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第七章 原地应力状态 地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。它是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现者石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。 第一节 概述 一、基本概念 原地应力：指钻井、油气开采等活动进行之前，地层中地应力的原始大小。 扰动应力：指钻井、油所开采等活动在地层中产生的地应力改变。 构造应力：由构造运动在岩体中引起的应力叫构造应力，在地质力学中常把构造应力叫做地应力，指导致构造运动、产生构造形变、形成各种构造形迹的那部分应力。 古地应力和现今地应力：古地应力指某一地质时或某一重要地质事件以前的地应力，现今地应力是目前存在或正在活动的地应力。分析构造形迹现成机理主要涉及古地应力，而石油工程则主要关心现今地应力。 残余应力：残余应力除去外力作用以后，尚残存在岩石中的应力，这种残余应力很小，往往只有零点几兆帕，所以常忽略不计。 重力应力：指由于上覆岩层的重量引起的地应力分量，特别指由于上覆岩层的重量产生的水平应力大小。 热应力：热应力是指由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量，热应力主要与温度的变化和岩石温度和热学性质有关。 分层地应力：是指按地分层分别给出不同层位的地应力值，非常重要的是给出相邻地层的应力差。 地应力场：地应力在空间的分布情况。 二、地应力的分类： 1971年加拿大第七届岩石力讨论会上，对地应力从矿山应用的角度进行了分类： 三、地应力的描述方法 由于岩石经历了漫长的地质时期，并经受了多次复杂的构造运动，使得岩石的原地应力状态变得十分复杂。 为满足工程需要，一般认为原地应力状态由上覆岩层压力和两个水平方向的主应力组成。 如图7-1所示建立参考坐标系，xy构成水平面，x方向为最大水平主应力方向，y方向为最小水平主应力方向，z方向为铅垂方向。 通常认为原应力状态产生的原因有二： 一种原因是上覆岩层的重力； 另一种原因是由构造运动产生的构造应力。 人们认识地应力还只是近百年的事。1912年瑞士地质学家海姆(A．Heim)在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念、并假定地应力是一种静水应力状态、即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即 σh=σv=νH 式中，σh为水平应力；σv为垂直应力；ν为上覆岩层容重； H为深度。 1926年，苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应力)是泊松效应的结果，其值应为νH乘以一个修正系数．他根据弹性力学理论．认为这个系数等于ν/（1-ν），即： 同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公式来定量地计算地应力的大小，并且也都认为地应力只与重力有关，即以垂直应力为主，他们的不同点只在于侧压系数的不同．然而，许多地质现象，如断裂、褶皱等均表明地壳中水平应力的存在．早在本世纪20年代，我国地质学家李四光就指出；“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量．” 20世纪50年代，哈斯特(N．H贴t)首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力测量的工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最大水平主应力一般为垂直应力的1—2倍，甚至更多；在某些地表处，测得的最大水平应力高达7MPa。这就从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点． 后来的进一步研究表明，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。另外，地应力场还受到其他多种因素的影响，因而造成了地应力状态的复杂性和多变件．即使在同一工程区域．不同点地应力的状态也可能是很不相同的．因此，地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得．要了解一个地区的地应力状态，惟一的方法就是进行地应力测量． 第二节 地应力的成因 一、