初始地应力是什么?关于初始地应力的详细介绍

创闻科学2020-11-17 12:26:16

地应力是存在于地层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。在实际开挖施工中往往造成各种露天或地下工程的失稳、坍塌或破坏,使开挖作业无法进行,并经常导致严重的工程事故,造成可怕的人员伤亡和国家及集体财产的巨大损失,因此,在实际的岩石工程中需要对其进行测量,测量方法包括直接测量法和间接测量法。

地应力含义及其测量必要性地应力含义

地应力是存在于地层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。它是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力,是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。

地应力测量必要性

传统的岩石工程的开挖设计和施工是根据经验来进行的。当开挖活动是在小规模范围内和接近地表的深度上进行的时候,经验类比的方法往往是有效的。但是随着开挖规模的不断扩大和不断向深部发展,特别是数百万吨级的大型地下矿山、大型地下电站、大坝大断面地下隧道、地下硐室及高陡边坡的出现,经验类比法已越来越失去其作用。根据经验进行开挖施工往往造成各种露天或地下工程的失稳、坍塌或破坏,使开挖作业无法进行,并经常导致严重的工程事故,造成可怕的人员伤亡和国家及集体财产的巨大损失。

地应力成因

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,即印度板块和太平洋板块的推挤,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1所示。印度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,就分为两股方向相反的平流,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、攀枝花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)由地心引力引起的应力场。

由地心引力引起的应力场成为重力应力场,重力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,即:

重力应力为垂直方向的应力,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、温度不均和水压力梯度均会引起垂直方向应力的变化。

4)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侵入后即逐渐冷凝收缩,并从接触界面逐渐向内部发展。不同的热膨胀系数及热力学过程会使岩浆自身及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。

5)地温梯度引起的应力场。

地层的温度随着深度增加而升高,一般地温梯度为α=3℃/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,岩体局部寒热不均,产生收缩和膨胀,也会导致岩体内部产生局部应力场。

6)地表剥蚀引起的应力场。

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多的水平应力值,因此,在某些地区,大的水平应力和构造应力有关,还和地表剥蚀有关。

地应力的分布规律

1)地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场,它是时间和空间的函数。

地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的,因而它是个非稳定的应力场。地应力在空间上的变化,从小范围来看,其变化是很明显的,从某一点到相距数十米外的另一点,地应力的大小和方向也可能是不同的。但就某个地区整体而言,地应力的变化是不大的。例如,我国的华北地区,地应力场的主导方向为北西到近于东西的主压应力。

在某些地震活动活跃的地区,地应力的大小和方向随时间的变化是很明显的,在地震前,处于应力积累阶段,应力值不断升高,而地震时使集中的应力得到释放,应力值突然大幅度下降。主应力方向在地震发生时会发生明显改变,在震后一段时间又会恢复到震前的状态。

2)实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。

对全世界实测垂直应力的统计资料的分析表明,一定的深度范围内,呈线性增长,大致相当于按平均容重等于计算出来的重力。但在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差,上述偏差除有一部分可能归结于测量误差外,板块移动、岩浆对流和侵人、扩容、不均匀膨胀等也都可引起垂直应力的异常。

3)水平应力普遍大于垂直应力。

实测资料表明,在绝大多数(几乎所有)地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内,其与水平面的夹角一.般不大于30°,最大水平主应力普遍大于垂直应力与之比值一股为0.5~5.5,在很多情况下大于2。

4)平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小,但在不同地区,变化的速度很不相同。

5)最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。

与垂直应力不同的是,在水平主应力线性回归方程中的常数项比垂直应力线性回归方程中常数项的数值要大些,这反映了在某些地区近地表处仍存在显著水平应力的事实,Stephansson等根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平主应力和最小水平主应力随深度变化的线性方程:

最大水平主应力:

最小水平主应力:

6)最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大,显示出很强的方向性。

7)地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征,岩体力学性质、温度,地下水等因素的影响,特别是地形和地层的扰动影响最大。

地形对原始地应力的影响是十分复杂的。在具有负地形的峡谷或山区,地形的影响在侵蚀基准面以上及其以下一定范围内表现特别明显。一般来说,谷底是应力集中的部位,越靠近谷底应力集中越明显。最大主应力在谷底或河床中心近于水平,而在两岸岸坡则向谷底或河床倾斜,并大致与坡面相平行。近地表或接近谷坡的岩体,其地应力状态和深部及周围岩体显著不同,并且没有明显的规律性。随着深度不断增加或远离谷坡则地应力分布状态逐渐趋于规律化,并且显示出和区域应力场的一致性。

在断层和结构面附近,应力分布状态将会受到明显的扰动。断层端部、拐角处及交汇处将出现应力集中的现象。端部的应力集中与断层长度有关,长度越大,应力集中越强烈,拐角处的应力集中程度与拐角大小及其与地应力的相互关系有关。当最大主应力的方向和拐角的对称轴一致时,其外侧应力大于内侧应力。由于断层带中的岩体一般都比较软弱和破碎,不能承受高的应力和不利于能量积累,所以成为应力降低带,其最大主应力和最小主应力与周围岩体相比均显著减小。同时,断层的性质不同对周围岩体应力状态的影响也不同。压性断层中的应力状态与周围岩体比较接近,仅是主应力的大小比周围岩体有所下降,而张性断层中的地应力大小和方向与周围岩体相比均发生显著变化。

地应力测量的基本原理和方法

基本原理

测量原始地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态,这种测量通常是通过一点一点的量测来完成的。岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标系中的六个分量(σx,o,,σx,Txy,τy,τx)来表示,如图1所示。这种坐标系是可以根据需要和方便任意选择的,但一般取地球坐标系作为测量坐标系,由六个应力分量可求得该点的与三个主应力的大小和方向,这是唯一的。在实际测量中,每一测点所涉及的岩石可能从几立方厘米到几千立方米,这取决于采用何种测量方法。但不管是几立方厘米还是几千立方米,对于整个岩体而言,仍可视为一点。虽然也有一些测定大范围岩体内的平均应力的方法,如超声波等地球物理方法,但这些方法还.很不成熟,因而远没有“点”测量方法普及。由于地应力状态的复杂性和多变性,要比较准确地测定某一地区的地应力,就必须进行充足数量的点测量,在此基础上,才能借助数值分析和数理统计、灰色建模、人工智能等方法,通过拟合分析进一步描绘该地区的全部应力场状态。

测量方法

根据国内外多数人的观点,依据测量基本原理的不同,可将测量方法分为直接测量法和间接测量法两大类。

1)直接测量法

直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量,如补偿应力、恢复应力、平衡应力,并由这些应力量和原岩应力的相互关系,通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算,不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。其中包括以下测量方法:

(1)扁千斤顶法。

(2)水压致裂法。

(3)刚性包体应力计法。

(4)声发射法。

其中,水压致裂法在目前的应用最为广泛,声发射法次之。

2)间接测量法

间接测量法不是直接测量应力量,而是借助某些传感元件或某些介质,测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化,如岩体中的变形或应变、岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化,弹性波传播速度的变化等,然后由测得的间接物理量的变化,通过已知的公式计算岩体中的应力值。因此,在间接测量法中,为了计算应力值,首先必须确定岩体的某些物理力学性质及所测物理量和应力的相互关系。常见的有以下几种方法:

(1)全应力接触法。

(2)局部应力接触法。

(3)松弛应变测量法。

(4)孔壁崩落测量法。

(5)地球物理探测法。