理论教育 地壳中构造应力状况及工程建设之成果

地壳中构造应力状况及工程建设之成果

时间:2023-09-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:地应力的大小、方向、状态及分布对区域稳定影响很大。为解决区域稳定问题,需要在工程现场测量地应力的方位、大小和状态;需要鉴别和确定新构造运动特征及可能带来的危害;还要确定该地区的地震基本烈度及地震小区(划分)特征,地震中可能有震害加剧区,也可能有安全岛。(二)高地应力的影响在地下洞体和边坡开挖中,常有岩爆发生,这是构造应力聚集而突然释放的结果。在构造活动区进行工程建设,基本的方针还是避让。

地壳中构造应力状况及工程建设之成果

应力(构造应力)的大小、方向、状态(包括各应力分量之间的关系及活动特性)及分布对区域稳定影响很大。所谓区域不稳定,简单说就是容易引发地质灾害。对于地质灾害,许多情况下人类还是不可抵御的,至多只能减轻灾害损失。地应力问题既是宏观的,又是细观的,它不仅影响到城市规划、大型工程选址,也影响到工程的设计和施工,应当做到精心设计、精心施工。

(一)城市规划、大型工程选址都必须考虑区域稳定问题

各类大型工程(包括城市规划)选址,都有一定的测量依据及选择性。所谓选择,有一个共同的目标,就是尽量减少或减轻地质灾害所造成的损失,以尽量小的代价从自然界获得最大的效益。

为解决区域稳定问题,需要在工程现场测量地应力(构造应力)的方位、大小和状态(包括各应力分量之间的关系及活动特性);需要鉴别和确定新构造运动特征及可能带来的危害;还要确定该地区的地震基本烈度及地震小区(划分)特征,地震中可能有震害加剧区,也可能有安全岛。

按照世界各国的惯例,历史上发生过强烈地震的地区,现在的地震基本烈度总是定得高一些。还有些地方,历史上无大震,近代中小地震却频繁,这表明有孕育强震的可能性,根据地震历史,应用概率统计的方法,也可适当提高这些地区的地震烈度,以避免重要工程受破坏。

城市规划也好,大型、超大型工程选址也好,地震情况、地壳构造活动和地应力(构造应力)情况,都是极为重要的论证方面,我们必须谨慎从事,要有科学依据,地震毕竟是众多地质灾害的首害。

(二)高地应力的影响

在地下洞体和边坡开挖中,常有岩爆发生,这是构造应力聚集而突然释放的结果。

地下工程洞体、钻孔发生颈缩、变形及破坏,这些现象再加上地应力分布的不均匀,可能会产生剪切破坏。如果是软岩或软岩夹层,那会产生流变变形即大变形,洞体几何形状产生异常变形而致洞体不能使用或产生强度破坏。

边坡上会出现错动台阶或层间错动或崩塌、滑坡,因为地应力不均匀,不同岩性地应力更不均匀。

(三)岩体高度裂隙化的影响

地应力状态复杂,构造活动比较强烈,构造应力复杂多变,岩体中裂隙高度发育,其直接结果就是岩体的整体性、完整性差,强度低,渗透性强,风化剧烈,严重削弱岩体,地下工程成洞性差,边坡容易失稳。在高度裂隙化岩体中也容易出现V形狭谷,坡陡谷深,对工程不利。在崎岖山脊的末端,地应力更为复杂,山体不稳定,地震时会加剧震害。

(四)构造活动区的工程建设

所谓构造活动区有三个层次,即地震区、发震断层和有构造活动。地震是断层的活动性引起的,断层的活动性是地应力作用的结果,由此可见,考察断层的活动性是关键,甚至起着控制作用。

在断裂活动的边缘、末端地带,断块内地应力异常,有可能成为发震断层。例如,断裂的颈缩段及断裂未贯通的不连续区段。断裂的交汇、转折、构造复合枢纽结构段,如云南的小江断裂、红河断裂、程海断裂、下关断裂、丽江断裂中的上述特征段。

地应力异常区包括应力集中带,如青海龙羊峡断裂,主断裂N10°W,NE41°,在断裂附近,地应力值高,应力集中;远离断裂处,地应力值低。地应力异常区也包括应力松弛带,在断裂带附近,地应力很小;远离断裂带,地应力值升高。一般的解释是在断裂带上应力释放明显或断裂带两侧岩层塑性软化或水化软化程度较高。(www.daowen.com)

在构造活动区进行工程建设,基本的方针还是避让。至于避让距离多大,这是个难题。既要考虑地应力、构造活动的强度,又要考虑它的方位;既要考虑工程建设项目的规模,又要考虑它的重要性即建(构)筑物的安全等级。

(五)非活动断裂对地应力场的影响

首先弄清什么是非活动(非构造)断裂,它指地震波传播引起的裂缝,常出现在河谷、堤岸、陡坡、路堤、沟谷、古河道、地貌边界处,在平原地区如铁路、公路、道路开裂也常见。这类裂缝纵、横都有,长度、宽度、深度都很可观。重力裂缝也是一种非构造断裂,典型的重力裂缝指地震时产生的地层液化,震陷或滑坡、崩塌形成的裂缝。

非活动(非构造)断裂对地应力场有什么影响呢?最直接的结果是地应力释放,地应力方向也发生明显变化。实测表明:断层两侧上盘应力较小,下盘应力大。应力释放使岩体高度裂隙化,有时一条大裂隙就对工程安全起到控制作用。地应力方向明显改变,岩体的破坏类型、破坏特征就会改变,这也直接影响到工程安全。

(六)地应力对岩石力学性质的影响

一般情况下,地应力中水平、近水平应力大于竖直应力,可称之为围压大。围压大时,岩体(石)的塑性特征明显地表现出来,并且岩石的强度明显增高。在深部,由于温度升高,会使岩石的塑性增强,抗剪强度降低。时间也是一个地质因素,在漫长的地质年代里,材料会显出黏性,甚至流变性。另外,长期强度也会降低。由于水的存在,岩石会发生软化,蠕变增大。水对岩石还产生强烈的风化作用。

由此可见,地应力场对岩石力学性质的影响是多方面的、显著的、深刻的。岩石的力学性质变了,工程性质自然也就改变了。

(七)地应力场对工程设计和施工的影响

1.基坑底部开裂变形

大坝基坑、高层建筑基坑、露天采场(坑)、地下工程及隧道底板等开挖时,由于应力解除、地应力释放,所以底板发生鼓胀、隆起、开裂,有时不得不用反拱结构来抵御这种应力和变形。美国有一个高地应力区,开挖越深,底板隆起、错断越严重,不得不停止开挖。

2.边坡稳定问题

很高的地应力沿水平方向作用,使边坡体中的岩层向临空面产生层间滑动,尤其沿结构面渗水及存在软弱夹层时,层间错动很明显。深切河谷中筑坝时的坝肩处(河谷两岸)、大型露天采场周边的岩体中都会因水平地应力很大而造成边坡开裂、破坏,尤其在坡脚处。地下工程中的边墙,尤其高边墙,也常因水平地应力作用而产生开裂、错位、内鼓等。

3.地下工程的设计与施工

首先是巷道轴线的选择。巷道轴线应沿着最大水平地应力(构造应力)方向即沿着σh,max的方向,也就是要垂直于区域内起控制作用的构造线方向,以减少事故、保证安全。其次是地下工程的出、入山体的出入口位置的选择。这些位置覆盖层薄、裂隙高度发育、岩体风化严重、岩体强度低、边坡易失稳。第三是洞形的设计。它包括如直墙拱顶(有各种拱形)、曲线性洞形、底板或底拱,洞室高跨比等,设计时既要考虑开挖引起的地应力重新分布形成的二次应力场,又要考虑构造应力场,问题就复杂多了。第四是洞室的施工及支护。高地应力容易使洞壁产生颈缩、滑动、崩塌、剥离层,甚至岩爆等。围岩的这些变形及破坏直接关系到洞室支护结构的设置类型、受力状态、刚度、变形及破坏,还有设置时间。所谓隧道施工的先进方法——新奥法,就是在应力(包括二次应力和构造应力)、变形、时间三者之间找一个最佳平衡点。

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