1樓：中地數媒
地應力資料對地質工程來說是比較重要的，尤其是對地下工程來說，必須考慮地應力。
對於地應力資料在地質工程中怎樣應用的問題，還存在兩種不同的看法。以隧道工程為例，只把隧道襯砌看成是工程，而把隧道上覆巖體自重看作是作用於圍巖上的荷載，或把圍巖看成是在自重作用下冒落作用於襯砌上的荷載，這是一套荷載支護體系觀點。隧道工程實際上是以地質體做環境，以地質體做材料，以地質體做結構的一項特殊工程。
它的穩定性主要受控於環境應力及巖體特性，環境應力是主要作用力，洞體圍巖是抵抗地應力的基本結構和材料。地質體是有自穩能力的，當洞壁應力差大於圍巖強度時，就會出現變形和破壞。為保證洞體穩定，可採用地質體改造的辦法提高洞體穩定性。
這是一種地質工程觀點。在這一觀點指導下進行地下洞室設計時，必須有地應力資料和巖體強度資料。作為一種最簡單例子，現在取均勻地應力場圓形洞室洞壁圍巖穩定性判據來說明：
地質工程學原理
式中：k為穩定性係數；σc為巖體抗壓強度；p0為地應力值。
式（5-1）表明，洞壁圍巖穩定性係數大小主要決定於巖體抗壓強度及地應力p0。當巖體強度太低或地應力太高時洞體首先從洞壁開始破壞，從而導致洞體失穩。根據這一觀點，當巖體強度不足以抵抗地應力作用時，可以採取加固圍巖、採用支護提高σ3或採取弱化洞壁圍巖中應力等巖體改造的辦法來提高圍巖穩定性。
而對於荷載支護觀點來說，當支護強度不夠時維護支護穩定性的辦法，則要增加支護厚度和提高支護強度等，這完全是兩條路子。上述表明，地應力是地下工程設計中必不可少的一個基本資料。正確的地下工程設計必須有地應力資料。
地應力對地質工程的影響是多方面的，下面先從總的輪廓上討論一下，即地應力的力學效應。前面討論了巖體結構力學效應，現在討論地應力的力學效應。地應力的力學效應總的來說有如表5-4所示的一些內容。
下面簡單地談一下。
表5-4 地應力的力學效應（地應力由低到高）
第一，對完整結構巖體來說，地應力可以改變巖體破壞機制。脆性巖體在高地應力條件下可以轉化為塑性，而且其破壞強度隨著地應力增高而增高，但它不是無限制地增大，達到塑性狀態以後，它將保持一個穩定值。有一些岩石在高壓下還可以轉變為流體，其強度不僅不增高，而且還降低。
這在比較高的壓力條件下的地球深部和核**的**腔裡可以看到。地下核**腔周圍的最外部成彈性變形，往裡變為脆性破壞，再往裡有一圈緻密的，實際上是塑性化圈，在爆心裡面呈流體狀態。在隕石坑裡也可以看到岩石呈流體狀態，隕石坑裡的岩石都呈玻璃質狀態，其摩擦角接近於零，內聚力也很低，這是一種特殊狀況。
一般的地質工程中見不到。變形模量也存在這種現象，隨著地應力增高變形模量增大。完整巖體裡或多或少都存在有裂隙，這樣巖體在低圍壓條件下的變形是結構面變形為主，即結構面變形為巖體變形的主要部分；隨著圍壓增高結構面變形逐漸減小，當應力達到一定水平，大約為8mpa，結構面就全部閉合了。
壓力再增高時巖體變形則為岩石材料變形，但隨壓力增高彈性模量就接近於一個常數，而不變。這些現象表明，測量巖體力學性質時必須考慮環境應力水平。現在有些規程、規範規定試驗載入到多少多少，實際上是不對的。
正確的做法應該是根據工程作用的最大應力水平確定最大試驗壓力，一般來說，試驗壓力應該高於工程作用壓力，這對於試驗成果分析來講是十分重要的。
第二，對碎裂結構巖體來講，地應力力學效應可以反映在以下六個方面：
（1）碎裂結構巖體內結構面在低地應力條件下起作用，而隨著地應力增高，結構面的作用逐漸減弱，而在高地應力條件下結構面便不起作用了，這個應力條件大體上是8mpa。
（2）在低地應力條件下，碎裂結構巖體力學性質的結構應十分顯著，而隨著地應力水平逐漸增高，力學性質的結構效應逐漸消失，這個條件大體上為巖體抗壓強度的1/2。
（3）隨著地應力增高，巖體破壞機制由受結構面控制逐漸轉變為受巖塊控制，即變為受結構體控制。
（4）隨著地應力增高，巖體破壞強度的結構效應逐漸消失，圖5-14是一個很好的例子，左圖是在單軸壓（無圍壓）條件下用劈裂法（巴西法）作的石灰岩巖塊劈裂強度與試塊尺寸關係，右圖為高圍壓條件下的試驗結果。試驗結果表明，無圍壓時試驗塊力學性質具有明顯尺寸效應，而在高圍壓條件下尺寸效應消失了。
圖5-14 不同圍壓條件下巴西法試塊試驗結果
（5）隨著地應力增高，巖體彈性模量的尺寸效應也逐漸消失。
（6）隨著地應力增高，巖體力學介質型別也在發生變化。低地應力條件下呈碎裂介質；高地應力條件下則轉化為連續介質，也就是說結構面不起作用了，起始轉化的應力條件大約為巖塊抗壓強度的1/2。
第三，塊裂結構巖體隨著地應力增高，其地應力效應反映在巖體力學性質和破壞機制的改變上。這就是隨著法嚮應力增加，其強度增大，結構面由滑動破壞轉化為啃斷破壞。但是作為一種力學介質來說，在工程所及的地應力條件下，其介質型別一般不會產生變化。
上述事實表明，我們在作巖體力學研究時，不要把巖體看成是孤立的，不變的。而它是隨著環境應力改變而不斷的變化著。特別是巖體記憶體在堅硬結構面時，這種變化十分明顯，也可以說巖體力學與其他連續介質力學的不同就在於巖體記憶體在有結構面。
巖體力學規律所以千變萬化，就是因為巖體記憶體在有大量結構面。巖體的變形規律、破壞機制及力學性質與其他材料的區別，就在於巖體內有結構面作用。隨此，便產生了地應力的力學效應。
所以我們把巖體結構力學效應與巖體力學基本規律等同看待。
第四，板裂結構巖體的板裂體實際上都屬於碎裂結構，隨地應力增高，切割板裂體的結構面力學作用消失，轉化為完整結構巖體；分割板裂體的軟弱結構面的力學作用很難消失，只是結構面強度逐漸增加，起伏的結構面則由爬坡轉化為啃斷。
下面進一步來討論地應力與地下工程的關係。很多人經常遇到這樣一個問題，地應力測了很多，在地下工程中怎麼用?實際上它與地下工程建築觀點有關。
早期的地下工程建築觀點是荷載支護體系，這個觀念認為地下工程中的圍巖破壞塌落下來的地質體是作用於襯砌上的荷載，維護地下工程穩定的措施是襯砌。那麼作用於襯砌上的荷載怎麼求?基本的概念是圍巖不能自穩，在自重作用下是要塌落的，想方設法要找到塌落體高度，把塌落體的自重作為作用於襯砌上的荷載，來設計襯砌。
這就是地下工程建築早期的荷載支護體系觀念，統治隧道設計理論達半個世紀以上的普氏理論是這一觀念的代表性觀點。隨著隧道建築經驗的不斷增加，許多人提出了異議，看出了普氏理論在地下工程中應用的不合理性。我國20世紀70年代曾出現過批判普氏理論的潮流，可是由於沒有找到合理的理論取代它，批判歸批判，使用歸使用，問題沒有得到解決。
應當指出，普氏理論對土體力學還是適用的，對於巖體力學就不適用了。80年代以後，越來越多的人接受了厚壁圓筒理論在地下工程建築中的應用，逐漸地取代了普氏理論。應當指出厚壁圓筒理論在地下工程中的應用並非是從80年代開始的，錢令希教授在40年代就提出了厚壁圓筒理論在地下工程中的應用問題，不過當時是將自重作為巖體中的應力而應用，因此效果不好。
80年以來採用了實測地應力作為環境應力，從而建立起了新的理論體系，今天已經取代了普氏理論。厚壁圓筒理論的基本點如下。
首先我們知道地下洞室圍巖中的應力與地應力大小有關，與圍巖的力學介質無關。不管是彈性的還是塑性的，其應力分佈規律都具有下面公式所表達的形式：
地質工程學原理
式中符號示於圖5-15。地應力方向和大小對圍巖內應力分佈有較大的影響，就拿洞壁應力狀態來說，在均勻應力場條件下，洞壁應力分別為
地質工程學原理
式中p0為地應力大小。在雙向應力不等的條件下洞壁處應力為
地質工程學原理
圖5-15 各向不等地應力條件下圍巖內應力分析計算草圖
與地應力最大主應力方向成處洞壁切向應力最大，徑向應力最小，即
地質工程學原理
式中：σh為地應力的最大主應力分量；σh為地應力的最小主應力分量。
地質工程學原理
這裡可以明顯看出，洞壁圍巖內應力分佈是與地應力狀態有關。這就是說，地下工程建築中必須有地應力的資料。如果巖體是脆性破壞，則其破壞判據為
地質工程學原理
式中k為穩定性係數。當k=1時，巖體抗壓強度如小於（3-λ）倍地應力值時巖體就要產生破壞，如地應力場是均勻的，即λ=1，則巖體強度小於兩倍地應力值時，巖體就要產生破壞。現在再來看，如果圍巖為塑性介質時，巖體的破壞判據應用下式表達
地質工程學原理
它的破壞點也應該發生在洞壁處。這時σ3=σr=0，則破壞判據變為
地質工程學原理
洞壁穩定條件為
地質工程學原理
這也表明洞壁穩定性既與巖體強度有關，也與巖體內地應力大小有關。提出地應力在地下工程中有什麼用的同志可能忽略一個問題，他在用評價洞室穩定性的公式中，沒有直接出現地應力p0這個引數，因為過去在這些公式中沒有實測的地應力值，而是用自重（γ）乘上埋深（h）來代替地應力。這實際上也是考慮了地應力，只是由於沒有實測的地應力資料，不得已而用自重代替罷了。
現在我們進行了地應力測量，有了實測資料，如上面所介紹的那樣，實際上地應力並不等於γh，有時甚至大於γh的兩倍或三倍。特別是在地下不深處有一個水平地應力集中帶，地應力就更比γh高了。而我們所修建的地下洞室要經常通過地應力集中帶，顯然不能用γh來代替。
有一種情況可以用γh來代替，這就是地下洞室所通過的地區位於地應力鬆弛帶內，因為構造作用產生的水平地應力已經都卸除了，剩下的只是自重應力，在這種情況下用γh替代地應力是完全正確的。在中國來說，水平地應力多半是大於自重應力。如北京郊區大灰廠地下12m深度處，測得的最大水平主應力高達8mpa。
二灘電站的水平地應力也遠遠大於自重應力。金川二礦區測得的水平地應力也遠大於自重應力。這樣的例項很多。
這充分說明，在地下洞室穩定性分析中，不能簡單地一律採用γh來代替地應力。這樣我們在具體的地下工程設計中要注意下面兩個問題：
（1）洞軸線選擇時不要垂直於最大主應力，如果許可的話最好平行於最大主應力，避免洞壁受最大主應力作用。地下洞室不僅怕地應力大，而更怕應力差大。如果我們避開最大主應力，這就使得洞室受的應力差小些，對洞室穩定性有利。
在高邊牆大型地下洞室建築中，更應該注意這個問題。
（2）我們習慣設計地下洞室形狀是圓形、圓拱直牆或馬蹄型的，總是長軸方向是垂直的，短軸方向水平，好像這是一種習慣，很少考慮地應力狀況。我們在金川遇到一個問題，二礦區的一個巷道，幾乎是沒有不破壞的，經過採用很多辦法來支護，但仍然破壞，這是為什麼?著者認為是與地應力狀態有關。
金川的水平地應力比垂直地應力大2～3倍，在這種情況下洞室的短軸方向受到大的地應力作用，而長軸方向受到小的地應力作用，這是最容易破壞的，從結構設計來講這是不合理的。因此在2023年我們到現場工作時，曾向他們建議巷道長軸應放躺下，與最大主應力方向平行，洞子的截面形狀，即洞的長軸與短軸之比應該與最大主應力與最小主應力匹配。這一點在地下工程設計中非常重要，所以出現上述不合理的情況，與長期以來把垂直應力看作是最大主應力有關，而過去我們也沒有接觸過這麼多水平應力大於垂直應力的情況。
還應該指出，最大主應力和最小主應力的分佈並不是垂直的或水平的，而是與水平面成一個角度，這種情況下洞子應該怎麼放?如果是一個單個洞子恐怕要從結構上想辦法，即開挖洞形與使用洞形不一定一樣。開挖洞形剖面可以是傾斜的、橢圓形的洞形，而使用的洞形應在裡面加一襯砌層作成所需要的洞形。
如果是洞室群，像電站地下廠房那樣。洞室群總體排列應該與地應力分佈相適應，洞室群長軸方向應該與最大主應力方向平行，短軸方向應該與最小主應力方向平行，它所形成的整體形狀應該與地應力的三個分量的比值相匹配。這樣可以避免掉地應力造成的麻煩，其內部的個體建築才能比較穩定。
這也是一種優化設計方案。
上述的地應力與地下工程的理論，不僅適用於與平臥的地下洞室，也適用於直立的豎井和鑽孔設計中的穩定性檢核。在高地應力地帶的豎井和鑽孔在圍巖強度不高，應力差過大時，或者出現縮徑變形，或者出現井壁和孔壁破裂，導致豎井和鑽孔破壞，不能正常應用，這種事故在礦山和採油井、採氣井、採水井等地質工程中經常見到，為了避免事故，應在設計中進行井壁和孔壁穩定性檢查。
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