地下结构工程第2讲讲稿.ppt
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12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3100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。,3.3 地应力的分布规律,3.3.1 地应力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，从一个矿山到另一个矿山，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是不同的但就某个地区整体而言，地应力的变化是不大的 所以它是相对稳定的非稳定应力场。,在某些地震活跃的地区，地应力的大小和方向随时间的变化是很明显的。如1976年唐山地震后，在唐山凤凰山测得的最大主应力方向为北47西，与区域应力场的最大主应力方向有较大偏差78年，在同一地点测量，其最大主应力方向变为近东西向（北89西）与区域应力场最大主应力方向相一致。邢台地震区也有类似情况。前苏联的喀尔巴歼山、高加索等地，发现主应力方向每隔612年就有一次较大变化我国甘肃六盘山主应力方向在三年内有2030的改变而瑞典北部的梅尔格特矿区，发现现今应力场方向与20亿年前应力场方向完全相同,3.3.2 垂直地应力与埋深的关系.,对全世界实测垂直应力v的统计资料的分析表明，在深度为252700的范围内，v呈线性增长，大致相当于按平均容重等于27KN/m3计算出来的重力H但在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差如我国v/=0.81.2的仅占5，v/0.8的占16，而v/1.2的占79。前苏联测量资料表明：v/的占4，v/0.81.2的占23，v/1.2的占73,值得注意的是，在世界多数地区并不存在真正的垂直应力即没有一个主应力的方向完全与地表垂直但在绝大多数测点都发现确有一个主应力接近于垂直方向，其与垂直方向的偏差不大于20。这一事实说明，地应力的垂直分量主要受重力的控制，但也受到其它因素的影响。,3.3.3 水平地应力普遍大于垂直地应力 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。水平地应力与v之比值，为0.55.5，在很多情况下比值大于2。在浅埋地层中水平地应力普遍大于垂直地应力，说明板块运动在形成地应力过程中起到主要控制作用。垂直地应力一般为最小主应力或中间主应力，极少情况下为最大主应力。,3.3.4 平均水平地应力与垂直地应力之比随深度增加而减小 这是一个普遍规律，但是减小的速度在各个地区有所不同。根据世界几个国家的实测资料，Hock和Brown回归出以下公式：,上图表明，在深度不大的情况下，水平地应力与垂直地应力之比相当分散，随着深度增加，该值的变化范围逐渐缩小并且有向1.0附近靠近的趋势。这种趋势表明，在地壳深部有可能出现静水压力状态。加拿大的地应力实测情况回归出如下公式：,3.3.5 水平地应力随深度呈线形增加趋势,O.Stephansson 测出瑞典 Fennoscandia 地区古陆地最大水平主应力和最小水平主应力随深度变化的线性关系方程：h,max=0.0444 H+6.7h,min=0.0329 H+0.8可以看出公式中的常数项值比较大，当H等于0时，水平地应力仍有较大的数值，说明构造运动对地应力的影响是显著的。,3.3.6 最大、最小水平地应力有较大差异，反映出很强的方向性。二者之比可达1.255，一般为1.252.5。,3.3.7 地应力分布规律异常,上述6点是地应力分布的一般规律，但是在地形变化、有地质构造、严重风化、温度变化和地下水丰富的情况下，容易发生地应力场分布规律的异常。其中地形变化和地质构造影响最大。,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，地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,3.4 地应力场与地下结构布置设计的关系3.4.1 地下结构是否承受内水压力不承受内水压力的洞室结构尽量布置在地应力值较小的部位承受内水压力的洞室结构则应布置在最小主应力大于最大内水压力的部位,3.4.2 地下洞室长轴与地应力的关系 一般情况下，地下洞室结构的长轴方向应该与最大主应力的水平投影方向呈小角度相交。在较均匀的岩体中，对高跨比接近1.0的洞室结构，洞轴线方位的布置应该使作用在洞室断面上的垂直应力与水平应力尽量接近相等。根据三个主应力分量关系的不同，又可分为三种情况：,3.4.3 地下结构断面与地应力关系,3.4.4 地下结构群布置与地应力关系,随着社会经济和科学技术的发展，地下结构工程也由小规模、简单断面、单一结构向大规模、复杂断面、群体结构发展，例如矿山工程、城市地下交通系统、地下水电站和抽水蓄能电站等等。矿山工程中相邻巷道和工作面之间的间距问题，地下交通系统相邻隧洞间距的选择，地下水电站三大洞室的间距及主要和次要洞室之间的关系的确定等都与地应力有关。,一般情况来说，地应力适中、围岩质量较好（II级左右或更高），地下（洞室）结构之间可采用较小的间距，例如间距等于洞室跨度的1.01.3倍。反之应该增加洞室间距。水平地应力越大，垂直地应力越小，则开挖后洞室间岩柱的拉应力区越深、屈服区越大。应该考虑的原则是，在实际地应力条件下，洞室间岩柱的屈服区不致贯穿，保留1/3完好岩石较为理想。但是地下结构群的优化布置是很复杂的，除地应力、洞跨之外，洞高和主要次要洞室之间的关系也要考虑，实际设计时应进行数值分析比较各种方案，最后作出选择。,
