第6章 地应力,6.1 地应力的概念与意义,6.1.1 地应力的基本概念,地应力可以概要定义为存在于岩体中未受人工开挖扰动影响的自然应力，或称原岩应力地应力场呈三维状态有规律地分布于岩体中当工程开挖后，围岩的应力受到开挖扰动的影响而重新分布，重分布后形成的应力则称为二次应力或诱导应力6.1.2 地应力的成因、组成成分和影响因素,1．地应力的成因,（1）大陆板块边界受压引起的应力场,（2）地幔热对流引起的应力场,（3）由地心引力引起的应力场,（4）岩浆侵入引起的应力场,（5）地温梯度引起的应力场,（6）地表剥蚀产生的应力场,中国大陆板块印度洋板块和大平洋板块的推挤，同时受到了西伯利亚板块和菲律宾板块的约束在这样的边界条件下，板块发生变形，产生水平受压应力场其主应力迹线如图6.1所示,地幔热对流引起地壳下面的水平切向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由岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场图6.1 中国板块主应力迹线图,2．自重应力和构造应力,对上述地应力的组成成分进行分析，依据促成岩体中初始地应力的主要因素，可以将岩体中初始地应力场划分为两大组成部分，即自重应力场和构造应力场。
二者叠加起来便构成岩体中初始地应力场的主体1）岩体的自重应力,研究岩体的自重应力时，一般把岩体视为均匀、连续且各向同性的弹性体，因而可以引用连续介质力学原理来探讨岩体的自重应力问题将岩体视为半无限体，即上部以地表为界，下部及水平方向均无界限那么，岩体中某点的自重应力可按以下方法求得设距地表深度为 处取一单元体，如图6.2所示，岩体自重在地下深为 处产生的垂直应力为单元体上覆岩体的重量，即：,,,式中， 为上覆岩体的平均重力密度（ ）； 为岩体单元的深度（m）6.2）,把岩体视为各向同性的弹性体，由于岩体单元在各个方向都受到与其相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即 而相邻岩体的阻挡就相当于对单元体施加了侧向应力 及 ，考虑广义虎克定律则有：,,,,,,由此可得,,式中，E为岩体的弹性模量， 为岩体的泊松比令 ，则有：,,称为侧压力系数，其定义为某点的水平应力与该点垂直应力的比值6.3a）,（6.3b）,（6.4）,（6.5）,图6.2 岩体自重垂直应力,图6.3 岩体自重垂直应力,若岩体由多层不同重力密度的岩层所组成（图6.3）。
各岩层的厚度为 （=1，2，…， ），重度为 （=1，2，…， ），泊松比为 （=1，2，…， ），则第层底面岩体的自重初始应力为,,,,,,（6.6）,一般岩体的泊松比 为0.2~0.35，故侧压系数 通常都小于1，因此在岩体自重应力场中，垂直应力 和水平应力 ， 都是主应力， 约为 的25%~54%只有岩石处于塑性状态时， 值才增大当 =0.5时， =1，它表示侧向水平应力与垂直应力相等（ ），即所谓的静水应力状态（海姆假说）2）构造应力,地壳形成之后，在漫长的地质年代，在历次构造运动下，有的地方隆起，有的地方下沉这说明在地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场目前，世界上测定原岩应力最深的测点已达5000m，但多数测点的深度在1000m左右我国地质学家李四光认为，因地球自转角度的变化而产生地壳水平方向的运动是造成构造应力以水平应力为主的重要原因6.2 地应力的主要分布规律,（1）地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数2）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。
图6.4 世界各国垂直应力 随深度H的变化规律图,（3）水平应力普遍大于垂直应力表6.1 世界各国水平主应力与垂直主应力的比值统计表,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，最大水平主应力 普遍大于垂直应力 ； 与 之比值一般为0.5~5.5，在很多情况下比值大于2，参见表6.l4）平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同图6.5为世界不同地区取得的实测结果图6.5 世界各国平均水平应力与垂直应力的比值随深度的变化规律图,霍克和布朗根据图6.5所示结果回归出下列公式来表示 / 随深度变化的取值范围：,,,,式中，H为深度，单位为m6.8）,（5）最大水平主应力与最小水平主应力也随深度呈线性增长关系斯蒂芬森（O. Stephansson）等人根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平主应力和最小水平主应力随深度变化的线性方程：,最大水平主应力,最小水平主应力,式中，H为深度，单位为m6）最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。
一般为0.2~0.8，多数情况下为0.4~0.8，参见表6.2表6.2 世界部分国家和地区两个水平主应力的比值统计表,（7）地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大6.3 高地应力区域的主要岩石力学问题,6.3.1 高地应力判别准则和高地应力现象,l．高地应力判别准则,当围岩内部的最大地应力与围岩强度（ ）的比值达到某一水平时，才能称为高地应力或极高地应力围岩强度比,,表6.3是一些以围岩强度比为指标的地应力分级标准，可以参考表6.3 以围岩强度比为指标的地应力分级基准,,围岩强度比与围岩开挖后的破坏现象有关，特别是与岩爆、大变形有关前者是在坚硬完整的岩体中可能发生的现象，后者是在软弱或土质地层中可能发生的现象表6.4所示是在工程岩体分级基准中的有关描述，而日本仲野则是以是否产生塑性地压来判定的（见表6.5）表6.4 高初始地应力岩体在开挖中出现的主要现象,表6.5 不同围岩强度比开挖中出现的现象·,2．高地应力现象,（1）岩芯饼化现象2）岩爆3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声井有较大变形，在中等强度以下的岩体中开挖探洞或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈，洞壁岩体产生剥离现象，有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有破哑声。
在软质岩体中洞体则产生较大的变形，位移显著，持续时间长、洞径明显缩小4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象如图6.6）,（5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高 （图6.7）,图6.6 基坑边坡回弹错动,图6.7 高地应力条件下岩体变形线,6.3.2 岩爆及其防治措施,1．概述,围岩处于高应力场条件下所产生的岩片（块）飞射抛撒，以及洞壁片状剥落等现象叫岩爆据不完全统计，在我国的大部分重要煤矿中，煤爆和岩爆的发生地点一般在200m至1500m深处的地质构造复杂、煤层突然变化、水平煤层突然弯曲变成陡倾等部位由于岩爆是极为复杂的动力现象，至今对地下工程中岩爆的形成条件及机理还没有形成统一的认识有的学者认为岩爆是受剪破裂；也有的学者根据自己的观察和试验结果得出张破裂的结论；还有一种观点把产生岩爆的岩体破坏过程分为：劈裂成板条、剪（折）断成块、块片弹射三个阶段式破坏2．岩爆的类型、性质和特点,目前主要是根据现场调查所得到的岩爆特征，考虑岩爆危害方式、危害程度以及对其防治对策等因素，分为破裂松脱型、爆裂弹射型、爆炸抛射型此外，也有把岩爆分为应变型、屈服型及岩块突出型的，如图6.8所示。
岩爆的规模基本上可以分为三类，即小规模的、中等规模的和大规模的，如图6.9所示图6.8 岩爆发生机理,图6.9 岩爆规模划分,3．岩爆产生的条件,（l）地下工程开挖、洞室空间的形成是诱发岩爆的几何条件； （2）围岩应力重分布和集中将导致围岩积累大量弹性变形能，这是诱发岩爆的动力条件； （3）岩体承受极限应力产生初始破裂后剩余弹性变形能的集中释放量即决定岩爆的弹射程度； （4）岩爆通过何种方式出现，这取决于围岩的岩性、岩体结构特征、弹性变形能的积累和释放时间的长短4．岩爆发生的判据,我国工程岩体分类标准采用的判据如下： （1）当 时，无岩爆； （2）当 时，可能会发生轻微岩爆或中等岩爆； （3）当 时，可能会发生严重岩爆 式中， 为岩石单轴抗压强度； 为最大地应力5．岩爆的防治,通过大量的工程实践及经验的积累，目前已有许多行之有效的治理岩爆的措施，归纳起来有：加固围岩、加防护措施、完善施工方法、改善围岩应力条件以及改变围岩性质等6.4 地应力测量方法,6.4.1 地应力测量的基本原理,6.4.2 水压致裂法,1．测量原理,水压致裂法在20世纪50年代被广泛应用于油田生产，通过在钻井中制造人工的裂隙来提高石油的产量。
哈伯特（M. K. Hubbert）和威利斯（D. G. Wiliis）在实践中发现了水压致裂裂隙和原岩应力之间的关系这一发现又被费尔赫斯特（C. Fairhurst）和海姆森（B. C. Haimson）用于地应力测量从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场（ ， ）的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态在这些部位，钻孔周边的应力为,,,,,式中， ， 为钻孔周边的切向应力和径向应力； 为周边一点与 轴的夹角由式（4-10）可知，当 时， 取得极小值，即,,,,,,如果采用图6.12所示的水压致裂系统将钻孔某段封隔起来 ，并向该段钻孔注入高压水，当水压超过 和岩石抗拉强度T之和后，在 处，也 即所在方位将发生孔壁开裂设钻孔壁发生初始开裂时的水压为 ，则有,,,,,,如果继续向封隔段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记为 ，则由图6.12可见， 应和原岩应力 相平衡，即,,,,（6.10）,（6.11）,（6.12）,（6.13）,（6.14）,由（4-13）和（4-14）式，只要测出岩石抗拉强度T，即可由 和 ，求出 和 ，这样和的大小和方向就全部确定了。
在钻孔中存在裂隙水的情况下，如封隔段处的裂隙水压力为 ，则（4-13）式变为,,,,根据式（6.14）和式（6.15）求和，需要知道封隔段岩石的抗拉强度，这往往是很困难的为了克服这一困难，在水压致裂试验中增加一个环节，即在初始裂隙产生后将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开时的压力为 ，则有,,,这样，由式（6.14）和（6.16）求 和 就无须知道岩石的抗拉强度因此，由水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质，而完全由测量和记录的压力值来决定6.15）,（6.16）,图6.12 水压致裂应力测量原理,,2．水压致裂法的特点,（1）设备简单只需用普通钻探方法打钻孔，用双止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩体，不需要复杂的电磁测量设备 （2）操作方便只通过液压泵向钻孔内注液压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可 （3）测值直观它可根据压裂时泵压〔初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力）计算出地应力值，不需要复杂的换算及辅助测试，同时还可求得岩体抗拉强度 （4）测值代表性大所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好的代表性。
（5）适应性强这一方法不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下。