中國實測地應力的變化與回歸分析

中國實測地應力的變化與回歸分析

1中國地質構造地應力場模型模擬的地質意義中國地下空間的利用已經(jīng)超過10年，尤其是埋深達1000米的趨勢。例如，中國秦嶺隧道和五曲嶺隧道的埋深超過1000米，煤炭、采礦和石油行業(yè)的井深度超過數(shù)千米。埋深的增大使得地下工程的設計和施工不得不考慮工程區(qū)初始地應力場的影響。如對于深埋地下工程的圍巖穩(wěn)定性分析及圍巖壓力分析等都可能有別于淺埋地下工程，特別是對于高地應力情況，問題會變得更加復雜。對初始地應力場的判斷是否可靠、巖體參數(shù)的選取是否合理等都將直接影響到工程設計與施工的經(jīng)濟性、可靠性和安全性。現(xiàn)場實測地應力是提供地應力場最為直接的途徑，但在工程現(xiàn)場，由于場地的復雜性及經(jīng)費等原因，不可能進行大量的全面量測。因此，總結中國迄今為止已經(jīng)量測到的地應力資料，找出宏觀地應力分布規(guī)律，特別是根據(jù)不同巖性研究中國地應力分布規(guī)律就顯得非常重要。重力作用和構造運動是引起地應力的主要原因，其中尤以水平方向的構造運動對地應力的形成及其特點影響最大。形成構造應力場的原因非常復雜，它在空間的分布極不均勻，而且隨著時間的推移還不斷發(fā)生變化，屬于非穩(wěn)定的應力場。但是相對于工程結構物的設計基準期來說，可以忽略時間因素，將它視為相對穩(wěn)定的應力場進行分析。迄今為止，還很難用函數(shù)形式表達構造應力場，而只能通過實地量測得到一些數(shù)據(jù)。如前所述，深層地應力的量測代價是昂貴的，而且常常因量測方法不得當或儀器誤差而難以得到理想的結果。因此，基于現(xiàn)有量測結果，用統(tǒng)計分析的方法確定中國宏觀地應力場的分布規(guī)律以指導工程實踐就顯得十分重要。E.T.Brown和E.Hoek1978年總結歸納了世界不同地區(qū)地應力的測量結果，總結出的世界各國垂直應力σv隨深度H變化的規(guī)律，其擬和公式為E.T.Brown和E.Hoek根據(jù)世界不同地區(qū)地應力量測結果繪出的平均水平地應力與垂直地應力比值隨深度變化回歸曲線，如圖1中的霍克–布朗內包線和外包線所示。圖1中，σh,av為平均水平地應力，即若令則平均水平地應力與垂直地應力的比值符合關系式：在佐洛塔列夫及高莉青和陳宏德對影響巖體地應力狀態(tài)的地質因素的研究中，都把巖性列為基本因素之一。陶振宇和楊子文、陶振宇和潘別桐曾指出巖性及其強度可能會顯著影響地應力分布。同樣巖體巖性也是影響平均水平地應力與垂直地應力的比值的基本因素之一。朱煥春和陶振宇分析了不同巖石中的地應力分布，但這篇文章是針對世界范圍內的試驗結果進行分析的。德國學者K.Fuchs和B.Müller也搜集了世界各國的地應力測試數(shù)據(jù)，發(fā)表了研究成果——世界應力圖WSM2000，如圖2所示。通過WSM可以看出，最大水平壓應力的方向并不是雜亂無章的，和中國地應力場的最大水平壓應力方向基本一致，它顯示了大洲范圍的地應力分布模式。全球范圍的、區(qū)域范圍的以及局部范圍的地應力模式的確立又為山體形成、沉積盆地的演變和活動斷層的特性的研究提供了新的視角。近年來，中國大型地下工程進行了大量的地應力現(xiàn)場實測工作，為研究中國地應力分布規(guī)律提供了必要條件。因此，本文根據(jù)查閱迄今為止中國現(xiàn)有實測地應力資料，參照霍克–布朗的地應力分析、統(tǒng)計和擬合方法，形成了實測平均水平地應力與垂直地應力的比值隨深度變化的散點圖，回歸了曲線并與Hoek-Brown曲線進行了比較。朱煥春和陶振宇雖然分析了不同巖石中的地應力分布。但這篇文章是針對世界范圍內的試驗結果進行分析的。特別是在此文發(fā)表之后，中國又增加了大量實測結果。因此，針對中國的情況研究典型巖性的地應力分布特點十分必要。本文統(tǒng)計分析了中國578組實測地應力數(shù)據(jù)，其中可以判斷巖性的有371組(巖漿巖147組、沉積巖155組和變質巖69組)地應力實測資料參照霍克–布朗(Hoek-Brown)的回歸方法，回歸分析了中國不同巖性的平均水平地應力與垂直地應力的比值隨深度變化的曲線。統(tǒng)計結果對掌握中國宏觀地應力場情況和進行深埋地下結構數(shù)值分析具有重要的實用價值。2中國高測量地應力分析2.1中國平均水平地應力與垂直地應力的比值隨深度的變化中國實測地應力資料來源廣泛，所查資料包括來自礦山、油田、交通等各行業(yè)的實測資料。實測地應力資料又來源于不同工程，如中國二郎山隧道、廣華山隧道、廣州蓄水能電站、克拉瑪依油田、新城金礦、峨口金礦、梅山金礦、金川鎳礦、玲瓏金礦、秦嶺公路隧道、三峽船閘區(qū)、山西太原引黃工程、杭州天荒坪抽水能電站等。此處給出4個較為典型的結合工程的地應力量測結果(表1～4)。根據(jù)所查閱實測地應力資料，按實測平均水平地應力與垂直地應力的比值，繪制了平均水平地應力與垂直地應力的比值隨深度變化的散點圖，如圖1所示。參照霍克–布朗世界范圍內地應力分布規(guī)律的研究成果及分析方法，進一步回歸分析了中國平均水平地應力與垂直地應力的比值隨深度變化的規(guī)律。參照式(3)的定義，令平均水平地應力與垂直地應力的比值為式中:a和b均為待定常數(shù)。則有由線性回歸可得即根據(jù)同樣方法也可以得到中國平均水平地應力與垂直地應力的比值的內外包線，且內包線與霍克–布朗內包線基本重合。中國平均水平地應力與垂直地應力比值回歸曲線及其內外包線如圖1所示。為便于比較，圖1還給出了霍克–布朗的世界各國平均水平應力與垂直應力比值隨深度變化曲線。由圖1可知：(1)中國地應力量測結果的平均水平地應力與垂直地應力的比值隨深度的變化規(guī)律大致與霍克–布朗世界范圍內量測結果的規(guī)律相似。在大約1000m深度內，量測結果比較分散，主要原因應該是越接近地表，構造運動所產(chǎn)生的斷層、節(jié)理等就越復雜，地應力中的構造應力也就越復雜。(2)大約在1200m以內，中國平均水平地應力與垂直地應力的比值曲線小于霍克–布朗中值曲線。(3)深度超過1200m以后，中國平均水平地應力與垂直地應力的比值曲線大于霍克–布朗中值曲線。(4)中國平均水平地應力與垂直地應力的比值的最大應力包線與霍克–布朗包線基本吻合，而最小應力包線的應力水平小于霍克–布朗包線的應力水平。2.2回歸曲線分析根據(jù)同樣的研究方法，將所收集到的大量地應力實測數(shù)據(jù)按巖漿巖、沉積巖和變質巖三大巖性予以區(qū)分，分別得到了按相應巖性地應力量測結果繪出的平均水平地應力與垂直地應力比值k與深度關系散點圖，如圖3～6所示。共統(tǒng)計了147組巖漿巖數(shù)據(jù)、155組沉積巖數(shù)據(jù)和69組變質巖數(shù)據(jù)。根據(jù)同樣方法得到如下回歸方程：(1)巖漿巖：(2)沉積巖：(3)變質巖：同時還在圖3～6中給出了相應巖性的平均水平地應力與垂直地應力比值k值隨深度變化規(guī)律曲線及其內外包線。為便于比較，圖7還給出了霍克–布朗曲線與三大巖性分別回歸曲線的比較圖。圖7中霍克(小)及霍克(大)分別表示霍克–布朗曲線兩條包線，即分別為k=100/H+0.3曲線和k=1500/H+0.5曲線。分析圖3～7中曲線可知：(1)由圖3可知，巖漿巖在深度100m以內的實測數(shù)據(jù)較少，大部分實測數(shù)據(jù)集中為100～500m。圖3給出了中國巖漿巖平均水平地應力與垂直地應力比值及其內外包線隨深度變化規(guī)律，對深埋地下結構計算的荷載分析具有重要的參考價值和實用意義。從圖7的曲線對比來看，巖漿巖的平均水平地應力與垂直地應力的比值k回歸結果在約500m以內大于沉積巖和變質巖，隨著深度的增加則小于沉積巖和變質巖且減小速率相對較大。(2)圖4給出了中國沉積巖中平均水平地應力與垂直地應力的比值隨深度變化的規(guī)律。由圖4可知，大部分實測數(shù)據(jù)集中在700m以內。深度大于2000m以后，實測數(shù)據(jù)具有較小的離散性，k值在1.0附近波動，可以認為在較深部位沉積巖的k值為1。由圖7可知，沉積巖中平均水平地應力與垂直地應力的比值回歸曲線介于巖漿巖與變質巖之間。(3)圖5給出了深度2000m以內沉積巖平均水平地應力與垂直地應力比值散點圖的內、外包線?？晒┥盥竦叵陆Y構計算中進行荷載分析時參考。(4)由圖6可知，中國變質巖的測量結果比較分散，因此平均水平地應力與垂直地應力的比值k亦分散。說明巖性變質作用造成巖體構造復雜。回歸曲線比較接近沉積巖的回歸曲線，當深度大于500m以后其值漸近于1.0?；貧w曲線及其內、外包線對變質巖地區(qū)深埋地下結構設計具有重要參考價值。(5)圖7表明，地應力隨深度的變化規(guī)律與巖性有密切關系。說明針對不同巖性和特定地區(qū)的回歸分析結果更具實用意義。3地應力調查數(shù)據(jù)分析霍克布朗曲線對于世界范圍內的地應力分布規(guī)律有著指導性意義，但是由于地應力分布具有很強的地區(qū)性，因而針對不同巖性和特定地區(qū)的回歸分析曲線對深埋地下結構數(shù)值分析中地應力的取值具有重要的參考價值。本文對中國578組地應力數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析和擬合，并對可以判斷巖性的147組巖漿巖、155組沉積巖和69組變質巖統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行了專門分析和擬合。通過分析相關回歸曲線，可以得出以下結論：(1)給出了中國平均水平地應力與垂直地應力的比值隨深度的變化曲線。通過與霍克–布朗世界范圍內地應力統(tǒng)計回歸曲線比較，得出了當深度小于1200m中國回歸曲線小于霍克–布朗中值曲線，而當深度大于1200m以后中國回歸曲線大于霍克–布朗中值曲線的結論。(2)中國平均水平地應力與垂直地應力比值的散點圖內包線與霍克–布朗內包線基本吻合，而外包線在霍克–布朗曲線的外側，所反映的比值小于霍克–布朗外包線。(3)分別分析了中國巖漿巖、沉積巖和變質巖等3種巖性的地應力統(tǒng)計結果，表明針對不同巖性的回歸結果差異明顯、更具實用意義。所給曲線為深埋工程相關初設工作提供了參考依據(jù)。(4)中國沉積巖和變質巖的平均水平地應力與垂直地應力的比值k隨深度變化規(guī)律比較一致，且都隨著深度的增加漸近于1.0。(5)中國巖漿巖的平均水平地應力與垂直地應力的比值k在約500m深度以內高于沉積巖和變質巖，隨著深度的增加則小于沉積巖和變質巖且減小速率相對較大。巖漿巖的實測數(shù)據(jù)較多，且在回歸曲線兩側(內、外包線間)分布較均勻。(6)中國變質巖的測量結果比較分散，因此平均水平地應力與垂直地