地表附近構(gòu)造應(yīng)力的影響因素

地表附近構(gòu)造應(yīng)力的影響因素

0應(yīng)力分布地區(qū)在各種土木工程和地應(yīng)力測量過程中，由于結(jié)構(gòu)（如斷層和褶皺）、地形、巖石力學(xué)性質(zhì)、區(qū)域構(gòu)造活動強度（即區(qū)域構(gòu)造高度的大?。⒌乇盹L(fēng)化侵蝕、沉積速度和人類活動等因素的影響，表面附近的地應(yīng)力狀態(tài)受到不同程度的干擾，導(dǎo)致各種非結(jié)構(gòu)壓力（如地形等）重疊。地形引起的非結(jié)構(gòu)壓力通常集中在山谷底部和邊墻的明顯高度，并改變主應(yīng)力的方向。這一現(xiàn)象已通過國內(nèi)外測量數(shù)據(jù)得到證實（圖1和表1）[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和15]。非構(gòu)造應(yīng)力對地應(yīng)力測量的干擾主要表現(xiàn)在2個方面:一是實測應(yīng)力大小的顯著增大即應(yīng)力集中;二是實測主應(yīng)力方向的變化。由于特定地區(qū)上述多種影響因素的不同組合,構(gòu)造應(yīng)力受干擾的情形也不同。一般來說,構(gòu)造活動強烈地區(qū)實測應(yīng)力大小和方向都受影響(表1、圖1),而構(gòu)造活動較弱地區(qū)主要引起主應(yīng)力方向的變化(表2、表3)。圖1為四川雅礱江二灘電站壩址區(qū)壓磁應(yīng)力解除地應(yīng)力測量結(jié)果。壩址區(qū)河谷呈“V”型,左岸谷坡25°～40°,右岸谷坡30°～45°,且處于構(gòu)造強烈活動的川滇經(jīng)向構(gòu)造帶,從圖1可以看出,應(yīng)力測值在近谷底鉆孔深度30m以下快速增大,最大水平主壓應(yīng)力測值在鉆孔深度40m左右時高達65MPa,最小水平主壓應(yīng)力測值在鉆孔深度60m左右時超過30MPa,這是正常最大、最小水平主壓應(yīng)力在該深度測值的8～10倍,并且最大主壓應(yīng)力方向也發(fā)生了變化(表1);另外,從水平探硐內(nèi)實測最大水平主壓應(yīng)力變化分析,在進入硐內(nèi)一定深度時測值達到最大值,然后又變小,這與我們固有的越往山體內(nèi)部應(yīng)力測值越大的認識恰好相反,圖2也有這種現(xiàn)象,所不同的是圖2中由于存在一斷層活動而使應(yīng)力釋放,造成應(yīng)力測值在斷層附近變小。表2和表3分別為長江三峽工程壩址附近的茅坪鉆孔和壩址西北約40km的秭歸鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果。秭歸附近長江河谷呈似“V”型,谷坡15°～25°,茅坪附近長江河谷較秭歸要開闊,呈似“U”型,谷坡10°～20°。由于長江三峽位于揚子準地臺,構(gòu)造活動較川滇經(jīng)向構(gòu)造帶要明顯減弱,從表2和表3可以看出,應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯,但應(yīng)力方向變化較大。因此,無論在地應(yīng)力測量前的測量地點的選取,還是在測量后構(gòu)造應(yīng)力場分析與應(yīng)用,都應(yīng)對上述各種影響因素進行分析,探討非構(gòu)造應(yīng)力在具體研究位置的影響范圍、方式與程度,確定具有區(qū)域代表性的構(gòu)造應(yīng)力的測量位置和深度。1測量前的地應(yīng)力問題1.1研究區(qū)地下工程措施地應(yīng)力測量孔位的選定應(yīng)考慮地形地貌、測孔周圍的斷裂分布、巖性、人工活動、地表風(fēng)化等因素。孔位應(yīng)盡可能選在地形相對平緩地段,對于峽谷區(qū),在測量之前應(yīng)作一定的前期分析,大致確定所測地段非構(gòu)造應(yīng)力的影響深度,以確定測孔深度,避免測量未超過非構(gòu)造應(yīng)力影響范圍而影響區(qū)域研究區(qū)應(yīng)力場分析。為配合重大工程建設(shè)需要,測量孔位應(yīng)盡量較均勻分布在研究區(qū)具有代表性的構(gòu)造部位,以便對研究區(qū)應(yīng)力分布有總體了解,并與模擬實驗結(jié)果相互驗證。研究區(qū)測孔應(yīng)盡量選同一巖性,這樣可避免測值之間的巖性校正,便于對比分析。1.2非構(gòu)造應(yīng)力面深度的影響因素關(guān)于地形地貌對地應(yīng)力的影響,國內(nèi)外許多科學(xué)家已作了大量研究[7,8,9,10,11,12,13,14,15]。作者在前人研究的基礎(chǔ)上,依據(jù)實測資料,運用大量室內(nèi)三維應(yīng)力場有限元數(shù)值模擬分析討論了地形地貌對應(yīng)力的影響,并提出“構(gòu)造應(yīng)力面”的概念,即由三維空間不同地點非構(gòu)造應(yīng)力影響消失的深度點構(gòu)成的曲面。在構(gòu)造應(yīng)力面之上,非構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力同時存在,而在構(gòu)造應(yīng)力面之下,僅構(gòu)造應(yīng)力存在。相關(guān)認識如下:(1)溝谷寬度影響非構(gòu)造應(yīng)力集中范圍大小和形狀,而不影響構(gòu)造應(yīng)力面的深度。(2)山體高度(或山體坡度)不僅影響非構(gòu)造應(yīng)力集中范圍大小和形狀,還影響構(gòu)造應(yīng)力面的深度。(3)水平側(cè)壓力是引起非構(gòu)造應(yīng)力集中的主要因素。當(dāng)山體坡度小于40°時,重力作用不會在溝谷或坡角引起非構(gòu)造應(yīng)力集中,但當(dāng)山體坡度大于40°時,重力作用會在溝谷或坡角引起一定程度的非構(gòu)造應(yīng)力集中,但應(yīng)力集中強度較弱。(4)水平側(cè)壓力和山體高度是影響構(gòu)造應(yīng)力面深度的主要因素。當(dāng)水平側(cè)壓力隨深度變化梯度與重力梯度相等時,在溝谷谷底構(gòu)造應(yīng)力面深度近似等于山體高度。當(dāng)水平側(cè)壓力隨深度變化梯度增大,構(gòu)造應(yīng)力面深度與其呈線性增加,同時在溝谷或坡角非構(gòu)造應(yīng)力集中強度加強。1.3斷裂周邊主應(yīng)力方位的變化斷裂發(fā)育的復(fù)雜程度與地應(yīng)力狀態(tài)的變化密切相關(guān),斷裂越發(fā)育,地應(yīng)力狀態(tài)的變化幅度越大,在斷裂極為發(fā)育的地區(qū),應(yīng)力方向極為分散,應(yīng)力大小變化異常,并且斷裂的規(guī)模及其活動性對地應(yīng)力的影響范圍成正比。緩傾角(0°～30°)斷裂面往往構(gòu)成地應(yīng)力局部分區(qū)的界面,斷裂面以上的應(yīng)力狀態(tài)常常代表被斷裂擾動的局部應(yīng)力場,而斷裂面以下的應(yīng)力狀態(tài)代表區(qū)域應(yīng)力場[16,17,18,19,20,21]。與區(qū)域主應(yīng)力方位相比,斷裂附近的主應(yīng)力方位往往發(fā)生不同程度的變化,變化幅度從幾度到近90°。加拿大地下研究實驗室(URL)通過穿越2個逆斷層(傾角:25°～30°)豎井現(xiàn)場實驗,測定最大水平主應(yīng)力方位在斷裂面上下相差近90°。斷裂及其附近應(yīng)力量值的變化較為復(fù)雜,既有應(yīng)力增大的,也有降低的,這主要與斷裂帶附近應(yīng)力隨時間的變化有關(guān)。2測量地板面積后應(yīng)考慮的問題2.1對地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)影響因素分析的重要意義對于所測應(yīng)力狀態(tài)需要進行區(qū)域地質(zhì)背景和各種影響因素分析,分析測值的可靠性,否則測值的質(zhì)量大大降低。從Zoback所編世界應(yīng)力圖所引用世界各國的地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)質(zhì)量劃分來看,進行各測點地質(zhì)背景和影響因素分析,有助于提高我國已有的地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。地應(yīng)力測量狀態(tài)影響因素與可靠性分析的重要性在某種程度超過測量本身,一個缺少地質(zhì)背景和影響因素分析的測值可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。一個典型的實例是長江三峽地區(qū),地應(yīng)力測量與區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)分析、震源機制等所得的應(yīng)力狀態(tài)存在差異,如果不進行影響因素和可靠性分析,將會給構(gòu)造應(yīng)力場分析和地殼穩(wěn)定性評價帶來很大困難,甚至可能導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。為了從有限的應(yīng)力測值推廣到區(qū)域范圍,需進行構(gòu)造應(yīng)力場分析和模擬,而模擬的應(yīng)力邊界條件該如何確定,是當(dāng)時研究的一個難題,因為不正確的應(yīng)力場模擬結(jié)果將直接影響地殼穩(wěn)定性評價結(jié)果。2.2與同一巖性和同一測量深度比較眾所周知,不同巖性的強度差異導(dǎo)致應(yīng)力測值的差異,高強度巖石中所測應(yīng)力較低強度巖石高,一個典型實例是長江三峽庫區(qū)秭歸測孔的頁巖段測值較其上、下砂巖段低一個數(shù)量級。不同地點測值的對比分析的前提是同一巖性和同一測量深度,否則對比分析是不科學(xué)的。這就需要對不同地點的測值在巖石力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場和室內(nèi)測試的基礎(chǔ)上進行巖性校正,然后在同一深度或同一高程進行對比分析。Zoback在研究圣安德烈斯斷裂帶剪應(yīng)力隨測點到斷層距離變化的對比分析中,就特別強調(diào)所有測值都是在200m深度上進行的,并在所作圖件上明確標注,其研究意義較沒有前提的對比分析大大增加。2.3區(qū)域應(yīng)力場對所測地應(yīng)力狀態(tài)需進行代表性分析,確定測值是代表局部應(yīng)力場,還是代表區(qū)域應(yīng)力場。在進行實測應(yīng)力代表性分析過程中,要考慮構(gòu)造應(yīng)力隨時間的變化情況,往往在重大地質(zhì)事件(如地震)的前后,由于構(gòu)造應(yīng)力存在積累、加強、釋放和調(diào)整的變化過程,在一定地區(qū)范圍內(nèi),應(yīng)力場可能發(fā)生較大變化。3地應(yīng)力測量的地質(zhì)作用由于地表附近各種影響因素的相互作用,所測地應(yīng)力經(jīng)常疊加著非構(gòu)造應(yīng)力,需在應(yīng)