论岩体构造应力

2001年9月水 利 学 报SHUILI XUE BAO 第9期收稿日期:2000-08-09作者简介:朱焕春(1963-),男,湖北大冶人,武汉大学教授、博士,主要研究方向为高边坡与锚固、岩体地应力等岩体工程问题.文章编号:0559-9350(2001)09-0081-05论岩体构造应力朱焕春1,李　浩1(1.武汉大学水电系,湖北武汉　430072)摘　要:从地质学基本原理、地表地质作用以及实测数据等几个方面再次论述了对岩体构造应力分布的认识,指出在水平主应力随深度的线性表达式σ=kh +T 中,构造应力的贡献不仅只由T 反映,而且常常对系数k 有很大的贡献.另一方面,即便在地形平坦地区,T 值还可以反映后期地表地质作用,最大、最小水平构造应力差值能更好地表征构造应力的大小.而在地形复杂的河谷地区,地表改造对浅层岩体地应力的影响更加突出,但可以用河谷形成前等效初始地应力场状态反应构造应力状态.关键词:构造应力;自重应力;地质作用;深度中图分类号:P553;TU452 文献标识码:A岩体地应力是岩体工程最基本也是最重要的工程荷载,它是进行岩体工程问题数值计算的初始条件之一,也是分析工程岩体破坏和位移特征的基本因素[1].作者曾就岩体地应力问题,包括构造应力的分布特征进行过比较系统的论述[2].但从目前的情况看,以水平主应力为例,对表达式:σ=kh +T 中系数k 、T 的物理意义、构造应力的分布特征进行再一次的讨论,显得很有必要.主要问题是:(1)k 值不仅仅只反映了岩体自重应力,同时包含了构造应力,并且,在很多情况下,它所反映的构造应力分量是不可忽略的.(2)T 值反映了构造应力作用,但在剥蚀地区的浅层岩体中,即便地形平坦,可以包含地表地质作用的影响.(3)地形强烈起伏的河谷地区,其地应力不能简单地看成是自重应力与构造应力的迭加.河流地质作用改造地表形态的同时,也改造了原来的地应力场,使得浅部岩体各应力分量随深度可以不是线性分布,上述参数失去了表征构造应力的意义.1　岩石圈中构造应力的空间变化趋势这里主要是讨论厚度数万米的地壳岩石圈内构造应力的分布,帮助认识岩石圈表层人类工程活动涉及的工程岩体范围内(几千米)构造应力分布,说明构造应力是随深度变化的.1957年,在人造地球卫星发射成功以后,人类认识到地球实际上是一个旋转椭球体,其扁率为:f =a -b a =1298.25(1)式中:a 为赤道半径,b 为地球两极半径.地球物理学家曾假设地球内每一点都为静水压力状态,计算出的扁率为1 299,与实际结果相似,地球物理学家认为,从总体上讲,平均半径近6400km 的整个地球基本都受到静水压力应力状态的作用,不受这种作用的地球物质所占的比例很小[3].即地球表层岩石圈内的应力是不均匀的.大量研究同时证明,地球表层岩石圈中的构造应力是明显的,且各向异性突出,岩石不可能处于静水压力状态.但对整个岩石圈内构造应力的大小及其深度的变化特征,至今还没有一种公认的测量DOI :10.13243/j .cn ki .slxb .2001.09.015和计算方法.一些研究人员运用间接手段的研究成果表明,岩石圈内的最大构造应力可能达到200～300MPa,并可能在20km或更大一些深度处达到最大值[4～6].再往深处,岩石性状可能会发生变化,承受各向异性压力的能力减弱,逐渐转入静水压力状态.我们现在看到的工程岩体的各种变形(如褶皱)和断裂(如节理、断层),它们往往具有内在联系,即绝大多数是由于地质历史上构造应力的作用形成的,此后由于地壳运动(抬升)和地表地质作用(剥蚀)而到达地表附近.从岩体中的变形和断裂不难看出,在当时的条件(如深度)下,岩体承受的构造应力有多大.这说明深部构造应力肯定大于浅部:(1)在浅部的低围压状态下,脆性特性普遍突出的岩石几乎不可能形成褶皱、特别是柔皱那样的弯曲变形.(2)从变化的观点看,我们可认为现今地应力场是它在变化着的地质历史过程中的一个短暂的表现,它当然带有地应力演变的烙印,即现今构造应力也会是在浅部小、深部大.(3)进一步地,即便现今构造应力活动总体微弱,研究表明,在不受后期构造变动改造的条件下,古构造应力场特征可以保留数千万乃至几亿年[3],即古生代地层中的构造应力场特征可能保留到现在.这也是地质力学方法恢复的古构造应力场方位特征有时能和现今地应力场一致的原因,特别地,在地形平坦地区更突出.所以,从宏观上看,构造应力是随深度变化的,在表达式a=kh+T中不仅可以反应在系数T 中,也可以反应在k中.2　关于参数k和T的讨论假设一种理想情况,某地区地表平坦,地质历史上不受其他因素的作用,最大水平主应力只由自重应力的水平分量和构造应力组成.此后,该地区地壳抬升,地表受剥蚀,剥蚀厚度为Δh.则剥蚀前深度为h处的最大水平主应力为:σ0=kh+T0(2) 根据空间半无限体弹性理论,剥蚀后深度为h处(由h+Δh剥蚀到h)的最大水平主应力为:σ=k(h+Δh)+T0-μ1-μγΔh=kh+T0+k-μ1-μγΔh(3)式中:γ、μ分别是岩石的密度和泊松比.比较式(2)和式(3),同样深度处,剥蚀前后最大水平应力相差一个常数,而系数k保持不变.一般的取μ=0.25～0.30,γ=27kN m3,当应力单位用MPa时,则:γ×μ(1-μ)的数值在0.009～0.0116之间.据大量实测资料的统计,k≥μ1-μγ(4)基本上在所有情况下式(4)成立[7](参见表1),它表明地质历史中的地表剥蚀作用通常可以改变岩体水平应力大小,使地表附近水平应力相对增大.从理论上讲,这种变化只反映在参数T上.同样地,地表沉积作用也可以改变T值大小,使其相对减小[8].表1给出了一些研究者对k和T的统计结果.注意这是现今实测值的统计结果,但k值可以认为受后期剥蚀作用小;最大、最小水平主应力的k值平均值显然一般都大于自重应力水平分量的对应值(数值为0.009～0.0116).考虑到构造应力方向一般与实测最大水平应力方向一致,显然,在最大水平应力方向上,k值不仅包含了自重应力水平分量的贡献,构造应力的作用不可忽视的.另一方面,式(2)、式(3)表示了剥蚀前后深度同为h时水平应力大小的差别.显然地,T值不仅反映了构造应力的作用,还包含了地表地质作用的影响.特别地,在剥蚀地区,较高的水平应力也可以由剥蚀作用引起.表1　不同地区k 和T 统计值[7～8]　地区k ′T ′统计者美国0.020　4.75Haims on 英国0.04011.25Cooling 英国0.019511.00Pine et al 澳大利亚0.02157.26Worotinicki 芬兰0.0499.31Hast 加拿大0.0418.30Herget 南部非洲0.0150.50Orr 中亚地区0.0292.50Aitmatov 中国0.0205.44王连捷华北平原0.021-0.21陈家庚中国潜江0.01912.17陈家庚黄河三角洲0.028-17.12丁健民岩浆岩地区0.031＊13.65＊朱焕春沉积岩地区0.022＊7.89＊朱焕春变质岩地区0.021＊12.00＊朱焕春　＊最大水平主应力的相应值,k ′和T ′分别是最大、最小水平主应力平均值的统计结果.表中数据对应的应力单位为MPa ,深度单位为m . 岩浆岩形成于地表以下深处(数千米以下),目前出露在地表附近,就是地壳抬升、地表剥蚀作用的结果.沉积岩则形成于地表,后期也可能受地表剥蚀作用,但在应力测点比较集中的油田区,新生代以来地表则相对稳定或以下降接受沉积为主.按照上文所述,这两类岩石中浅部实测水平应力值应该以岩浆岩中高、沉积岩中低。

图1和图2给出了一个比较结果,显然,这两类岩石中浅部地应力测值差别显著,符合上述分析结果.3　浅部岩体构造应力随深度的分布以下再用一个实例来说明构造应力随深度的分布特征.湖北江汉平原是在中生代后期开始下沉形成的沉积平原,在新生代的第三系沉积了巨厚的沉积层,并在第三纪后期受新构造运动的作用产生断裂.该地区地形平坦,第四纪以来地表地质作用非常微弱,沉积厚度仅2～8m .因统计样本数:101,σH =0.031h +13.65图1　岩浆岩地区最大水平应力分布统计样本数:116,σH =0.022h +7.89图2　沉积岩地区最大水平应力分布此,该地区第三系地层中岩体地应力可以认为只是构造应力与自重应力的叠加.在该地区下第三系地层潜江组粉砂岩中1334～3045m 深度范围内,用水压致裂法测得的14个点的地应力实测资料表明σH =0.021h +15.63(5a )σh =0.016h +8.71(5b )式中:σH 、σh 分别为最大、最小水平应力,单位为MPa .根据试验资料,可取该岩层μ=0.333,γ=21kN m 3,则在最大、最小水平应力方向上构造应力大小可以用式(5a )、式(5b )减去自重应力的水平分量计算,得σT =0.0105h +15.63(6a )σt =0.0055h +8.71(6b ) 式(6)表明,在地壳浅部岩层中,构造应力不是常量.表1的统计数据同时显示,由于k 值一般较大,所以,在许多情形下,它随深度递增的梯度甚至大于自重应力水平分量的变化梯度,由此可见,构造应力随深度的变化是不可以忽略的.4　关于构造应力的表征量以上的分析表明,即便在地形平坦地区:(1)高水平应力不一定就是构造应力作用强烈的标记,特别是在浅部岩体中,强烈的地表剥蚀也可以造成浅部岩体中的高水平应力.并且,由于应力随深度变化特性,一般来讲,用水平应力绝对值的高低不能完全判断构造应力水平.(2)显然地,通常所采用的水平应力与垂直应力的比值(即土力学中的侧压力系数):λ=kγ+Tγh(7)是一个随深度不断减小的变量,当水平应力表达式中的T值较大时,深度小的地表附近λ值很高,也不宜作为构造应力大小的表征量.事实上,用它表征构造应力水平时,会得出地表浅部构造应力突出、深部不突出的不正确结论.从理论上讲,k值不受地表地质作用改造的影响,在平坦地形地区,它只包含了自重和构造应力的作用,能够表征构造应力的大小.一般地,最大、最小水平应力的差值可以消除自重、地表地质作用的影响,是构造应力大小的最佳表征量.但是,在地形起伏条件下的浅部岩体中,其有效性也会受到很大的影响.在地形起伏地区、尤其是在大型水电工程所在的深切峡谷区,先期(中生代及其以前)形成的地应力场受后期(新生代以来)地表剥蚀、河流侵蚀(类似于不均匀的剥蚀)作用将发生很大变化,这非常类似于高陡人工边坡形成过程中的应力调整,只不过前者是在漫长的地质历史过程中自然完成.显然地,河谷形成前的初始地应力形态、河谷走向相对于该地应力场的方位以及河谷形态特征基本决定了河谷区现今地应力的基本分布特征[9].总体而言,河床及谷坡坡脚一带一定范围内的应力集中、谷坡上部的应力松弛是普遍规律.由于应力集中带的最大主应力方向总是趋于与河谷走向垂直,而构造应力的方向(通常也是区域性最大水平主应力方向)可以与河谷走向任意角度相交,使得河谷区、特别是河谷浅部岩体中的最大主应力方向与构造应力方向相差甚远.并且,在河谷区不同部位获得的最大主应力特征也可以互不相同,给判别和表征构造应力水平造成很大困难.尽管如此,由于构造应力的继承性以及河谷对地应力场改造的局部性(从目前获得的水电工程中的地应力测值的统计结果看,比较明显的最大影响范围的水平深度一般在200～300m以内,如二滩工程中河床的高应力分布范围也是有限的,地下厂房施工中并没有出现突出的高地应力问题),使得我们可以借助于现今河谷地应力测值等效地恢复原始地应力场状态,再根据恢复的等效原始地应力状态中最大、最小水平应力差值判断构造应力水平.这就是说,通常地,水电工程中的河谷地应力测值会受到河谷演变过程的影响,不能直接用来判断构造应力状况.与现今人工高边坡中的二次应力场的分布类似,河谷地应力场是一个自然改造后的重分布应力场,不宜用平坦地形区获得的认识和概念简单地应用到河谷地区.关于等效的原始地应力状态的恢复方法,请参阅文献[10],这里不再赘述.5　结论(1)在岩石圈的一定深度范围内,岩体构造应力随深度不断增大.在工程涉及的深度范围内,这种随深度的变化梯度往往大于自重应力水平分量的变化梯度,因此,工程中构造应力随深度的变化是不能忽略的.(2)在水平应力随深度变化的线性表达式中,构造应力的作用同时表现在k和T两个参数上.即便是在平坦地形地区,T还可能受地表地质作用的影响,使得高水平应力不一定是由构造应力引起.(3)侧压力系数不能描述构造应力的状况,不宜作为构造应力的表征量.一般地,在地形平坦地区,最大、最小水平应力差值比较稳定、直接地反应了构造应力状况.在地形复杂的河谷地区,则需要考察河谷形成前等效初始应力场状况.(4)用人工高边坡二次应力场分布特征来看待河谷地应力场,更有利于理解其分布特征.显然地,由于河谷地应力场会受到河谷形态、河谷走向相对于初始地应力场关系等方面因素的影响,使得高构造应力地区的河谷地应力不一定就很高.参　考　文　献:[1]　陆培炎.三峡永久船闸高边坡直墙顶的水平位移估计及意见[J].岩石力学与工程学报,2000,19(1):120-125.[2]　陶振宇,朱焕春,李广平,高延法.岩石力学的地质与物理基础[M].武汉:中国地质大学出版社,1996.[3]　万天丰.古构造应力场[M].北京:地质出版社,1988.[4]　M ercir J C.Magnitude of the continental lithospheric stresses inferred from rheomorphic petrology[J].J.GeophysRes.1980,6293-6303.[5]　Wy ss M.Stress estamtes for south America shallow and deep earthquakes[J].J.Geophys Res.1980,6377-6396.[6]　Turcotte D L,Oxburgh E R.Stress accumulation in the Lithosphere[J].Tectonophysics,1976,183-199.[7]　Huan-Chun Zhu,Zhen-Yu Tao.State of in-situ stress in different rocks[J].ACTA Seismologica Sinica,1994,7(1):67-83.[8]　朱焕春,陶振宇.论沉积区岩体地应力分布[J].武汉水利电力大学学报,26(4):323-330.[9]　朱焕春,陶振宇.河谷走向与河谷地应力分布[J].岩石力学与工程学报,14(1):17-24.[10]　朱焕春,赵海斌.河谷地应力场数值模拟[J].水利学报,1996,(5):29-34.On tectonic stress in rock massZHU Huan-chun1,LI Hao1(1.W uhan Unive rs ity,W uhan　430072,China)A bstract:The distribution of tectonic stress in rock mass is studied based on the analysis of geologicalaction and measured data.The horizontal stressσis linearly varied with depth hasσ=kh+T,where k and T ar e c oefficients.Tectonic stress can not only be described by the c oefficient T,but also by k.On the other hand,even in flat area.In flat ar ea,T reflects the possible subsequent geological action on the ground surface.Tectonic stress in uneven area can be effectively described by the difference between the maximum and minimum horizontal principle stress.In river valley area,the influence of surface geo-logical action on in-situ rock stress is r emarkable.Ho wever,the tectonic stress state can be identified by the original equivalent stress field before the for mation of valley.Key words:tectonic stress;gravity stress;geological action;depth。