地应力：基本概念解析

蓄存在岩体内部未受扰动的应力，称之为地应力（geostress）或原岩应力（in-situ stress）。地应力是岩体在漫长地质年代里由于地质构造运动和其自重等作用，在岩体中产生的内应力效应，地应力也称为岩体初始应力（initial stress）。当工程开挖以后，应力受到开挖扰动的影响而形成的应力，则称为二次应力（secondary stress）或诱导应力（induced stress），而不受开挖影响部分的应力，相对开挖而言，也可称为岩体初始应力。地应力虽然在本质上是一种内应力，但从地质演变进程来看可以认为是一种残余应力。

岩石力学学科是土力学派生发展起来的。岩石的力学性质和指标，类同其他材料的力学性质和指标，容易被人们认识和接受；而地应力是蓄存在岩体内部的一种内应力，不像力学性质指标那样是岩体的一种固有特性，而是岩体存在的一种力学状态，相同的工程岩体的地应力状态因地而异，它是天然岩体在工程建设开挖扰动之前所具有的自然力学状态，这也是岩体与其他材料的本质区别。这种概念在很长一段时期里不易被人们所认识和接受。在20世纪70年代，我国兴建长江第一坝——葛洲坝水电站时，当基岩开挖引起的地应力释放致使基岩沿软弱夹层的位错达十几厘米时，真正认识到研究地应力存在的重要意义。因此，人们对地应力的认识和深化，是20世纪人类科学文化的一大进步。

人们对地应力的认识只是近百年的事情。地应力的概念最早是瑞士著名的地质学家海姆（Heim）提出来的。19世纪末20世纪初通过观察阿尔卑斯山大型越岭隧洞围岩的工作状态时，发现隧洞在各个方向都承受着很高的压力，1905-1921年提出了地应力为“静水压力”假设，他认为，岩体中有应力蓄存，并处于近似静水压力状态，应力的大小等于其上覆岩体的自重，即岩体中各个方向的应力均等于γH（γ为岩石的重度，H为研究点的深度）。这就是著名的海姆假说。此后，20世纪20年代中期，苏联学者金尼克（Диник，A.H.）于1926年又根据弹性理论分析，假定岩体是均匀的、连续的弹性介质，提出岩体的铅垂应力为γH，而水平应力等于的假说（μ为岩石的泊松比，为侧压系数）。认为地应力只与岩体自重有关的观点代表了20世纪早期一些学者较为普遍的看法。按此理论，海姆假说只是金尼克假说在μ=0.5时的一个特例。两者不同点只是在侧压系数有所差异。(www.xing528.com)

然而，随着地应力现场实测资料越来越多的积累，充分说明：在浅层的地应力状态绝大多数都与海姆和金尼克的假说存在一定差异。20世纪50年代初期，瑞典科学家哈斯特（Hast，N.）研制了压磁式应力计，于1952-1953年在斯堪的纳维亚半岛的4个矿区，利用钻孔测量了浅层的地应力。哈斯特通过对测得的大量数据进行分析研究，发现存在于地壳上部岩石中的地应力大多呈水平状或近水平状为主导的力学状态，且水平应力值普遍比铅垂应力值高得多，甚至高出几倍、十几倍，他认为这可能是与地层的褶皱构造产生的横向压力有关。这一发现从根本上动摇了地应力以垂直自重应力为主导的观点。自此，许多国家也相继发展了各种在钻孔中测量地应力的方法，都得出大体相同的结果。例如，英国New South Wales海岸陡壁的煤矿，岩体的水平应力分量大于铅垂应力分量；葡萄牙Picote电站，岩体的铅垂应力分量比其上覆岩体的自重高得多。1978年霍克（Hoek，E.）和布朗（Brown，E.J.）研究了许多地方的实测资料得出：岩体的应力状态就一般而言，其铅垂应力分量是由上覆岩体的自重产生的，而水平应力分量则界于同一深度的铅垂应力分量的一半左右到三倍多。然而在深部的岩体（例如距地表千米以上）的应力状态，却较接近海姆假说。大量的地应力实测资料和研究结果表明，岩体中普遍存在着水平方向的地质构造应力，并且地质构造应力的分布是不均匀的。由此也使人们逐渐认识到岩体重力作用和地质构造运动是地应力形成的主要原因。