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地应力

受到其他组分的约束,在岩体内构成残余的拉、压应力自相平衡的应力系统。地应力对地下洞室围岩、建筑物地基和工程边坡稳定性关系密切,特别是地应力具有明显的方向性,经常是地下工程围岩变形和破坏的控制因素。

建筑物荷载施加以前,岩体内部存在的单位面积所承受的力,也称岩体初始应力。按其成因可以分为三类:①自重应力,是岩体自重作用下产生的应力;②构造应力,是地壳运动在岩体内造成的应力,它又可分为活动和剩余的两类,活动的构造应力是地壳内现代正在积累的、能够导致岩体破坏和变形的应力,而剩余的构造应力则是古构造运动残留下来的应力;③残余应力,是承载岩体遭受卸荷或部分卸荷时,岩体中某些组分的膨胀回弹趋势部分地受到其他组分的约束,在岩体内构成残余的拉、压应力自相平衡的应力系统。

地应力对地下洞室围岩、建筑物地基和工程边坡稳定性关系密切,特别是地应力具有明显的方向性,经常是地下工程围岩变形和破坏的控制因素。在坚硬岩层中,如果初始应力很高,在岩体中积累到一定程度,应变能会突然释放造成岩爆和岩体位移,例如中国的鱼子溪一级电站引水洞和瑞典的维塔斯电站输水洞都发生过岩爆;我国葛洲坝电站厂房基坑开挖时出现过地应力造成的边坡滑移现象。

地应力的主要测量方法有三种,即应力解除法、应力恢复法和水力压裂法。应力解除法是在拟定测点周边切出一条“槽子”使得这一小部分岩体不再承受旁侧岩体传来的应力,通过刻槽前装好的应变测量仪器测出由于这种应力解除而引起的应变,并根据已知的有关岩石的应力——应变关系,换算出解除之前岩体内的应力。由于这种测试方法是在钻孔孔底(或测洞洞底)装上应变计后再套钻或刻槽解除应力的,所以它又叫套钻法。刻槽法及测量安装部位见图1。

图1 应力解除法布置图

应力恢复法与应力解除法不同之处在于:该法解除岩体的应力后,使被测岩样发生变形,然后又重新施加压力,让岩体恢复到原来的应力状态。整个测试过程是:先在测点上安装好测量仪器(电阻片、立式测微计),并记录初始读数,然后在靠近所安装的仪器的岩体上开挖一直槽,其方向和所需测定的应力向垂直,(槽的尺寸根据所使用液压枕而定)在已开挖的直槽内放入液压枕并以水泥填充空隙,随着液压枕的压力增加,岩体变形可用测微计读出,液压枕的压力一直增加到原来测微计读数为止,此时液压枕的压力可以近似地当做应力解除前的岩体应力值。应力恢复法的测试安装如图2。

水力压裂法,是通过钻孔向地下某深度处测点段施加液压,用高压将孔壁压裂,然后根据破坏压力,闭合压力和破裂面的方向,计算和确定岩体内各点应力的大小和方向。

图2 应力恢复法