一、巖體初始應(yīng)力的基本概念

　　(一)初始應(yīng)力狀態(tài)的概念與意義

　　所謂巖體的初始應(yīng)力，是指在天然狀態(tài)下存在于巖體內(nèi)部的應(yīng)力。在地質(zhì)學(xué)中，通常又稱它為地應(yīng)力。

　　巖體的初始應(yīng)力主要是由巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造運動所引起的。顯然，巖體的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力是與巖體的特性(例如巖體中的裂隙發(fā)育密度與方向，巖體的彈性、塑性、粘性等)有密切關(guān)系，也與正在發(fā)生過程中的地質(zhì)構(gòu)造運動以及與歷次構(gòu)造運動所形成的各種地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象(例如斷層、褶皺等)有密切關(guān)系。因此，巖體中每一單元的初始應(yīng)力狀態(tài)都是隨該單元的位置不同而有所變化。此外，影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的因素還有地形、地震力、水壓力、熱應(yīng)力等，但這些因素所產(chǎn)生的地應(yīng)力，大都是次要的，只是在特定的情況下才需考慮。因此，對于巖石工程來說，主要應(yīng)考慮自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力。

　　地面和地下工程的穩(wěn)定狀態(tài)與巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。巖體在開挖以后，改變了巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)，使巖體應(yīng)力重新分布，有可能使得巖體中某些部位形成應(yīng)力集中，從而引起巖體的變形或破壞。對于地下洞室工程來講，我們把與洞室本身穩(wěn)定性密切相關(guān)的巖體稱為圍巖。洞室的開挖引起圍巖的應(yīng)力變化，這將影響洞室本身的穩(wěn)定狀態(tài)。而且為了維持圍巖的穩(wěn)定，巖體工程能正常運營，必須進(jìn)行人工支護(hù)。合理地設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)，確定經(jīng)濟合理的襯砌尺寸，都與巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)緊密相關(guān)。所以，研究巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)，就是為了正確地確定開挖巖體過程中的巖體內(nèi)部應(yīng)力變化，合理地設(shè)計巖體工程的加固措施。

　　(二)巖體初始應(yīng)力場及其計算

　　1.　巖體自重應(yīng)力場

　　巖體自重應(yīng)力場的計算，大都是建立在假定巖體為均勻連續(xù)介質(zhì)基礎(chǔ)之上的。因此，可以應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的原理來計算巖體的自重應(yīng)力場。設(shè)巖體為半無限體，地面為水平面，距地表深度為H處，有一單元體，其上作用的應(yīng)力

　　2.　巖體的構(gòu)造應(yīng)力場

　　地殼的各種地質(zhì)構(gòu)造是在大范圍內(nèi)的巨大的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場作用下發(fā)生和形成的。在各個不同的地質(zhì)年代里，都有不同的地質(zhì)構(gòu)造運動發(fā)生，地質(zhì)構(gòu)造運動過程一般需要很長時間。在同一個地區(qū)，一個構(gòu)造運動結(jié)束之后，或者就在這個構(gòu)造運動發(fā)生的過程中，又有新的構(gòu)造運動發(fā)生，就會形成新的構(gòu)造應(yīng)力場與老構(gòu)造應(yīng)力場的疊加，形成復(fù)雜的復(fù)合構(gòu)造應(yīng)力場。各種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造就是在長期的地質(zhì)構(gòu)造運動作用下形成的。

　　由于地質(zhì)構(gòu)造運動，巖體經(jīng)受了相當(dāng)大的外力作用，形成了各種地質(zhì)構(gòu)造，例如向斜、背斜和各種褶皺，以及產(chǎn)生斷裂而形成各種節(jié)理及斷層等。在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場作用下，使巖體產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，因而使巖體中儲存著彈性能，巖體的塑性變形使部分能量轉(zhuǎn)化為熱能與位能，或者由于巖體的流變特性，使得構(gòu)造應(yīng)力場中的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力得以部分釋放。因此，在地質(zhì)構(gòu)造運動中，巖體中儲存的能量是通過彈性變形才能達(dá)到的，巖體的彈性變形越大，則巖體儲藏的能量就越多。當(dāng)巖體中的應(yīng)力達(dá)到強度極限，巖體產(chǎn)生破壞。除巖體中保存一部分殘余變形外，其儲存的能量將部分或全部釋放，構(gòu)造應(yīng)力也就部分或全部消失。若巖體中的應(yīng)力尚未達(dá)到強度極限，但由于巖體的流變特性，也會使構(gòu)造應(yīng)力部分消失。因此，地質(zhì)構(gòu)造運動產(chǎn)生地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，但巖體中儲存的構(gòu)造應(yīng)力不可能無限地積累起來，視所處地區(qū)不同或地質(zhì)條件不同，巖體的構(gòu)造應(yīng)力可能全部或部分釋放，成為殘余應(yīng)力。

　　因此，巖體構(gòu)造應(yīng)力可以分為現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力及地質(zhì)構(gòu)造殘余應(yīng)力。由于地殼是處于不斷運動之中，僅僅是存在相對活躍期或靜止期，所以，要在巖體中區(qū)分哪些是現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力和殘余應(yīng)力，就目前的認(rèn)識水平而言，實際上是不可能的。

　　3.巖體初始應(yīng)力的影響因素

　　1)地形

　　2)地質(zhì)條件對自重應(yīng)力的影響

　　地質(zhì)構(gòu)造對自重應(yīng)力也有影響。圖15-3-8所示為背斜褶曲的影響，在褶曲兩翼顯示出應(yīng)力增大，而在褶曲中部則應(yīng)力降低。也可以推測，在向斜的兩翼會出現(xiàn)應(yīng)力降低、而在向斜核部顯示出應(yīng)力增大的現(xiàn)象。

　　3)水壓力和熱應(yīng)力

　　存在于巖體裂隙或孔隙中的水，靜止時呈現(xiàn)靜水壓力，流動時產(chǎn)生動水壓力。在通常情況下，靜水壓力只是起到減輕巖體質(zhì)量的浮力作用，浮力的大小等于水的密度與所考慮點的水頭高度的乘積。巖體中地下水位的升降，可引起巖體重量的減少或增加，因此，靜水壓力要視具體情況具體分析其產(chǎn)生的作用。

　　動水壓力是指地下水在水頭差的作用下，沿巖體的裂隙或孔隙流動時，給予周圍巖塊表面的動水摩擦力和動水流向應(yīng)力。這種力對巖體工程的影響較小，一般可不予考慮。