地下結構工程第講講稿

地下結構工程（第二講）3、巖體地應力問題2002年3月19日3、巖體地應力問題

3.1問題的提出：人類對地應力的認識過程3.2地應力的成因3.3地應力的分布規(guī)律3.4地應力場與地下結構布置設計的關系

3.1問題的提出：人類對地應力的認識過程為什么在討論地下結構問題時，首先提出了地應力問題？答：地應力是影響地下結構穩(wěn)定的主要因素，是引起地下結構變形和破壞的根本作用力。地應力決定了地下結構幾乎所有的邊界條件和地下工程實施的初始條件。是一切計算、試驗分析的前提和基礎。不了解地應力情況的地下結構設計，只能是盲目的設計。

人類對地應力的認識過程這個過程還不到100年1912年，瑞士地質學家A.Heim首次提出地應力的概念，并假定地應力是一種靜水壓力狀態(tài)。即地殼中任何一點的應力在各個方向相等，并且等于該點以上覆蓋的巖層產(chǎn)生的壓強。即：1926年，前蘇聯(lián)學者A.H.Gennik修正了A.Heim的靜水壓力的假定，認為垂直應力可以等于上覆巖層的重量，而側向應力（水平應力）應該是泊松效應的結果。它的值應該等于H乘以一個修正系數(shù)K，稱為側壓系數(shù)，根據(jù)彈性力學理論，他認為K＝/(1-),即：問題：難道地應力只與巖層重力有關嗎？回答是否定的。李四光曾在20年代根據(jù)許多地質現(xiàn)象提出：“在構造應力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應力分量的重要性遠遠超過垂直應力分量?！?0年代，瑞典？的N.Hast在Scandinavia半島進行了大量的地應力測量工作，發(fā)現(xiàn)地殼上層最大主應力大部分是水平或接近水平的。最大水平應力的值一般為垂直應力的1～2倍，甚至更高。在某些地表處測得的水平地應力達到7Mpa。這個結果從根本上動搖了地應力是靜水壓力的理論，以及地應力以垂直應力為主的觀點。進一步研究表明：重力作用和構造作用是引起地應力的主要原因，尤其水平方向的構造運動對地應力場的形成影響最大。當前的地應力狀態(tài)主要由最近的一次構造運動所決定，但也與地殼演化歷史上的各次構造運動有關。最終的地應力場是歷次構造運動應力場的疊加。同時還受到其它因素的影響，造成了地應力場分布的復雜和多變性。幾種結構面的性質1.壓性結構面：垂直于最大主應力方向的結構面，如褶皺的軸面或直立巖層等。與最大主應力垂直的平面與地面的交線叫構造線。扭性（剪性）結構面：沿最大剪應力方向出現(xiàn)的“X”形結構面，其銳角平分線方向為最大壓應力方向。張性結構面：在拉應力作用下產(chǎn)生的破裂面，往往沿一對“X”形扭剪性結構面發(fā)育。3.2地應力的成因

產(chǎn)生的原因十分復雜包括地殼板塊運動中相鄰板塊之間的擠壓產(chǎn)生的應力地幔熱對流引起的應力場地心引力形成的自重應力場地球旋轉形成的慣性力場地下巖漿入侵和地殼非均勻擴容地殼溫度不均引起的應力水壓力地表風化剝蝕和其它物理化學變化引起的應力釋放等

3.2.1板塊運動引起的地應力

中國大陸板塊受到印度板塊和太平洋板塊

的擠壓，每年擠壓變形達數(shù)厘米。同時受到西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束。因而產(chǎn)生水平受壓的應力場，其主應力跡線如上圖所示。印度板塊和太平洋板塊的擠壓造成了我國大陸板塊邊緣的隆起和山脈的形成，同時也是我國地震的主要成因。3.2.2地幔熱對流引起的地應力

由硅鎂質組成的地幔因溫度很高，具有可塑性，并可以上下對流和蠕動．當?shù)蒯Ｉ钐幍纳仙鞯竭_地幔頂部時，就分為二股方向相反的平流．經(jīng)一定流程直到與另一對流圈的反向平流相遇，一起轉為下降流，回到地球深處，形成一個封閉的循環(huán)體系．地幔熱對流引起地殼下面的水平切向應力，在亞洲形成由孟加拉灣一直延伸到貝加爾湖的最低重力槽，它是一個有拉伸特點的帶狀區(qū)．我國從西昌、渡口到昆明的裂谷正位于這一地區(qū)．該裂谷區(qū)有一個以西藏中部為中心的上升流的大對流環(huán)，在華北－山西地塹有一個下降流．由于地幔物質的下降，引起很大的水平擠壓應力．

3.2.3地心引力引起的地應力由地心引力引起的應力場稱為自重應力場．自重應力場是各種應力場中唯一能夠計算的應力場．地殼中任一點的自重應力等于單位面積的上覆巖層的重量。重力應力為垂直方向應力，它是地殼中所有各點垂直應力的主要組成部分．但是垂直應力一般并不完全等于自重應力，因為板塊移動，巖漿對流和侵入、巖體非均勻擴容、溫度不均和水壓梯度均會引起垂直方向應力變化．

3.2.4巖漿入侵引起的地應力巖漿侵入擠壓、冷凝收縮和成巖，均在周圍地層中產(chǎn)生相應的應力場，其過程也是相當復雜的．熔融狀態(tài)的巖漿處于靜水壓力狀態(tài)，對其周圍施加的是各個方向相等的均勻壓力．但是熾熱的巖漿侵入后即逐漸冷凝收縮，并從接觸介面處逐漸向內部發(fā)展．不同的熱膨脹系數(shù)及熱力學過程會使侵入巖漿自身及其周圍巖體應力產(chǎn)生復雜的變化過程．與上述三種應力場不同，由巖漿侵入引起的應力場是一種局部應力場．3.2.5地溫剃度引起的地應力地層的溫度隨著深度增加而升高，一般溫度梯度為3Ｃ／100ｍ．由于溫度梯度引起地層中不同深度不相同的膨脹，從而引起地層中的壓應力，其值可達相同深度自重應力的數(shù)分之一．另外，巖體局部冷熱不均，產(chǎn)生收縮和膨脹，也會導致巖體內部產(chǎn)生局部應力場．

3.2.6地表風化剝蝕引起的地應力地殼上升部分巖體因為風化、侵蝕和雨水沖刷搬運而產(chǎn)生剝蝕作用。剝蝕后，由于巖體內的顆粒結構的變化和應力松弛趕不上這種變化，導致巖體內仍然存在著比由地層厚度所引起的自重應力還要大得多的水平應力值。因此，在某些地區(qū)，大的水平應力除與構造應力有關外，還和地表剝蝕有關。3.鑼3僑地應爛力的右分布蔥規(guī)律3.掃3.筋1義地應遇力是炭時間累和空膀間的惰函數(shù)地應跌力在赤絕大這部分拔地區(qū)嗓是以翼水平釣應力碗為主恐的三兇向不羅等壓嫂應力苦場．食三個麗主應腰力的本大小腦和方劣向是扭隨著吧空間根和時再間而腥變化李的，汁因而榨它是返個非雅穩(wěn)定廉的應忠力場使．地應糟力在汪空間司上的師變化落，從渾小范爬圍來曲看，墳其變蔬化是歪很明書顯的概，從冰一個襖礦山鋸到另煌一個扛礦山犯，從旋某一希點到甲相距滋數(shù)十擊米外綢的另賓一點購，地在應力樓的大附小和弟方向蠅也是樣不同福的．麥但就診某個里地區(qū)右整體妨而言緣瑞，地眼應力貍的變填化是歲不大笑的．所以魄它是撈相對調穩(wěn)定冬的非未穩(wěn)定畏應力控場。在某百些地途震活素躍的哲地區(qū)判，地溝應力紀的大和小和魔方向贊隨時瞇間的五變化付是很至明顯飲的。陡如1恩97數(shù)6年積唐山付地震晃后，威在唐嫌山鳳引凰山舟測得領的最曾大主軍應力伏方向深為北鉤47°西，秋與區(qū)抓域應測力場侄的最劫大主圓應力貞方向煤有較許大偏酬差．旨78惑年，醋在同勺一地出點測搶量，忘其最榆大主寄應力糟方向秒變?yōu)橹嘟鼥|賽西向室（北衛(wèi)89°西）輩與區(qū)屠域應芝力場傾最大待主應蹤蝶力方覽向相蒙一致藝。邢坐臺地項震區(qū)程也有衫類似離情況倦。前澡蘇聯(lián)嘩的喀具爾巴爽殲山套、高控加索枝等地靠，發(fā)種現(xiàn)主愈應力躬方向向每隔亂6～錫12或年就載有一惠次較皮大變麥化．頂我國犧甘肅貪六盤深山主另應力鋸方向瞞在三玻年內枯有2乒0～慨30°的改雜變．遼而瑞仔典北細部的胸梅爾織格特涉礦區(qū)界，發(fā)亞現(xiàn)現(xiàn)阿今應恭力場鐮方向燃與2晚0億蓮年前仁應力卷場方招向完狡全相氏同．3.烏3.或2壓垂直作地應沸力與牙埋深循的關院系.對全欣世界號實測券垂直持應力σv的統(tǒng)枯計資兩料的娛分析拐表明痛，在怎深度忠為2微5～檢27奇00面ｍ的搬范圍戚內，σv呈線冠性增英長，證大致耗相當良于按扁平均啦容重γ等于讓27KN及/m3計算銳出來侄的重后力γH禁．但在戴某些膜地區(qū)攔的測胸量結芝果有天一定突幅度督的偏秀差．啄如我撥國σv/γＨ=銳0.謹8～洋1.好2的廣僅占移5％亭，σv/γＨ＜成0.淹8的竟占1毯6％悠，而σv/γＨ＞姑1.怠2的練占7養(yǎng)9％濫。前洲蘇聯(lián)青測量鋒資料難表明荒：σv/γＨ＜為０．唉８的鞏占4稈％，σv/γＨ＝逐0.街8～城1.衛(wèi)2的怕占2英3％扔，σv/γＨ＞銜1.違2的芝占7爆3％劫．值得世注意涉的是動，在峰世界照多數(shù)籍地區(qū)撞并不復存在添真正個的垂爪直應帽力即壩沒有冤一個派主應刊力的技方向葬完全休與地諷表垂右直．剛但在甘絕大祖多數(shù)驕測點慘都發(fā)胞現(xiàn)確貧有一峰個主資應力覺接近酷于垂密直方醒向，巴其與奔垂直讓方向揚的偏充差不命大于炭20習o。虹這一泛事實懸說明帖，地劫應力糕的垂術直分壯量主亂要受價重力汽的控聯(lián)制，偽但也榨受到橋其它捐因素父的影地響。3.硬3.賺3君水平躺地應體力普籌遍大竊于垂乓直地春應力實測姥資料滿表明挪，在暑絕大仰多數(shù)無（幾艙乎所這有）燈地區(qū)撐均有愧兩個趴主應靠力位斗于水鎖平或策接近聽水平保的平島面內垂，其偽與水猜平面換的夾胃角一徐般不援大于號30°．最綱大水喚平主駁應力現(xiàn)普遍打大于晝垂直饞應力曾。水趙平地咽應力碗與v之比蹤蝶值，事為0趕.5尤～5速.5您，在嘴很多搖情況客下比敵值大梅于2敵。在雹淺埋像地層近中水痛平地塑應力乎普遍焰大于循垂直碎地應淡力，滿說明債板塊毯運動哥在形摟成地爹應力午過程撲中起徐到主糟要控強制作沃用。憲垂直松地應鄰力一兩般為吵最小禍主應鋤力或校中間藝主應姥力，還極少淺情況僑下為葬最大栗主應寸力。3.榆3.卸4印平均逝水平稍地應惑力與蕉垂直納地應棕力之激比隨鵲深度帝增加氧而減挑小這是蓋一個巡壽普遍咸規(guī)律藍，但網(wǎng)是減凝小的泰速度啄在各及個地車區(qū)有頃所不怪同。根據(jù)杏世界劍幾個挎國家軌的實注測資炒料，Ho耀ck和Br披ow撕n回歸勾出以您下公鵝式：上圖呈表明旅，在淡深度科不大應的情仍況下腐，水妄平地宿應力趙與垂渠直地微應力溉之比塑相當墻分散果，隨輛著深追度增獨加，騾該值高的變糾化范善圍逐呈漸縮寺小并魂且有鏈向1旱.0仆附近糕靠近閃的趨供勢。路這種場趨勢精表明致，在煩地殼防深部冠有可睛能出母現(xiàn)靜恨水壓引力狀伸態(tài)。加拿弟大的遭地應共力實燥測情彈況回組歸出山如下托公式桌：3.測3.絕5捧水富平地虧應力法隨深桶度呈攪線形涉增加借趨勢O.召S繡te湊ph比an閑ss星on測出滑瑞典Fe棒nn鄭os鐮ca并nd孕ia地區(qū)玻古陸染地最垂大水優(yōu)平主玩應力撈和最曉小水查平主鞋應力李隨深奏度變烤化的辯線性朝關系效方程椅：h,馳ma衡x=霉0.延04艷44華H菜+玻6罵.7h,紛mi渠n=繪0.抱03暑29輛H府+吐0鍛.8可以忘看出撕公式還中的遷常數(shù)沫項值錄比較其大，洋當H等于哀0時批，水姐平地鎮(zhèn)應力法仍有麗較大條的數(shù)乏值，饒說明禍構造伏運動糟對地施應力駱的影邀響是艇顯著慚的。3.壺3.唇6兩最葬大、嗚最小幻玉水平頭地應場力有窄較大忌差異叼，反望映出朵很強豪的方娃向性蠻。二婚者之立比可多達1椒.2峽5～燙5，蒙一般銀為1港.2園5～耕2.兆5。3.耳3.禽7摘地應違力分承布規(guī)褲律異椒常上述綢6點賠是地鬧應力厘分布牙的一刻般規(guī)刷律，舟但是巧在地化形變筐化、滿有地具質構圈造、鐘嚴重盛風化良、溫絮度變稀化和踢地下惰水豐需富的劍情況掩下，曾容易憂發(fā)生脅地應臟力場騰分布晚規(guī)律憑的異戒常。貨其中線地形豈變化炎和地扎質構斧造影窯響最詞大。在具驅有負寧地形妨的峽惕谷或亡山區(qū)沃，地手形的縣影響帆在侵啦蝕基頌準面余以上征及其碼以下層一定袖范圍端內表矮現(xiàn)特牽別明襪顯．極一始般來合說，龜谷底哥是應宿力集逆中的語部位船，越侮靠近角谷底爬應力寨集中欠越明利顯．最大剩主應嚇力在朋谷底轎或河割床中撿心近績于水債平，木而在油兩岸貨岸坡幣則向板谷底耀或河艇床傾嘗斜，桌并大絡致與透坡面糠相平起行．荒近地棄表或六接近脂谷坡逗的巖吸體，躍其地前應力刺狀態(tài)矩和深笛部及迅周圍格巖體賢顯著對不同例，并煤且沒繡有明東顯的陶規(guī)律留性．尾隨著需深度銅不斷庫增加墨或遠葡離谷辯坡，琴則地凝應力夏分布誦狀態(tài)慣逐漸嗓趨于鳴規(guī)律楚化，杯并且艘顯示財出和始區(qū)域方應力們場的掀一致模性．在斷叮層和諷結構份面附萬近，繩地應棵力分滲布狀斤態(tài)將抽會受喂到明索顯的診擾動壩．斷良層端瞧部、泰拐角木處及偽交匯哪處將集出現(xiàn)罷應力獎集中吹的現(xiàn)對象．粒端部誘的應展力集嶼中與蛇斷層萍長度紅有關然，長霧度越極大，助應力猾集中取越強鄭烈．悶拐角碑處的懸應力刃集中程桑度與鍵拐角判大小成及其去與地窯應力討的相掀互關街系有認關．扁當最薄大主如應力設的方遠向和貼拐角刪的對欣稱軸頁一致養(yǎng)時，慎其外便側應軟力大麗于內愿側應絮力．由于弟斷層枕帶中蹦的巖炕體一蒙般都葡比較蝴軟弱傍和破膊碎，測不能棍承受泰高的猶應力亮和不工利于吵能量毯積累慰，所陡以成描為應甚力降吩低帶遍，其陳最大叼主應著力和咳最小炊主應諷力與剪周圍譽巖體猶相比顧均顯輩著減假小．艷同時私，斷夸層的爐性質礎不同扶對周襯圍巖資體應懂力狀著態(tài)的大影響劇也不訪同．滑壓性遮斷層盒中的帥應力諸狀態(tài)恒與周健圍巖水體比竿較接基近，抽僅是老主應訴力的賀大小爹比周守圍巖翁體有蝕所下劈燕降；雖而張晴性斷封層中翼的地通應力頑大小墨和方眨向與互周圍鐵巖體鄙相比耕均發(fā)申生顯甘著變宋化．3.紅4炭地應上力場蜻與地猜下結登構布磁置設懶計的間關系3.忠4.海1腫地下烏結構壯是否裕承受知內水旦壓力不承獄受內描水壓每力的孟洞室飼結構蟲盡量衣布置促在地想應力絕值較苦小的數(shù)部位承受概內水請壓力伙的洞司室結涂構則案應布眾置在已最小潤主應熱力大誘于最麥大內勺水壓后力的耍部位3.校4.咳2戶地下獻洞室謎長軸貓與地鄙應力留的關避系一般炮情況稍下，偽地下綿洞室合結構漂的長勒軸方籠向應拋該與消最大傷主應良力的觀水平般投影妄方向倍呈小護角度脊相交杠。在較列均勻憶的巖沫體中啦，對蹦高跨便比接承近1短.0址的洞檔室結窩構，蟻洞軸膊線方閱位的刊布置鞠應該房誠使作瀉用在告洞室煮斷面鐮上的板垂直育應力役與水談平應證力盡斗量接爹近相罷等。表根據(jù)飽三個倘主應床力分訪量關優(yōu)系的捉不同披，又句可分別為三波種情冊況：h1>h2>vv>h1>h2h1>v>h2洞室長軸平行h1

洞室長軸垂直h1設洞室長軸與h1夾角為3.興4.孔3除地下潮結構尿斷面導與地次應力乞關系3.瘋4.儀4會地下芽結構六群布伏置與致地應再力關捉系隨著推社會答經(jīng)濟面和科遺學技傾術的湊發(fā)展勻，地蔥下結穴構工廣程也棒由小殲規(guī)模笨、簡