地应力及其测试技术

地应力及其测试技术

1、引言

岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的因素。在漫长的地质年代里，地壳始终处于不断运动、变化之中，由此引起构造应力。引起岩体的应力除了构造应力，还有上覆岩体的自重应力、气温变化引起的温度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、固结作用、脱水作用所引起的应力等。这些在人类工程活动之前存在于岩体中的应力，就称为地应力或天然应力。

由于岩体中的地应力分布是及其复杂的，特别是岩体遭受地质构造运动之后应力状态更为复杂，分布规律千变万化。因此目前对于岩体中地应力的大小以及其分布规律的研究尚缺乏完整系统的理论成果。尽管近年来很多学者对于地应力的现场测量和理论研究都做了大量的工作，并取得一定的进展。但是，要达到能够确切掌握岩体中的初始应力大小及其分布规律，目前还有较大的距离。

虽然目前仍难以对岩体中地应力的大小及其分布规律达到确切的掌握，但是地应力状态与岩体稳定性的关系极大，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。在高地应力区所进行的岩体开挖，常常会引起一系列与开挖卸载回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象。在高地应力的脆性岩体开挖时，甚至能发生岩爆现象。这些不利现象都极大程度上影响着施工和运营安全，因此，岩体地应力状态对工程建设有着重要的意义。

2、地应力的组成及其特点

2.1 地应力的组成

地应力的组成成分是地应力的来源，它主要来自五个方面，即岩体自重、地质构造运动、地形势、剥蚀作用和封闭应力。自重应力是地心对岩体的引力。地质构造运动引起的应力，包括古构造运动应力和新构造运动应力。前者是地质史上由于构造运动残留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力；后者是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。地形势与剥蚀作用引起的应力仅限于局部的应力场受到影响，例如，高山峡谷或者深切河谷底部的应力往往比较集中；地表剥蚀会使该处地应力的铅垂应力分量降低较多，而水平应力基本保持不变等等。封闭应力是地壳经受高温高压引起岩石变形时，由于岩石颗粒的晶体之间发生摩擦，部分变形受到阻碍而将应力积聚封闭于岩石之中，并处于平衡状态，即使卸载，其变形往往不能完全恢复，故称封闭应力。

2.1.1 自重应力

在地壳的原始应力场中，自重应力场是其重要组成部分。在20世纪20年代，德国科学家海姆就提出地壳一定深度的自重应力场解析解，且被广泛应用。

海姆理论应用弹性理论方法，并假设岩体为均质各向同性体，对于没有受到构造作用，产状较为平缓的岩层，在深度为H 处的垂直自重应力可按下式计算：

H z γσ=

式中 z σ—— 自重应力垂直分量；

γ—— 岩石容重；

半无限体中的任一微分单元体上的正应力x σ、y σ、z σ显然都是主应力，而且水

平方向两个应力与应变彼此相等，即，x σ=y σ，y x εε=

若假设半无限体中任一单元体上都不产生侧向变形，即0==y x εε 则有0)(=+-z y x

E E σσμ

σ

式中，E 、μ分别为岩石的弹性模量与泊松比。

又由于x σ=y σ，所以上式可化为

x σ=y σ=z σμμ-1

若令K=μμ

-1则有

x σ=y σ=z K σ

式中，K 即为侧压力系数，在实验条件下所测定的泊松比为0.2~0.3，此时侧压力系数为0.25~0.4。

2.1.2 构造应力

构造应力是地质运动引起的，在构造运动结束之后，残留于岩体之中。在岩石圈的一定深度范围内, 岩体构造应力随深度不断增大. 在工程涉及的深度范围内, 这种随深度的变化梯度往往大于自重应力水平分量的变化梯度, 因此, 工程中构造应力随深度的变化是不能忽略的。但是，由于构造应力的复杂性，目前仍难以提出构造应力的理论解。

2.1.3 其它应力

除了自重应力和构造应力，地应力场还受地形、地貌、气温等因素的影响。

首先为温度应力，它随着距离地表深度增加，地温地热使得岩体性质改变，并产生附加应力。除此之外，地形、地貌，地壳剥蚀等因素也在一定程度上影响着地应力

场。

2.2 地应力场的特点

一般情况下，地应力场是一个三向不等压的空间应力场，其中主应力大小和方向是随空间和时间的变化而变化。特别是随时间变化更为明显。

2.2.2 垂直地应力的特征

一般情况下，在深度25～2700范围内，很多地区垂直地应力v σ大致等于平均密度为2.7g/cm 3计算出来的上覆岩体的自重。但是，在某些目前正在进行的构造运动的地区，v σ可能显著大于上覆岩体自重的结果。

初始应力场的垂直应力分量并非与地表垂直，多数有10°左右的偏角。而且，垂直应力常常是主应力之一。但是，与单纯的自重应力场不同的是，v σ大都是最小主应力，少数为最大或中间主应力。

2.2.2 水平地应力的特征

岩体中水平地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，岩体中水平地应力主要受地区现代构造应力场的控制，同时还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸载作用、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。岩体中的水平地应力可以概括为以下特点。

（1） 水平应力以压应力为主，很少出现拉应力，且拉应力多具有局部性质。

（2） 水平应力一般大于垂直应力。

（3） 两个水平应力max ,h σ和min ,h σ通常不等。一般来说，min ,h σ/max ,h σ的值随地区

不同而变化。起范围为0.2～0.8。

（4） 最大与最小水平应力随深度增加而增大，但是变化的梯度在不同地区不一

样。

（5） 在单薄的山体、山谷附近以及未受构造变动的岩体中，水平应力均小于垂

直应力。

2.2.2 水平地应力与垂直应力的比值的特征

地应力场中，水平应力与垂直应力之比定义为比值系数，用λ表示。世界各地的测量结果表明，绝大多数情况下，平均水平应力与垂直应力的比值为1.5～10.6。应力比值随深度的增大而减小。对于不同地区，λ值略有差异，但其变化范围基本上介于下述不等式所圈定的范围内：

Z Z 1500

5.0100

3.0+≤≤+λ

式中，Z 为实测应力的深度，以m 为单位。