第三节　地应力的一般分布规律

一、地应力的区域性分布

深埋地下工程实践中的核心岩石力学问题就是应力和岩体力学特性之间的关系,地应力是深埋工程开挖以后围岩应力的唯一来源,因此直接影响到围岩开挖响应。

与地温相似,地应力是岩体赋存的基本环境条件之一,是自然地质体一个方面的因素。因此,在研究岩体地应力时,不宜把它作为脱离地质体的单独因素考虑。这是因为地应力和地形地貌、岩组结构、特别是地质构造条件之间存在高度互存关系,这种互存关系决定了从某些特定的地质条件可以判断地应力场分布的基本特征。反之,一些地质条件特别是构造条件的形成是地应力作用的结果。

影响地应力分布的因素非常多,其中最基本的因素可能属于大地构造条件和近代地壳活动条件。从大的方面讲,一个地区的基本构造格局和地壳运动特征决定了地应力方位和量级(如随深度的变化梯度)。因此,从宏观角度看,地应力分布呈现区域性特征。

地应力的区域性分布特征可以从世界地应力图(World Stress Map,WSM)得到充分体现。WSM是一个得到政府资助的公开资源,汇总了全世界不同地区的地应力测试和研究成果(具体可登录www.world-stress-map.org了解),其中的数据库按照对地应力数据的来源方式(测试、震源机制解等)和数据的质量等级进行了分类,用户可以根据自己的需要下载这些数据开展工作。

WSM数据显示的一条基本规律是岩体地应力分布和现今构造活动情况密切相关,在现今构造运动相对活跃的地区,比如欧亚板块和印度板块接触的西藏高原一带,地应力方位和构造挤压方向呈现很好的一致性关系,且地应力水平相对要高一些。

我国中部和东部地区构造活动相对微弱,这些地区地应力方位相对稳定,总体保持近EW向。在华南地区,特别是台湾岛一带,受到环太平洋断裂带的影响,主应力方位发生变化,以近SN向为主。而在西南地区,由于断块之间的挤压关系相对复杂,地应力方位变化相对较大。西藏高原内部以NNE向为主,而高原边界及其影响区域内的变化相对较大。

图2-25是西藏高原及其周边地区一定范围内近年来地表运动的GPS监测结果,图中箭头的长短表示了运动速率,箭头指示了位移方向。这一运动方向指示了地应力场中最大主应力的基本分布特征,图中方框区域是中国西南地区出现了著名的三江并流现象,揭示了这一区域地应力场以NW向挤压为主的基本特征,这一地区中在开发过程中一些水电站,如金沙江的白鹤滩和雅砻江的锦屏一、二级水电站的地应力测试和工程实践结果也揭示了NW向挤压占主导地位的基本规律,明确指示了地应力场分布的分区特征。

二、地应力分布的一般特征

除构造背景以外,一个地区的地应力分布还受到其他一些地质因素的影响,比如岩性组成和地表改造(剥蚀和沉积)。

一般认为自然界的初始地应力组成主要包括构造应力和岩体的自重应力。正如许多科学认识都是有条件和适用范围一样,这种认识也是有条件的。

总体来讲,地表以下的岩体可以看成一个空间半无限体,某一深度处的岩体自重引起的水平应力分量可以写为

式中:μ是岩体的泊松比;γ是岩体的容重。

如果按一般情形考虑,取μ、γ两个参数值分别为0.25和27kN/m3,那么,重力引起的水平应力分量大概是:

水平应力分量单位为MPa,深度单位为m。

如果地形起伏程度相对所考察问题涉及的深度可以忽略不计,岩体地应力的主应力分量可以近似地认为随深度线性增加。根据对世界上332组实测地应力资料进行统计,在地表以下6000m的范围内,不同成因岩石类型中各特征应力分量的统计值见表2-1。

表2-1中最大和最小水平主应力的K值包括了自重应力水平分量的梯度大小(0.009)。显然,最大水平主应力的K值大小与自重水平分量中的梯度值之差成为反映构造应力大小的一个重要指标。在沉积岩地区的人类工程活动涉及的深度范围内,这个差值一般在0.013MPa/m左右。

上述简单的论述说明了一个观点,构造应力是一个随深度显著增加的量。这一点也可以很好地从地质学的观点得到理解。大地构造地质学说的很多观点认为,地壳运动的内在动力在深部,如与地幔中塑性介质的流动有关。如果这一点能被接受,那么,引起地壳运动的构造应力是来自地壳的深部甚至地壳以下,是一个自下而上的发展过程。因此,深部的构造应力要比浅部大。

自然地震是构造应力引起岩体破坏能量释放引起的自然地质现象,也是构造应力集中的标志。自然地震的震源出现在地表数公里到数十公里的范围以内,至少表明这个深度范围的构造应力比浅部要大。

从基本力学原理和基本地质现象的角度也能说明构造应力不是一个常量,而是一个随深度显著变化的变量。如果假设构造应力是一个不随深度变化的常量,那么构造应力引起的地质现象应该都集中在地表附近而不是深部,或者说浅部的构造现象要比深部强烈得多。因为浅部岩体中的围压要比深部小得多,更容易引起岩体变形和破坏。自然界很多事实并不是这样,相反我们见到的一些强烈的地质构造现象,更多的是在深部形成,通过地表剥蚀以后而被揭露出来。

即便是在地形平坦的条件下,表2-1中T的意义是双重的,它既从一个方面包含了构造应力分量,又可能反映了地表地质作用(如剥蚀)的影响。

假设地形平坦,历史上某个时期两个地区的地应力分布特征完全相同,在以后的地质演变过程中,一个地区没有发生任何地质变动,地应力状态保持至今[图2-26(a)],而另外一个地区则因为地表抬升遭受了厚度为Δh的剥蚀[图2-26(b)]。现在来比较这两个地区现今状态同一深度条件下的应力大小。

受剥蚀地区深度为h处的地应力由剥蚀前深度为(h+Δh)处的应力变化而来,在剥蚀前的某个水平地应力分量可以写为

剥蚀作用使得铅直应力和水平应力的减少量分别为γΔh和[μ/(1-μ)]γΔh,剥蚀以后这一点(此时的深度为h)对应的应力大小则改变为

比较式(2-6)和式(2-7)可知,在地表保持平坦条件下的剥蚀作用不改变地应力随深度的变化梯度,其改造作用表现在线性分布的常数项上,改变量为

同样,如果假设μ和γ的大小分别为0.25和27kN/m3,以沉积岩中的最大水平主应力为例,取K为0.022MPa/m,那么的大小为0.013Δh(MPa),是一个大于零的常量。

由此可见,与地表没有遭受剥蚀的地区相比,在同样的深度条件下,受剥蚀作用的地区的水平应力可能会相对高一些。受剥蚀的程度越大,这种差别可能会越突出。因此,在剥蚀地区,即便是地形平坦,岩体地应力组成不能简单地看成是构造应力与自重应力的叠加,地表地质作用的改造可能会显著地反映在地应力组成上,这在近代地质历史上剥蚀作用比较强烈的地区更为突出。

这一基本结论可以从表2-1的数据中得到一定的佐证。表2-1中沉积岩区的地应力测试资料主要来自沉积平原地区(油田),这些地区在新生代以来以地表下沉接受沉积为主,统计结果中的T值大小要明显比其他两大类岩石地区中低一些。

加拿大地盾在第四纪冰期曾覆盖了数公里厚的冰层,冰层的重量同样可以改变下伏岩体地应力状态,冰层的融化与地表剥蚀对地应力的改造有着相同的作用。有观点认为,古老的加拿大地盾中存在的高水平应力可能与这一现象密切相关,这一观点同样可以佐证上述关于剥蚀作用对地应力场的改造。