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岩体地应力及其测量方法综述

时间:2011-04-23  作者:秩名
2.4岩体的物理力学性质的影响
 

从能量的角度看,地应力其实是一个能量的积聚和释放的过程。因为岩石中地应力的大小必然受到岩石强度的限制,可以说,在相同的地质构造中。地应力的大小是岩性因素的函数,弹性强度较大的岩体有利于地应力的积累,所以地震和岩爆容易发生在这些部位,而塑性岩体因容易变形而不利于应力的积累。

2.5水对地应力的影响

地下水对岩体地应力的大小具有显著的影响,岩体中包含有节理、裂隙等不连通层面,这些裂隙面里又往往含有水,地下水的存在使岩石孔隙中产生孔隙水压力,这些孔隙水压力与岩石骨架的应力共同组成岩体的地应力。

2.6温度对地应力的影响

温度对地应力的影响主要体现在两个方面:地温梯度和岩体局部受温度的影响。由于地温梯度而产生的地温应力,岩体的温度应力场为静压力场,可以与自重应力场进行代数迭加。此外,如果岩体局部寒热不均,就会产生收缩和膨胀,导致岩体内部产生应力。

曹建玲、石耀霖(2004)[5] 利用有限元方法,对存在复杂地形时,气温变化的影响深度及造成的地应力和地倾斜变化的量值进行了估算。计算结果表明:地形造成的热汇聚和热发散会造成地下温度的不均匀分布,而不均匀的热胀冷缩会导致地应力和地倾斜复杂变化,其影响深度大于平地温度年变化涉及的深度。在地应力和地形变台站的选址和观测中应该注意气温年变化影响及其干扰排除问题。

综上所述,岩体中的地应力场是一个具有三维空间的复杂应力场,它的大小和分布规律受到多种因素的影响,这也对地应力场的测量带来了很大的影响和不确定因素。

3. 岩体地应力测量应注意的问题3.1测量孔位的选定

地应力测量孔位的选定应考虑地形地貌、测孔周围的断裂分布、岩性、人工活动、地表风化等因素(陈庆宣等,1998)[6]。为配合重大工程建设需要,测量孔位应尽量较均匀分布在研究区具有代表性的构造部位,以便对研究区应力分布有总体了解,并与模拟实验结果相互验证。研究区测孔应尽量选同一岩性,这样可避免测值之间的岩性校正,便于对比分析。

3.2 地形地貌对地应力测量状态的影响分析

关于地形地貌对地应力的影响,国内外许多科学家已作了大量研究。谭成轩等人(2006)[7]在前人研究的基础上,依据实测资料,运用大量室内三维模拟分析讨论了地形地貌对地应力大小的影响,并提出构造应力面的概念,即由三维空间不同地点非构造应力影响消失的深度点构成的曲面在构造应力面之上,非构造应力和构造应力同时存在,而在构造应力面之下,仅构造应力存在。相关认识如下:

(1)沟谷宽度影响非构造应力集中范围大小和形状,而不影响构造应力面的深度。

(2)山体高度(或山体坡度)不仅影响非构造应力集中范围大小和形状,还影响构造应力面的深度。

(3)水平侧压力是引起非构造应力集中的主要因素。当山体坡度小于40°时,重力作用不会在沟谷或坡角引起非构造应力集中,但当山体坡度大于40°时,重力作用会在沟谷或坡角引起一定程度的非构造应力集中,但应力集中强度较弱。

(4)水平侧压力和山体高度是影响构造应力面深度的主要因素。当水平侧压力随深度变化梯度与重力梯度相等时,在沟谷底部构造应力面深度近似等于山体高度。当水平侧压力随深度变化梯度增大构造应力面深度与其呈线性增加,同时在沟谷或坡角非构造应力集中强度加强。

3.3 断裂对地应力测量状态的影响分析

断裂发育的复杂程度与地应力状态的变化密切相关,断裂越发育,地应力状态的变化幅度越大,在断裂极为发育的地区,应力方向极为分散,应力大小变化异常,并且断裂对地应力的影响范围与断裂的规模成正比。断裂往往构成地应力局部分区的界面断裂面以上的应力状态常常代表被断裂扰动的局部应力场,而断裂面以下的应力状态代表区域应力场(高建理等.1990[8],李方全等.1982[9])。与区域主应力方位相比,断裂附近的主应力方位往往发生不同程度的变化,变化幅度从几度到近90°。加拿大地下研究实验室(URL)通过穿越两个逆断层竖井现场实验,测定最大水平主应力方位在断裂上下相差近90°。断裂及其附近应力量值的变化较为复杂,既有应力增大的,也有降低的,这主要与断裂带附近应力随时间的变化有关(苏生瑞等[10])。

3.4 地应力测量深度的确定

地应力测量孔位应尽可能选在地形相对平缓地段,对于峡谷区,在测量之前应作一定的前期分析,大致确定所测地段非构造应力的影响深度,以确定测孔钻探深度,避免测量未超过非构造应力影响范围而影响研究区区域应力场分析。

4. 岩体地应力的测量方法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。

岩体中初应力的测量不仅在矿山、石油开采、水利工程和地下工程的建设中起着非常重要的作用,而且对地球物理的研究也有重大的理论与实际意义。自从 1932 年美国人劳伦斯(R. S.Lieurace)在胡佛水坝下面的一个隧道中首次成功进行了原岩应力测量之后,国内外学者在过去的七十余年里对地应力测量做了大量卓有成效的开创性工作,并且部分测量方法和设备已在工程实践中得到了广泛的应用。

一般由地质学、地震学、测量学方法可以求得现代地应力场的方向和近似应力值。仪器直接量测方法如水力压裂法、应力恢复法、应力解除等,还有套孔应力解除法和其他的应力或应变解除法以及地球物理方法等是间接测量地应力的方法中较常用的。

4.1 声发射Kaisr效应测量地应力

岩石声发射试验(Kaiser 效应试验)[11]是材料在外力作用下的声学特性对其受力历史的记忆性。金属材料的 Kaiser 效应记忆的是历史上受到的最大应力。Goodman 等曾对岩石材料进行试验,发现岩石的声学特性也具有对其受力历史的记忆性。后来,许多学者发现岩石材料的 Kaiser 效应在低应力范围(弹性范围)内具有近似的方向独立性,其记忆的最大应力不超过破坏应力的 50%,在此基础上,可将Kaiser 效应方法应用于岩体地应力的测试。论文检测。将 Kaiser 效应用于研究地应力开始于 20世纪70 年代。近年来利用岩石 Kaiser 效应确定岩体地应力的室内测试方法逐渐应用于工程实践。

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