岩体地应力问题.ppt

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
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？最大水平应力的值一般为垂直应力的1～2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3.2.5地温梯度引起的地应力
地层的温度随着深度增加而升高，一般温度梯度为3Ｃ／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6～12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20～30°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.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20º。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