工程地质分析原理 (66).pdf

地壳岩体的天然应力状态地壳岩体的天然应力状态岩体的天然应力状态是极其复杂。岩体的天然应力状态是极其复杂。一方面取决于一方面取决于地区的地质、地貌发展史，同时又受岩性、局部构造、地区的地质、地貌发展史，同时又受岩性、局部构造、地形地貌影响地形地貌影响。因此，为了从因此，为了从定性、定量定性、定量两个方面阐明一个地区岩体天然应力状态两个方面阐明一个地区岩体天然应力状态的总体特征，应采用下述的综合研究途径，的总体特征，应采用下述的综合研究途径，（1）以地质、地貌方法研究该区构造应力场的演变史和现今地应力）以地质、地貌方法研究该区构造应力场的演变史和现今地应力场的基本特征；场的基本特征；（2）在此基础上选择一些有代表性的地点进行应力测定；）在此基础上选择一些有代表性的地点进行应力测定；（3）以这些点的应力实测资料和已掌握的应力集中区的发育分布为）以这些点的应力实测资料和已掌握的应力集中区的发育分布为依据，对区域地应力场进行数值模拟和反演分析，由此建立区域地应力依据，对区域地应力场进行数值模拟和反演分析，由此建立区域地应力场的定量化模型。场的定量化模型。实际上其过程可归结为：实际上其过程可归结为：自然历史分析自然历史分析定量测定定量测定区域应力场模拟分析区域应力场模拟分析2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究2.5.1 构造应力场演变史及现今地应力场基本特征的地质地貌研究构造应力场演变史及现今地应力场基本特征的地质地貌研究2.5.1.1 构造应力场演变史研究构造应力场演变史研究对于构造应力场演变历史的研究对于构造应力场演变历史的研究，除可采用一般的除可采用一般的地质力学地质力学方法方法外外，还可以采用还可以采用断层错动机制的赤平投影解析法断层错动机制的赤平投影解析法。断层错动机制解是根据断层形成时所产生的断层错动机制解是根据断层形成时所产生的、且长期保存在且长期保存在断层附近岩体内的共生裂隙组合求得断层附近岩体内的共生裂隙组合求得，能揭示出该断层的历次活能揭示出该断层的历次活动特点和当时构造应力场的基本特征动特点和当时构造应力场的基本特征。通过大量测点处断层错动机制的赤平投影解析通过大量测点处断层错动机制的赤平投影解析，配合各种构配合各种构造形迹的地质力学分析造形迹的地质力学分析，能全面掌握造成该区历次构造断裂活动能全面掌握造成该区历次构造断裂活动的构造应力场特征的构造应力场特征，判定构造应力场的演变历史及最新构造应力判定构造应力场的演变历史及最新构造应力场的特征场的特征。2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究2.5.1.2 现今地应力场基本特征研究近年来应用于研究现今地应力场的地质地貌方法包括近年来应用于研究现今地应力场的地质地貌方法包括新断裂网络地质新断裂网络地质地貌解析法地貌解析法和地震和地震震源机制解析法震源机制解析法。新断裂新断裂-最新构造应力场下形成与发展的断裂。在一个特定的区域内，最新构造应力场下形成与发展的断裂。在一个特定的区域内，不同性质的新断裂往往构成一定形式的网络，客观地反映出最新构造应力不同性质的新断裂往往构成一定形式的网络，客观地反映出最新构造应力场的特点。场的特点。构成新断裂网络的成分包括一对构成新断裂网络的成分包括一对共轭的剪切面、一组压性结构面和一共轭的剪切面、一组压性结构面和一组张裂面。后二者一般发育较差，共组张裂面。后二者一般发育较差，共轭剪裂面大多数表现为两组区域性剪轭剪裂面大多数表现为两组区域性剪裂隙。裂隙。一般认为，这类区域性剪裂隙是一般认为，这类区域性剪裂隙是在蠕动条件下沿最大剪应力迹线形成在蠕动条件下沿最大剪应力迹线形成的，其锐角等分线就是区域的，其锐角等分线就是区域最大主应最大主应力方位力方位。金阳金阳金沙马颈子美姑永善雷波桧溪盐津木杆河马湖西宁绥江利水坝玛？析山？兰坝马边岷江金 沙 江屏山（1）1234（13）（2）（3）（11）（12）（10）（9）（4）（5）（8）（6）（7）（1）2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究2.5.1.3 地应力积累条件和程度的研究地应力积累条件和程度的研究1.历史上各时期及当代地壳隆起速度和高度历史上各时期及当代地壳隆起速度和高度通过量测区域内各级阶地的绝对年龄和相对高程，定量判定各时期地壳通过量测区域内各级阶地的绝对年龄和相对高程，定量判定各时期地壳隆起速度和高度，并结合历史时期的断裂活动情况，宏观总体地判明当前区隆起速度和高度，并结合历史时期的断裂活动情况，宏观总体地判明当前区内岩体应力积累的条件和程度。内岩体应力积累的条件和程度。2.区内应力集中的条件和应力集中区的分布区内应力集中的条件和应力集中区的分布在一个地区内有无应力集中条件及分布，主要取决于岩体的岩性及结构在一个地区内有无应力集中条件及分布，主要取决于岩体的岩性及结构条件。岩性坚硬、结构有利的部位通常就是应力集中的部位。条件。岩性坚硬、结构有利的部位通常就是应力集中的部位。3.可作为高应力区标志的地质、地貌现象的发育和分布可作为高应力区标志的地质、地貌现象的发育和分布河谷强烈卸荷回弹和应力释放的形迹、河床钻进过程中岩芯饼裂化现象、河谷强烈卸荷回弹和应力释放的形迹、河床钻进过程中岩芯饼裂化现象、基坑或地下工程开挖过程中的岩爆和其它强烈变形现象基坑或地下工程开挖过程中的岩爆和其它强烈变形现象等，都是与岩体内高等，都是与岩体内高应力的存在相联系的。这些现象集中发育的部位就是高应力集中区。应力的存在相联系的。这些现象集中发育的部位就是高应力集中区。研究这些现象的发育、分布情况，不仅有助于判明区内是否有高应力区研究这些现象的发育、分布情况，不仅有助于判明区内是否有高应力区的存在，而且还可以帮助我们判断区域最大主应力方向。的存在，而且还可以帮助我们判断区域最大主应力方向。2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究2.5.2 地应力的定量测定目前岩体应力测量方法很多，分类也不尽一致，但归纳起来可目前岩体应力测量方法很多，分类也不尽一致，但归纳起来可分为直接测试法和间接测试法两类：分为直接测试法和间接测试法两类：岩体应岩体应力测试力测试方法方法直接直接测试法测试法间接间接测试法测试法应力恢复法应力恢复法应力解除法应力解除法水力压裂法（水压致裂法）水力压裂法（水压致裂法）钻孔崩落法钻孔崩落法定向岩芯非弹性应变恢复法定向岩芯非弹性应变恢复法凯塞尔效应测试法凯塞尔效应测试法2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究（6）凯塞尔凯塞尔（Kaiser）效应测量法效应测量法基本原理基本原理1950年年，德国学者德国学者J.Kaiser发现受单向拉伸力作用的金属材料发现受单向拉伸力作用的金属材料，当应当应力达到并超过材料所受过的力达到并超过材料所受过的最大先期应力时最大先期应力时，开始有明显的声发射现象出开始有明显的声发射现象出现现，这就是著名的凯塞尔效应这就是著名的凯塞尔效应。1963年年，Goodman通过实验证实岩石也具有凯塞尔效应通过实验证实岩石也具有凯塞尔效应，从而为应从而为应用这一技术测定岩体应力奠定了基础用这一技术测定岩体应力奠定了基础。70年代末期以来年代末期以来，日日、美美、中学者对这一问题开展了广泛的理论及实中学者对这一问题开展了广泛的理论及实验研究验研究，先后解决了凯塞尔效应方向独立性先后解决了凯塞尔效应方向独立性、三维地应力测量及试验过程三维地应力测量及试验过程中噪声的排除等问题中噪声的排除等问题，使凯塞尔效应在地应力测量领域已基本具有实用性使凯塞尔效应在地应力测量领域已基本具有实用性。2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究为了深入理解凯塞尔效应及其在地应力测量方面的应用为了深入理解凯塞尔效应及其在地应力测量方面的应用，首先需对下首先需对下述基本问题作简要的讨论述基本问题作简要的讨论。岩石凯塞尔效应的微观机理岩石凯塞尔效应的微观机理岩石的声发射现象来源于其内部显微缺陷的受力扩展岩石的声发射现象来源于其内部显微缺陷的受力扩展，而岩石的每一而岩石的每一次受力次受力，都会使其内部组织结构产生与荷载大小及方向相适应的显微破裂都会使其内部组织结构产生与荷载大小及方向相适应的显微破裂系统系统。再次加载时再次加载时，一旦荷载达到并超过先期荷载一旦荷载达到并超过先期荷载，已有的裂纹即将进一已有的裂纹即将进一步扩展步扩展，声发射随之开始大量持续出现声发射随之开始大量持续出现，这就是凯塞尔效应的基本机理这就是凯塞尔效应的基本机理。岩石凯塞尔效应对地应力的记忆功能岩石凯塞尔效应对地应力的记忆功能一系列实测资料表明一系列实测资料表明，利用凯塞尔效应测得的岩体应力远小于该岩体利用凯塞尔效应测得的岩体应力远小于该岩体的破裂强度的破裂强度，而与用套钻法测得的现今岩体应力十分接近而与用套钻法测得的现今岩体应力十分接近。通过对已有实通过对已有实测资料的深入分析测资料的深入分析，我们发现凯塞尔效应实际上只能记忆我们发现凯塞尔效应实际上只能记忆晚近时期的应力晚近时期的应力，而不能记忆古构造力而不能记忆古构造力。之所以如此之所以如此，看来这里有一个看来这里有一个显微破裂的愈合显微破裂的愈合问题问题。随着环境的改变随着环境的改变，岩石的重结晶或新晶体生长作用岩石的重结晶或新晶体生长作用，使那些古老的显微破裂焊接愈合使那些古老的显微破裂焊接愈合，从而从而也就丧失对古构造应力的记忆能力也就丧失对古构造应力的记忆能力。2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究多期凯塞尔效应多期凯塞尔效应近些年来的研究发现近些年来的研究发现，挽近时期遭受挽近时期遭受过方向和量值不同的多期应力作用过方向和量值不同的多期应力作用的岩石的岩石，在其再次受力过程中可能出现多个声发射频数急剧增高点在其再次受力过程中可能出现多个声发射频数急剧增高点，分别对分别对应不同的先期应力应不同的先期应力，这种现象可称为这种现象可称为“多期凯塞尔效应多期凯塞尔效应”。岩石多期凯塞尔效应的产生岩石多期凯塞尔效应的产生机制机制-对于不同的主应力组合对于不同的主应力组合，岩石内部最岩石内部最易发生进一步破裂的缺陷方位不同易发生进一步破裂的缺陷方位不同。遭受过不同方向主应力组合作用的岩石遭受过不同方向主应力组合作用的岩石，其内部将产生多个与各次受力相对应的显微破裂系统其内部将产生多个与各次受力相对应的显微破裂系统。当对这类岩石试件进当对这类岩石试件进行加压试验并记录其声发射现行加压试验并记录其声发射现象时象时，随着压力的逐渐增大随着压力的逐渐增大，每当每当外荷载引起的应力达到与某一期应外荷载引起的应力达到与某一期应力相等的量级时力相等的量级时，与之相对应的显与之相对应的显微破裂就开始扩展微破裂就开始扩展，声发射的累计声发射的累计频数也就随之出现一次突增频数也就随之出现一次突增。2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究测量结果的应用测量结果的应用与其它的应力测量方法不同与其它的应力测量方法不同，凯塞尔效应测量结果所揭示的并不是现凯塞尔效应测量结果所揭示的并不是现存应力存应力，而是岩体于晚近期所遭受过的最大应力而是岩体于晚近期所遭受过的最大应力。如果在此期间岩体曾遭如果在此期间岩体曾遭受过不同应力场的作用受过不同应力场的作用，则通过多期凯塞尔效应则通过多期凯塞尔效应，还可揭示出岩体晚近期还可揭示出岩体晚近期的受力历史及每一期主应力的方向及其最大值的受力历史及每一期主应力的方向及其最大值。由凯塞尔效应所揭示的最新应力场由凯塞尔效应所揭示的最新应力场，在方向上必定与现存应力场相一在方向上必定与现存应力场相一致致，而在量值方面则可能出现等于或大于现存应力的两种情况而在量值方面则可能出现等于或大于现存应力的两种情况。导致出现导致出现后一种情况的主要因素可能是岩体的表生时效变形后一种情况的主要因素可能是岩体的表生时效变形，也可能是活动构造应也可能是活动构造应力的减弱力的减弱。2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究2.5.3区域地应力场的物理及数值模拟通过地应力的实际测量，可以较为精确地获取测点部位的地应力量值通过地应力的实际测量，可以较为精确地获取测点部位的地应力量值和方向，但也只能获取各测点的地应力状态，而不能得到整个地区宏观空和方向，但也只能获取各测点的地应力状态，而不能得到整个地区宏观空间地应力场。间地应力场。近年来，随着物理模拟、数值模拟技术的迅猛发展，尤其是数值模拟近年来，随着物理模拟、数值模拟技术的迅猛发展，尤其是数值模拟技术，如有限单元法、有限差分法等，技术，如有限单元法、有限差分法等，使利用有限的测点应力实测资使利用有限的测点应力实测资料来模拟和反演整个地区的空间应力场成为现实料来模拟和反演整个地区的空间应力场成为现实。通过数值模拟研究，不仅可以根据区内一些点的应力实测资料反演现通过数值模拟研究，不仅可以根据区内一些点的应力实测资料反演现今区域地应力场，建立其现状的定量化模型，取得不同地段在应力今区域地应力场，建立其现状的定量化模型，取得不同地段在应力形变形变强度和发震能力方面的定量关系，而且可以通过改变外力或边界条件的系强度和发震能力方面的定量关系，而且可以通过改变外力或边界条件的系统分析，深入研究区域地应力场的形成演化机制和规律，为定量评价岩体统分析，深入研究区域地应力场的形成演化机制和规律，为定量评价岩体稳定性及区域构造稳定性提供科学依据。稳定性及区域构造稳定性提供科学依据。2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究2.5.3.l 模型的建立通过对区域构造应力场演变史及现今地应力场基本特征的地质、地貌通过对区域构造应力场演变史及现今地应力场基本特征的地质、地貌研究和部分地点岩体应力的实测，从宏观上掌握区域构造格架及区域应力研究和部分地点岩体应力的实测，从宏观上掌握区域构造格架及区域应力一形变场发育的总体特征。以此为基础，通过适当地简化和抽象，建立一一形变场发育的总体特征。以此为基础，通过适当地简化和抽象，建立一个尽量符合实际的地质个尽量符合实际的地质力学模型，是保证模拟研究成功的关键。力学模型，是保证模拟研究成功的关键。具体说来，模型的建立关键是要正确确定模型的下述特征：具体说来，模型的建立关键是要正确确定模型的下述特征：（1）模型的范围、内部结构及各部分的物理力学参数；）模型的范围、内部结构及各部分的物理力学参数；（2）模型的边界条件及可能的外力作用方式；）模型的边界条件及可能的外力作用方式；（3）关键部位的主应力方向及大小。）关键部位的主应力方向及大小。2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究2.5.3.2 变形破坏机制的物理模拟研究为考察模型建立的正确性和进一步研究岩体的变形破坏机制，比较有效为考察模型建立的正确性和进一步研究岩体的变形破坏机制，比较有效的方法是进行相似材料的物理模拟研究。的方法是进行相似材料的物理模拟研究。该方法的要点：该方法的要点：根据抽象出地质根据抽象出地质力学模型，用相似材料制成物理模拟模型，并在关键力学模型，用相似材料制成物理模拟模型，并在关键部位预埋各种传感器部位预埋各种传感器(应力、应变、孔隙水压力等应力、应变、孔隙水压力等)。在物理模拟试验装置中施加外力和其它作用条件在物理模拟试验装置中施加外力和其它作用条件(如降雨、振动等如降雨、振动等)。随着。随着外界条件的不断变化，实时收集和采集各传感器数据，仔细观察模型中所出外界条件的不断变化，实时收集和采集各传感器数据，仔细观察模型中所出现的各种现象，并用高速摄像机记录变形发展的全过程。现的各种现象，并用高速摄像机记录变形发展的全过程。如果模拟试验的结果能完全再现地质体现场实际情况，则不仅证明了模如果模拟试验的结果能完全再现地质体现场实际情况，则不仅证明了模型建立的正确性，而且还能深化对岩体变形破坏模式、作用机制以及宏观规型建立的正确性，而且还能深化对岩体变形破坏模式、作用机制以及宏观规律的认识和理解，为进一步的定量模拟计算和稳定性评价提供科学依据。否律的认识和理解，为进一步的定量模拟计算和稳定性评价提供科学依据。否则，则需调整模型反复试验，直到得出满意的结果为止。这一过程实际上是则，则需调整模型反复试验，直到得出满意的结果为止。这一过程实际上是一个对现场情况进行一个对现场情况进行再研究再研究、再认识再认识的过程。的过程。2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究研究案例：研究案例：龙羊峡电站区域稳定性模式机制龙羊峡电站区域稳定性模式机制(1)剪切位移首先始于南部断裂带。剪切位移首先始于南部断裂带。然后，依次传人北部断裂带及东部然后，依次传人北部断裂带及东部断裂带。当最后微量波及电站所在断裂带。当最后微量波及电站所在的东部构造带时，其它断裂带的位的东部构造带时，其它断裂带的位移已发展得十分强烈。移已发展得十分强烈。(2)电站库坝区是一个相对的构电站库坝区是一个相对的构造稳定区，外围深大断裂型活断层造稳定区，外围深大断裂型活断层对该区的受力和变形，表现出明显对该区的受力和变形，表现出明显的屏蔽和消能作用。的屏蔽和消能作用。2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究2.5.3.3 应力场的数值模拟研究采用二维或三维数值模拟软件采用二维或三维数值模拟软件(最常用的是有限元数值模拟软件最常用的是有限元数值模拟软件)，进行，进行应力场的数值模拟研究。应力场的数值模拟研究。通常情况下，数值模拟包括两个步骤：通常情况下，数值模拟包括两个步骤：首先是通过地质调查结果建立初步的、边界条件是定性的数值计算模首先是通过地质调查结果建立初步的、边界条件是定性的数值计算模型；型；其次，以实测地应力点为依据其次，以实测地应力点为依据(如果有变形监测点，也可将变形监测数如果有变形监测点，也可将变形监测数据作为反演依据据作为反演依据)，不断调整模型的边界条件和介质物理力学参数，直至测，不断调整模型的边界条件和介质物理力学参数，直至测点部位的计算应力量值和方向与实测值达到最大限度地拟合为止。此时可点部位的计算应力量值和方向与实测值达到最大限度地拟合为止。此时可以认为，以认为，数值模拟模型已基本实现了与实际的地质模型的“耦合”数值模拟模型已基本实现了与实际的地质模型的“耦合”。用数。用数值模拟模型计算出来的应力场也就基本代表实际地质模型的应力场。值模拟模型计算出来的应力场也就基本代表实际地质模型的应力场。2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究模拟研究工作模拟研究工作要点要点:(1)(1)根据现场调查结果确定的边界条件、力学参数和外力作用方式，建立根据现场调查结果确定的边界条件、力学参数和外力作用方式，建立有限元、离散元数值模型。有限元、离散元数值模型。(2)(2)模型作为理想的模型作为理想的弹塑性体平面应变弹塑性体平面应变问题处理。问题处理。断裂带视为理想的弹塑性层状材料，其余部分视为各向同性弹性体。断裂带视为理想的弹塑性层状材料，其余部分视为各向同性弹性体。根据实测资料、类比和反复计算，确定模型介质的力学参数。根据实测资料、类比和反复计算，确定模型介质的力学参数。(3)(3)然后，通过不断改变外力大小并适当调整介质参数的反复计算，直到然后，通过不断改变外力大小并适当调整介质参数的反复计算，直到模型中实测点处的模型中实测点处的计算值与实测值基本拟合计算值与实测值基本拟合为止。所得的已经定量化的应为止。所得的已经定量化的应力一形变图像就是区域应力一形变场现今特征的真实写照。力一形变图像就是区域应力一形变场现今特征的真实写照。(4)(4)在此基础上，通过不断改变外力大小的计算，求得不同区段应力一形在此基础上，通过不断改变外力大小的计算，求得不同区段应力一形变强度间的定量关系。最后根据这样确定出的条件、参数及内部应力一形变强度间的定量关系。最后根据这样确定出的条件、参数及内部应力一形变的特点，建立最终的变的特点，建立最终的定量化模式定量化模式，作为定性、定量评价区内不同地段构，作为定性、定量评价区内不同地段构造稳定性的基础。造稳定性的基础。2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究研究案例：研究案例：黄河龙羊峡电站区域应力-形变场现今特征的线弹性有限元分析最大主应力最大主应力1 1最大剪应力最大剪应力等值线等值线应变能密度等值线应变能密度等值线2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究研究案例：研究案例：云南丽江地区区域地云南丽江地区区域地应力场数值模拟应力场数值模拟2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究2.5 2.5 区域地应力场及岩体地应力研究区域地应力场及岩体地应力研究思考题思考题岩体天然应力状态的概念岩体天然应力状态的概念我国地应力场的时空分布规律我国地应力场的时空分布规律地壳表层高地应力区及其地质地貌标志地壳表层高地应力区及其地质地貌标志岩体应力测量的主要方法岩体应力测量的主要方法