第2講巖體地應(yīng)力問題課件

3、巖體地應(yīng)力問題

3.1問題的提出：人類對(duì)地應(yīng)力的認(rèn)識(shí)過程3.2地應(yīng)力的成因3.3地應(yīng)力的分布規(guī)律3.4地應(yīng)力場(chǎng)與地下結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)的關(guān)系

3、巖體地應(yīng)力問題

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3.1問題的提出：人類對(duì)地應(yīng)力的認(rèn)識(shí)過程為什么在討論地下結(jié)構(gòu)問題時(shí)，首先提出了地應(yīng)力問題？答：地應(yīng)力是影響地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素，是引起地下結(jié)構(gòu)變形和破壞的根本作用力。地應(yīng)力決定了地下結(jié)構(gòu)幾乎所有的邊界條件和地下工程實(shí)施的初始條件。是一切計(jì)算、試驗(yàn)分析的前提和基礎(chǔ)。不了解地應(yīng)力情況的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只能是盲目的設(shè)計(jì)。3.1問題的提出：人類對(duì)地應(yīng)力的認(rèn)識(shí)過程2

人類對(duì)地應(yīng)力的認(rèn)識(shí)過程這個(gè)過程還不到100年1912年，瑞士地質(zhì)學(xué)家A.Heim首次提出地應(yīng)力的概念，并假定地應(yīng)力是一種靜水壓力狀態(tài)。即地殼中任何一點(diǎn)的應(yīng)力在各個(gè)方向相等，并且等于該點(diǎn)以上覆蓋的巖層產(chǎn)生的壓強(qiáng)。即：人類對(duì)地應(yīng)力的認(rèn)識(shí)過程31926年，前蘇聯(lián)學(xué)者A.H.Gennik修正了A.Heim的靜水壓力的假定，認(rèn)為垂直應(yīng)力可以等于上覆巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力（水平應(yīng)力）應(yīng)該是泊松效應(yīng)的結(jié)果。它的值應(yīng)該等于H乘以一個(gè)修正系數(shù)K，稱為側(cè)壓系數(shù)，根據(jù)彈性力學(xué)理論，他認(rèn)為K＝/(1-),即：1926年，前蘇聯(lián)學(xué)者A.H.Gennik修正了A.Heim4問題：難道地應(yīng)力只與巖層重力有關(guān)嗎？回答是否定的。李四光曾在20年代根據(jù)許多地質(zhì)現(xiàn)象提出：“在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過垂直應(yīng)力分量?！?0年代，瑞典？的N.Hast在Scandinavia半島進(jìn)行了大量的地應(yīng)力測(cè)量工作，發(fā)現(xiàn)地殼上層最大主應(yīng)力大部分是水平或接近水平的。問題：難道地應(yīng)力只與巖層重力有關(guān)嗎？回答是否定的。5最大水平應(yīng)力的值一般為垂直應(yīng)力的1～2倍，甚至更高。在某些地表處測(cè)得的水平地應(yīng)力達(dá)到7Mpa。這個(gè)結(jié)果從根本上動(dòng)搖了地應(yīng)力是靜水壓力的理論，以及地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。最大水平應(yīng)力的值一般為垂直應(yīng)力的1～2倍，甚至更高。在某些地6進(jìn)一步研究表明：重力作用和構(gòu)造作用是引起地應(yīng)力的主要原因，尤其水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的形成影響最大。當(dāng)前的地應(yīng)力狀態(tài)主要由最近的一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所決定，但也與地殼演化歷史上的各次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。最終的地應(yīng)力場(chǎng)是歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的疊加。同時(shí)還受到其它因素的影響，造成了地應(yīng)力場(chǎng)分布的復(fù)雜和多變性。進(jìn)一步研究表明：7幾種結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)1.壓性結(jié)構(gòu)面：垂直于最大主應(yīng)力方向的結(jié)構(gòu)面，如褶皺的軸面或直立巖層等。與最大主應(yīng)力垂直的平面與地面的交線叫構(gòu)造線。扭性（剪性）結(jié)構(gòu)面：沿最大剪應(yīng)力方向出現(xiàn)的“X”形結(jié)構(gòu)面，其銳角平分線方向?yàn)樽畲髩簯?yīng)力方向。張性結(jié)構(gòu)面：在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的破裂面，往往沿一對(duì)“X”形扭剪性結(jié)構(gòu)面發(fā)育。幾種結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)1.壓性結(jié)構(gòu)面：垂直于最大主應(yīng)力方向的結(jié)構(gòu)面83.2地應(yīng)力的成因

產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜包括地殼板塊運(yùn)動(dòng)中相鄰板塊之間的擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力地幔熱對(duì)流引起的應(yīng)力場(chǎng)地心引力形成的自重應(yīng)力場(chǎng)地球旋轉(zhuǎn)形成的慣性力場(chǎng)3.2地應(yīng)力的成因

產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜9地下巖漿入侵和地殼非均勻擴(kuò)容地殼溫度不均引起的應(yīng)力水壓力地表風(fēng)化剝蝕和其它物理化學(xué)變化引起的應(yīng)力釋放等

地下巖漿入侵和地殼非均勻擴(kuò)容103.2.1板塊運(yùn)動(dòng)引起的地應(yīng)力3.2.1板塊運(yùn)動(dòng)引起的地應(yīng)力11

中國(guó)大陸板塊受到印度板塊和太平洋板塊

的擠壓，每年擠壓變形達(dá)數(shù)厘米。同時(shí)受到西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束。因而產(chǎn)生水平受壓的應(yīng)力場(chǎng)，其主應(yīng)力跡線如上圖所示。印度板塊和太平洋板塊的擠壓造成了我國(guó)大陸板塊邊緣的隆起和山脈的形成，同時(shí)也是我國(guó)地震的主要成因。

中國(guó)大陸板塊受到印度板塊和太平洋板塊

的擠壓，每年擠壓變形123.2.2地幔熱對(duì)流引起的地應(yīng)力

由硅鎂質(zhì)組成的地幔因溫度很高，具有可塑性，并可以上下對(duì)流和蠕動(dòng)．當(dāng)?shù)蒯Ｉ钐幍纳仙鞯竭_(dá)地幔頂部時(shí)，就分為二股方向相反的平流．經(jīng)一定流程直到與另一對(duì)流圈的反向平流相遇，一起轉(zhuǎn)為下降流，回到地球深處，形成一個(gè)封閉的循環(huán)體系．3.2.2地幔熱對(duì)流引起的地應(yīng)力由硅鎂質(zhì)組成的地幔因溫度13地幔熱對(duì)流引起地殼下面的水平切向應(yīng)力，在亞洲形成由孟加拉灣一直延伸到貝加爾湖的最低重力槽，它是一個(gè)有拉伸特點(diǎn)的帶狀區(qū)．我國(guó)從西昌、渡口到昆明的裂谷正位于這一地區(qū)．該裂谷區(qū)有一個(gè)以西藏中部為中心的上升流的大對(duì)流環(huán)，在華北－山西地塹有一個(gè)下降流．由于地幔物質(zhì)的下降，引起很大的水平擠壓應(yīng)力．地幔熱對(duì)流引起地殼下面的水平切向應(yīng)力，在亞洲形成由孟加拉灣一14

3.2.3地心引力引起的地應(yīng)力由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng)稱為自重應(yīng)力場(chǎng)．自重應(yīng)力場(chǎng)是各種應(yīng)力場(chǎng)中唯一能夠計(jì)算的應(yīng)力場(chǎng)．地殼中任一點(diǎn)的自重應(yīng)力等于單位面積的上覆巖層的重量。重力應(yīng)力為垂直方向應(yīng)力，它是地殼中所有各點(diǎn)垂直應(yīng)力的主要組成部分．但是垂直應(yīng)力一般并不完全等于自重應(yīng)力，因?yàn)榘鍓K移動(dòng)，巖漿對(duì)流和侵入、巖體非均勻擴(kuò)容、溫度不均和水壓梯度均會(huì)引起垂直方向應(yīng)力變化．

3.2.3地心引力引起的地應(yīng)力15

3.2.4巖漿入侵引起的地應(yīng)力巖漿侵入擠壓、冷凝收縮和成巖，均在周圍地層中產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)，其過程也是相當(dāng)復(fù)雜的．熔融狀態(tài)的巖漿處于靜水壓力狀態(tài)，對(duì)其周圍施加的是各個(gè)方向相等的均勻壓力．但是熾熱的巖漿侵入后即逐漸冷凝收縮，并從接觸介面處逐漸向內(nèi)部發(fā)展．不同的熱膨脹系數(shù)及熱力學(xué)過程會(huì)使侵入巖漿自身及其周圍巖體應(yīng)力產(chǎn)生復(fù)雜的變化過程．與上述三種應(yīng)力場(chǎng)不同，由巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)是一種局部應(yīng)力場(chǎng)．3.2.4巖漿入侵引起的地應(yīng)力巖漿侵入擠壓、冷凝163.2.5地溫梯度引起的地應(yīng)力地層的溫度隨著深度增加而升高，一般溫度梯度為3Ｃ

／100ｍ．由于溫度梯度引起地層中不同深度不相同的膨脹，從而引起地層中的壓應(yīng)力，其值可達(dá)相同深度自重應(yīng)力的數(shù)分之一．另外，巖體局部冷熱不均，產(chǎn)生收縮和膨脹，也會(huì)導(dǎo)致巖體內(nèi)部產(chǎn)生局部應(yīng)力場(chǎng)．3.2.5地溫梯度引起的地應(yīng)力17

3.2.6地表風(fēng)化剝蝕引起的地應(yīng)力地殼上升部分巖體因?yàn)轱L(fēng)化、侵蝕和雨水沖刷搬運(yùn)而產(chǎn)生剝蝕作用。剝蝕后，由于巖體內(nèi)的顆粒結(jié)構(gòu)的變化和應(yīng)力松弛趕不上這種變化，導(dǎo)致巖體內(nèi)仍然存在著比由地層厚度所引起的自重應(yīng)力還要大得多的水平應(yīng)力值。因此，在某些地區(qū)，大的水平應(yīng)力除與構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)外，還和地表剝蝕有關(guān)。3.2.6地表風(fēng)化剝蝕引起的地應(yīng)力183.3地應(yīng)力的分布規(guī)律3.3.1地應(yīng)力是時(shí)間和空間的函數(shù)

地應(yīng)力在絕大部分地區(qū)是以水平應(yīng)力為主的三向不等壓應(yīng)力場(chǎng)．三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向是隨著空間和時(shí)間而變化的，因而它是個(gè)非穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)．地應(yīng)力在空間上的變化，從小范圍來看，其變化是很明顯的，從一個(gè)礦山到另一個(gè)礦山，從某一點(diǎn)到相距數(shù)十米外的另一點(diǎn)，地應(yīng)力的大小和方向也是不同的．但就某個(gè)地區(qū)整體而言，地應(yīng)力的變化是不大的．

所以它是相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)。3.3地應(yīng)力的分布規(guī)律3.3.1地應(yīng)力是時(shí)間和空間的函數(shù)19在某些地震活躍的地區(qū)，地應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間的變化是很明顯的。如1976年唐山地震后，在唐山鳳凰山測(cè)得的最大主應(yīng)力方向?yàn)楸?7°西，與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力方向有較大偏差．78年，在同一地點(diǎn)測(cè)量，其最大主應(yīng)力方向變?yōu)榻鼥|西向（北89°西）與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向相一致。邢臺(tái)地震區(qū)也有類似情況。前蘇聯(lián)的喀爾巴殲山、高加索等地，發(fā)現(xiàn)主應(yīng)力方向每隔6～12年就有一次較大變化．我國(guó)甘肅六盤山主應(yīng)力方向在三年內(nèi)有20～30°的改變．而瑞典北部的梅爾格特礦區(qū)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)方向與20億年前應(yīng)力場(chǎng)方向完全相同．在某些地震活躍的地區(qū)，地應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間的變化是很203.3.2垂直地應(yīng)力與埋深的關(guān)系.對(duì)全世界實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力σv的統(tǒng)計(jì)資料的分析表明，在深度為25～2700ｍ的范圍內(nèi)，σv呈線性增長(zhǎng)，大致相當(dāng)于按平均容重γ等于27KN/m3計(jì)算出來的重力γH．但在某些地區(qū)的測(cè)量結(jié)果有一定幅度的偏差．如我國(guó)σv/γＨ=0.8～1.2的僅占5％，σv/γＨ＜0.8的占16％，而σv/γＨ＞1.2的占79％。前蘇聯(lián)測(cè)量資料表明：σv/γＨ＜０．８的占4％，σv/γＨ＝0.8～1.2的占23％，σv/γＨ＞1.2的占73％．

3.3.2垂直地應(yīng)力與埋深的關(guān)系.對(duì)全世界實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力σv21值得注意的是，在世界多數(shù)地區(qū)并不存在真正的垂直應(yīng)力即沒有一個(gè)主應(yīng)力的方向完全與地表垂直．但在絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)都發(fā)現(xiàn)確有一個(gè)主應(yīng)力接近于垂直方向，其與垂直方向的偏差不大于20o。這一事實(shí)說明，地應(yīng)力的垂直分量主要受重力的控制，但也受到其它因素的影響。值得注意的是，在世界多數(shù)地區(qū)并不存在真正的垂直應(yīng)力即沒223.3.3水平地應(yīng)力普遍大于垂直地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料表明，在絕大多數(shù)（幾乎所有）地區(qū)均有兩個(gè)主應(yīng)力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，其與水平面的夾角一般不大于30°．最大水平主應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。水平地應(yīng)力與

v之比值，為0.5～5.5，在很多情況下比值大于2。在淺埋地層中水平地應(yīng)力普遍大于垂直地應(yīng)力，說明板塊運(yùn)動(dòng)在形成地應(yīng)力過程中起到主要控制作用。垂直地應(yīng)力一般為最小主應(yīng)力或中間主應(yīng)力，極少情況下為最大主應(yīng)力。3.3.3水平地應(yīng)力普遍大于垂直地應(yīng)力233.3.4平均水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力之比隨深度增加而減小這是一個(gè)普遍規(guī)律，但是減小的速度在各個(gè)地區(qū)有所不同。根據(jù)世界幾個(gè)國(guó)家的實(shí)測(cè)資料，Hock和Brown回歸出以下公式：3.3.4平均水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力之比隨深度增加而減小24上圖表明，在深度不大的情況下，水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力之比相當(dāng)分散，隨著深度增加，該值的變化范圍逐漸縮小并且有向1.0附近靠近的趨勢(shì)。這種趨勢(shì)表明，在地殼深部有可能出現(xiàn)靜水壓力狀態(tài)。加拿大的地應(yīng)力實(shí)測(cè)情況回歸出如下公式：上圖表明，在深度不大的情況下，水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力之比相當(dāng)253.3.5水平地應(yīng)力隨深度呈線形增加趨勢(shì)O.Stephansson測(cè)出瑞典Fennoscandia地區(qū)古陸地最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度變化的線性關(guān)系方程：

h,max=0.0444H+6.7

h,min=0.0329H+0.8可以看出公式中的常數(shù)項(xiàng)值比較大，當(dāng)H等于0時(shí)，水平地應(yīng)力仍有較大的數(shù)值，說明構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的影響是顯著的。3.3.5水平地應(yīng)力隨深度呈線形增加趨勢(shì)O.Steph26

3.3.6最大、最小水平地應(yīng)力有較大差異，反映出很強(qiáng)的方向性。二者之比可達(dá)1.25～5，一般為1.25～2.5。3.3.6最大、最小水平地應(yīng)力有較大差異，反映出很強(qiáng)的273.3.7地應(yīng)力分布規(guī)律異常上述6點(diǎn)是地應(yīng)力分布的一般規(guī)律，但是在地形變化、有地質(zhì)構(gòu)造、嚴(yán)重風(fēng)化、溫度變化和地下水豐富的情況下，容易發(fā)生地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的異常。其中地形變化和地質(zhì)構(gòu)造影響最大。3.3.7地應(yīng)力分布規(guī)律異常上述6點(diǎn)是地應(yīng)力分布的一般規(guī)律28在具有負(fù)地形的峽谷或山區(qū)，地形的影響在侵蝕基準(zhǔn)面以上及其以下一定范圍內(nèi)表現(xiàn)特別明顯．

一般來說，谷底是應(yīng)力集中的部位，越靠近谷底應(yīng)力集中越明顯．最大主應(yīng)力在谷底或河床中心近于水平，而在兩岸岸坡則向谷底或河床傾斜，并大致與坡面相平行．近地表或接近谷坡的巖體，其地應(yīng)力狀態(tài)和深部及周圍巖體顯著不同，并且沒有明顯的規(guī)律性．隨著深度不斷增加或遠(yuǎn)離谷坡，則地應(yīng)力分布狀態(tài)逐漸趨于規(guī)律化，并且顯示出和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的一致性．在具有負(fù)地形的峽谷或山區(qū)，地形的影響在侵蝕基準(zhǔn)面以上及其以下29在斷層和結(jié)構(gòu)面附近，地應(yīng)力分布狀態(tài)將會(huì)受到明顯的擾動(dòng)．?dāng)鄬佣瞬俊⒐战翘幖敖粎R處將出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象．端部的應(yīng)力集中與斷層長(zhǎng)度有關(guān)，長(zhǎng)度越大，應(yīng)力集中越強(qiáng)烈．拐角處的應(yīng)力集中程度與拐角大小及其與地應(yīng)力的相互關(guān)系有關(guān)．當(dāng)最大主應(yīng)力的方向和拐角的對(duì)稱軸一致時(shí)，其外側(cè)應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力．由于斷層帶中的巖體一般都比較軟弱和破碎，不能承受高的應(yīng)力和不利于能量積累，所以成為應(yīng)力降低帶，其最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力與周圍巖體相比均顯著減?。瑫r(shí)，斷層的性質(zhì)不同對(duì)周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)的影響也不同．壓性斷層中的應(yīng)力狀態(tài)與周圍巖體比較接近，僅是主應(yīng)力的大小比周圍巖體有所下降；而張性斷層中的地應(yīng)力大小和方向與周圍巖體相比均發(fā)生顯著變化．在斷層和結(jié)構(gòu)面附近，地應(yīng)力分布狀態(tài)將會(huì)受到明顯的擾動(dòng)．?dāng)鄬佣?03.4地應(yīng)力場(chǎng)與地下結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)的關(guān)系3.4.1地下結(jié)構(gòu)是否承受內(nèi)水壓力不承受內(nèi)水壓力的洞室結(jié)構(gòu)盡量布置在地應(yīng)力值較小的部位承受內(nèi)水壓力的洞室結(jié)構(gòu)則應(yīng)布置在最小主應(yīng)力大于最大內(nèi)水壓力的部位3.4地應(yīng)力場(chǎng)與地下結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)的關(guān)系31

3.4.2地下洞室長(zhǎng)軸與地應(yīng)力的關(guān)系

一般情況下，地下洞室結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)軸方向應(yīng)該與最大主應(yīng)力的水平投影方向呈小角度相交。在較均勻的巖體中，對(duì)高跨比接近1.0的洞室結(jié)構(gòu)，洞軸線方位的布置應(yīng)該使作用在洞室斷面上的垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力盡量接近相等