地应力变化规律分析

由于地应力的非均匀性，以及地质、地形、构造和岩石力学性质等方面的影响，使得我们在概括地应力状态及其变化规律方面，遇到很大困难。不过从目前现有实测资料来看，3 000米以内浅层地壳地应力的变化规律，大致可归纳为如下几点：

1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场

岩体中地应力除地壳深层以外，绝大部分是以水平应力为主导的三向不等压的三维应力场。三个主应力的量值和方向是随着空间和时间而变化的，形成特定的四维“场”。水平、铅垂向岩体初始应力与埋藏深度的关系如图1-1所示［6］。

图1-1　水平、铅垂向岩体初始应力与埋藏深度曲线

地应力的空间变化程度：就小的范围而言，例如一个矿山或一个水利枢纽，都可以发现它的量值和方向从一个地段到另一个地段的变化。一般它的偏差系数可达到25%～50%［7］；但就某大地区整体而言，地应力的变化是不大的，以华北地区为例，它的地应力场的主导方向为北西西到近东西向。

地应力量值和方向在时间上的变化，就人类工程活动所延续的时间而言是缓慢的，可以不予考虑。但在地震活动区，它的变化还是相当大的。以1976年7月28日唐山地区7.8级地震为例，顺义吴雄寺测点，震前的1971年到1973年，τmax=（σ1-σ2）／2由0.65MPa积累到1.10MPa；震后的1976年9月到1977年7月，τmax由0.95释放到0.30MPa。在主震后1年左右，便恢复到震前的应力水平。

2）实测铅垂应力基本等于上覆岩层重量

图1-2　岩体初始应力与岩体埋藏深度关系

布朗，H.K.总结全世界有关铅垂应力σv资料证明，在深度为25～2 700m范围内，铅垂应力σv随深度大致按岩石重度的比率线性增加，见图1-2所示。在这种情况下，除少数（特别在地壳浅层）偏离较远外，一般分散度不大于5%。但是，从我国资料来看，σv／γH=0.8～1.2（一般以此数据作为大体相等指标）的仅有5%；σv／γH＜0.8的占16%，而σv／γH＞1.2的占79%。其中个别最大的达到20。这些资料大都是在深度200m以内测点测得的，最深的只有500m。

根据裴伟，A.B.整理的苏联资料［3］表明，σv／γH＜0.8的占4%；σv／γH=0.8～1.2的占23%；σv／γH＞1.2的占73%。其中个别最大的达到37。这些统计资料的最大深度为915m，统计的结果接近于我国统计资料。

3）水平应力σh普遍大于铅垂应力σv

根据国内外实测资料统计，水平应力σh多数大于铅垂应力σv，并且最大水平应力与铅垂应力的比值，即侧压系数λ一般为0.5～5.5，大部分在0.8～1.2之间。最大值有的达到了30或更大。(www.xing528.com)

目前也常惯用二个水平应力的平均值σh·av与铅垂应力σv的比值来表示侧压系数，此值一般为0.5～5.0，大多数为0.8～1.5。我国实测资料表明，该值在0.8～3.0之间，而大部分介于0.8～1.2之间（参见表1-1）。

表1-1　σh·av／σv（或σh／σv）的统计百分率［7］

这些资料说明：与自重应力场情况不同，实测得到的铅垂应力σv多数为小主应力，少数为大主应力或中间主应力。例如，斯堪的纳维亚半岛的前寒武纪岩体，北美地台的加拿大地盾，苏联的希宾地块等地测到的σv，基本上都是小主应力；而在挪威矿山岩体中测到的σv，基本为大主应力。此外，由于侧向侵蚀的卸载作用，在孤立山体部分，以及河谷的谷坡附近处，σv常为大主应力。

4）平均水平应力σh·av与铅垂应力σv的比值λ与深度关系

侧压系数λ=σh·av／σv也是表征地区地应力场特征的指标。该值是随着深度增加而减小的，但在不同地区，也有差异。有人用下列公式表示该值的变化范围，见图1-3［8］。

图1-3　侧压力系数与深度关系

例如，当H=500m时，λ=0.5～3.5；当H=2 000m时，λ=0.35～1.25。

从已有的资料来看也是这样，在深度不大的情况下（例如小于1 000m），λ值很分散，并且数值较大，随着深度的增加，λ值的分散度变小，并且向趋于1的附近集中，这就是相应于前述的静水应力状态的海姆假说。

5）最大水平主应力方向与地质构造的关系

岩体中现存的最大水平主应力方向，主要取决于现在的地质构造应力场，与地质史上曾经出现过的应力场不存在必然的联系。只有在现有的应力场是继承先前应力场而发展，或与地质史上某一次构造应力场的方向相耦合时，水平主应力方向才可能与相应的地质构造之间发生关系。总之，最大水平主应力方向与地质构造的关系是复杂的，有的地区大主应力方向与构造线垂直，而有的却与构造线平行。通过对地质结构面的力学性质及其组合关系分析和地质力学分析方法，也可以初步判断地质构造应力场的主压应力方向。