地應(yīng)力測(cè)量的應(yīng)用

地應(yīng)力測(cè)量的應(yīng)用

在測(cè)量和各種建設(shè)項(xiàng)目過程中，由于結(jié)構(gòu)（如斷層和褶皺）、地形、巖石力學(xué)性質(zhì)、區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度（即區(qū)域構(gòu)造強(qiáng)度的大小）、地表風(fēng)化侵蝕、沉積速度和人類活動(dòng)等因素的影響，表面附近的構(gòu)造力受到不同程度的干擾，導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)能力（如地形等）的重疊。這種非結(jié)構(gòu)的能力通常由谷底和邊界角引起明顯的應(yīng)力集中，并改變主應(yīng)力的方向。這一現(xiàn)象已通過國(guó)內(nèi)外測(cè)量數(shù)據(jù)得到證實(shí)（圖1、圖2、表1、圖2、圖3）。這種非構(gòu)造應(yīng)力干擾主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是實(shí)測(cè)應(yīng)力大小的顯著增大即應(yīng)力集中;二是實(shí)測(cè)主應(yīng)力方向的變化。由于特定地區(qū)上述多種影響因素的不同組合,構(gòu)造應(yīng)力受干擾的情形也不同。一般來說,構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)實(shí)測(cè)應(yīng)力大小和方向都受影響(表1、圖1),而構(gòu)造活動(dòng)較弱地區(qū)主要引起主應(yīng)力方向的變化(表2、3)。圖1為四川雅礱江二灘電站壩址區(qū)壓磁應(yīng)力解除地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果(白世偉等,1982;陳彭年等,1990)。由于壩址區(qū)河谷呈似“V”型,左岸谷坡25°～40°,右岸谷坡30°～45°,且處于構(gòu)造強(qiáng)烈活動(dòng)的川滇經(jīng)向構(gòu)造帶,從圖1可以看出,應(yīng)力測(cè)值在近谷底鉆孔深度30m以下快速增大,最大水平主壓應(yīng)力測(cè)值在鉆孔深度40m左右時(shí)高達(dá)65MPa,最小水平主壓應(yīng)力測(cè)值在鉆孔深度60m左右時(shí)超過30MPa,這是正常最大、最小水平主壓應(yīng)力在該深度測(cè)值的8～10倍,并且最大主壓應(yīng)力方向也發(fā)生變化(表1);另外,從水平探硐內(nèi)實(shí)測(cè)最大水平主壓應(yīng)力變化分析,在進(jìn)入硐內(nèi)一定深度測(cè)值達(dá)到最大值,然后又變小,這與我們固有的越往山體內(nèi)部應(yīng)力測(cè)值越大的認(rèn)識(shí)恰好相反,圖2也有這種現(xiàn)象,所不同的是圖2中由于存在一斷層活動(dòng)而使應(yīng)力釋放,造成應(yīng)力測(cè)值在斷層附近變小(陳彭年等,1990;MartinCDetal.,1990;高建理等,1990;李方全等,1982;ZobackMDetal.,1980)。表2和表3分別為長(zhǎng)江三峽工程壩址附近的茅坪鉆孔和壩址西北約40km的秭歸鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果(李方全等,1993;袁登維等,1996;TanChengxuanetal.,1997)。秭歸附近長(zhǎng)江河谷呈似“V”型,谷坡15°～25°,茅坪附近長(zhǎng)江河谷較秭歸要開闊,呈似“U”型,谷坡10°～20°。由于長(zhǎng)江三峽位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái),構(gòu)造活動(dòng)較川滇經(jīng)向構(gòu)造帶要明顯減弱,從表2和表3可以看出,應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯,但應(yīng)力方向變化較大。因此,無論在地應(yīng)力測(cè)量前的測(cè)量地點(diǎn)的選取,還是在測(cè)量后構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析與應(yīng)用,都應(yīng)對(duì)上述各種影響因素進(jìn)行分析,探討非構(gòu)造應(yīng)力在具體研究位置的影響范圍、方式與程度,確定具有區(qū)域代表性的構(gòu)造應(yīng)力的測(cè)量深度,分析地應(yīng)力狀態(tài)在地下空間的變化分布,尤其是沿各種線性地下工程設(shè)計(jì)線路的變化和差異,更好地為地下工程建設(shè)服務(wù)。1在測(cè)量地應(yīng)力之前，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)1.1研究區(qū)地質(zhì)部位與應(yīng)力地應(yīng)力測(cè)量孔位的選定應(yīng)考慮地形地貌、測(cè)孔周圍的斷裂分布、巖性、人工活動(dòng)、地表風(fēng)化等因素(陳慶宣等,1998)。為配合重大工程建設(shè)需要,測(cè)量孔位應(yīng)盡量較均勻分布在研究區(qū)具有代表性的構(gòu)造部位,以便對(duì)研究區(qū)應(yīng)力分布有總體了解,并與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證。研究區(qū)測(cè)孔應(yīng)盡量選同一巖性,這樣可避免測(cè)值之間的巖性校正,便于對(duì)比分析。1.2非構(gòu)造應(yīng)力面概念關(guān)于地形地貌對(duì)地應(yīng)力的影響,國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家已作了大量研究(PanEetal.,1995;PanEetal.,1994;AmadeiBetal.,1992;AmadeiBetal.,1988;SavageWZetal.,1995;SavageWZetal.,1985;SavageWZetal.,1992;SwolfsHSetal.,1986;McTigueDFetal.,1981;McTigueDFetal.,1987;LiuLetal.,1992;LiaoJJetal.,1992;SavageWZetal.,1986;McGarrA.etal.,1988;TanCetal.,2000)。作者在前人研究的基礎(chǔ)上,依據(jù)實(shí)測(cè)資料,運(yùn)用大量室內(nèi)三維模擬分析討論了地形地貌對(duì)地應(yīng)力大小的影響,并提出構(gòu)造應(yīng)力面的概念,即由三維空間不同地點(diǎn)非構(gòu)造應(yīng)力影響消失的深度點(diǎn)構(gòu)成的曲面。在構(gòu)造應(yīng)力面之上,非構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力同時(shí)存在,而在構(gòu)造應(yīng)力面之下,僅構(gòu)造應(yīng)力存在。相關(guān)認(rèn)識(shí)如下:(1)溝谷寬度影響非構(gòu)造應(yīng)力集中范圍大小和形狀,而不影響構(gòu)造應(yīng)力面的深度。(2)山體高度(或山體坡度)不僅影響非構(gòu)造應(yīng)力集中范圍大小和形狀,還影響構(gòu)造應(yīng)力面的深度。(3)水平側(cè)壓力是引起非構(gòu)造應(yīng)力集中的主要因素。當(dāng)山體坡度小于40°時(shí),重力作用不會(huì)在溝谷或坡角引起非構(gòu)造應(yīng)力集中,但當(dāng)山體坡度大于40°時(shí),重力作用會(huì)在溝谷或坡角引起一定程度的非構(gòu)造應(yīng)力集中,但應(yīng)力集中強(qiáng)度較弱。(4)水平側(cè)壓力和山體高度是影響構(gòu)造應(yīng)力面深度的主要因素。當(dāng)水平側(cè)壓力隨深度變化梯度與重力梯度相等時(shí),在溝谷底部構(gòu)造應(yīng)力面深度近似等于山體高度。當(dāng)水平側(cè)壓力隨深度變化梯度增大,構(gòu)造應(yīng)力面深度與其呈線性增加,同時(shí)在溝谷或坡角非構(gòu)造應(yīng)力集中強(qiáng)度加強(qiáng)。1.3斷裂周邊應(yīng)力斷裂發(fā)育的復(fù)雜程度與地應(yīng)力狀態(tài)的變化密切相關(guān),斷裂越發(fā)育,地應(yīng)力狀態(tài)的變化幅度越大,在斷裂極為發(fā)育的地區(qū),應(yīng)力方向極為分散,應(yīng)力大小變化異常,并且斷裂對(duì)地應(yīng)力的影響范圍與斷裂的規(guī)模成正比。斷裂往往構(gòu)成地應(yīng)力局部分區(qū)的界面,斷裂面以上的應(yīng)力狀態(tài)常常代表被斷裂擾動(dòng)的局部應(yīng)力場(chǎng),而斷裂面以下的應(yīng)力狀態(tài)代表區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)(MartinCDetal.,1990;高建理等,1990;李方全等,1982;ZobackMDetal.,1980;蘇生瑞等,2002;EvansKFetal.,1989)。與區(qū)域主應(yīng)力方位相比,斷裂附近的主應(yīng)力方位往往發(fā)生不同程度的變化,變化幅度從幾度到近90°。加拿大地下研究實(shí)驗(yàn)室(URL)通過穿越兩個(gè)逆斷層豎井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),測(cè)定最大水平主應(yīng)力方位在斷裂上下相差近90°(MartinCDetal.,1990)。斷裂及其附近應(yīng)力量值的變化較為復(fù)雜,既有應(yīng)力增大的,也有降低的,這主要與斷裂帶附近應(yīng)力隨時(shí)間的變化有關(guān)(高建理等,1990;李方全等,1982;ZobackMDetal.,1980)。1.4未超過2.2年生時(shí)期,區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分析地應(yīng)力測(cè)量孔位應(yīng)盡可能選在地形相對(duì)平緩地段,對(duì)于峽谷區(qū),在測(cè)量之前應(yīng)作一定的前期分析,大致確定所測(cè)地段非構(gòu)造應(yīng)力的影響深度,以確定測(cè)孔鉆探深度,避免測(cè)量未超過非構(gòu)造應(yīng)力影響范圍而影響研究區(qū)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分析(白世偉等,1982;李方全等,1993)。2測(cè)量地板面積后的應(yīng)用程序2.1基于狀態(tài)差異的測(cè)量結(jié)果對(duì)于所測(cè)地應(yīng)力狀態(tài)需要進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)背景和各種影響因素分析,確定測(cè)值的可靠性,否則測(cè)值的質(zhì)量大大降低。從Zoback所編世界應(yīng)力圖可以看出,我國(guó)已有的地應(yīng)力數(shù)據(jù)需加強(qiáng)地質(zhì)背景和影響因素分析(ZobackMLetal.,1992)。地應(yīng)力測(cè)量狀態(tài)影響因素與可靠性分析的重要性在某種程度超過測(cè)量本身,一個(gè)不確定的測(cè)值是沒有意義的,甚至?xí)a(chǎn)生誤導(dǎo)作用。一個(gè)典型的實(shí)例是長(zhǎng)江三峽地區(qū),地應(yīng)力測(cè)量與區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)分析、震源機(jī)制等所得的應(yīng)力狀態(tài)存在差異,如果沒有必要的影響因素和可靠性分析,將會(huì)給構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析和地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)帶來很大困難,甚至可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。為了從有限的應(yīng)力測(cè)值推廣到區(qū)域范圍,需進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析和模擬,而模擬的應(yīng)力邊界條件該如何確定,是當(dāng)時(shí)研究的一個(gè)難題,因?yàn)椴徽_的應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果將直接影響地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果(袁登維等,1996)。2.2與同一巖性和同一測(cè)量深度進(jìn)行對(duì)比分析眾所周知,不同巖性的強(qiáng)度差異導(dǎo)致應(yīng)力測(cè)值的差異,高強(qiáng)度巖石中所測(cè)應(yīng)力較低強(qiáng)度巖石中高,一個(gè)典型實(shí)例是長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)秭歸測(cè)孔的泥巖段測(cè)值較其上下砂巖段低許多。不同地點(diǎn)測(cè)值的對(duì)比分析的前提是同一巖性和同一測(cè)量深度,否則對(duì)比分析是不確切不科學(xué)的。這就需要對(duì)不同地點(diǎn)的測(cè)值在巖石物理力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行巖性校正,然后在同一深度或同一高程進(jìn)行對(duì)比分析(陳慶宣等,1998)。Zoback在研究圣安德烈斯斷裂帶剪應(yīng)力隨測(cè)點(diǎn)到斷層距離變化的對(duì)比分析中,就特別強(qiáng)調(diào)所有測(cè)值都是在200m深度上進(jìn)行的,并在所作圖件上明確標(biāo)注,其研究意義較沒有前提的對(duì)比分析大大增加(ZobackMDetal.,1980)。2.3區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)對(duì)所測(cè)地應(yīng)力狀態(tài)需進(jìn)行代表性分析,確定測(cè)值是代表局部應(yīng)力場(chǎng),還是代表區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。在進(jìn)行實(shí)測(cè)應(yīng)力代表性分析過程中,要考慮構(gòu)造應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況,往往在重大地質(zhì)事件(如地震)的前后,由于構(gòu)造應(yīng)力存在積累、加強(qiáng)、釋放和調(diào)整的變化過程,在一定時(shí)間和地區(qū)范圍內(nèi),應(yīng)力場(chǎng)可能發(fā)生較大變化。3地應(yīng)對(duì)肥力測(cè)試結(jié)果應(yīng)在地下工程應(yīng)用中考慮的問題3.1地下工程地質(zhì)與災(zāi)害的關(guān)系由于具體地下工程設(shè)計(jì)線路穿越不同構(gòu)造部位、不同巖性、不同巖體結(jié)構(gòu)、不同埋藏深度等,以及工程本身不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、尺寸等,均會(huì)造成沿地下工程線路不同地點(diǎn)局部地應(yīng)力狀態(tài)的變化和差異,因此,在工程設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮這種變化,在工程施工過程中預(yù)防工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。隨著我國(guó)西部大開發(fā)的不斷深入,由于我國(guó)西部構(gòu)造強(qiáng)烈活動(dòng),地下工程建設(shè)將面臨越來越多的工程地質(zhì)和災(zāi)害問題。一個(gè)典型的實(shí)例是我國(guó)甘肅境內(nèi)的亞洲第一特長(zhǎng)山嶺隧道烏鞘嶺隧道在建設(shè)過程由于對(duì)地應(yīng)力狀態(tài)沿隧道設(shè)計(jì)線路的變化考慮不夠充分,而直接運(yùn)用局部地點(diǎn)所測(cè)地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行穿越隧道設(shè)計(jì),結(jié)果在施工過程中出現(xiàn)了許多沒有預(yù)期到的重大工程地質(zhì)問題,如塌方、隧道變形等。3.2應(yīng)力對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的影響地應(yīng)力測(cè)量和各種工程建設(shè)已證實(shí),在深切峽谷地區(qū)地殼淺表層,地應(yīng)力大小隨深度變化分為應(yīng)力降低(或卸荷)區(qū)、應(yīng)力增高(或集中)區(qū)和原始應(yīng)力區(qū),最大水平主應(yīng)力方向一般隨深度也發(fā)生變化。但到目前為止,尚沒有從理論和實(shí)踐中總結(jié)出具有普實(shí)性的三個(gè)應(yīng)力深度區(qū)間參考值和最大水平主應(yīng)力方向隨深度變化規(guī)律。三個(gè)應(yīng)力區(qū)間的巖體特征和地應(yīng)力狀態(tài)存在顯著差異:應(yīng)力降低(或卸荷)區(qū)巖體由于卸荷作用而較為破碎,實(shí)測(cè)地應(yīng)力大小較正常值偏低,最大水平主應(yīng)力方向離散度大;應(yīng)力增高(或集中)區(qū)巖體結(jié)構(gòu)又分為兩種情況,一種由于應(yīng)力集中長(zhǎng)期作用已造成巖體出現(xiàn)餅狀巖芯而使應(yīng)力釋放,實(shí)測(cè)地應(yīng)力大小僅稍高于正常值,另一種巖體仍為完整狀態(tài),應(yīng)力集中尚未造成巖體出現(xiàn)餅狀巖芯現(xiàn)象而釋放應(yīng)力,實(shí)測(cè)地應(yīng)力大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常值,應(yīng)力增高(或集中)區(qū)最大水平主應(yīng)力方向離散度一般也較大;原始應(yīng)力區(qū)一般巖體較完整,實(shí)測(cè)地應(yīng)力大小趨于正常值,最大水平主應(yīng)力方向相對(duì)較穩(wěn)定、離散度小。因此,地下工程應(yīng)盡量避開應(yīng)力降低(或卸荷)區(qū)和應(yīng)力增高(或集中)區(qū),前者在工程施工和安全運(yùn)營(yíng)過程中將會(huì)出現(xiàn)一系列工程地質(zhì)和災(zāi)害問題,后者一方面會(huì)造成建設(shè)成本大大提高,另一方面受應(yīng)力集中長(zhǎng)期作用,地下工程也將會(huì)出現(xiàn)不同程度的工程地質(zhì)和災(zāi)害問題。從安全施工和運(yùn)營(yíng)、節(jié)約建設(shè)成本等方面考慮,根據(jù)具體地下工程,適當(dāng)增大地下深度而把工程設(shè)計(jì)在原始應(yīng)力區(qū),可能是未來地下工程設(shè)計(jì)值得考慮的一種優(yōu)選方案,也是未來地下工程適宜性分析需要考慮的重要因素之一。4地應(yīng)力測(cè)量的目由于地表附近各種影響因素的相互作用,所測(cè)地應(yīng)力經(jīng)常疊加著非構(gòu)造應(yīng)力,需在地應(yīng)力測(cè)量前、后進(jìn)行必要的分析,在地下工程應(yīng)用中應(yīng)充分考慮工程所處地質(zhì)條件的差異性以及工程設(shè)計(jì)的不同所引起的地應(yīng)力狀態(tài)的變化,使