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| 原岩應力 | |
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原岩應力，存在於地層中未受工程擾動的天然應力稱為原岩應力，也稱為岩體初始應力、絕對應力或地應力。
基本介紹
地殼中沒有受到人類工程活動(如礦井中開掘巷道等)影響的岩體稱為原岩體，簡稱原岩。
存在於地層中未受工程擾動的天然應力稱為原岩應力，也稱為岩體初始應力、絕對應力或地應力。
天然存在於原岩內而與人為因素無關的應力場稱為原岩應力場。
原岩應力的形成主要與地球的各種動力運動過程有關，包括:板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內應力、地心引力、地球旋轉、岩漿侵入和地殼非均勻擴容等。此外，原岩體內溫度不均勻、水壓梯度變化、地表被剝蝕或其他物理化學作用也能影響岩體內應力的大小與分布狀態。
在井巷和采場等地下工程結構穩定性分析中，原岩應力是一種初始的應力邊界條件，同時原岩應力是引起地下工程結構變形和破壞的力源。
採礦工程中，地下採掘空間對周圍岩體內的原岩應力場產生擾動，使得原岩應力重新分布，並且在井巷和采場的圍岩中產生幾倍於原岩應力的高值應力(所謂的二次應力)。圍岩隨之變形，隨着時間的延長，圍岩變形繼續擴大，甚至引起圍岩破壞或支護物破壞，這就是我們常說的礦山壓力顯現。由此可見，礦山壓力的來源與原岩應力密切相關，圍岩穩定性顯然是以原岩應力場為前提條件的。在計算任何人工開挖的岩體周圍的應力分布以前，必須測量或估算開挖前的應力狀態。[1]
原岩應力約為自重應力和構造應力之和
原岩應力的基本規律
通過理論研究、地質調查和大量的地應力測量資料，原岩應力的分布的主要規律歸納如下:
(1) 實測垂直應力基本上等於上覆岩層重量。[2]
(2)水平應力普遍大於垂直應力。
(3) 平均水平應力與垂直應力的比值隨深度增加而減小。
(4) 最大水平主應力和最小水平主應力一般比值相差較大。
各應力分量之間的比較
(1)平均水平應力avhσ與垂直應力zσ的比較。 從上面兩個圖的統計結果看，一般情況下，zσ相當於上覆岩層的自重，而水平應力的波動範圍就比較大。且一般大於鉛垂應力，其產生原因。一般歸結為地殼的構造動。據國內外實測資料統計，平均水平應力avh⋅σ與zσ的比值大部分在0.8~1.5之間。見下表統計結果。
(2)水平應力yσ與xσ間的比較 地殼內水平應力中的兩個主應力xσ與yσ在數值上一般不相等，這一統計結果反映出了水平應力具有較強的方向性，見下表。
(3)鉛垂應力zσ與自重應力zP之間的比較 岩體上覆岩層的重量是形成岩體初始應力的基本因素之一。一般認為岩體的鉛垂應力大體上相當於上覆岩層的重力zP，但並非所有實測結果都如此，從我國的實測結果表明，鉛垂應力zσ與單位面積上的上覆岩層重力zP的比例在0.43~19.8之間變化，如果考慮到成果的分散性，以2.1~8.0=zzPσ作為大體上相等的情況，則僅占8.7%，而8.0<zzPσ的占21.7%，2.1>zzPσ的占69.6%。這些資料說明，多數的1>zzPσ。即鉛垂應力多數情況下大於上覆岩體的重量。這種現象只能解釋為某種力場作用的結果。而這種力場不是完全由上覆岩層自重所引起的。
圍岩破壞與原岩應力場
(1)垂直應力大於水平應力時，破壞主要在巷道側面發生。 同時在頂底板發生破壞但破壞程度很小。 垂直應力與水平應力比越大，頂底板的破壞程度越小巷道側面破壞越嚴重。
(2)水平應力大於垂直應力時，巷道的破壞主要發生在頂、底板處同時在巷道側面產生的破壞程度很小。 水平應力與垂直應力比越大，頂底板的破壞程度越大，巷道側面破壞程度越低。
(3)水平應力大小與垂直應力較為接近時，巷道的頂，底板及側面同時發生破壞。
(4)岩石破壞規律與荷載的大小、岩石種類、破壞準則、巷道形態等沒有關係，只與水平、垂直應力比有關。
我國地應力分布及測量的基本情況
中國地應力量測的試驗和研究始於60年代。60年代初在地下礦山的巷道、硐室表明利用扁千斤頂法測量圍岩表明的應力狀態。1964年，在陳宗基教授的帶領下，中科院武漢岩土所在湖北大冶鐵礦進行了國內首次應力解除法測量，測量深度為-80m。1966年3月，李四光教授在河北上吳縣建立了全國第一個地應力觀測站。
60年代後期，中科院武漢岩土所、長沙礦冶研究院、地質所等開展了地應力測量。70年代中後期，地應力測量在水電部門也得到廣泛開展，長江科學院等都開展了這方面工作。但90%以上的地應力測量則分布在地震研究、水利水電、採礦行業。通過豐富的地應力測量資料，可對我國大陸淺層地殼應力的分布規律有了初步認識，並且有以下明顯分區特點
(1)華北地區以太行山為界，東西兩個區域有較大差異。太行山以東的華北平原及周邊地區，其最大主壓應力的方向為近東西向，而太行山以西最大主壓應力方向側為近南北向;
(2)秦嶺構造帶以南的華南地區，最大主壓應力的方向為北西西至北西向;
(3)東北地區主壓應力方向以北東東向為主;
(4)西部地區測得的最大主壓應力以北北東為主，個別為近南北向。
(5)在滇西南北構造帶上，小江斷裂帶附近最大主壓應力的方向為近東西向，從此斷裂帶向西，包括瀾滄江斷裂以北。鮮水河斷裂以南地區，最大主壓應力的方向逐漸轉為北西向或北北西向。[1]
原岩應力測量
原位測量是目前取得工程需要的不同深度原岩應力可靠資料的唯一方法。因為儘管原岩應力的各種假說和理論對認識地殼的受力規律有一定的參考價值，但對於工程而言，都或多或少、或大或小存在各種地質構造和影響原岩應力大小和方向的錯縱複雜的因素，因而沒有也不可能有任何一種理論可以完全取代實測方法而能給出工程需要的可靠的資料。
美國、西歐各國、澳大利亞、加拿大、南非、日本等都普遍開展了原岩應力量測。我國於60年代末進行了這項工作，並於70年代末開展的比較普遍。1964年，在陳宗基教授帶領下，中科院武漢岩土所在湖北大冶鐵礦進行了我國首次應力解除法測量原岩應力，測量深度為-80m。1966年，李四光教授在河北上吳縣建立了我國第一個地應力測量觀測站。原岩應力測量在葛洲壩、二灘水電站、長江三峽建設工程中，發揮了重要作用。許多煤礦尤其是金屬礦都開展了大量的原岩應力測量工作。
原岩應力測量是指通過某種測試手段測得岩體某一點上的應力數據，即組成原岩應力場各個應力分量的大小和方向。應力測量結果對於分析地下工程的穩定性，進行採礦或地下工程設計以及施工管理都是必不可少的依據之一，因而受到廣泛重視。
30年代有人用量測洞壁的應變來計算岩體的初始應力狀態。自50年代後，人們着重研究岩體深部未受擾動的應力狀態。相繼出現了雷曼的門塞式應變儀、哈斯特壓磁應力計以及三向應變計等。1969年在里斯本召開了"岩體內應力測定"國際會議。於1976年和1977年分別召開兩次與岩體應力測量有關的國際會議，促進了岩體應力測量技術的發展。
岩體應力測試方法很多，按測試的物理量來分，有直接法(觀測應力)和間接法(由測應變、變形及其它物理量轉為求應力);按量測部位分，有深孔法和表面法;按測量元件分，有機械式、電阻式、電感式或光學的等等。為了便於了解，先將它們列成下表。