地应力状态在场地稳定性评价中的运用

自然历史分析法之—

地应力状态在场地稳定性评价中的运用1前言2岩体的自重应力场3岩体的构造应力场4地应力分布的主要规律5地应力的工程应用1前言

地应力（天然应力/naturalstress）是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。岩体的地应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的。地面和地下工程的稳定状态与岩体的初始应力状态密切相关。通常情况下，对于岩石工程来说，主要考虑自重应力和地质构造应力。下面列举了一些与地应力有关的概念。古应力场：在地史时期作用的应力场。现应力场：现今作用的应力场。构造应力场：由构造作用造成的应力场。从活动的地质时期划分：第三纪以前的构造应力场为古构造应力场；第三纪以来的构造应力场为现代构造应力场。（注：地质力学泛指燕山运动以前的构造应力场为古构造应力场）地应力（天然应力/naturalstress）：存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。自重应力（gravitationalstress）：由于上覆岩体重量引起的应力。构造应力(tectonicstress)：由于岩石圈板块的相对位移引起的应力。区域应力(regionalstress)：在相对大的地质区域内的应力状态。局部应力(localstress)：在相对小的地质区域内的应力状态。感生应力(inducedstress)：受工程活动扰动的天然应力。残余应力(residualstress)：形成应力的机制停止作用后仍然在岩体中存在的应力，这种应力可被当作是在不受外界作用的隔离体内。重点:自重应力和构造应力。2岩体的自重应力场（略）

3岩体的构造应力场

地质构造运动产生的地质构造应力，在岩体中不可能无限地积累起来，视所处地区不同或地质条件不同，岩体的构造应力可能全部或部分释放，成为残余应力。一般认为自重应力是主应力之一；另两个为水平主应力。3.1野外调查初步判别地应力状态的方法3.1.1断裂构造与主应力方向的关系

1)断层与主应力方向的关系正断层：最大主（压）应力轴σ1为垂直状态，中间主应力轴σ2与最小主（压）应力轴σ3为水平状态，断层走向与中间主应力轴平行。逆断层：最小主（压）应力轴σ3为垂直状态，最大主（压）应力轴σ1与中间主应力轴σ2为水平状态，断层走向与中间主应力轴平行。平移断层：中间主应力轴σ2为垂直状态，最大主（压）应力轴σ1与最小主（压）应力轴σ3为水平状态。2)节理与主应力方向的关系张节理：走向与最小主（压）应力轴σ3垂直，与最大主（压）应力轴σ1平行，中间主应力轴σ2与倾向平行。优选的)张节理有：区域性剪切带、共扼剪切带中方位没有明显转动过的初始雁列张节理；追踪张节理以及火山口附近的放射性张节理。剪节理：最大主（压）应力轴σ1与最小主（压）应力轴σ3位于共扼剪节理的等分角线上，中间应力轴σ2为共扼剪节理的交线。注：可靠性，共扼剪节理＞张节理＞断层3.1.2褶皱与主应力方向的关系1)纵弯褶皱

a.轴面近于直立:σ1呈水平；σ2平行轴线；σ3直立

b.轴面倾斜、倒转、平卧：σ2平行轴向，σ1、σ3不易确定。2)纵弯褶皱

一般情况下，σ1近于直立或陡倾，σ2、σ3近于水平。圆形穹隆、滑褶皱、流褶皱不易确定主应力方向。3.1.3小构造与主应力方向的关系1)流劈理（板劈理）、片理、缝合线构造、透镜体及香肠构造等压性结构面与σ1垂直。2)窗棂构造、杆状构造、皱纹线理等走向与σ2平行。3)矿物颗粒、卵石、鲕粒、化石等的拉长，矿物生长的长轴排列等方向与σ3平行。

重点：确定构造发展演化期次、先后生成关系，否则即使点应力状态分析正确，也会误判区域应力场。3.2水压致裂法测量地应力

3.2.1方法原理及技术基本点是通过液压泵向钻孔内拟测量深处佳液压。将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表头读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。压裂点上、下用止水封隔器密封，其结构如图1。水压致裂过程中泵压变化及其特征压力示于图2。以垂直向的地应力σz为主应力之一，则其他两个地主应力为水平面的平面内。当孔壁出现垂直裂缝时，设孔周两个地应力分别为σ1h和σ2h，孔壁还受水压Pb。图1止水、压水工作原理P0：岩体内孔隙水压或地下水压力；Pb：注入钻孔内液体压力将孔壁压裂的初始压裂压力；Ps：液体进入岩体内连续地将岩体劈裂的液体压力，称为稳定开裂压力；Ps0：关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如果围岩渗透性大，该压力将之间衰减；Pb0：停泵后重新开泵将裂缝重新张开的压力，称为开启压力。图2泵压变化及特征压力

3.2.2基本理论和计算公式如图3。根据图4.2上各特征点压力及理论分析求得主应力及岩体抗拉强度T0值得关系，即：σ2h＝Ps0Pb－Pb0＝T0σ1h＝3σ2h－Pb＋T0或σ1h＝3Ps0＋Pb03.2.3应用的特点1)设备简单：只需用普通钻探打孔，用双止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩体，不需要复杂的电磁测量设备。图3孔壁开裂力学模型2)操作方便：只通过液压泵向钻孔内注液压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可。3)测值直观：可根据压裂时泵压（初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力）计算出地应力值，不需要复杂的换算及辅助测试，同时还可以求得岩体抗拉强度。4)测值代表性大：所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好的代表性。5)适应性强：不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下作试验，不怕电磁干扰，不怕震动。3.2.4缺点及解决办法水压致裂法的缺点是地主应力方向难以确定，一般可以通过分析的方法来初步解决，即；1)可用印模器或井下电视测出σ1h、σ2h的方位。即将压裂时安装的封隔器取出后，将印模器放入井中位置，向印模器注液加压即可在印模器上得到破裂处的印痕并测出其方位。2)一般来讲σz＝γH，为地主应力之一。若σz≥σ2h，则σ2h为最小地主应力σ3；进一步将σ1h与σz作比较，就可以确定另两个地主应力σ1、σ2。3)若σz＜σ2h，并且孔壁开裂后孔内出现水平裂缝，则σz为最小地主应力σ3；σ1h、σ2h为另两个地主应力σ1、σ2之一，垂直开裂方向即为σ1。4地应力分布的主要规律

具有全球性、区域性和局部性。全球性以水平运动为主；区域性常常与现今构造活动密切有关；局部性往往和褶曲、断裂等局部地质构造的现今活动有关。4.1中国岩石圈主应力方向的特征

在喜马拉雅构造期：中国西部的主应力方向是北北东—南南西走向；中国东部则为北南走向至北北西—南南东走向。在新构造期：1)青藏高原西部和新疆大部仍处于北北东—南南西走向；2)中国北方大部分为北北东—南南西走向；3)中国南方大部分为北西—南东走向。4.2垂直应力随深度的变化规律1)一般认为，岩体天然应力的垂直分量等于该点的上覆岩层的质量γH；2)大多数情况下，σv/γH＞1，有人总结了世界范围内的资料（25~2700m范围内）后得出，σv随深度H的增大而呈线性关系增加，大概相当于按平均密度为2.7g/cm3计算出来的γH。4.3水平应力随深度的变化

水平应力随深度增加呈线性关系增大是普遍规律。4.4水平应力与垂直应力的比值水平应力与垂直应力的比值随深度而变化，在接近地表及浅层地层中，大多数的实测结果大于1，即水平应力＞垂直应力。随深度的增加，就会出现比值为（或接近于）1的状况，这个深度称为临界深度。（平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小，且趋近于1；最大水平主应力与垂直应力之比随深度增加而减小，且趋近于1）4.5两个水平应力之间的关系一般来讲，无论大区域或小区域范围内，其大小和方向都有变化。一般地，σHy/σHx＝0.2~0.8，而大多数为0.4~0.7。在构造简单，地层平缓的地区会存在σHy＝σHx的情况。5地应力的工程应用

5.1评定工程场地的稳定性根据不同的地壳应力状态，不仅能判别相应地区地壳构造的稳定程度，而且还可以确定场区断裂的活动方式和边坡的稳定性。在重力应力占优势的地区，容易促使正断层和边坡的向下滑移；而在剪应力活动为主的地区，断层则往往以平移、走滑运动为其特征；如果在水平挤压应力占主导的情况下，则需考虑主压应力方向与断层走向和边坡延展方向的关系，即二者夹角越小，越容易使得断层和边坡滑动；而夹角越大甚至在近于垂直的情况下，就将有利于增强场地的稳定性。若把原地应力测量获得的地壳应力状态与岩石及断层摩擦性状的试验研究结合起来，还可以对大型工程有关的断层稳定性作定量分析。实例1：

长江葛洲坝工程的基岩为下白垩统红色岩层，产状平缓。厂房基坑开挖深50m左右时，发现上、下游边坡均沿几个主要软弱夹层向临空面转移，单层相对位移量为8cm左右。但移动并不是沿重力作用方向进行，而是与边坡法线发现呈20°夹角，与岩层倾向呈100°夹角，移动方向与区域构造应力方向一致，坑底的岩层沿软弱夹层也有1～6cm的移动。实例2：青藏铁路中青海关角隧道全长4km，埋深520m，穿越祁连南山的天然分水岭，是西宁—格尔木铁路的咽喉。该隧道工程始于1958年，1961年因故停工，1974年复工。自施工建设以来，隧道不断发生拱顶，边墙开裂，地面隆起，中心线偏移，导坑缩径等多种病害。根据区域地貌特征，山前断裂的挽近活动及地震资料的分析，推断这里的现今构造活动仍然保持和大体继承者老的构造活动特点—受南北向的区域性挤压作用，故而推断现今区域最大水平主压应力方向仍为近南北向。如此，最大水平主压应力方向与隧道轴向（北51°东）呈较大交角。5.2矿山工程设计中的应用1)选择巷道轴线的最佳方向在最大主应力方向和接近最大主应力的方向上，巷道周围受力既小又比较均匀，随着与最大主压应力方向的夹角增大，巷道周围受力也逐渐增大，受力的不均匀性也趋于明显。因此，将巷道轴线选在接近最大主压应力方向和靠拢最大剪应力方向上，就能大大减少巷道的变形破坏。实例：

甘肃金川镍矿西风井地段经测定的最大主压应力方向为北35°东。1300中段和1250中段巷道走向为北30°西（与主压应力近于垂直），当穿过一北75°西的断裂带时，掘进困难，开挖后巷道严重变形。1200中段巷道走向改为北20°东（与主压应力近于平行），则掘进顺利，开挖后巷道变形很小。2)确定最佳巷道断面的几何形状直墙半圆拱断面：巷道圆弧部分能形成压力拱，抗压性能较好，两帮是薄弱环节，底板则存在较大的水平挤压力。适用于重力塌陷的矿山工程开挖巷道。椭圆断面：巷道周边存在较大的挤压力，其迹线沿着巷道周边均匀展布，使得巷道周围形成强大的压力拱，既不容易产生两侧内鼓，也不容易出现底鼓现象，是水平应力作用显著地区矿山工程巷道最佳的断面形状。双轨直墙半圆拱断面：跨度增大，句椭圆断面的部分优点，同时也存在与直墙半圆拱巷道类似的两帮和底板内鼓得特点，居于两者之间。3)为选择合理的支护提供依据了解巷道周边的受力状态，就可选取合理的支护方式，并在薄弱部位采取必要的加固措施。例如：在巷道的圆弧部分有较大的挤压力，但也往往有较大的剪应力出现，容易产生剪切破裂，尤其对于产状比较缓的岩层更容易出现片冒现象。因此必须加锚杆