《岩石力学》地应力及其测量

岩体地应力及其测量方法综述明有封闭应力的存在。

地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。

应力解除法是岩体应力测量中应用较广的方法。

(2)对于地表剥蚀作用因素是导致常规初始应力反演中重力因子大于1的原因,易达根据地表剥蚀作用对地应力场反演影响的研究成果对此问题做了假定分析。

关键词：地应力，剥蚀作用，应力解除法，重力因子1 地应力的成因及其分类地应力一般是质地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，或称初始应力，主要是在重力和构造运动综合作用下形成的应力，有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆浸入等作用下形成的应力[1]。

1.1 地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。

另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。

其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分[1]。

1.2 地应力的分类地应力按不同起源分为：自重应力、构造应力、剩余应力（卸荷作用在岩体内引起高的水平应力）和变异应力（由岩体的物理状态、化学性质或赋存条件方面的变化而引起的应力）。

值得注意的是剩余应力与残余构造应力是完全不同的：剩余应力不具有方向性，常是x=y；而残余应力引起的高水平应力具方向性，x与y相差较大[2]。

1980年陈宗基曾提出封闭应力的概念。

由于岩石是非均质介质，它的颗粒大小、力学性质及热传导系数等各不相同。

当地壳经受压力或温度变化后，岩石中各种晶体将产生变形。

由于晶体间的摩擦力使其在变形过程中局部将受到阻碍，引起应力积累。

1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。

自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。

2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。

答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。

3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即σℎ=σv=γH金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。

他根据弹性力学理论，认为这个系数等于μ1−μ，即σv=γH，σℎ=μ1−μγH4. 地应力是如何形成的？答：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。

另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。

5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。

关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。

土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。

6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。

答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟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，即σG=γH。

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。

地应力及其测试技术1、引言岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的因素。

在漫长的地质年代里，地壳始终处于不断运动、变化之中，由此引起构造应力。

引起岩体的应力除了构造应力，还有上覆岩体的自重应力、气温变化引起的温度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、固结作用、脱水作用所引起的应力等。

这些在人类工程活动之前存在于岩体中的应力，就称为地应力或天然应力。

由于岩体中的地应力分布是及其复杂的，特别是岩体遭受地质构造运动之后应力状态更为复杂，分布规律千变万化。

因此目前对于岩体中地应力的大小以及其分布规律的研究尚缺乏完整系统的理论成果。

尽管近年来很多学者对于地应力的现场测量和理论研究都做了大量的工作，并取得一定的进展。

但是，要达到能够确切掌握岩体中的初始应力大小及其分布规律，目前还有较大的距离。

虽然目前仍难以对岩体中地应力的大小及其分布规律达到确切的掌握，但是地应力状态与岩体稳定性的关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。

在高地应力区所进行的岩体开挖，常常会引起一系列与开挖卸载回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象。

在高地应力的脆性岩体开挖时，甚至能发生岩爆现象。

这些不利现象都极大程度上影响着施工和运营安全，因此，岩体地应力状态对工程建设有着重要的意义。

2、地应力的组成及其特点2.1 地应力的组成地应力的组成成分是地应力的来源，它主要来自五个方面，即岩体自重、地质构造运动、地形势、剥蚀作用和封闭应力。

自重应力是地心对岩体的引力。

地质构造运动引起的应力，包括古构造运动应力和新构造运动应力。

前者是地质史上由于构造运动残留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力；后者是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。

地形势与剥蚀作用引起的应力仅限于局部的应力场受到影响，例如，高山峡谷或者深切河谷底部的应力往往比较集中；地表剥蚀会使该处地应力的铅垂应力分量降低较多，而水平应力基本保持不变等等。

地应力基本概念及测量方法应力等因素导致岩体具有初始地应力（或简称地应力）是最具有特色的性质之一。

就岩体工程而言，如不考虑岩体地应力这一要素，就难以进行合理的分析和得出符合实际的结论。

岩体应力天然应力是指未经人为扰动的，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。

天然应力构成：岩体自重自重应力构造运动构造应力流体作用静水压力梯度，渗流应力其他（低温、地球化学作用）地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极大，它不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且往往对各类建筑物的设计和施工造成直接的影响。

比如，地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏。

这都是由于在具有初始地应力场的岩体中进行开挖所致，因为这种开挖荷载通常是地下工程问题中的重要荷载。

由此可见，如何测定和评估岩体的地应力，如何合理模拟工程区域的初始地应力场以及正确和合理地计算工程问题中的开挖荷载，是岩石力学与工程问题中不可回避的重要问题。

已有的研究和工程实践表明，浅部地壳应力分布主要有如下的一些基本规律：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。

实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。

水平应力普遍大于垂直应力。

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。

最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。

最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。

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。

高应力区实践表明，在高应力区，地表、地下工程施工期间所进行的岩体开挖工作，往往能在岩体内引起一系列与卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，其结果是不仅会恶化地基或边坡岩体的工程地质条件，而且作用的本身有时也会对建筑物造成直接的危害。

1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。

自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。

2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。

答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。

3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即σℎ=σv=γH金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。

他根据弹性力学理论，认为这个系数等于μ1−μ，即σv=γH，σℎ=μ1−μγH4. 地应力是如何形成的？答：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。

另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。

5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。

关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。

土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。

6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。

答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟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，即σG=γH。

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。