论岩体构造应力

　2001年9月

水 利 学 报

SHUILI XUE BAO 第9期

收稿日期:2000-08-09

作者简介:朱焕春(1963-),男,湖北大冶人,武汉大学教授、博士,主要研究方向为高边坡与锚固、岩体地应力等岩体工程

问题.文章编号:0559-9350(2001)09-0081-05论岩体构造应力

朱焕春1,李　浩1

(1.武汉大学水电系,湖北武汉　430072)

摘　要:从地质学基本原理、地表地质作用以及实测数据等几个方面再次论述了对岩体构造应力分布的认识,指出在水平主应力随深度的线性表达式σ=kh +T 中,构造应力的贡献不仅只由T 反映,而且常常对系数k 有很大的贡献.另一方面,即便在地形平坦地区,T 值还可以反映后期地表地质作用,最大、最小水平构造应力差值能更好地表征构造应力的大小.而在地形复杂的河谷地区,地表改造对浅层岩体地应力的影响更加突出,但可以用河谷形成前等效初始地应力场状态反应构造应力状态.

关键词:构造应力;自重应力;地质作用;深度

中图分类号:P553;TU452 文献标识码:A

岩体地应力是岩体工程最基本也是最重要的工程荷载,它是进行岩体工程问题数值计算的初始条件之一,也是分析工程岩体破坏和位移特征的基本因素

[1].作者曾就岩体地应力问题,包括构造应力的分布特征进行过比较系统的论述[2].但从目前的情况看,以水平主应力为例,对表达式:σ=kh +T 中系数k 、T 的物理意义、构造应力的分布特征进行再一次的讨论,显得很有必要.主要问题是:

(1)k 值不仅仅只反映了岩体自重应力,同时包含了构造应力,并且,在很多情况下,它所反映的构造应力分量是不可忽略的.(2)T 值反映了构造应力作用,但在剥蚀地区的浅层岩体中,即便地形平坦,可以包含地表地质作用的影响.(3)地形强烈起伏的河谷地区,其地应力不能简单地看成是自重应力与构造应力的迭加.河流地质作用改造地表形态的同时,也改造了原来的地应力场,使得浅部岩体各应力分量随深度可以不是线性分布,上述参数失去了表征构造应力的意义.

1　岩石圈中构造应力的空间变化趋势

这里主要是讨论厚度数万米的地壳岩石圈内构造应力的分布,帮助认识岩石圈表层人类工程活动涉及的工程岩体范围内(几千米)构造应力分布,说明构造应力是随深度变化的.

1957年,在人造地球卫星发射成功以后,人类认识到地球实际上是一个旋转椭球体,其扁率为:

f =a -b a =1298.25(1)

式中:a 为赤道半径,b 为地球两极半径.

地球物理学家曾假设地球内每一点都为静水压力状态,计算出的扁率为1 299,与实际结果相似,地球物理学家认为,从总体上讲,平均半径近6400km 的整个地球基本都受到静水压力应力状态的作用,不受这种作用的地球物质所占的比例很小[3]

.即地球表层岩石圈内的应力是不均匀的.

大量研究同时证明,地球表层岩石圈中的构造应力是明显的,且各向异性突出,岩石不可能处于静水压力状态.但对整个岩石圈内构造应力的大小及其深度的变化特征,至今还没有一种公认的测量DOI :10.13243/j .cn ki .slxb .2001.09.015

和计算方法.一些研究人员运用间接手段的研究成果表明,岩石圈内的最大构造应力可能达到200～300MPa,并可能在20km或更大一些深度处达到最大值[4～6].再往深处,岩石性状可能会发生变化,承受各向异性压力的能力减弱,逐渐转入静水压力状态.

我们现在看到的工程岩体的各种变形(如褶皱)和断裂(如节理、断层),它们往往具有内在联系,即绝大多数是由于地质历史上构造应力的作用形成的,此后由于地壳运动(抬升)和地表地质作用(剥蚀)而到达地表附近.从岩体中的变形和断裂不难看出,在当时的条件(如深度)下,岩体承受的构造应力有多大.这说明深部构造应力肯定大于浅部:(1)在浅部的低围压状态下,脆性特性普遍突出的岩石几乎不可能形成褶皱、特别是柔皱那样的弯曲变形.(2)从变化的观点看,我们可认为现今地应力场是它在变化着的地质历史过程中的一个短暂的表现,它当然带有地应力演变的烙印,即现今构造应力也会是在浅部小、深部大.(3)进一步地,即便现今构造应力活动总体微弱,研究表明,在不受后期构造变动改造的条件下,古构造应力场特征可以保留数千万乃至几亿年[3],即古生代地层中的构造应力场特征可能保留到现在.这也是地质力学方法恢复的古构造应力场方位特征有时能和现今地应力场一致的原因,特别地,在地形平坦地区更突出.

所以,从宏观上看,构造应力是随深度变化的,在表达式a=kh+T中不仅可以反应在系数T 中,也可以反应在k中.

2　关于参数k和T的讨论

假设一种理想情况,某地区地表平坦,地质历史上不受其他因素的作用,最大水平主应力只由自重应力的水平分量和构造应力组成.此后,该地区地壳抬升,地表受剥蚀,剥蚀厚度为Δh.则剥蚀前深度为h处的最大水平主应力为:

σ0=kh+T0(2) 根据空间半无限体弹性理论,剥蚀后深度为h处(由h+Δh剥蚀到h)的最大水平主应力为:

σ=k(h+Δh)+T0-μ

1-μ

γΔh

=kh+T0+k-μ

1-μ

γΔh(3)式中:γ、μ分别是岩石的密度和泊松比.

比较式(2)和式(3),同样深度处,剥蚀前后最大水平应力相差一个常数,而系数k保持不变.

一般的取μ=0.25～0.30,γ=27kN m3,当应力单位用MPa时,则:γ×μ(1-μ)的数值在0.009～0.0116之间.

据大量实测资料的统计,

k≥μ

1-μ

γ(4)基本上在所有情况下式(4)成立[7](参见表1),它表明地质历史中的地表剥蚀作用通常可以改变岩体水平应力大小,使地表附近水平应力相对增大.从理论上讲,这种变化只反映在参数T上.同样地,地表沉积作用也可以改变T值大小,使其相对减小[8].

表1给出了一些研究者对k和T的统计结果.注意这是现今实测值的统计结果,但k值可以认为受后期剥蚀作用小;最大、最小水平主应力的k值平均值显然一般都大于自重应力水平分量的对应值(数值为0.009～0.0116).考虑到构造应力方向一般与实测最大水平应力方向一致,显然,在最大水平应力方向上,k值不仅包含了自重应力水平分量的贡献,构造应力的作用不可忽视的.

另一方面,式(2)、式(3)表示了剥蚀前后深度同为h时水平应力大小的差别.显然地,T值不仅反映了构造应力的作用,还包含了地表地质作用的影响.特别地,在剥蚀地区,较高的水平应力也可以由剥蚀作用引起.