围岩初始应力状态-隧道工程

自然界中的岩体是处于天然应力环境中的地质体。岩体在天然状态下所具有的内在应力，可称为岩体的初始应力，也有人称它为地应力。岩体的初始应力，主要是由岩体的自重、地质构造作用和地质地温作用引起的。而地温一般在深部岩体中作用才明显，所以，通常所指的初始应力场（又称原始地应力场）泛指由于岩体的自重和地质构造作用，在坑道开挖前岩体中就已经存在的初始静应力场。

1．自重应力场

研究岩体由于自重形成的应力场，大都建立在假定岩体是均匀连续介质这一基础上，采用连续介质的理论来分析。

设岩体为半无限体，地面为水平。从距离地表深度为H处取出一单元体，如图2-2-5，其上作用的应力为

图2-2-5　岩体初始应力

这里以压应力为正，γ为岩体的容重（kN/m3）。当上覆岩体为多层时，则为

式中 γi——第i层岩体的容重（kN/m3）；

Hi——第i层岩体的厚度（m）。

该点的水平应力σx、σy主要是由于岩体的泊松效应所引起的，按弹性理论应为

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式中　μ——计算应力处岩体的泊松系数；

，称为侧压力系数。

实际的岩体组成比较复杂，不大可能是各向同性的，而且地面也都起伏不平。因此，围岩的自重应力场不能简单地按上述公式决定，必须根据三维弹性理论的基本方程，并考虑重力和各向异性求解，对此问题目前尚无精确的解析解。一般只能采用数值方法，如有限单元法求得近似解。

从上述可以知道围岩自重应力场的变化规律：① 试验资料表明，大多数岩石的泊松比μ在0.15～0.35范围内变化，因此，在自重应力场中，水平应力总是小于垂直应力。② 随着深度的增加，地应力是线性增大的。

然而围岩本身的强度是有限的，当地应力增大到一定数值后，围岩将处于隐塑性状态；围岩物性值（E和μ）也是变化的，随着深度的增加，μ值趋近于0.5，即与静水压力相似，此时围岩接近流动状态，初始应力场各应力分量趋于相等。由此可见，围岩的初始应力场是随深度而变的。其应力状态可视围岩的不同，分别处于弹性、隐塑性及流动三种状态。围岩的隐塑性状态，在坚硬围岩中，约在距地面10 km以下，也有可能在浅处发生，如在岩石强度低（如泥岩）的地段。通常情况下，在隧道所涉及的范围内，都可视初始应力场为弹性的，应力是随深度呈线性增加的。

2．构造应力场

天然的地下岩体，经历过长期而多次的地壳运动，受到了相当大的外力作用。例如向斜和背斜等褶曲构造是在相当大的水平压力作用下，岩层产生大的塑性变形，失去稳定后形成的。这种构造运动的作用，使得岩体内积存了一定的应力，我们称它为构造应力。当岩体再次受到新的破坏性扰动时，构造应力可能一部分或全部地释放出来；或者由于岩体的流变性质，在相当长的时间内，也会部分地把积存的能量释放出来。这时，构造应力就指残余应力而言。

地质力学把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称为构造应力场，它是动态的；并且由于形成构造应力场的原因非常复杂，它在空间中的分布极不均匀，而且随着时间的推移还不断发生变化，属于非稳定的应力场。

由于地壳运动历时长久，情况错综复杂，岩体的构造应力目前还不能以数学、力学的方法进行分析计算，而只能采取现场应力量测的方法来求得。在工程中常常将现场量测的结果作为工程设计的依据。

某些现场实测指出，岩体的构造应力往往与埋深密切相关，它随着深度的增加而增加。构造应力一般来讲，其水平应力大于垂直应力。在埋深较浅而又比较破碎的岩体中，由于构造变动引起的剥蚀作用使构造应力释放殆尽，地应力一般以自重应力场为主。当然，在那些从未遭到过较大构造运动的沉积岩体中，也可能是自重应力占主要地位。在坚硬脆性的岩体中，往往会积聚大量的能量，从而形成很高的内应力，这是深埋地下工程开挖过程中产生岩爆现象的主要原因。

我国大陆初始应力场（包括自重应力场和构造应力场）的变化规律大致可以归纳为如下几点：① 垂直应力的量值随深度增加而增大，而且水平应力普遍大于垂直应力。实测资料表明，在深度不大时（＜500 m），虽然一个主应力方向不总是垂直的，但一般来说，与铅直方向的偏斜不超过30°。所以，基本上可以认为一个主应力是垂直的，另外两个主应力方向是水平的。垂直主应力的量值大致等于上覆岩层的重量，也就是说，它随深度线性增加。② 水平主应力具有明显的各向异性。水平主应力的另一个显著特点就是具有很强的方向性，一般总是以一个方向的主应力占优势，很少有大、小主应力相等的情况。

根据实测资料可知，在我国大陆地壳中，最小与最大主应力的比值为0.3～0.7的占70%，也就是说在我国大部分地区，最大水平主应力约为最小水平主应力的1.4～3.3倍。