地下结构工程第讲讲稿

地下结构工程（第二讲）3、岩体地应力问题2002年3月19日3、岩体地应力问题

3.1问题的提出：人类对地应力的认识过程3.2地应力的成因3.3地应力的分布规律3.4地应力场与地下结构布置设计的关系

3.1问题的提出：人类对地应力的认识过程为什么在讨论地下结构问题时，首先提出了地应力问题？答：地应力是影响地下结构稳定的主要因素，是引起地下结构变形和破坏的根本作用力。地应力决定了地下结构几乎所有的边界条件和地下工程实施的初始条件。是一切计算、试验分析的前提和基础。不了解地应力情况的地下结构设计，只能是盲目的设计。

人类对地应力的认识过程这个过程还不到100年1912年，瑞士地质学家A.Heim首次提出地应力的概念，并假定地应力是一种静水压力状态。即地壳中任何一点的应力在各个方向相等，并且等于该点以上覆盖的岩层产生的压强。即：1926年，前苏联学者A.H.Gennik修正了A.Heim的静水压力的假定，认为垂直应力可以等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）应该是泊松效应的结果。它的值应该等于H乘以一个修正系数K，称为侧压系数，根据弹性力学理论，他认为K＝/(1-),即：问题：难道地应力只与岩层重力有关吗？回答是否定的。李四光曾在20年代根据许多地质现象提出：“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。”50年代，瑞典？的N.Hast在Scandinavia半岛进行了大量的地应力测量工作，发现地壳上层最大主应力大部分是水平或接近水平的。最大水平应力的值一般为垂直应力的1～2倍，甚至更高。在某些地表处测得的水平地应力达到7Mpa。这个结果从根本上动摇了地应力是静水压力的理论，以及地应力以垂直应力为主的观点。进一步研究表明：重力作用和构造作用是引起地应力的主要原因，尤其水平方向的构造运动对地应力场的形成影响最大。当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所决定，但也与地壳演化历史上的各次构造运动有关。最终的地应力场是历次构造运动应力场的叠加。同时还受到其它因素的影响，造成了地应力场分布的复杂和多变性。几种结构面的性质1.压性结构面：垂直于最大主应力方向的结构面，如褶皱的轴面或直立岩层等。与最大主应力垂直的平面与地面的交线叫构造线。扭性（剪性）结构面：沿最大剪应力方向出现的“X”形结构面，其锐角平分线方向为最大压应力方向。张性结构面：在拉应力作用下产生的破裂面，往往沿一对“X”形扭剪性结构面发育。3.2地应力的成因

产生的原因十分复杂包括地壳板块运动中相邻板块之间的挤压产生的应力地幔热对流引起的应力场地心引力形成的自重应力场地球旋转形成的惯性力场地下岩浆入侵和地壳非均匀扩容地壳温度不均引起的应力水压力地表风化剥蚀和其它物理化学变化引起的应力释放等

3.2.1板块运动引起的地应力

中国大陆板块受到印度板块和太平洋板块

的挤压，每年挤压变形达数厘米。同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。因而产生水平受压的应力场，其主应力迹线如上图所示。印度板块和太平洋板块的挤压造成了我国大陆板块边缘的隆起和山脉的形成，同时也是我国地震的主要成因。3.2.2地幔热对流引起的地应力

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，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽，它是一个有拉伸特点的带状区．我国从西昌、渡口到昆明的裂谷正位于这一地区．该裂谷区有一个以西藏中部为中心的上升流的大对流环，在华北－山西地堑有一个下降流．由于地幔物质的下降，引起很大的水平挤压应力．

3.2.3地心引力引起的地应力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的上覆岩层的重量。重力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，因为板块移动，岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化．

3.2.4岩浆入侵引起的地应力岩浆侵入挤压、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，并从接触介面处逐渐向内部发展．不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．与上述三种应力场不同，由岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场．3.2.5地温剃度引起的地应力地层的温度随着深度增加而升高，一般温度梯度为3Ｃ／100ｍ．由于温度梯度引起地层中不同深度不相同的膨胀，从而引起地层中的压应力，其值可达相同深度自重应力的数分之一．另外，岩体局部冷热不均，产生收缩和膨胀，也会导致岩体内部产生局部应力场．

3.2.6地表风化剥蚀引起的地应力地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用。剥蚀后，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度所引起的自重应力还要大得多的水平应力值。因此，在某些地区，大的水平应力除与构造应力有关外，还和地表剥蚀有关。3.锣3侨地应烂力的右分布葱规律3.扫3.筋1义地应遇力是炭时间累和空膀间的惰函数地应跌力在赤绝大这部分拔地区嗓是以翼水平钓应力碗为主恐的三凶向不罗等压嫂应力苦场．食三个丽主应腰力的本大小脑和方劣向是扭随着吧空间根和时再间而腥变化李的，汁因而榨它是返个非雅稳定廉的应忠力场使．地应糟力在汪空间司上的师变化落，从浑小范爬围来曲看，坟其变蔬化是歪很明书显的概，从冰一个袄矿山锯到另煌一个扛矿山犯，从旋某一希点到甲相距滋数十击米外绸的另宾一点购，地在应力楼的大附小和弟方向蝇也是样不同福的．麦但就诊某个里地区右整体妨而言缘瑞，地眼应力狸的变填化是岁不大笑的．所以魄它是捞相对调稳定冬的非未稳定畏应力控场。在某百些地途震活素跃的哲地区判，地沟应力纪的大和小和魔方向赞随时眯间的五变化付是很至明显饮的。陡如1恩97数6年积唐山付地震晃后，威在唐嫌山凤引凰山舟测得领的最曾大主军应力伏方向深为北钩47°西，秋与区抓域应测力场侄的最劫大主圆应力贞方向煤有较许大偏酬差．旨78惑年，醋在同勺一地出点测抢量，忘其最榆大主寄应力糟方向秒变为粥近东赛西向室（北卫89°西）辈与区屠域应芝力场倾最大待主应踪蝶力方览向相蒙一致艺。邢坐台地项震区程也有衫类似离情况倦。前澡苏联哗的喀具尔巴爽歼山套、高控加索枝等地靠，发种现主愈应力躬方向向每隔乱6～锡12或年就载有一惠次较皮大变麦化．顶我国牺甘肃贪六盘深山主另应力锯方向瞒在三玻年内枯有2乒0～慨30°的改杂变．辽而瑞仔典北细部的胸梅尔织格特涉矿区界，发亚现现阿今应恭力场镰方向燃与2晚0亿莲年前仁应力卷场方招向完狡全相氏同．3.乌3.或2压垂直作地应沸力与牙埋深循的关院系.对全欣世界号实测券垂直持应力σv的统枯计资两料的娱分析拐表明痛，在怎深度忠为2微5～检27奇00面ｍ的搬范围戚内，σv呈线冠性增英长，证大致耗相当良于按扁平均啦容重γ等于让27KN及/m3计算锐出来侄的重后力γH禁．但在戴某些膜地区拦的测胸量结芝果有天一定突幅度督的偏秀差．啄如我拨国σv/γＨ=锐0.谨8～洋1.好2的广仅占移5％亭，σv/γＨ＜成0.淹8的竟占1毯6％悠，而σv/γＨ＞姑1.怠2的练占7养9％滥。前洲苏联青测量锋资料难表明荒：σv/γＨ＜为０．唉８的巩占4秆％，σv/γＨ＝逐0.街8～城1.卫2的怕占2英3％扔，σv/γＨ＞衔1.违2的芝占7爆3％劫．值得世注意涉的是动，在峰世界照多数籍地区撞并不复存在添真正个的垂爪直应帽力即坝没有冤一个派主应刊力的技方向葬完全休与地讽表垂右直．刚但在甘绝大祖多数骄测点惨都发胞现确贫有一峰个主资应力觉接近酷于垂密直方醒向，巴其与奔垂直让方向扬的偏充差不命大于炭20习º。虹这一泛事实悬说明帖，地劫应力糕的垂术直分壮量主乱要受价重力汽的控联制，伪但也榨受到桥其它捐因素父的影地响。3.硬3.赚3君水平躺地应体力普筹遍大窃于垂乓直地春应力实测姥资料满表明挪，在暑绝大仰多数无（几舱乎所这有）灯地区撑均有愧两个趴主应靠力位斗于水锁平或策接近听水平保的平岛面内垂，其伪与水猜平面换的夹胃角一徐般不援大于号30°．最纲大水唤平主驳应力现普遍打大于昼垂直馋应力曾。水赵平地咽应力碗与v之比踪蝶值，事为0赶.5尤～5速.5您，在嘴很多摇情况客下比敌值大梅于2敌。在雹浅埋像地层近中水痛平地塑应力乎普遍焰大于循垂直碎地应淡力，满说明债板块毯运动哥在形搂成地爹应力午过程扑中起徐到主糟要控强制作沃用。宪垂直松地应邻力一两般为吵最小祸主应锄力或校中间艺主应姥力，还极少浅情况侨下为葬最大栗主应寸力。3.榆3.卸4印平均逝水平稍地应惑力与蕉垂直纳地应棕力之激比随鹊深度帝增加氧而减挑小这是盖一个巡寿普遍咸规律蓝，但网是减凝小的泰速度啄在各及个地车区有顷所不怪同。根据杏世界剑几个挎国家轨的实注测资炒料，Ho耀ck和Br披ow撕n回归勾出以您下公鹅式：上图呈表明旅，在淡深度科不大应的情仍况下腐，水妄平地宿应力赵与垂渠直地微应力溉之比塑相当墙分散果，随辆着深追度增独加，骡该值高的变纠化范善围逐呈渐缩寺小并魂且有链向1旱.0仆附近糕靠近闪的趋供势。路这种场趋势精表明致，在烦地壳防深部冠有可睛能出母现静恨水压引力状伸态。加拿弟大的遭地应共力实燥测情弹况回组归出山如下托公式桌：3.测3.绝5捧水富平地亏应力法随深桶度呈搅线形涉增加借趋势O.召S绣te凑ph比an闲ss星on测出滑瑞典Fe棒nn郑os镰ca并nd孕ia地区玻古陆染地最垂大水优平主玩应力捞和最晓小水查平主鞋应力李随深奏度变烤化的辩线性朝关系效方程椅：h,驰ma衡x=霉0.延04艳44华H菜+玻6骂.7h,纷mi渠n=绘0.抱03暑29辆H府+吐0锻.8可以忘看出撕公式还中的迁常数沫项值录比较其大，洋当H等于哀0时批，水姐平地镇应力法仍有丽较大条的数乏值，饶说明祸构造伏运动糟对地施应力骆的影邀响是艇显著惭的。3.壶3.唇6两最葬大、呜最小幻玉水平头地应场力有窄较大忌差异叼，反望映出朵很强豪的方娃向性蛮。二婚者之立比可多达1椒.2峡5～烫5，蒙一般银为1港.2园5～耕2.兆5。3.耳3.禽7摘地应违力分承布规裤律异椒常上述绸6点赔是地闹应力厘分布牙的一刻般规刷律，舟但是巧在地化形变筐化、满有地具质构圈造、钟严重盛风化良、温絮度变稀化和踢地下惰水丰需富的剑情况掩下，曾容易忧发生胁地应脏力场腾分布晚规律凭的异戒常。货其中线地形岂变化炎和地扎质构斧造影窑响最词大。在具驱有负宁地形妨的峡惕谷或亡山区沃，地手形的县影响帆在侵啦蚀基颂准面余以上征及其码以下层一定袖范围端内表矮现特牵别明袜显．极一始般来合说，龟谷底哥是应宿力集逆中的语部位船，越侮靠近角谷底爬应力寨集中欠越明利显．最大剩主应吓力在朋谷底轿或河割床中捡心近绩于水债平，木而在油两岸货岸坡币则向板谷底耀或河艇床倾尝斜，桌并大络致与透坡面糠相平起行．荒近地弃表或六接近脂谷坡逗的岩吸体，跃其地前应力刺状态矩和深笛部及迅周围格岩体贤显著对不同例，并煤且没绣有明东显的陶规律留性．尾随着需深度铜不断库增加墨或远葡离谷辩坡，琴则地凝应力夏分布诵状态惯逐渐嗓趋于鸣规律楚化，杯并且艘显示财出和始区域方应力们场的掀一致模性．在断叮层和讽结构份面附万近，绳地应棵力分渗布状斤态将抽会受喂到明索显的诊扰动坝．断良层端瞧部、泰拐角木处及伪交汇哪处将集出现罢应力奖集中吹的现对象．粒端部诱的应展力集屿中与蛇断层萍长度红有关然，长雾度越极大，助应力猾集中取越强郑烈．闷拐角碑处的悬应力刃集中程桑度与键拐角判大小成及其去与地窑应力讨的相掀互关街系有认关．扁当最薄大主如应力设的方远向和贴拐角删的对欣称轴页一致养时，慎其外便侧应软力大丽于内愿侧应絮力．由于弟断层枕带中蹦的岩炕体一蒙般都葡比较蝴软弱傍和破膊碎，测不能棍承受泰高的犹应力亮和不工利于吵能量毯积累慰，所陡以成描为应甚力降吩低带遍，其陈最大叼主应着力和咳最小炊主应讽力与剪周围誉岩体犹相比顾均显辈著减假小．艳同时私，断夸层的炉性质础不同扶对周衬围岩资体应懂力状着态的大影响剧也不访同．滑压性遮断层盒中的帅应力诸状态恒与周健围岩水体比竿较接基近，抽仅是老主应诉力的贺大小爹比周守围岩翁体有蚀所下劈燕降；虽而张晴性断封层中翼的地通应力顽大小墨和方眨向与互周围铁岩体鄙相比耕均发申生显甘著变宋化．3.红4炭地应上力场蜻与地猜下结登构布磁置设懒计的间关系3.忠4.海1肿地下乌结构壮是否裕承受知内水旦压力不承狱受内描水压每力的孟洞室饲结构虫尽量衣布置促在地想应力绝值较苦小的数部位承受概内水请压力伙的洞司室结涂构则案应布众置在已最小润主应热力大诱于最麦大内勺水压后力的耍部位3.校4.咳2户地下献洞室谜长轴猫与地鄙应力留的关避系一般炮情况稍下，伪地下绵洞室合结构漂的长勒轴方笼向应抛该与消最大伤主应良力的观水平般投影妄方向倍呈小护角度脊相交杠。在较列均匀忆的岩沫体中啦，对蹦高跨便比接承近1短.0址的洞档室结窝构，蚁洞轴膊线方阅位的刊布置鞠应该房诚使作泻用在告洞室煮断面镰上的板垂直育应力役与水谈平应证力尽斗量接爹近相罢等。表根据饱三个倘主应床力分访量关优系的捉不同披，又句可分别为三波种情册况：h1>h2>vv>h1>h2h1>v>h2洞室长轴平行h1

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