第2章 地應力的分布規律

2.1 地應力的影響因素分析

2.1.1 地應力成因

地應力是存在于地層中的未受工程擾動的天然應力，它是由于地殼巖石變形而引起介質內部單位面積上的作用力，主要是在重力場和構造應力場的綜合作用下，有時也是在巖體的物理化學變化及巖漿侵入等作用下所形成的應力狀態[42]。地應力的大小和方向隨時間和空間位置的不同而變化，地應力場可按照地應力形成和活動年代劃分為古地應力和現今地應力。目前存在于地殼內的或正在活動的地應力稱為現今地應力；較老地質時期存在而目前不復存在的構造應力稱為古地應力。

地應力形成原因復雜，與人們生產實踐活動關系密切，成為現代科學研究的重點之一。地應力的形成主要與地球的各種動力運動過程有關，如板塊邊界擠壓、地心引力、地幔熱對流、地球旋轉、巖漿侵入及地球內應力等。另外，地表侵蝕、溫度和水壓梯度等也是形成地應力的重要因素[1]。

1．大陸板塊邊界擠壓引起的應力場

全球板塊構造理論認為，巖石圈板塊在大洋中脊（簡稱洋脊）中增生出來，大洋洋脊兩側板塊彼此做分離運動。大洋巖石圈板塊在海溝處沉陷，下沉到軟流層和地球內部。在板塊運動過程中受到三種驅動力作用，即洋脊推力、板塊牽引力及海溝吸引力。

Zoback指出，大尺度構造力（包括板塊邊界力、地球大尺度運動過程中產生的力及海洋巖石層冷卻中的熱彈性力等）決定的構造應力場，一般在巖石彈性部分的若干倍范圍內是均勻的，并可為各種大規模的板塊內地質學問題提供重要的邊界條件。

2．地心引力引起的地應力

由地心引力引起的應力場又稱為重力應力場，它是各種應力場中唯一能夠準確計算的應力場，其大小等于單位面積上覆巖層的重量，即

式中 γ 上覆巖層的重度，kN/m3；

H——埋深，m。

重力應力為垂直方向應力，它是地殼中所有點垂直應力的主要組成部分。但一般來說，由于板塊運動、巖漿對流和侵入、溫度不均及水壓梯度等因素影響，垂直應力并不完全等于自重應力，甚至相差很大。

3．地幔熱對流產生的地應力

由硅鎂質組成的地幔溫度很高，具有可塑性，并可以上下對流和蠕動。當地幔深處的上升流到達地幔頂部時，就分為兩股方向相反的平流，經一定流程直到與另一對流圈的反向平流相遇，一起轉為下降流，回到地球深處，形成一個封閉的循環體系。地幔熱對流引起地殼下面的水平切向應力；在地幔物質下降處，引起很大的水平擠壓應力。

4．巖漿侵入引起的地應力

巖漿侵入擠壓、冷凝收縮和成巖，都在周圍地層中產生相應的應力場，但其過程相當復雜。熔融狀態的巖漿處于靜水壓力狀態，對周圍施加的是各方向相等的均勻壓力，但隨著熾熱的巖漿侵入后逐漸冷凝收縮，從接觸界面處逐漸向內部發展，不同的熱膨脹系數及熱力學過程使得巖漿自身及周圍巖體應力產生復雜的變化過程。

2.1.2 地應力的主要影響因素

地應力大多是以水平應力為主的三向不等壓應力場，并且三個主應力的大小和方向會隨時空而變化，屬于非穩定應力場。影響地應力的主要因素有地質構造、地形地貌、巖性、斷層、地下水、溫度等[1]。

1．地質構造

地質構造對地應力的影響主要表現為對應力分布和傳遞的影響。在均勻應力場中，斷裂構造對應力大小和方向的影響是局部的；在活動斷層或地震區，地應力的大小和方向都有較大變化；在同一地質構造單元中，被斷層或其他較大結構面切割的各大塊體中的地應力大小和方向較一致，但在靠近斷裂或其他結構面周圍，特別是在轉彎、交叉和兩端處，地應力的大小和方向都有較大變化。

2．地形地貌

地形地貌是影響地應力的重要因素之一，在相同邊界條件下，不同地形形成不同的應力場。一般來說，地形對地應力場的影響范圍只限在地表附近，越接近地表影響越明顯；隨著深度的增加，影響程度逐漸減弱。

通常山脊地形在側坡處發生應力集中，在山腳應力集中系數最大；斜邊坡地形在坡底應力集中現象明顯；深切河谷陡坡垂直應力大于上覆巖層引起的重力，谷底應力最大，河流切割越深，應力集中程度越大。

3．巖性

大量地應力理論研究結果和實測數據表明，巖性也是影響地應力的一個重要因素。在佐洛塔列夫和高莉青對影響巖體應力狀態因素的研究中，把巖性作為基本因素之一。陶振宇和楊子文指出，巖性及其強度可能會顯著影響地應力分布以及平均水平地應力與垂直主應力的比值。趙德安等[43]（2007）根據收集到的371組（巖漿巖147組、沉積巖155組和變質巖69組）地應力實測資料，回歸分析了中國不同巖性平均水平地應力與垂直地應力比值k隨深度變化的曲線。在500 m深度以內，巖漿巖的平均水平地應力與垂直地應力比值大于沉積巖和變質巖，隨著深度增加則小于沉積巖和變質巖，且減小速率相對較大。沉積巖平均水平地應力與垂直地應力的比值回歸曲線介于巖漿巖與變質巖之間，深度大于2000m后，k值在1.0附近波動。變質巖構造復雜，平均水平地應力與垂直地應力的比值k在500m深度以內較分散，隨深度增加k值趨于1.0。巖石力學性質對地應力的影響較為明顯，從能量積累角度來看，巖體地應力是能量積累與釋放的結果，巖體應力上限受到巖體強度限制；彈性模量較高的巖體內部，大多存在較高地應力。在同一區域內，受到近南北向外圍應力場作用的正長巖與玄武巖保持變形協調，彈性模量較高的玄武巖在相同變形條件下儲備較多彈性應變能，表現出較高應力值。

因此，在相同的地質構造中，地應力大小是巖性因素的函數。一般來說，彈性強度較高、彈性模量較大的巖體有利于地應力的積累，這些部位容易發生巖爆和地震等地質災害；而塑性巖體易于變形，則不容易積累應力，地應力水平相對較低。

4．斷層

斷層規模是影響斷層附近應力場的重要因素，應力場擾動范圍與斷層幾何尺寸密切相關，斷層規模越大，對地應力大小和方向的影響越大，特別是在復合或群狀發育斷層的疊加作用下，大斷層將對地應力分布狀態起支配作用。由于斷層干擾，斷層周邊一定范圍內地應力分布隨空間位置而異，斷層及其附近應力方向變化明顯，與區域主應力相比變化幅度為10°～90°；隨著逐漸遠離斷層，主應力趨于平穩。斷層端部和幾何形狀拐點處應力方向變化劇烈，應力大小的變化較復雜，且應力高度集中。

5．地下水

地下水對巖體地應力的大小具有顯著的影響。巖體中包含有節理、裂隙等不連續層面，這些結構面中又往往含有水，地下水的存在使巖石孔隙中產生孔隙水壓力，這些孔隙水壓力與巖石骨架的應力共同組成巖體的地應力。尤其是深層巖體中，水對地應力的影響更大。

6．溫度

巖體溫度對地應力的影響主要表現在兩個方面：地溫梯度和巖體局部溫度，各地區地溫梯度不相同，一般α＝3℃/100m，體脹系數φ＝10-5，若取彈性模量E＝10GPa，巖體溫度應力σ t＝H αβ E＝0.003 H（Pa/m）?？梢?，巖體溫度應力為壓應力，且隨深度增加而增加；巖體溫度應力場一般是靜水壓力場，三個主軸是任意垂直三軸，可以與重力應力場進行代數疊加，即

巖體受局部溫度影響，受熱不均，會產生收縮或膨脹，在巖體內部形成裂隙，并在巖體內部及其周圍保留部分殘余熱應力。如花崗片麻巖的溫度瞬時（時間為零）升高180℃，巖體內部10m內的熱應力歷經10年左右仍然存在，軸向應力高達60MPa。

因此，地應力的影響因素多種多樣，在具體的構造模式和地質條件下，各種因素對地應力的影響程度也有所不同，并且各因素對地應力的影響不是獨立的，往往同時存在，相互影響。