0 引 言
21 世纪以来,随着我国中西部的开发,地下工程逐步向“长、大、深” 方向发展,高地应力问题日益突出,工程岩体的变形破坏行为也往往受其控制。 如何针对不同的地下工程岩体赋存地应力状态进行准确评价和判断,是地下工程设计、稳定性分析和风险控制的重要前提,已成为亟待解决的工程实践难题。
自 20 世纪 30 年代起,诸多学者已通过相关实
验和理论研究,针对高地应力定性和定量判据的相
关问题展开了一系列的研究,并提出了多种分级方
案 。 早期地应力级别的判断主要依靠施工经
验,往往会造成较大误差,所以有学者提出须结
合相应的地质现象(如典型的岩爆、片帮、饼状岩
芯、细微裂隙岩体的渗透性较低等)来进行综合
定性判断。 孙广忠结合岩石强度、弹性模量、应
力历史等因素,提出了高地应力和低地应力地区的
地质标志。 在地应力的定量判据方面,地下工程发
展早期,主要依据地应力实测值的大小来进行划
分,一般将岩体内大于 20 MPa 的初始应力称为高
地应力,大于 40 MPa 为极高地应力 。 薛玺成
等提出应以整个应力场中构造应力的占比大小
来评价地应力级别。 此外,采用强度应力比法进行
地应力分级,是目前应用最广泛的方法,诸多学者
对该判据进行过归纳总结或引用,并提出多种分级
标准。 然而,现有的定性判据多从地应力衍生
出的现象来判断,容易引入误差,而某些定量判据
提出的年份较早,在实际工程中是否适用需要探
讨,且强度应力比判据存在诸多分级方法,指标零
散,目前尚未形成一个普遍适用的统一的分级
标准。
本文通过探究温度、地下水、构造运动、不良地质条件、埋深和地形地貌等因素对地应力的影响效果,给出各因素对岩体力学性质和地应力量级的定性影响规律。 在此基础上进一步对现有的几种高地应力判据进行归纳和评价,在前人研究的基础上,对已有研究的不足之处进行补充,汇总了 18 种高地应力地区的地质标志和 9 种低地应力地区的地质标志,并依据工程现象、发生条件以及破坏机制总结出了 13 种高地应力地区的地质标志的相应工程现象。 通过相关的工程实例进行对比验证,指出目前准确度和使用率相对较高的判据。 该归纳分析与总结提升可为涉及到高地应力的工程提供一定借鉴。
1 地应力量级的影响因素
现存的地应力分级方法尤其是定量分级方法中,大多是基于温度、地下水、构造运动、不良地质条件、埋深和地形地貌等因素作用下的岩体力学性质及相应的实测地应力值,通过相关运算,结合分级指标,对工程区的地应力量级进行划分,所以影响岩体力学性质和实测地应力值的因素,会间接对地应力量级划分产生影响。
1. 1 温度对地应力的影响
温度对地应力的影响是不容忽视的, Meng等基于川藏铁路工程区进行了地应力场反演分析,提出考虑高地温影响的地应力反演新思路。 但是目前关于温度对地应力的定量影响规律研究较少,现有研究主要集中在温度对岩体的典型力学性质、最大主应力以及由于温度变化引起的热应力[15]对岩体的影响,进而间接影响地应力的大小。
(1)高温易造成岩体强度的降低。 在高温条件下,岩体的力学性能会显著降低,并产生较大的变形,虽然已有研究表明,岩体强度随温度的降低存在一定的阀值,但实际工程中其对岩体稳定性的影响是不容忽视的。
(2)高温易造成岩体力学参数的劣化。 20 世纪 80 年代,白世伟等通过对二滩水电站实测资料进行统计分析,提出了最大主应力与岩石的杨氏模量大致呈线性关系的观点;刘波等通过对白垩系红砂岩力学性质的试验研究,提出围压一定时,温度和弹性模量、峰值强度、内摩擦角和粘聚力均呈负相关关系,与泊松比呈正相关关系。
(3)温度变化引起热应力。 由于岩石内不同矿物成分的性质不同,温度变化时,矿物颗粒之间会产生不同的反应及膨胀效果,导致岩体性质发生变化,温度变化引起的热应力也会对岩体有一定的影响。
1. 2 地下水对地应力的影响
地下水作为影响地应力的一个活跃因素,其影响效果主要是通过对岩体性质的影响间接实现的。地下水主要通过物理、化学和力学3 个方面与岩体产生相互作用(表 1)。 尽管地下水对岩体性质的影响方式比较复杂,但最终结果殊途同归,对岩体产生的作用基本都是不利的。
表 1 地下水对岩体性质的影响方式
地下水侵入岩石内部时,会产生一系列的反
应。 水会在岩石裂隙中产生附加水压,附加水压易
造成岩体力学参数劣化,同时,水还会使岩石内部
产生膨胀应力,进而产生更多裂缝,加剧降低岩石
的强度。 当岩石处于饱水状态时,杨守榛等根
据多孔隙砂岩的相关实验研究,提出砂岩弹性模量
大约降低至干燥时的 1 / 3,且地下水的润滑、软化
和泥化作用均会使岩石的强度在一定程度上降低,
同时,孔隙静水压力和孔隙动水压力还会分别大幅
削弱岩石的抗压强度和抗剪强度,二者即为溶蚀和
潜蚀作用。
总之,岩石含水率愈大,越不具备储存高地应力的能力;岩石的透水性越小,地应力水平越高。坚硬干燥的岩石储能效果好,为地应力的积聚创造条件,因此,处于高地应力区的岩体往往含水率比较低,渗透性相对较小。
1. 3 构造运动对地应力的影响
应力场与岩体性质和地质构造运动历史密切
相关,在初始应力场中,自重应力场主要受深度的
影响,在一定深度内二者大致呈正相关关系,受构
造运动的影响很小,可忽略不计。 构造应力场也会
随深度的变化而变化,但尚未发现其规律性。 有学
者指出诸如地震、地壳升降和岩浆活动等的构造运
动会对初始应力场起控制性作用,应力集中程度与
构造运动的强烈程度呈正相关关系,构造运动强烈
的地区会导致一系列的地质现象 。 所以,工程
区的历次构造运动都会使岩体性质发生变化,从而
在很大程度上直接或间接地影响地应力的大小。
1. 4 不良地质条件对地应力的影响
在地质的历次构造运动中,岩体内部积聚地应力,其中,完整坚硬的岩体储能条件好,为高地应力的存在创造了条件。 由地质历史漫长演化形成的不良地质,包括软弱夹层、断层、节理和褶皱等,均对地应力量级有显著的影响。
(1)软弱夹层
软弱夹层的存在对岩体强度有极强的削弱作用。 复合岩体的强度不仅受夹层厚度和倾角的影响,还与夹层的岩石成分比例有关。 Tziallas 等基于粉砂岩的复合岩体单/ 三轴压缩实验,提出随着夹层粉砂岩含量的增加,复合岩体的强度呈降低趋势。 软弱夹层的厚度、倾角和成分比例会通过影响复合岩体的完整性和强度而改变岩体储存高地应力的能力。
(2)节理
节理是岩体断裂面处没有向两侧产生显著位移的构造,也称之为岩石裂缝。 有研究表明:同一工程区域地应力的大小以及最大水平主应力方向均会在一定程度上受到节理发育的影响,岩体的稳定性也会受到节理发育的影响,且在节理密集带处不易发生诸如岩爆这类的典型高地应力地区的地质现象。
(3)断层
地应力的分布在断层前后会受到很大的影响,应力变化的幅度与断层的规模有关,且断层对应力量值的影响程度随着埋深的增大逐渐降低。Hudson 等通过分析英国的岩石应力场,认为持续不连续性是对整体应力场最严重的局部扰动之一,并根据扰动机制提出 3 种极限情况:①如果断层是张开的,即断层模量为零,则主应力平行于不连续面转移;②如果断层与围岩的材料近似一样,即断层模量等于围岩模量,则主应力可能不受影响;③如果断层模量趋于无穷大,即断层为刚性体,则主应力将垂直于不连续面转移。 实际工程中的主应力方向的精确轨迹取决于具体情况,但大部分断层介于①—②的范围内,具体扰动形式如图 1所示。
图 1 断层对局部应力场的影响
(4)褶皱
褶皱的存在会影响地应力的大小和方向,其内部应力场高度不均匀。 陈国祥等提出岩层中褶皱出现前后的水平应变与最大水平应力的关系如图 2 所示,可以看出褶皱出现后,最大水平应力由平稳上升转变为陡坡式增长。 此外,褶皱的规模和褶皱幅度,都会影响地应力场的分布。
图 2 褶皱形成中最大水平应力随水平应变的变化规律
1. 5 埋深对地应力的影响
随着地下工程朝着更深的方向发展,工程所穿越地区地形、地质条件也变得更加复杂多变,所以埋深成为设计和施工时必须要考虑的因素。 其中垂直应力一般随深度的增加而增长,且不小于上覆岩体的重量,而水平应力与埋深的关系是非线性的,所以地应力随深度的变化规律极为复杂。地应力状态存在一个转换深度,当小于该转换深度时,由于受到地质构造的影响,最大水平应力随深度变化紊乱,无规律可言,侧压力系数随深度的加深而变小,且离散性大,但其值普遍大于 1,此时围岩易发生岩爆、挤压大变形及分区破裂等破坏现象;当埋深大于转换深度时,侧压力系数不再随深度的增加而变化,其值逐步变小,并趋近于 1。在地球深部,侧压力系数近似不发生变化时,地应
力大小随埋深的改变大致呈线性变化,表明在转换
深度以下的地壳深部,有可能会出现静水压力状
态。 但转换深度值因地区的不同有所差异,并且在
小于转换深度的区域,最大水平应力的紊乱程度也
有所不同。
1. 6 地形地貌对地应力的影响
地形地貌主要影响地应力场的大小和分布规律。 已有研究表明:在实际工程中,2 个完全不同的地貌单元,即使是处在相同的地形条件下,其地应力状态也会存在很大差异,比如典型的剥蚀平原和沉积平原,因为剥蚀地区的岩体地应力受剥蚀卸荷作用的影响极大,导致岩体中应力值偏高且分布无规律,相比之下,沉积作用可以改变岩体的地应力状态,因此沉积岩中应力变化规律相对恒定,二者的地应力分布特征形成了鲜明对比。 所以在地形地貌对地应力分布的影响中,地貌单元产生的影响占据主导地位。
以上为影响地应力量级的单一因素,在实际工程中,诸多影响因素往往不会单独作用,一般呈现出共生共存、相互耦合的状态。 比如冻融循环和干湿循环,其循环过程的温度、含水率、围压、地质条件和循环次数等因素均会对地应力产生一定的影响,所以多因素耦合将是今后高地应力判据的研究方向。
2 现有高地应力判据的归纳总结
基于上述影响地应力的因素,相关学者提出了诸多 判 据, 主 要 包 括 经 验 法 判 据 ( 定 性 判据)、实测最大主应力值判据、应力比判据和强度应力比判据。
2. 1 经验法判据
早期发现的最为典型的高地应力破坏现象是孙广忠提出的高、低地应力地区的地质标志。 但高地应力区的地质标志不只与地应力状态有关,与温度、地下水以及构造运动等因素都密切相关。 高地应力区出现的地质特征一般是在多种影响因素共同作用下产生的,比如煤系地层瓦斯突出现象就是在地质构造带和煤层急剧变化处产生的,所以其诱因不单是高地应力。
此后,相继出现了一些新的地质标志,如洞壁存在葱皮、钻孔围岩崩裂、剪切破坏现象、分区破裂化现象、环向卸荷拉裂、岩层错动、围岩卸荷回弹、V 字型破坏、岩层弯折外鼓、围岩板裂以及岩体劈裂等。 表 2 即为结合最新研究成果,对高、低地应力地区的地质标志进行的较为完善的统计结果;表 3 则依据工程现象、发生条件以及破坏机制进一步给出了 13 种高地应力地区地质标志的相应工程现象和典型图片,可为勘探、设计和施工过程中的围岩破坏情况的准确判断以及开挖和支护方案的合理选取提供一定依据。
表 2 高、低地应力地区的地质标志
表 3 高地应力区典型地质标志分析
由于该判据属于经验法判据,所以需要有经验的地质人员参加,并且工程区的地质特征与水文地质条件、地质构造特征、地层的岩性、地表地质作用等因素均有关系,所以笔者认为,实际工程中地质人员采用该判据评估地应力级别时,会存在主观性。
2. 2 实测最大主应力值判据
依据实测最大主应力值划分地应力级别是地下工程发展早期提出的一种定量判据,并在之后的较长时间里被广泛引用。 判断结果误差相对定性判据较小,一般认为最大主应力小于 10 MPa 为低地应力,10~20 MPa 为中等地应力,大于 20 MPa为高地应力,大于 40 MPa 为极高地应力。
使用该判据时,需要充分考虑实际工程的地应力大小与工程部位的密切相关性。 研究发现,处于相同地形条件下不同地貌单元的岩体地应力分布存在巨大差异。 实际地下工程中的应力分布具有 3 个区域,以开挖工作面为基面,开挖深度较小时为应力松弛区,此处的地应力最大应力分量σH,max 小于上覆岩层的岩体重量 γH ,随着开挖深度的加深,到达应力集中区, 应力迅速增大, 此处σH,max> γH ,达到最大值后逐渐减小,最后趋于稳定,即原岩应力区,此处 σH,max= γH ,应力分布区域如图 3 所示。
典型的例子如二滩水电站坝区在勘察阶段发现了岩爆和岩芯饼裂等诸多高地应力现象,但其地下厂房布置在应力平稳区,探洞中仅存在轻微的围岩剥裂现象,高地应力特征并不明显。 所以在实际工程中采用该判据判定地应力级别时必须要与工程部位相结合。
图 3 应力分布区域
2. 3 应力比判据
判别高地应力要考虑初始应力状态。 由于工程区地应力的大小很大程度上取决于历次构造运动,所以地应力区的划分要以构造应力场为基本出发点。 薛玺成等[3]提出当构造应力占总地应力的50%以上时,为高地应力区,并提出通过以下公式进行地应力级别划分:
n = I1/ I10 (1)
式中:I1 表示实测地应力的主应力之和;I10 表示自重应力主应力之和;n 为二者的比值,分级方案见表 4。
表 4 应力比法分级方案
根据鲁布革、二滩、拉西瓦等几个著名水电站的实测资料,得出它们的实测主应力值以及相应测点的自重应力分量的平均值范围如表 5 所示。 基于该判定方法的结果为:二滩和拉西瓦属于高地应力区,鲁布革属于中地应力区。 但是选取这几个工程区的某一具体测点的实测应力值如表6 所示,基于该判定方法的结果为:二滩属于高地应力区,拉西瓦属于中地应力区,鲁布革属于低地应力区,与前者结论相差较大。 再次证明了地应力大小和分布特征主要取决于局部条件,与区域应力场关系不大。
表 5 工程实例实测应力值
表 6 埋深相同的工程实例应力值
Sheorey 模型也是应力比判据的一种,其根据水平应力与垂直应力的比值,来预测水平应力的平均值,王成虎等认为该模型对于岩体弹性模量的取值标准比较模糊,只是单纯考虑应力随深度的变化规律,而脱离了岩体本身的性质对应力的影响,所以对于实际工程没有应用价值。
2. 4 强度应力比判据
岩石强度应力比判据相对于实测最大主应力值判据和应力比判据权威性更高,是目前应用最多且准确度最高的地应力分级方法。 国际惯例是采用岩石单轴抗压强度 σc 和实测最大主应力 σ1 的比值来划分地应力级别,强度应力比判据存在着诸多分级方法和标准(表 7):
① 法国隧协、日本应用地质协会、前苏联顿巴斯矿区采用式(2)划分地应力级别:
δ1= σc/ σ1 (2)
该判据的不足之处在于并未说明岩石单轴抗压强度取值时含水率为多少,所以应用该方法评价地应力可能会造成一定的误差。
② 姚宝魁等根据我国实际工程条件,考虑了岩体的变形和稳定条件,用式(3)作为高地应力的判据:
σ1 ≥ (0. 15 ~ 0. 2)σc (3)
即 δ2=σc/ σ1≤5 时为高地应力。 该判据考虑了地应力对不同岩体的影响,局限性在于:①未说明岩石含水率;②地应力分级系统不完善,只给出了高地应力的评判标准。
③ 《 岩 土 工 程 勘 察 规 范 》 ( GB50021—2001)规定采用岩石饱和单轴抗压强度 UCS饱和和垂直于隧道轴线的最大主应力值 σs1 的比值 δ3对地应力级别进行划分,与前两种判据相比,该判据在国内应用较广泛。
④ 《水电水利工程地下建筑物工程地质勘查技术规程》 (DL / T5415—2009)采用岩石饱和单轴抗压强度 UCS饱和 和实测最大主应力值 σ1 的比值 δ4 对地应力级别进行划分,该判据分级更细化,增加了极高地应力一级。
⑤ 近几年在整理大量的工程资料的基础上,申艳军等对方案④地应力分级评价标准进行了修正,为了防止出现由声波测试结果决定地应力状况是否得以准确评价的现象,提出取消将岩石完整程度指标 Kv 引入地应力状况评价的建议,采用与方案④一致的表示方法,对其分级指标进行了调整,定义比值为 δ5 ,该修正后的判据反映了我国水电水利工程的最新研究成果,该判据的局限性在于应用不广泛,其准确度缺乏大量工程实例的验证。
⑥ 陈菲等采用岩石干燥状态下的单轴抗压强度 UCS干燥与实测最大主应力 σ1 之比 δ6 作为地应力分级依据,该判据与前几种判据不同之处不仅在于分级标准的不同,主要区别是其采用了岩石干燥单轴抗压强度来进行计算,且该判据是在③和④方案的基础上,通过工程实例进行验证提出的。
表 7 强度应力比判据分级标准汇总
可以看出强度应力比判据存在多种计算方法及分级标准,目前尚未形成一个普遍适用的统一的标准。
2. 5 强度应力比判据评判
采用强度应力比法作为地应力的分级标准,评价标准不统一,指标零散。 陈菲等总结了 25 个工程实例,详细给出了每一个实例的岩石饱和、干燥单轴抗压强度,以及工程地质现象和地应力级别,并比较了上述③、④、⑥判据的准确度。 为了更直观地显示以上 6 种判据分级的差异,笔者绘制出了各强度应力比判据指标对比图(图 4),由图可以看出各指标差距较大,所以有必要对比获得准确度相对较高的分级方法。
图 4 强度应力比判据指标图
笔者在陈菲等和申艳军等34 个工程实例的基础上进一步比较了③—⑥分级标准,即基于每个工程的基本设计参数,通过根据表 7 中的计算公式和评价指标对应得到的地应力级别,与根据施工过程中出现的地质现象定性评价得出的地应力级别进行对比,如果计算地应力级别与定性评价等级一致说明该判据准确,不一致说明该判据不准确。如表 8 所示。
由于定性评价等级中只有低、中、高 3 个等级,所以把判断结果中高地应力和极高地应力统一归为高地应力级别。 根据表 8 中各分级标准的判断结果与定性评价等级一致的工程数量占所统计工程总数量的比例,见式(4),得出各强度应力比判据的准确度:
m = P10/ P1 (4)
式中:P10 表示各分级标准的判断结果与定性评价等级一致的工程数量;P1 表示各分级标准所统计的工程总数量,m 为二者的比值。 最终结果如表 9所示,可以看出判据 UCS干燥 / σ1 准确度最高,即采用该判据能够反映真实的地应力分级标准。
表 8 34 组工程设计参数及 4 个分级标准的判断结果
表 9 不同强度应力比判据准确度
3 结论
(1)温度、地下水、构造运动、不良地质条件、埋深和地形地貌对地应力量级的影响有以下规律:温度和含水率均与地应力量级大致呈负相关关系;构造运动对地应力场有决定性的作用;不良地质条件的存在总是对地应力场有削弱作用;埋深对地应力状态的影响存在一个转换深度,小于该深度时地应力变化无规律,大于该深度时地应力是随着埋深的改变大致呈线性变化的;地形地貌不仅会影响地应力大小,还会影响地应力场的分布规律。
(2)结合最新研究成果对经验法判据进行了完善,汇总了 18 种高地应力地区的地质标志和 9种低地应力地区的地质标志,并依据工程现象、发生条件以及破坏机制总结出了 13 种高地应力地区的地质标志的相应工程现象和典型图片。
(3)对现存的几种定量判据进行了论述,在应用实测最大主应力值判据和应力比判据时,必须要与工程部位相结合,充分考虑应力分区的现象;相比之下强度应力比判据发展较完善,是目前应用最多且准确率最高的判据。
(4)结合工程实例对详细给定取值条件的几种强度应力比判据进行对比验证,其中岩石干燥单轴抗压强度与最大主应力比值法准确率最高,高达92%,所以认为此方法能够反映真实的地应力级别。
摘自《地下空间与工程学报》