence，the rock burst prediction method and its prevention and control measure，elastoplasticity causing principle and control mechanism of large deformation of rock mass with various hardness，theory and principle of elastoplasticity and creepage failure of various large rock mass due to deformation under high in—situ stress by using the basic theories based on the high in—situ stress occurring in construction.The paper also probes into both basic principles engineering measures and basic treatment methods and finally summarizes number of key treatment methods，which give a reference to both design and construction of an underground chamber c located in the zone with high in—situ stress．Key words：underground chamber ；high in—situ stress；reck burst；large deformation；elastoplastic theory；creepage failure theory；construction目录摘要Abstract第一章引言................................................................................................................................ - 1 - 第二章地应力级别的判别与影响因素.................................................................................... - 1 - 第三章高地应力岩爆问题及其防治........................................................................................ - 3 -3.1岩爆问题及研究现状.................................................................................................... - 3 -3.2岩爆烈度分级及其预测方法........................................................................................ - 4 -3.2.1岩石力学室内试验与分析预测......................................................................... - 4 -3.2.2现场测试预测预报............................................................................................. - 5 -3.2.3多因素综合评判预测......................................................................................... - 5 -3.3岩爆安全防护与防治工程措施.................................................................................... - 6 -3.3.1岩爆安全防控措施............................................................................................. - 6 -3.3.2岩爆防治工程措施............................................................................................. - 7 - 第四章大变形问题及原理与控制机理.................................................................................... - 8 -4.1弹塑性理论.................................................................................................................... - 8 -4.2蠕变破坏理论................................................................................................................ - 9 -4.3大变形的控制基本原理.............................................................................................. - 10 -4.4大变形防治措施.......................................................................................................... - 11 - 第五章结束语.......................................................................................................................... - 12 - 参考文献.................................................................................................................................... - 13 -第一章 引言近年来，随着世界经济的发展，公路、铁路隧道等地下工程因交通行业的需要而迅速发展，其“长、大、深、群”的特点日趋明显，而它们所处的地质条件等则往往易于形成高地应力现象，并经常引发岩爆，大变形等严重的相关施工地质灾害问题。
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1462
岩
土
力
学
2011 年
相同，但河谷部位应力集中的水平明显提高，集中 的范围明显变大，并且在坡顶最大主应力等值线弯 曲；河谷部位最小主应力集中程度也明显增高，集 中的范围也明显变大。
力从坡表到坡内划分为地应力释放区（ 1 h ） 、地
[8] 应力集中区 （ 1 h ） 及地应力平稳区 （ 1 h ） 。
Abstract: The paper does some researches on stress field distribution characteristics of the valley in high geostress areas by using numerical simulation and in-situ stress measured data. The result shows that: for the maximum principal stress 1 , the homogeneous elastic slope without unloading zone could be classified into two zones as the stress-releasing zone ( 1 h ) and the stress-stable zone ( 1 h ) from the slope surface to the inside, where h stands for the original buried depth of the studied point, while there are three zones classified for the homogeneous elastic slope with unloading zone as the stress-releasing zone ( 1 h ), the stress-concentrating zone ( 1 h ) and the stress-stable zone ( 1 h ). The existence of unloading zones is the essential reason for the maximum principal stress existing three zones from the surface to the inside. Due to the existence of the tectonic stress field, the slopes in high geostress areas enhance the stress concentration significantly, extend the concentrating scope obviously and present wide unloading zones generally. Therefore, the stress field of the high and steep slope in high geostress area could be approximately classified into three zones: the stress-releasing zone, the stress-concentrating zone and the stress-stable zone. While the stress concentrating zone of the slopes which possess deep unloading transfers into the inside. The stress of the stress-releasing zone fluctuates and the stress decreases in the zone possessing the deep cracks. Key words: valley slope; stress field; unloading zone
－4]
0.10 0.16 0.22
0.10 0.04 0.16 0.22 0.28 0.10 0.16 0.22 0.28
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(b) 河谷最小主应力分布图 (×106 Pa)
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图 3 弹性、均质各向同性河谷有构造应力的应力分布 Fig.3 The stress distribution of the elastic, homogeneous, isotropic valley
30 20
高程/m
10 0 -10 -20 -30 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 距离/m (a) 河谷最大主应力分布图 (×106 Pa)
图 1 河谷模型及剖分图示 Fig.1 Valley model and its meshes
5 7 10
5 7 10
。 但
近年来，西南大量水电工程实践中，遇到了大量的 高边坡稳定性问题，积累了大量的河谷地应力的实 测资料[5
－ 7]
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 距离/m
(a) 河谷最大主应力分布(×105 Pa)
，发现了许多新的现象，河谷应力场的
我国是世界上水能资源最为丰富的国家，理论 蕴藏量高达 6.8×108 kW，居世界首位，其中可供开 发利用的约 3.8×108 kW， 这其中大部分集中于西南、 西北的高山峡谷中，特别是西南地区，占全国开发 总量的 61%。尽管我国水能资源丰富，但开发程度 很低，为此，国家制定了“西电东送”的宏观战略，
摘 要： 利用数值模拟以及地应力实测资料， 研究了高地应力区河谷应力场的分布特征， 发现对于无卸荷带的均质弹性边坡， 从坡表到坡内可以划分为应力降低区（ 1 h ） 、应力平稳区（ 1 h ）2 个区；对于存在卸荷带的边坡，从坡表到坡内可 以划分为 3 个区：应力降低区（ 1 h ） 、应力升高区（ 1 h ） 、应力平稳区（ 1 h ） 。卸荷带的存在是最大主应力从 坡表至坡内出现 3 个带的本质原因。高地应力区边坡由于构造应力场的存在，使得边坡应力集中的水平明显提高，集中的范 围明显变大， 边坡常常存在较宽卸荷带， 因此， 高地应力地区高陡边坡的应力场也可以大致划分为应力降低区、 应力升高区、 应力平稳区 3 个带。但一些高地应力地区边坡内部发育深部卸荷裂缝，其应力集中区向坡体内部转移，应力降低区内的应力 出现波动变化，深部裂缝存在部位应力明显降低。 关 键 词：谷坡；应力场；卸荷带 中图分类号：P 64 文献标识码：A
2
弹性、均质各向同性河谷的应力场
弹性、均质各向同性的河谷只存在于理论研究
之中，自然界是不存在的。但它对于认识河谷应力 场分布的一般规律很有帮助。因此，研究河谷应力 场首先从弹性、均质各向同性河谷的应力场开始， 并分有构造应力和无构造应力两种情况进行研究。 2.1 无构造应力作用 图 1 为一河谷模型。其中河谷切深 30 m，岩体 密度假定为 2.60 g/cm3，弹性模量为 23.5 GPa，泊 松比为 0.2。为研究方便，假定河谷是严格对称的， 模型如图 1 所示，模型两侧约束水平方向位移，底 部约束铅直方向位移。虽然模型是对称的，但为了 显示整体的河谷形态，笔者仍然绘出了整个河谷的 应力分布，这对于后面的论述有一定作用。
30 20
高程/m
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研究再次进入人们的视野，许多学者对此进行了研 究并取得新的认识[8 。
0.8 1.8 2.8 0.8 1.8 2.8
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(b) 河谷最小主应力分布(×105 Pa)
图2(a)是河谷最大主应力分布等值线图， 图2(b) 是河谷最小主应力分布等值线图。可以看出，无构 造应力作用下，均质、弹性各向同性介质坡面附近发生明显偏转，在 坡面附近与临空面近于平行，并且越靠近临空面， 最大主应力越接近平行于临空面，最小主应力则与 之近于正交； （2）应力分异的结果，在坡面附近造成应力集 中带。谷底最大主应力显著提高，最小主应力则在 表面处为 0，甚至出现拉应力。这些规律已被写入 教科书中[3
图 2 弹性、均质各向同性河谷在自重应力下的应力分布 Fig.2 The gravity stress distribution of the elastic, homogeneous, isotropic valley
2.2 有构造应力作用 采用图 1 相同的模型，只是在模型的两侧不再 采用约束边界，而是施加水平方向的应力 x 0.25 MPa。 图 3(a)是河谷最大主应力分布等值线图， 图 3(b)是河谷最小主应力分布等值线图。从图中可 以看出，最大主应力的分布和无构造应力情况基本
Stresses field characteristics of a valley slope in high geo-stress area
QI Sheng-wen, WU Fa-quan
(Key Laboratory of Engineering Geomechanics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)
收稿日期：2011-02-11 基金项目：973 深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论——深部岩体结构与地应力特征及其对灾害的调控作用资助（No.2010CB732001） 。 第一作者简介： 祁生文， 1975 年生， 男， 博士， 副研究员， 主要从事岩体工程地质力学以及岩土体动力学的相关研究。 E-mail: qishengwen@