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应力,为啥让岩体稳定又“暴躁”?
发布时间:2020-04-13

岩体介质有许多有别于其他介质的重要特性, 由岩体的自重和历史上地壳构造运动引起并残留至今的构造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)

←应力图

↓中国板块主应力迹线图

 

重布应力

进行工程建设将引起一定范围内岩体初始应力的改变,工程建设扰动后的岩体应力成为重布应力二次应力

天然应力

 

重分布应力

 

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

  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。

  3. 水平应力普遍大于垂直应力。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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。

  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。

 

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

高地应力判别准则

高地应力是一个相对的概念。由于不同岩石具有不同的弹性模量,岩石的储能性能也不同。一般来说,地区初始地应力大小与该地区岩体的变形特性有关,岩质坚硬,则储存弹性能多,地应力也大。因此高地应力是相对于围岩强度而言的。也就是说,当围岩内部的最大地应力与围岩强度(Rb)的比值(Rb/σmax)达到某一水平时,才能称为高地应力或极高地应力。

目前在地下工程的设计施工中,都把围岩强度比作为判断围岩稳定性的重要指标,有的还作为围岩分级的重要指标。从这个角度讲,应该认识到埋深大不一定就存在高地应力问题,而埋深小但围岩强度很低的场合,如大变形的出现,也可能出现高地应力的问题。因此,在研究是否出现高或极高地应力问题时必须与围岩强度联系起来进行判定。

以围岩强度比为指标的地应力分级基准

地区

极高地应力

地应力

一般地应力

法国隧道协会

<2

2~4

>4

我国工程岩体分级基准

<4

4~7

>7

日本新奥法指南(1996年)

<2

4~6

>6

日本仲野分级

<2

2~4

>4

此外,修建高坝、大型水库和深大的地下硐室等,常能在更大范围内影响天然应力的平衡,引起一系列诸如断层复活水库bet以及大型岩爆等严重危害建筑物和人民生命财产的工程地质作用。

高初始地应力岩体在开挖中出现的主要现象

应力情况

主要现象

Rbmax

极高应力

硬质岩:开挖过程中时有岩爆发生,有岩块弹出,洞室岩体发生剥离,新生裂缝多,成洞性差,基坑有剥离现象,成形性差。

软质岩:岩心常有饼化现象。开挖工程中洞壁岩体有剥离,位移极为显著,甚至发生大位移,持续时间长。不易成洞,基坑发生显著隆起或剥离,不易成形

< 4

高应力

硬质岩:开挖过程中可能出现岩爆,洞壁岩体有剥离和掉块现象,新生裂缝较多,成洞性较差,基坑时有剥离现象,成形性一般尚好;

软质岩:岩心时有饼化现象,开挖工程中洞壁岩体位移显   著,持续时间长,成洞性差。基坑有隆起现象,成形性较差

4~7

不同围岩强度比开挖中出现的现象

围岩强度比

大于4

2~4

小于2

地压特性

不产生塑性地压

有时产生塑性地压

多产生塑性地压

 

地应力测量方法

 

直接测试法

应力恢复法

应力解除法

水力压裂法(水压致裂法)