硅谷杂志：探秘岩体中的初始应力场 |
| 2012-12-11 12:27 作者：李牧羽 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网12月11日文 据《硅谷》杂志2012年第18期刊文，初始应力场的形成与围岩性质、构造、埋藏的条件和构造运动的历史有着密切的联系，是指隧道结构开挖前的围岩周围的初始静态应力场，它问题是相当复杂的。初始地应力状态与施工引发的附加应力状态是不相同的，对遂道开挖后围岩的应力分布、破坏、变形有着相当重要影响，可以这么说：对坑道开挖后一系列力学过程和现象做出正确评价是需要我们对围岩初始应力状态有充分了解的。
围岩的物理力学性质、重力、温度、地形及构造等一些经常性因素对围岩的初始应力状态有很大影响；同时地下水的活动、地壳的运动、人类长期活动等局部性的或者暂时性的因素是第二个影响因素。所以，初始应力场是由两种力系构成的，即：
（1）
式中：——构造应力；
——自重应力。
一般说来，连续介质力学的分析方法是重力地应力场可以采用的办法。其他的因素造成的初始应力场，主要的确定方法是用现场试验的方法。
在上面讲到的两种因素中，当前主要研究的方向是由围岩的重力形成的应力场，而其他的因素只认为是改变了由重力造成的初始地应力场。
1构造应力场
跟据已经发表的一些岩体应力测量数据显示：
①构造地应力场实际测量得到的水平应力普遍大于垂直应力，垂直应力基本上等于上覆岩层的重量，而且在不深的地方已经普遍存在。
②残余的应力将对地下结构产生重大的影响，地质构造的变化不仅仅改变了自重应力场，除了以各种各样形式积蓄在岩体内，还以各种构造形态获得释放。
③构造地应力场的性质参数无论在时间上、空间上都是有很大变化的，它是很不均匀的。水平主应力具有很明显的各向异性，而且具有很强的方向性，一般来说很少有大、小主应力相等的情况，总是以一个方向的主应力占优势，而且最大主应力的方向与区域的地质构造有密切的联系。尤其是构造地应力场的主应力轴的绝对值和方向有很大变化量
人类直至今天仍未完全的认识和解决构造应力场----由于形成构造应力场的原因非常的繁杂。构造应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，在三维空间的分布是极其不均匀的，而且它随时间的推移还不断的变化。所以，当前初始应力场的作用只能通过某些量测数据实验加以分析，尝试找出一点规律性，还是很难用函数式表达出构造应力场的规律的。
在某些重要的工程当中，我们多采取实地测量的方法来判定主应力的大小、方向的变化规律性质。而在理论分析当中，是常把初始应力场按照静水应力场来处理的。
由于力学形态上的、构造的、测量技术上的等一些原因，用数学分析方法来求解初始地应力场，经常会导致极大的误差。
2自重应力场
如图1所示，首先来探究具有地层水平、地面水平的情况。设岩体在沿z方向是非均质的，平面内是均质的。地表下任一深度处的垂直地应力等于单位面积上覆土体的自重力，这是在以自重地应力场为主要的岩土体当中的情况。
1地表水平时自重地应力场
为埋深；为岩土体的重度；
压应力为正方向；
当上覆岩土体为多层性质不同的土层时，有
‘’（2）
其中：——第i层土体的重度；
——第i层土体的厚度。
按照弹性理论得到
（3）
岩体的泊松效应引起产生该点的水平应力、。
其中：-该处土体的泊松比。
大多数围岩的泊松比在0.15~0.35左右，很显然，当垂直应力为已知时----水平应力的大小取决于围岩的泊松比。所以，在自重地应力场中，水平应力通常小于垂直应力。
设，并称之为侧压力系数，上式就可以改写成为
（4）
而实际上由于地壳构造运动的结果----在岩土体内形成的地质构造，像褶皱、裂隙、断层，这些都将对岩土体的自重地应力场产生不同程度上的影响。上面各式描述的地应力场仅当岩土体为各向同性<>的半无限弹性体，地面平坦为水平面时，才有效。
3围岩的破坏形式
宇宙中每个物体都有它的独特性，岩体也是此相区别，以其特有的结构形式存在地球上。不同大小级配、产状、形状的结构构成了多种多样岩体结构类型。
实践和试验都已证明，除了受结构体岩土和结构面的控制外，还有一个重要因素----岩体的构造特性，控制着岩土体的应力在岩体中的传播途径以及变形、破坏。
山岭隧道围岩的稳定或失稳、变形与岩土体结构的关系十分的紧密，岩土体的结构与开挖出的隧道空间以及衬砌结构相结合，形成一个嵌入了人工建筑物的围岩结构体。
因此，我们根据工程实际的考察，围岩的破坏有以下五种情况：
1）脆性破坏；2）块状运动；3）弯曲折断破坏；4）松动解脱；5）塑性变形和剪切破坏。
作者简介：
李牧羽（1990-），男，江苏徐州人，大学本科，研究方向：地下工程。 |
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