第4章 岩体地应力及其测量方法

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1、141第4章岩体地应力及其测量方法§4.1概述如前所述,岩体介质有许多有别于其他介质的重要特性,由岩体的自重和历史上地壳构造运动引起并残留至今的构造应力等因素导致岩体具有初始地应力（或简称地应力）是最具有特色的性质之一。就岩体工程而言，如不考虑岩体地应力这一要素，就难以进行合理的分析和得出符合实际的结论。地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏。这都是由于在具有初始地应力场的岩体中进行开挖所致，因为这种开挖“荷载”通常是地下工程问题中的重要荷载。由此可见，如何测定和评估岩体的地应力，如何合理模拟工程区域的

2、初始地应力场以及正确和合理地计算工程问题中的开挖“荷载”，是岩石力学与工程问题中不可回避的重要问题。正因为如此，在岩石力学发展史中有关地应力测量、地应力场模拟等问题研究和地应力测试设备的研制一直占有重要的地位。地应力测量与研究的崛起和发展，是20世纪在岩石力学领域中非常振奋人心的科研成果，它的应用已普及土木、水电、矿山、交通、军工等系统的工程建设和地震机制研究中。4.1.1地应力的基本概念地应力可以概要定义为存在于岩体中未受扰动的自然应力，或称原岩应力。地应力场呈三维状态有规律的分布于岩体中。当工程开挖后，应力受到开挖扰动的影响而重新分布，重分布后形成

3、的应力则称为二次应力或诱导应力。4.1.2地应力的成因、组成成分和影响因素1.地应力的成因人们认识地应力还只是近百年的事。1878年瑞士地质学家A.海姆(A.Heim)首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即（4-1）141式中，——水平应力；——垂直应力；——上覆岩层容重；H——深度。1926年，苏联学者A.H.金尼克(A.H.ДИННИК)修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，即：，式中为

4、上覆岩层的泊松比。同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公式来定量地计算地应力的大小，并且也都认为地应力只与重力有关，即以垂直应力为主，他们的不同点只在于侧压系数的不同。然而，许多地质现象，如断裂、褶皱等均表明地壳中水平应力的存在。早在本世纪20年代，我国地质学家李四光就指出：“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。”1958年瑞典工程师N.哈斯特（N.Hast）首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力测量的工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最大水平主应力一般为垂直应

5、力的1～2倍以上；在某些地表处，测得的最大水平应力高达7MPa，这就从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。产生地应力的原因是十分复杂的。30多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。(1)大陆板块边界受压引起的应力场中国大陆板块受到外部两块板块的推挤，即印度洋板块和太平洋板

6、块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到了西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。在这样的边界条件下，板块发生变形，产生水平受压应力场。其主应力迹线如图4-1所示。印度洋板块和太平洋板块的移动促成了中国山脉的形成，控制了我国地震的分布。(2)地幔热对流引起的应力场由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动。当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就分为二股方向相反的平流，经一定流程直到与另一对流圈的反向平流相遇，一起转为下降流，回到地球深处，形成一个封闭的循环体系。地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力。141图4-1中国板块主应力迹线图(1)由地

7、心引力引起的应力场由地心引力引起的应力场称为自重应力场，自重应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。地壳中任一点的自重应力等于单位面积上覆岩层的重量。自重应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分。但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，这是因为板块移动等其它因素也会引起垂直方向应力变化。(2)岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围地层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，对其周围施加的是各个方向相等的均匀压力，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

8、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。与上述三种应力场