地應力測量的應用

地應力測量的應用

在測量和各種建設(shè)項目過程中，由于結(jié)構(gòu)（如斷層和褶皺）、地形、巖石力學性質(zhì)、區(qū)域構(gòu)造活動強度（即區(qū)域構(gòu)造強度的大?。?、地表風化侵蝕、沉積速度和人類活動等因素的影響，表面附近的構(gòu)造力受到不同程度的干擾，導致非結(jié)構(gòu)能力（如地形等）的重疊。這種非結(jié)構(gòu)的能力通常由谷底和邊界角引起明顯的應力集中，并改變主應力的方向。這一現(xiàn)象已通過國內(nèi)外測量數(shù)據(jù)得到證實（圖1、圖2、表1、圖2、圖3）。這種非構(gòu)造應力干擾主要表現(xiàn)在兩個方面:一是實測應力大小的顯著增大即應力集中;二是實測主應力方向的變化。由于特定地區(qū)上述多種影響因素的不同組合,構(gòu)造應力受干擾的情形也不同。一般來說,構(gòu)造活動強烈地區(qū)實測應力大小和方向都受影響(表1、圖1),而構(gòu)造活動較弱地區(qū)主要引起主應力方向的變化(表2、3)。圖1為四川雅礱江二灘電站壩址區(qū)壓磁應力解除地應力測量結(jié)果(白世偉等,1982;陳彭年等,1990)。由于壩址區(qū)河谷呈似“V”型,左岸谷坡25°～40°,右岸谷坡30°～45°,且處于構(gòu)造強烈活動的川滇經(jīng)向構(gòu)造帶,從圖1可以看出,應力測值在近谷底鉆孔深度30m以下快速增大,最大水平主壓應力測值在鉆孔深度40m左右時高達65MPa,最小水平主壓應力測值在鉆孔深度60m左右時超過30MPa,這是正常最大、最小水平主壓應力在該深度測值的8～10倍,并且最大主壓應力方向也發(fā)生變化(表1);另外,從水平探硐內(nèi)實測最大水平主壓應力變化分析,在進入硐內(nèi)一定深度測值達到最大值,然后又變小,這與我們固有的越往山體內(nèi)部應力測值越大的認識恰好相反,圖2也有這種現(xiàn)象,所不同的是圖2中由于存在一斷層活動而使應力釋放,造成應力測值在斷層附近變小(陳彭年等,1990;MartinCDetal.,1990;高建理等,1990;李方全等,1982;ZobackMDetal.,1980)。表2和表3分別為長江三峽工程壩址附近的茅坪鉆孔和壩址西北約40km的秭歸鉆孔水壓致裂地應力測量結(jié)果(李方全等,1993;袁登維等,1996;TanChengxuanetal.,1997)。秭歸附近長江河谷呈似“V”型,谷坡15°～25°,茅坪附近長江河谷較秭歸要開闊,呈似“U”型,谷坡10°～20°。由于長江三峽位于揚子準地臺,構(gòu)造活動較川滇經(jīng)向構(gòu)造帶要明顯減弱,從表2和表3可以看出,應力集中現(xiàn)象不明顯,但應力方向變化較大。因此,無論在地應力測量前的測量地點的選取,還是在測量后構(gòu)造應力場分析與應用,都應對上述各種影響因素進行分析,探討非構(gòu)造應力在具體研究位置的影響范圍、方式與程度,確定具有區(qū)域代表性的構(gòu)造應力的測量深度,分析地應力狀態(tài)在地下空間的變化分布,尤其是沿各種線性地下工程設(shè)計線路的變化和差異,更好地為地下工程建設(shè)服務(wù)。1在測量地應力之前，應考慮以下幾點1.1研究區(qū)地質(zhì)部位與應力地應力測量孔位的選定應考慮地形地貌、測孔周圍的斷裂分布、巖性、人工活動、地表風化等因素(陳慶宣等,1998)。為配合重大工程建設(shè)需要,測量孔位應盡量較均勻分布在研究區(qū)具有代表性的構(gòu)造部位,以便對研究區(qū)應力分布有總體了解,并與模擬實驗結(jié)果相互驗證。研究區(qū)測孔應盡量選同一巖性,這樣可避免測值之間的巖性校正,便于對比分析。1.2非構(gòu)造應力面概念關(guān)于地形地貌對地應力的影響,國內(nèi)外許多科學家已作了大量研究(PanEetal.,1995;PanEetal.,1994;AmadeiBetal.,1992;AmadeiBetal.,1988;SavageWZetal.,1995;SavageWZetal.,1985;SavageWZetal.,1992;SwolfsHSetal.,1986;McTigueDFetal.,1981;McTigueDFetal.,1987;LiuLetal.,1992;LiaoJJetal.,1992;SavageWZetal.,1986;McGarrA.etal.,1988;TanCetal.,2000)。作者在前人研究的基礎(chǔ)上,依據(jù)實測資料,運用大量室內(nèi)三維模擬分析討論了地形地貌對地應力大小的影響,并提出構(gòu)造應力面的概念,即由三維空間不同地點非構(gòu)造應力影響消失的深度點構(gòu)成的曲面。在構(gòu)造應力面之上,非構(gòu)造應力和構(gòu)造應力同時存在,而在構(gòu)造應力面之下,僅構(gòu)造應力存在。相關(guān)認識如下:(1)溝谷寬度影響非構(gòu)造應力集中范圍大小和形狀,而不影響構(gòu)造應力面的深度。(2)山體高度(或山體坡度)不僅影響非構(gòu)造應力集中范圍大小和形狀,還影響構(gòu)造應力面的深度。(3)水平側(cè)壓力是引起非構(gòu)造應力集中的主要因素。當山體坡度小于40°時,重力作用不會在溝谷或坡角引起非構(gòu)造應力集中,但當山體坡度大于40°時,重力作用會在溝谷或坡角引起一定程度的非構(gòu)造應力集中,但應力集中強度較弱。(4)水平側(cè)壓力和山體高度是影響構(gòu)造應力面深度的主要因素。當水平側(cè)壓力隨深度變化梯度與重力梯度相等時,在溝谷底部構(gòu)造應力面深度近似等于山體高度。當水平側(cè)壓力隨深度變化梯度增大,構(gòu)造應力面深度與其呈線性增加,同時在溝谷或坡角非構(gòu)造應力集中強度加強。1.3斷裂周邊應力斷裂發(fā)育的復雜程度與地應力狀態(tài)的變化密切相關(guān),斷裂越發(fā)育,地應力狀態(tài)的變化幅度越大,在斷裂極為發(fā)育的地區(qū),應力方向極為分散,應力大小變化異常,并且斷裂對地應力的影響范圍與斷裂的規(guī)模成正比。斷裂往往構(gòu)成地應力局部分區(qū)的界面,斷裂面以上的應力狀態(tài)常常代表被斷裂擾動的局部應力場,而斷裂面以下的應力狀態(tài)代表區(qū)域應力場(MartinCDetal.,1990;高建理等,1990;李方全等,1982;ZobackMDetal.,1980;蘇生瑞等,2002;EvansKFetal.,1989)。與區(qū)域主應力方位相比,斷裂附近的主應力方位往往發(fā)生不同程度的變化,變化幅度從幾度到近90°。加拿大地下研究實驗室(URL)通過穿越兩個逆斷層豎井現(xiàn)場實驗,測定最大水平主應力方位在斷裂上下相差近90°(MartinCDetal.,1990)。斷裂及其附近應力量值的變化較為復雜,既有應力增大的,也有降低的,這主要與斷裂帶附近應力隨時間的變化有關(guān)(高建理等,1990;李方全等,1982;ZobackMDetal.,1980)。1.4未超過2.2年生時期,區(qū)域應力場分析地應力測量孔位應盡可能選在地形相對平緩地段,對于峽谷區(qū),在測量之前應作一定的前期分析,大致確定所測地段非構(gòu)造應力的影響深度,以確定測孔鉆探深度,避免測量未超過非構(gòu)造應力影響范圍而影響研究區(qū)區(qū)域應力場分析(白世偉等,1982;李方全等,1993)。2測量地板面積后的應用程序2.1基于狀態(tài)差異的測量結(jié)果對于所測地應力狀態(tài)需要進行區(qū)域地質(zhì)背景和各種影響因素分析,確定測值的可靠性,否則測值的質(zhì)量大大降低。從Zoback所編世界應力圖可以看出,我國已有的地應力數(shù)據(jù)需加強地質(zhì)背景和影響因素分析(ZobackMLetal.,1992)。地應力測量狀態(tài)影響因素與可靠性分析的重要性在某種程度超過測量本身,一個不確定的測值是沒有意義的,甚至會產(chǎn)生誤導作用。一個典型的實例是長江三峽地區(qū),地應力測量與區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)分析、震源機制等所得的應力狀態(tài)存在差異,如果沒有必要的影響因素和可靠性分析,將會給構(gòu)造應力場分析和地殼穩(wěn)定性評價帶來很大困難,甚至可能導致錯誤的結(jié)論。為了從有限的應力測值推廣到區(qū)域范圍,需進行構(gòu)造應力場分析和模擬,而模擬的應力邊界條件該如何確定,是當時研究的一個難題,因為不正確的應力場模擬結(jié)果將直接影響地殼穩(wěn)定性評價結(jié)果(袁登維等,1996)。2.2與同一巖性和同一測量深度進行對比分析眾所周知,不同巖性的強度差異導致應力測值的差異,高強度巖石中所測應力較低強度巖石中高,一個典型實例是長江三峽庫區(qū)秭歸測孔的泥巖段測值較其上下砂巖段低許多。不同地點測值的對比分析的前提是同一巖性和同一測量深度,否則對比分析是不確切不科學的。這就需要對不同地點的測值在巖石物理力學參數(shù)現(xiàn)場和室內(nèi)測試的基礎(chǔ)上進行巖性校正,然后在同一深度或同一高程進行對比分析(陳慶宣等,1998)。Zoback在研究圣安德烈斯斷裂帶剪應力隨測點到斷層距離變化的對比分析中,就特別強調(diào)所有測值都是在200m深度上進行的,并在所作圖件上明確標注,其研究意義較沒有前提的對比分析大大增加(ZobackMDetal.,1980)。2.3區(qū)域應力場對所測地應力狀態(tài)需進行代表性分析,確定測值是代表局部應力場,還是代表區(qū)域應力場。在進行實測應力代表性分析過程中,要考慮構(gòu)造應力隨時間的變化情況,往往在重大地質(zhì)事件(如地震)的前后,由于構(gòu)造應力存在積累、加強、釋放和調(diào)整的變化過程,在一定時間和地區(qū)范圍內(nèi),應力場可能發(fā)生較大變化。3地應對肥力測試結(jié)果應在地下工程應用中考慮的問題3.1地下工程地質(zhì)與災害的關(guān)系由于具體地下工程設(shè)計線路穿越不同構(gòu)造部位、不同巖性、不同巖體結(jié)構(gòu)、不同埋藏深度等,以及工程本身不同的設(shè)計結(jié)構(gòu)、尺寸等,均會造成沿地下工程線路不同地點局部地應力狀態(tài)的變化和差異,因此,在工程設(shè)計時需要充分考慮這種變化,在工程施工過程中預防工程地質(zhì)災害的發(fā)生。隨著我國西部大開發(fā)的不斷深入,由于我國西部構(gòu)造強烈活動,地下工程建設(shè)將面臨越來越多的工程地質(zhì)和災害問題。一個典型的實例是我國甘肅境內(nèi)的亞洲第一特長山嶺隧道烏鞘嶺隧道在建設(shè)過程由于對地應力狀態(tài)沿隧道設(shè)計線路的變化考慮不夠充分,而直接運用局部地點所測地應力狀態(tài)進行穿越隧道設(shè)計,結(jié)果在施工過程中出現(xiàn)了許多沒有預期到的重大工程地質(zhì)問題,如塌方、隧道變形等。3.2應力對巖體結(jié)構(gòu)的影響地應力測量和各種工程建設(shè)已證實,在深切峽谷地區(qū)地殼淺表層,地應力大小隨深度變化分為應力降低(或卸荷)區(qū)、應力增高(或集中)區(qū)和原始應力區(qū),最大水平主應力方向一般隨深度也發(fā)生變化。但到目前為止,尚沒有從理論和實踐中總結(jié)出具有普實性的三個應力深度區(qū)間參考值和最大水平主應力方向隨深度變化規(guī)律。三個應力區(qū)間的巖體特征和地應力狀態(tài)存在顯著差異:應力降低(或卸荷)區(qū)巖體由于卸荷作用而較為破碎,實測地應力大小較正常值偏低,最大水平主應力方向離散度大;應力增高(或集中)區(qū)巖體結(jié)構(gòu)又分為兩種情況,一種由于應力集中長期作用已造成巖體出現(xiàn)餅狀巖芯而使應力釋放,實測地應力大小僅稍高于正常值,另一種巖體仍為完整狀態(tài),應力集中尚未造成巖體出現(xiàn)餅狀巖芯現(xiàn)象而釋放應力,實測地應力大小遠遠高于正常值,應力增高(或集中)區(qū)最大水平主應力方向離散度一般也較大;原始應力區(qū)一般巖體較完整,實測地應力大小趨于正常值,最大水平主應力方向相對較穩(wěn)定、離散度小。因此,地下工程應盡量避開應力降低(或卸荷)區(qū)和應力增高(或集中)區(qū),前者在工程施工和安全運營過程中將會出現(xiàn)一系列工程地質(zhì)和災害問題,后者一方面會造成建設(shè)成本大大提高,另一方面受應力集中長期作用,地下工程也將會出現(xiàn)不同程度的工程地質(zhì)和災害問題。從安全施工和運營、節(jié)約建設(shè)成本等方面考慮,根據(jù)具體地下工程,適當增大地下深度而把工程設(shè)計在原始應力區(qū),可能是未來地下工程設(shè)計值得考慮的一種優(yōu)選方案,也是未來地下工程適宜性分析需要考慮的重要因素之一。4地應力測量的目由于地表附近各種影響因素的相互作用,所測地應力經(jīng)常疊加著非構(gòu)造應力,需在地應力測量前、后進行必要的分析,在地下工程應用中應充分考慮工程所處地質(zhì)條件的差異性以及工程設(shè)計的不同所引起的地應力狀態(tài)的變化,使