地應(yīng)力狀態(tài)在場地穩(wěn)定性評價中的運用

自然歷史分析法之—

地應(yīng)力狀態(tài)在場地穩(wěn)定性評價中的運用1前言2巖體的自重應(yīng)力場3巖體的構(gòu)造應(yīng)力場4地應(yīng)力分布的主要規(guī)律5地應(yīng)力的工程應(yīng)用1前言

地應(yīng)力（天然應(yīng)力/naturalstress）是存在于地殼中的未受工程擾動的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力。巖體的地應(yīng)力主要是由巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造運動所引起的。地面和地下工程的穩(wěn)定狀態(tài)與巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。通常情況下，對于巖石工程來說，主要考慮自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力。下面列舉了一些與地應(yīng)力有關(guān)的概念。古應(yīng)力場：在地史時期作用的應(yīng)力場?，F(xiàn)應(yīng)力場：現(xiàn)今作用的應(yīng)力場。構(gòu)造應(yīng)力場：由構(gòu)造作用造成的應(yīng)力場。從活動的地質(zhì)時期劃分：第三紀以前的構(gòu)造應(yīng)力場為古構(gòu)造應(yīng)力場；第三紀以來的構(gòu)造應(yīng)力場為現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場。（注：地質(zhì)力學(xué)泛指燕山運動以前的構(gòu)造應(yīng)力場為古構(gòu)造應(yīng)力場）地應(yīng)力（天然應(yīng)力/naturalstress）：存在于地殼中的未受工程擾動的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力。自重應(yīng)力（gravitationalstress）：由于上覆巖體重量引起的應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力(tectonicstress)：由于巖石圈板塊的相對位移引起的應(yīng)力。區(qū)域應(yīng)力(regionalstress)：在相對大的地質(zhì)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。局部應(yīng)力(localstress)：在相對小的地質(zhì)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。感生應(yīng)力(inducedstress)：受工程活動擾動的天然應(yīng)力。殘余應(yīng)力(residualstress)：形成應(yīng)力的機制停止作用后仍然在巖體中存在的應(yīng)力，這種應(yīng)力可被當作是在不受外界作用的隔離體內(nèi)。重點:自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力。2巖體的自重應(yīng)力場（略）

3巖體的構(gòu)造應(yīng)力場

地質(zhì)構(gòu)造運動產(chǎn)生的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，在巖體中不可能無限地積累起來，視所處地區(qū)不同或地質(zhì)條件不同，巖體的構(gòu)造應(yīng)力可能全部或部分釋放，成為殘余應(yīng)力。一般認為自重應(yīng)力是主應(yīng)力之一；另兩個為水平主應(yīng)力。3.1野外調(diào)查初步判別地應(yīng)力狀態(tài)的方法3.1.1斷裂構(gòu)造與主應(yīng)力方向的關(guān)系

1)斷層與主應(yīng)力方向的關(guān)系正斷層：最大主（壓）應(yīng)力軸σ1為垂直狀態(tài)，中間主應(yīng)力軸σ2與最小主（壓）應(yīng)力軸σ3為水平狀態(tài)，斷層走向與中間主應(yīng)力軸平行。逆斷層：最小主（壓）應(yīng)力軸σ3為垂直狀態(tài)，最大主（壓）應(yīng)力軸σ1與中間主應(yīng)力軸σ2為水平狀態(tài)，斷層走向與中間主應(yīng)力軸平行。平移斷層：中間主應(yīng)力軸σ2為垂直狀態(tài)，最大主（壓）應(yīng)力軸σ1與最小主（壓）應(yīng)力軸σ3為水平狀態(tài)。2)節(jié)理與主應(yīng)力方向的關(guān)系張節(jié)理：走向與最小主（壓）應(yīng)力軸σ3垂直，與最大主（壓）應(yīng)力軸σ1平行，中間主應(yīng)力軸σ2與傾向平行。優(yōu)選的)張節(jié)理有：區(qū)域性剪切帶、共扼剪切帶中方位沒有明顯轉(zhuǎn)動過的初始雁列張節(jié)理；追蹤張節(jié)理以及火山口附近的放射性張節(jié)理。剪節(jié)理：最大主（壓）應(yīng)力軸σ1與最小主（壓）應(yīng)力軸σ3位于共扼剪節(jié)理的等分角線上，中間應(yīng)力軸σ2為共扼剪節(jié)理的交線。注：可靠性，共扼剪節(jié)理＞張節(jié)理＞斷層3.1.2褶皺與主應(yīng)力方向的關(guān)系1)縱彎褶皺

a.軸面近于直立:σ1呈水平；σ2平行軸線；σ3直立

b.軸面傾斜、倒轉(zhuǎn)、平臥：σ2平行軸向，σ1、σ3不易確定。2)縱彎褶皺

一般情況下，σ1近于直立或陡傾，σ2、σ3近于水平。圓形穹隆、滑褶皺、流褶皺不易確定主應(yīng)力方向。3.1.3小構(gòu)造與主應(yīng)力方向的關(guān)系1)流劈理（板劈理）、片理、縫合線構(gòu)造、透鏡體及香腸構(gòu)造等壓性結(jié)構(gòu)面與σ1垂直。2)窗欞構(gòu)造、桿狀構(gòu)造、皺紋線理等走向與σ2平行。3)礦物顆粒、卵石、鮞粒、化石等的拉長，礦物生長的長軸排列等方向與σ3平行。

重點：確定構(gòu)造發(fā)展演化期次、先后生成關(guān)系，否則即使點應(yīng)力狀態(tài)分析正確，也會誤判區(qū)域應(yīng)力場。3.2水壓致裂法測量地應(yīng)力

3.2.1方法原理及技術(shù)基本點是通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬測量深處佳液壓。將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點壓力及開裂方位，然后根據(jù)測得的壓裂過程中泵壓表頭讀數(shù)，計算測點附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點上、下用止水封隔器密封，其結(jié)構(gòu)如圖1。水壓致裂過程中泵壓變化及其特征壓力示于圖2。以垂直向的地應(yīng)力σz為主應(yīng)力之一，則其他兩個地主應(yīng)力為水平面的平面內(nèi)。當孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時，設(shè)孔周兩個地應(yīng)力分別為σ1h和σ2h，孔壁還受水壓Pb。圖1止水、壓水工作原理P0：巖體內(nèi)孔隙水壓或地下水壓力；Pb：注入鉆孔內(nèi)液體壓力將孔壁壓裂的初始壓裂壓力；Ps：液體進入巖體內(nèi)連續(xù)地將巖體劈裂的液體壓力，稱為穩(wěn)定開裂壓力；Ps0：關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱為關(guān)閉壓力。如果圍巖滲透性大，該壓力將之間衰減；Pb0：停泵后重新開泵將裂縫重新張開的壓力，稱為開啟壓力。圖2泵壓變化及特征壓力

3.2.2基本理論和計算公式如圖3。根據(jù)圖4.2上各特征點壓力及理論分析求得主應(yīng)力及巖體抗拉強度T0值得關(guān)系，即：σ2h＝Ps0Pb－Pb0＝T0σ1h＝3σ2h－Pb＋T0或σ1h＝3Ps0＋Pb03.2.3應(yīng)用的特點1)設(shè)備簡單：只需用普通鉆探打孔，用雙止水裝置密封，用液壓泵通過壓裂裝置壓裂巖體，不需要復(fù)雜的電磁測量設(shè)備。圖3孔壁開裂力學(xué)模型2)操作方便：只通過液壓泵向鉆孔內(nèi)注液壓裂巖體，觀測壓裂過程中泵壓、液量即可。3)測值直觀：可根據(jù)壓裂時泵壓（初始開裂泵壓、穩(wěn)定開裂泵壓、關(guān)閉壓力、開啟壓力）計算出地應(yīng)力值，不需要復(fù)雜的換算及輔助測試，同時還可以求得巖體抗拉強度。4)測值代表性大：所測得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強度是代表較大范圍內(nèi)的平均值，有較好的代表性。5)適應(yīng)性強：不需要電磁測量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有水條件下作試驗，不怕電磁干擾，不怕震動。3.2.4缺點及解決辦法水壓致裂法的缺點是地主應(yīng)力方向難以確定，一般可以通過分析的方法來初步解決，即；1)可用印模器或井下電視測出σ1h、σ2h的方位。即將壓裂時安裝的封隔器取出后，將印模器放入井中位置，向印模器注液加壓即可在印模器上得到破裂處的印痕并測出其方位。2)一般來講σz＝γH，為地主應(yīng)力之一。若σz≥σ2h，則σ2h為最小地主應(yīng)力σ3；進一步將σ1h與σz作比較，就可以確定另兩個地主應(yīng)力σ1、σ2。3)若σz＜σ2h，并且孔壁開裂后孔內(nèi)出現(xiàn)水平裂縫，則σz為最小地主應(yīng)力σ3；σ1h、σ2h為另兩個地主應(yīng)力σ1、σ2之一，垂直開裂方向即為σ1。4地應(yīng)力分布的主要規(guī)律

具有全球性、區(qū)域性和局部性。全球性以水平運動為主；區(qū)域性常常與現(xiàn)今構(gòu)造活動密切有關(guān)；局部性往往和褶曲、斷裂等局部地質(zhì)構(gòu)造的現(xiàn)今活動有關(guān)。4.1中國巖石圈主應(yīng)力方向的特征

在喜馬拉雅構(gòu)造期：中國西部的主應(yīng)力方向是北北東—南南西走向；中國東部則為北南走向至北北西—南南東走向。在新構(gòu)造期：1)青藏高原西部和新疆大部仍處于北北東—南南西走向；2)中國北方大部分為北北東—南南西走向；3)中國南方大部分為北西—南東走向。4.2垂直應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律1)一般認為，巖體天然應(yīng)力的垂直分量等于該點的上覆巖層的質(zhì)量γH；2)大多數(shù)情況下，σv/γH＞1，有人總結(jié)了世界范圍內(nèi)的資料（25~2700m范圍內(nèi)）后得出，σv隨深度H的增大而呈線性關(guān)系增加，大概相當于按平均密度為2.7g/cm3計算出來的γH。4.3水平應(yīng)力隨深度的變化

水平應(yīng)力隨深度增加呈線性關(guān)系增大是普遍規(guī)律。4.4水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度而變化，在接近地表及淺層地層中，大多數(shù)的實測結(jié)果大于1，即水平應(yīng)力＞垂直應(yīng)力。隨深度的增加，就會出現(xiàn)比值為（或接近于）1的狀況，這個深度稱為臨界深度。（平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨深度增加而減小，且趨近于1；最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨深度增加而減小，且趨近于1）4.5兩個水平應(yīng)力之間的關(guān)系一般來講，無論大區(qū)域或小區(qū)域范圍內(nèi)，其大小和方向都有變化。一般地，σHy/σHx＝0.2~0.8，而大多數(shù)為0.4~0.7。在構(gòu)造簡單，地層平緩的地區(qū)會存在σHy＝σHx的情況。5地應(yīng)力的工程應(yīng)用

5.1評定工程場地的穩(wěn)定性根據(jù)不同的地殼應(yīng)力狀態(tài)，不僅能判別相應(yīng)地區(qū)地殼構(gòu)造的穩(wěn)定程度，而且還可以確定場區(qū)斷裂的活動方式和邊坡的穩(wěn)定性。在重力應(yīng)力占優(yōu)勢的地區(qū)，容易促使正斷層和邊坡的向下滑移；而在剪應(yīng)力活動為主的地區(qū)，斷層則往往以平移、走滑運動為其特征；如果在水平擠壓應(yīng)力占主導(dǎo)的情況下，則需考慮主壓應(yīng)力方向與斷層走向和邊坡延展方向的關(guān)系，即二者夾角越小，越容易使得斷層和邊坡滑動；而夾角越大甚至在近于垂直的情況下，就將有利于增強場地的穩(wěn)定性。若把原地應(yīng)力測量獲得的地殼應(yīng)力狀態(tài)與巖石及斷層摩擦性狀的試驗研究結(jié)合起來，還可以對大型工程有關(guān)的斷層穩(wěn)定性作定量分析。實例1：

長江葛洲壩工程的基巖為下白堊統(tǒng)紅色巖層，產(chǎn)狀平緩。廠房基坑開挖深50m左右時，發(fā)現(xiàn)上、下游邊坡均沿幾個主要軟弱夾層向臨空面轉(zhuǎn)移，單層相對位移量為8cm左右。但移動并不是沿重力作用方向進行，而是與邊坡法線發(fā)現(xiàn)呈20°夾角，與巖層傾向呈100°夾角，移動方向與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向一致，坑底的巖層沿軟弱夾層也有1～6cm的移動。實例2：青藏鐵路中青海關(guān)角隧道全長4km，埋深520m，穿越祁連南山的天然分水嶺，是西寧—格爾木鐵路的咽喉。該隧道工程始于1958年，1961年因故停工，1974年復(fù)工。自施工建設(shè)以來，隧道不斷發(fā)生拱頂，邊墻開裂，地面隆起，中心線偏移，導(dǎo)坑縮徑等多種病害。根據(jù)區(qū)域地貌特征，山前斷裂的挽近活動及地震資料的分析，推斷這里的現(xiàn)今構(gòu)造活動仍然保持和大體繼承者老的構(gòu)造活動特點—受南北向的區(qū)域性擠壓作用，故而推斷現(xiàn)今區(qū)域最大水平主壓應(yīng)力方向仍為近南北向。如此，最大水平主壓應(yīng)力方向與隧道軸向（北51°東）呈較大交角。5.2礦山工程設(shè)計中的應(yīng)用1)選擇巷道軸線的最佳方向在最大主應(yīng)力方向和接近最大主應(yīng)力的方向上，巷道周圍受力既小又比較均勻，隨著與最大主壓應(yīng)力方向的夾角增大，巷道周圍受力也逐漸增大，受力的不均勻性也趨于明顯。因此，將巷道軸線選在接近最大主壓應(yīng)力方向和靠攏最大剪應(yīng)力方向上，就能大大減少巷道的變形破壞。實例：

甘肅金川鎳礦西風(fēng)井地段經(jīng)測定的最大主壓應(yīng)力方向為北35°東。1300中段和1250中段巷道走向為北30°西（與主壓應(yīng)力近于垂直），當穿過一北75°西的斷裂帶時，掘進困難，開挖后巷道嚴重變形。1200中段巷道走向改為北20°東（與主壓應(yīng)力近于平行），則掘進順利，開挖后巷道變形很小。2)確定最佳巷道斷面的幾何形狀直墻半圓拱斷面：巷道圓弧部分能形成壓力拱，抗壓性能較好，兩幫是薄弱環(huán)節(jié)，底板則存在較大的水平擠壓力。適用于重力塌陷的礦山工程開挖巷道。橢圓斷面：巷道周邊存在較大的擠壓力，其跡線沿著巷道周邊均勻展布，使得巷道周圍形成強大的壓力拱，既不容易產(chǎn)生兩側(cè)內(nèi)鼓，也不容易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，是水平應(yīng)力作用顯著地區(qū)礦山工程巷道最佳的斷面形狀。雙軌直墻半圓拱斷面：跨度增大，句橢圓斷面的部分優(yōu)點，同時也存在與直墻半圓拱巷道類似的兩幫和底板內(nèi)鼓得特點，居于兩者之間。3)為選擇合理的支護提供依據(jù)了解巷道周邊的受力狀態(tài)，就可選取合理的支護方式，并在薄弱部位采取必要的加固措施。例如：在巷道的圓弧部分有較大的擠壓力，但也往往有較大的剪應(yīng)力出現(xiàn)，容易產(chǎn)生剪切破裂，尤其對于產(chǎn)狀比較緩的巖層更容易出現(xiàn)片冒現(xiàn)象。因此必須加錨桿