附录C 岩体初始应力场评估

C.0.1 岩体初始应力或称地应力，是在天然状态下，存在于岩体内部的应力，是岩石工程的基本外荷载之一。岩体初始应力是三维应力状态，一般为压应力。初始应力场受多种因素的影响，一般来讲，其主要影响因素依次为埋深、构造运动、地形地貌、地表剥蚀等。当然，在不同地方这个主次关系可能改变。
    准确地获得岩体初始应力值的最有效方法，是进行现场测试。对大型或特殊工程，宜现场实测岩体初始应力，以取得定量数据。对一般工程，当有岩体初始应力实测数据时，应采用实测值；无实测资料时，可根据地质勘探资料，对初始应力场进行评估。
    1. 在其他因素的影响不显著情况下，初始应力为自重应力场。上覆岩体的重量为铅直向主应力，沿深度线性增加。
    2. 历次地质构造运动，常影响并改变自重应力场。国内外大量实测资料表明，铅直向应力值σ_v往往大于岩体自重。若用λ_o＝ 表示这个比例系数，我国实测资料λ_o＜0.8者约占13％、λ_o＝0.8～1.2者约占17％，λ_o＞1.2者占65％以上。这些资料大多是在200m深度内测得的，最深达500m。A·B裴伟整理的苏联资料，λ_o＜0.8者占4％、λ_o＝0.8～1.2者占23％、λ_o＞1.2者占73％。
    国内外的实测水平应力，普遍大于泊松效应产生的  γH，且大于或接近实测铅直应力。用最大水平应力(σ_H1)与σ_v之比表示侧压系数(λ₁＝σ_H1/σ_v)，一般λ₁为0.5～5.5，大部分在0.8～2.0之间，λ₁最大达30。若用两个水平应力的平均值(σ_H·an)与σ_v之比表示侧压系数(λ_av＝σ_H·an/σ_v)，一般λ_av为0.5～5.0，大多数为0.8～1.5。我国实测资料λ_av在0.8～3.0之间，λ_av＜0.8者约占30％，λ_av＝0.8～1.2者约占40％，λ_av＞1.2者约占30％。
    确定初始应力的方向是一个极为复杂的问题，本附录没有具体给出，在使用本条第2款时，可用以下方法对初始应力的方向进行评估。
    分析历次构造运动，特别是近期构造运动，确定最新构造体系，进行地质力学分析，根据构造线确定应力场主轴方向。根据地质构造和岩石强度理论，一般认为自重应力是主应力之一，另一主应力与断裂构造体系正交。对于正断层，σ_v为大主应力，即σ₁＝γH，小主应力σ₃与断层带正交；对于逆断层，σ_v为小主应力，即σ₃＝γH，σ₁与断层带正交；对于平移断层，σ_v是中间主应力，即σ₂＝γH，σ₁与断层面成30°～45°的交角，且σ₁与σ₃均为水平方向。
    依据工程勘探平洞局部围岩片帮等高地应力现象也可以初步判断局部地段岩体初始应力的方向和大小。一般情况下，片帮所在位置的切向方向与断面上最大主应力方向一致，片帮的程度可以说明断面上最大和最小主应力的差别大小。与最大主应力方向相垂直的平洞，片帮和片顶破坏的程度也越强烈。
    3. 实测资料还表明，水平应力并不总是占优势的，到达一定深度以后，水平应力逐渐趋向等于或略小于铅直应力，即趋向静水压力场。这个转变点的深度，即临界深度，经实测资料统计，大约在1000m～1500m之间。也有人提出，这个临界深度在各国不尽相同，如南非为1200m，美国为1000m，日本为500m，冰岛最浅，为200m，我国为1000余米。
    在目前测试技术和现有实测成果的基础上，本附录规定深度在1000m～1500m为过渡段，1500m为临界深度是比较合适的。况且，就岩石工程而言，绝大部分工程的埋深小于1500m。
    4. 由于地质构造与河流切割的原因，河流峡谷地段，从谷坡至山体一定区域内，岩体初始应力场通常具有明显的区域分布特性。另外，由于地质构造及岩性差异，岩体初始应力分布也具有不均匀性特征。一般而言，断层及影响带内，岩体应力较低，近影响带岩体局部可能有应力集中现象，远离断层带，岩体应力趋于稳定应力值。软硬相间层状岩体和软弱岩层中，岩体初始应力通常较低，硬质岩层中，岩体初始应力通常较高。
C.0.2 高初始应力区的存在，已为工程实践所证实。岩爆和岩心饼化产生的共同条件是高初始应力。一般情况下，岩爆发生在岩性坚硬完整或较完整的地区，岩心饼化发生在中等强度以下的岩体。在我国，二滩工程的正长岩、白鹤滩工程的玄武岩、大岗山工程的花岗岩、鲁布革工程的白云岩、大瑶山隧道的浅变质长石石英砂岩、拉西瓦工程的花岗岩、锦屏一级和二级工程中的大理岩以及天生桥二级引水隧洞、渔子溪工程的引水洞、河南省故县工程、甘肃金川矿等，在勘探和掘进过程都有岩爆或岩心饼化发生，经实测均存在高初始应力。在国外，如瑞典的Victas隧洞，开挖期间在300m长的地段发生岩爆，该洞段位于高水平应力区，最大主应力为35MPa，倾角10°，方向垂直洞轴线。美国大古力坝，厂房基坑为花岗岩，开挖中水平层状裂开，剥离了一层又一层。
    一定的初始应力值，对不同岩性的岩体，影响其稳定性的程度是不一样的。为此，用岩石饱和单轴抗压强度R_c与最大主应力σ₁的比值，作为评价岩爆和岩心饼化发生的条件，进而评价初始应力对工程岩体稳定性影响的指标。实测资料表明，一般当R_c/σ₁＝3～6时就会发生岩爆和岩心饼化，小于3可能发生严重岩爆。实际上，洞室周边应力集中系数最小为2，这样高的初始应力值σ₁，引起洞周边应力集中，从而使得部分洞壁岩体接近或超过强度极限。
    考虑到空间最大主应力σ₁与工程轴线(如洞室轴线)夹角的不同，对工程岩体稳定的影响程度也不同，只有垂直工程轴线方向的最大初始应力σ_max，对工程岩体稳定的影响最大，且荷载作用明确。所以本附录表C.0.2采用R_c/σ_max作为评价岩体初始应力影响的定量指标。
    由于高初始应力对工程岩体稳定性的影响程度，尚缺乏成熟的资料，目前还不能给出更详细的规定，表C.0.2将应力情况定为两种是适宜的。
    初始应力的最大主应力方向与工程主要特征尺寸方位(如洞室轴线、坝轴线、边坡走向等)的关系不同，对工程岩体稳定性的影响也不同，特别是地下工程岩体。由于目前在这方面缺乏足够的依据，无法在分级标准中作出规定，而且这类问题也不是分级工作所能解决的，应在工程设计和施工中根据具体情况给予充分注意。