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地应力

2020-04-09 21:01

岩体在天然状态下所具有的内在应力,在工程上通常称为初始应力(initial stress),地应力的名称有多种,在国际上还称为现场应力(in-situ stress)、天然应力(natural stress)、原岩应力(field stress )和残余应力(residual stress)等。自然界中大的山崩,深切峡谷边坡的坍塌滑落,地震、火山爆发,以及地震引起的地表变形都是地应力变化的结果。在矿山和地下工程开挖和利用过程中,坚硬脆性岩区所出现的岩爆,在软弱岩层区常出现的鼓起和挤出,大型基坑开挖后出现的岩体位移,以及在钻探过程中所出现的岩饼和剥落现象都是地应力的作用。曾经还发现,即使在已脱离母岩的岩块中,也可能存在一定的内部应力。

引起岩体地应力的因素很复杂。其中包括:沉积自重作用、地质构造作用、变质作用、结晶作用、变温作用、放射性元素衰变作用、固结作用以及水解作用等,此外还有地球运动的作用。在这些因素中最主要的是自重作用和地质构造作用。同时,地应力还与岩体的性状,地表形态,内在裂隙的分布、方向和多少,岩石本身的性质(弹性、塑性),以及断层、褶皱等地质现象有密切关系。由于这些因素的影响,地应力在岩体中也不是均匀的,而是随着空间和时间而变化的。地应力场属于不稳定的应力场。

地应力类型

按来源的不同可分为自重应力、构造应力和热应力等,其中最主要的是自重应力和构造应力。

自重应力

假定岩体简化为均质半无限弹性体,忽略地质构造和地形变化对岩体初始应力的影响,自重应力引起的应力场随深度的变化如图1所示,其量值为

式中,γ为岩体的容重;H为距地表深度;λ为侧压系数。

图1 自重应力场的变化规律示意图

σ′z—铅直应力;σx、σy—水平应力;H—距地表深度

λ系数可根据半无限体侧向变形为零的条件求得

当埋深较大且超过一定深度时,岩体的自重应力超过岩石的弹性限度,岩体将处于塑性状态。在一般情况下,均质岩体由地表往下先是弹性区,再往下则是塑性区。在有构造作用的地区,情况则并非如此。

构造应力

由于地壳运动引起的岩体内的应力。在漫长的地质年代中,地壳始终在不断运动和变化。由于这种地质构造运动,使岩体受到很大的外力作用,并产生相当大的塑性变形,从而岩体内积存着应力,这种应力即为构造应力。在某些新的破坏性扰动下,或者经过长期地质过程,构造应力可能全部释放,也可能部分释放。部分释放后,构造应力就成为岩体残余应力。

图2 变形时的σ—ε图

图3 二滩水电站2号探硐实测最大主应力值及10号钻孔主应力分布

Ⅰ—应力释放区;Ⅱ—应力集中区;Ⅲ—应力平稳区

图4 背斜向斜对地应力的影响

(a)背斜;(b)向斜实际地应力;与埋深一致的地应力

图2中曲线(OA)表示初次加载时的应力—应变曲线,当σ达到与A点相应的数值,并在卸载时达到B点时,则面积(OAA′)等于全部消耗的能量,即

面积(AA′B)为卸载时能够从所消耗能量中恢复的储备能量,其值为

面积(OAB)为卸载后不能恢复的变形能。可见,岩体储存的能量通过弹性变形才能达到。岩体的弹性变形越大,储备的能量就越多。若应力达到强度极限,岩体破坏,这时岩体中除保存残余变形外,储存的能量将全部或部分消失,构造应力也将全部或部分消失。

热应力

岩层在不同部位受到不同程度的加热或冷却,由此而产生的岩层中的应力。例如,岩浆的冷却或早期被冰覆盖的岩石的升温等。在水利工程中所遇见的岩体热应力常常较小,一般可忽略不计。

地应力变化特征

一般高地应力地区,水平地应力分量大大超过其上覆盖层的岩柱重量。这种现象有随深度变化的趋势,达到一定的深度以后,水平应力开始小于铅直应力,这个转变点的深度(临界深度)在各地各不相同。通常将平均水平地应力(σx)与铅直地应力(σz)的比值称为侧压比(λ),其值随深度的增大而减小。对于不同地区,λ值各不相同,但其变化范围基本上介于下列不等式所限定的范围之内

式中,y为实测应力的深度,m。

地面地形是影响地应力的因素之一,在河谷地区,两岸大主应力方向与谷坡平行,谷底的大主应力方向趋于水平。图3是中国四川省二滩水电站河谷山体内大主应力实测的结果。河谷地区的应力大小分为3个地带,地带Ⅰ的铅直应力小于或接近于岩体的自重应力,为应力释放区;地带Ⅱ的实测铅直应力相当于自重应力的3~10倍,为应力集中区;地带Ⅲ不受河谷影响,为应力平稳区。

地质构造对地应力有显著影响。在背斜构造中,背部的地应力一般比埋深所决定的应力要小,而在两侧部分则相反,会出现较大的地应力。在向斜构造中,中央部分存在着比埋深大一些的地应力,两侧部分则较小(图4)。楔形地块中的地应力小于埋深所决定的应力,在倒楔形地块中却会产生比埋深所决定的应力更大的地应力。实测结果还表明,靠近断层的地应力受到应力解除,其数值较外围要小。

地应力的量测和估算

地应力的量测,参见地应力测量。必要时可采用直观估计和理论计算方法。理论计算常根据实测应力或位移进行反推。

在高应力区进行工程设计时,应根据具体情况采取相应措施,以避免因地应力过大而导致工程破坏。常用方法有:①根据侧压力系数的不同,对不同的可能破坏位置采取加强措施。②调整洞轴方向以适应最大水平主应力。③对于最大水平地应力与单轴抗压强度之比值大于3~6、易于产生岩爆的地区,采取恰当的施工措施加以防止。

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