应力场分布特征及形成条件 地质构造及其应力场演化特征
通过前述多种手段的测试、研究及综合分析，对二郎山公路隧道工程区岩体初始应力场的形成、演化与分布规律，以及高地应力的形成条件等都有了较为系统的认识。
4.6.1 初始应力场的分布特征
按岩体初始应力场分布规律的总体特征(图4-17)，可划分为近坡面的浅表生改造和深部的应力集中带两大部分，其具体特征如下。
(1)近坡面附近，最大主应力σ1近于平行坡面，且应力量级总体较低。随着埋深的加大，σ1、σ2、τmax逐渐增大，岩体应力场渐趋向自重应力场和构造应力场联合作用的特点(见图4-13～4-16)。
(2)浅表生改造带(A—B)。与成坡过程中岩体浅表生改造作用相联系，隧道通过部位岩体最大主应力σ1分布具有明显的分带现象(图4-17)：两侧分别距洞口平距50m±(东坡段)范围内，主要由于岩体侧向卸荷作用而发生松弛现象，岩体应力释放而降低，故坡面附近岩体形成了一个应力降低带∙∙∙，其降低应力则向内部岩体转移。此外，成坡过程中垂向剥蚀方式为主的区域卸荷作用，同样对下伏一定范围内的岩体应力场分布也有一定影响。上述多种因素综合作用的结果，造成隧道东段距东侧洞口平距100～1000m范围内出现了一个地应力量级总体水平不高的应力相对增高带。但应指出的是，个别地段实际上因某些局部应力调整作用，σ1也有大于18MPa的现象(见表4-7中K1号Kaiser样测试结果)，故有限元模拟结果所反映的是总体规律性变化特征。与此类同，西段距西侧洞口平距50～800m范围内也出现了一个应力相对增高带，其σ1量级比前者还稍低些。由应力相对增高带向内，则进入埋深较大的基本保持原始应力状态的应力平稳带。图4-18清楚地显示，隧道中部分水岭之下的核心部位S2钻孔应力解除法实测点，其主应力σ1、σ2自计算模型第一次下切至该分水岭高程之后，总体已趋于平稳状态，基本上未再受到后期三次下切成坡过程中岩体浅表生改造作用的影响。
图4-17 隧道通过部位剖面最大主应力σ1变化曲线(左侧为东，右侧为西)
A—B为浅表生改造影响带；A—应力降低带；B—应力相对增高带；C—应力平稳带；D—断裂构造作用形成的局部应力调整带(区)
Fig.4-15 Curve of the maximum principal stress(σ1)through the tunnel(left，east；right，west)
A—B superficial supergene zone；A—zone of the stress decreasing；B—zone of the stress increasing；C—zone of the stress stable；D—zone of the local stress adjusted by the fractures
(3)应力平稳带。所谓应力平稳带系指它形成于山体剥蚀之前，在山体下蚀演化过程中基本保持原始状态，但带内地应力分布和量级仍有较大的差异。σ1总体上为中间大(其中东段σ1较大，其量级一般介于15～27MPa间，为易发生岩爆活动的高地应力(区))、两侧减小，明显受岩性及其岩石弹性模量和断裂构造条件等的控制。隧道通过的中间部位，F5、F6断层及其影响带内σ1值较低(平均10MPa±)，为应力平稳带内的一局部应力降低带，而其两侧一定距离范围内则形成了局部应力增高带(其中东侧局部应力增高带内S2钻孔应力解除法实测点部位σ1值稍低，其最大值大致在15MPa，为无岩爆活动的高地应力区)；图4-13中相应部位的主应力矢量也明显发生了偏转。岩性及其弹性模量值对σ1的影响也很明显，其中弹性模量值较高的石英砂岩层内σ1值最高，粉砂岩层内σ1值居中，而弹性模量值相对不太高的砂质泥岩内σ1量级有限(但由于其单轴抗压强度Rb也低于前二者，故其靠近隧道中部砂质成分较高的岩石强度应力比Rb/σ1仍可以达到高地应力的标准)。
图4-18 S2测点处有限元计算的剖面主应力随下切成坡过程变化曲线
Fig.4-18 Curve of the primary stress variation of computation section of FEM in the measuring point S2with the down-cutting process
4.6.2 研究区高地应力成因
综上所述，本区有着形成高地应力的区域地质背景条件。研究区高地应力的成因有以下三种基本类型。
4.6.2.1 构造应力自重应力场叠加型
研究区隧道中间核心部位应力平稳带内的综合应力型高地应力区基本上形成于区域垂向剥蚀卸荷作用至现今二郎山公路隧道轴线穿过部位分水岭高程(即海拔2950m±)的时期。
4.6.2.2 介质差异应力分异型
单斜层状各向异性岩层在自重应力和一定量级的区域构造应力(8.9MPa)共同作用下，结果在相对坚硬完整、弹性模量值相对较高的石英砂岩、砂岩、粉砂岩与部分砂质泥岩层和泥岩软质岩层内的灰岩、粉砂岩、砂岩等硬脆性夹层内产生了相对意义上的高地应力；断裂构造也可造成类似的差异，隧道中部NW走向的F5、F6断层的构造活动，产生了局部应力调整作用，这是导致其两侧岩体内产生局部高地应力的重要因素。此外，二郎山隧道应力平稳带内凡是发育产状为N40°～60°W/NE∠60°～85°的陡倾裂密带(断裂)构造(ESR测年值为55×104a)两侧10～20m距离以外地段，由于其张扭性构造活动，也普遍存在着可以导致岩爆发生的局部高地应力。
4.6.2.3 浅表生改造型
与山体成坡过程中岩体浅表生改造作用相联系的应力相对增高带内的少数地段，也偶尔存在着可以导致零星轻微岩爆活动的局部高地应力(如平导K262+400 拱肩处灰岩就有零星爆裂剥离现象)。
上述三种高地应力成因类型中，前两种为主要类型。
地质构造及其应力场演化特征~
2.4.1 工程区地质构造
二郎山公路隧道工程区位于大相岭菱形地块内NW轴向的大相岭背斜SW翼、宜东向斜的NE翼，总体呈倾向SW的单斜构造。二郎山断裂东支(F1)、西支(F2)，从隧道西口西北侧通过，该断裂带为NE向龙门山断裂带的南西延伸部分，为本区内的控制性主干断裂，在其影响下，区内发育一系列配套性次级断裂和褶皱(曲)(图2-4)。
2.4.1.1 次级断层
工程区共发育次级断层14条，按走向可分为NW向和NE向两组(以NW向为主)；除F4、F11为平移正断层和F17为平移断层外，其余断层性质均为高角度压扭性的逆冲-走滑型断层(表2-4)，断层面多见后期走向滑动的近水平擦痕。二郎山公路隧道由东向西共穿过F12、F11、F8、F4、F5、F6、F13、F14、F7、F15、F9等11条断层(图2-4、2-5)，隧道中部的F5、F6断层及其之间所夹持的断层影响带构成独立的岩体力学介质，从而对该隧道区地应力分布特征及其硐室围岩稳定性等产生较大的影响；但其余断层及其影响带均窄且挤压紧密、胶结良好，性状明显好于勘察设计所预料的情况，不构成一定规模独立的岩体力学介质，故它们对工程的影响较小。
图2-4 二郎山公路隧道地质剖面略图
1—地层代号；2—断层及编号；3—地应力测点及编号；4—钻孔及编号
Fig.2-4Cross section sketch map of geology for Erlangshan higyway tunnel
1—the stratum；2—Fault and its number；3—Geostress point for measurement and its number；4—Drill and its number
图2-5 工程区地质构造略图
Fig.2-5 Sketch map of the geological structures in the study area
表2-4 二郎山隧道主要次级断层简表 Tab.2-4 List of main secondary faults in Erlangshan tunnel
2.4.1.2 节理裂隙
研究区节理裂隙较为发育(图2-6)，按发育度排序如下。
图2-6 工程区节理裂隙统计极密图
Fig.2-6 Distribution of the joints in the study area
①组：产状以走向N30°W～N10°E、倾向SW为主(局部为NWW)，倾角20°～40°，属层面裂隙；裂隙多平直闭合，延长大于10m，局部顺层充填有厚0.2～5cm的梳状方解石脉，该组裂隙整个施工硐段均有分布。
②组：产状为走向N40°～60°W、倾向NE、倾角60°～85°，多以裂密带形式出现，延长大于50m，同组间距一般为5～10cm；该组大型结构面较平直，多见钙膜，局部可见指示其反扭活动的近水平擦痕、阶步，张开度0～2mm，属张扭性质，普遍见线状或股状地下水，它是工程区重要的控制性结构面。
③组：局部分布，产状为走向N5°～30°E、倾向SE、倾角50°～65°，延长多大于2m，同组间距10～20cm，裂面起糙、显张性，局部见石英或方解石脉充填。
④组：产状为走向N5°～20°W、倾向NE、倾角50°～70°，整个施工硐段均有分布，延长一般为5～10m，裂面平直光滑。
⑤组：局部分布，产状为走向N80°～85°W、倾向NE、倾角70°～80°，延长一般在10m左右，裂面平直光滑。
⑥组：局部分布，产状为走向N65°～85°E、倾向NW、倾角80°～85°，延长短小，裂面平直—起伏粗糙。
⑦组：产状为走向N70°～80°E、倾向SE、倾角60°～70°，稀疏分布，延长一般大于10m，裂面较平直。
2.4.1.3 褶皱(曲)
(1)龙胆溪东坡褶曲：沿龙胆溪东坡志留系罗惹坪组(S2l)地层内发育有两个小背斜和一个小向斜，轴线走向N10°～30°W，核部平缓，两翼大致对称，岩层倾角变化在10°～30°之间，属单斜构造中的波折小构造。
(2)和平沟背斜：位于二郎山隧道西口西侧，轴向N20°～25°E，枢纽向SW方向倾伏，轴面向NW方向倾斜，属斜歪倾伏背斜；两翼地层为泥盆系养马坝组下段灰岩，核部出露有甘溪组上段砂质泥岩、粉砂岩层。该背斜与三股水—南沟一带次级断层一起构成二郎山断裂带旁侧的羽状挤压构造带，显示区域后期主压应力方向为NWW向。
2.4.2 构造应力场演化特征
根据以上构造形迹特征，结合构造形成的应力场演变历史分析可知，二郎山公路隧道工程区构造体系的形成至少经历了两期主要构造应力场的作用，各期应力场特征、对应的构造程式及其形迹如表2-5所示。这两期主要构造应力场σ1的作用顺序依次为：NE向(早期)→NWW向(现今)，这与区域构造确定的区域应力场演变历史是完全对应的。
表2-5 工程区应力场的作用期次及构造演化 Tab.2-5 Stages of stress field and the evolution in the study area
１斜坡应力场的基本特征
斜坡成坡过程中，临空面周围的岩体发生卸荷回弹（图9-2上），引起应力重 分布和应力集中等效应（图9-2下）。据有限元研究，斜坡成坡后，岩体的应 力状态较以前发生了以下几个主要方面的变化：
（１）由于应力的重分布，斜坡周围主应力迹线发生明显偏转。无论是在重力场条件下，还是在以水平应力为主的构造应力场条件下，其总的特征表现为愈靠近临空面，最大主应力愈接近于平行临空面，最小主应力刚与之近于正交（图9-2下）。
（２）由于应力分异的结果，在临空面附近造成应力集中带。但坡脚区和坡缘(斜坡面与坡顶面的交线)区情况有所不同。具体体现在： 坡脚附近最大主应力（相当于临空面的切向应力）显著增高，且愈近表面愈高（图9-2下）；最小主应力（相当于径向应力）显著降低，于表面处降为零，甚至转为拉应力。
（３）与主应力迹线偏转相联系，坡体内最大剪应力迹线由原先的直 线变为近似圆弧线，弧的下凹面朝着临空方向。
（４）坡面处由于径向压力实际等于零，所以实际上处于单向应力状态(不考虑斜坡走向方向的σ2 时)，向内渐变为两向或三向(考虑σ2时)状 态。
２影响斜坡岩体应力分布的主要因素
（１）原始应力状态的影响：
岩体的原始应力状态中，水平剩余应力的大小对坡体应力状态 的影响尤为显著。它不但使主应力迹线的分布形式有所不同(图 9－2下)，而且明显地改变了各应力值的大小，尤其对坡脚应力 集中带和张力带的影响最大。在坡脚区，根据图9－2可见，坡底的切向应力最大值约相 当于原始水平应力的三倍左右。当有侧向水平应力时，该值成 倍增高，如当σL＝3ρgh时，该值可达7－10ρgh ，与σL=0 的情况相比，相差十分悬殊。
（２）坡形的影响：研究表明，坡高并不改变应力等值线图像，但坡内各处的应力值，均随坡高增高而线性增大。坡角明显改变应力分布状况。随坡角变陡，坡面附近张力带范围也随之扩大和增强（图9-3），成坡过程中，位移矢量离面趋势也变得更加明显 （图9-2上） ；坡脚应力集中带最大剪应力值也随之增高 （图9-4） 。
圆形和椭圆形矿坑边坡，坡脚最大剪力仅只有一般斜坡的二分之一左右。
（３）斜坡岩体特征和结构特征的影响：
研究表明，岩体的弹性模量对均质坡的应力分布并无明显影响。岩体的泊 松比( μ )可以改变 σx 、τxy 的大小，但是当斜坡中侧向剩余应力很高时，这 种影响也就被掩盖了。可见，均质坡中，岩体材料性质对应力分布的影响 是很微弱的。
图9-2 用有限元法解出的位移迹线图(上)和主应力迹线图(下)
(a)重力场条件(N=0.33);(b)以水平应力为主的构造应力场条件下(N=3)
斜坡含有平缓的或倾向坡外的软弱结构面时，在成坡过程中有利于上覆岩 体中水平构造剩余应力的释放和结构调整，使其应力状况由重力场和剩余 应力叠加型向重力场转化。拉应力区有所扩大，易形成拉张破裂。
软弱结构面倾向坡内，往往可约束部分剩余应力，随斜坡继续变形而逐渐释放。
坡内含有软弱层(带)，其影响与它在成坡过程中，压缩变形或塑性流变程度有关，可使上覆岩体中拉应力区和可能的破坏区明显增加，更易被拉裂解体。
相关要点总结：
17540782625：斜坡的应力分布特征及影响因素
郎刚答：(一)斜坡的应力分布特征 滑坡的形成与斜坡应力分布特征具有密切的关系。斜坡可因自然冲蚀(冲刷)或人工开挖而形成。斜坡形成后，其应力具有以下特点:(1)坡面附近主应力σ1与坡面近于平行，最小主应力σ3与坡面近于垂直。由坡面向坡内，最大主应力σ1逐渐变为垂直状态，最小主应力方向逐渐变为水平...
17540782625：构造应力场的概念及表示
郎刚答：构造应力场可按其研究对象的规模划分为局部构造应力场、区域构造应力场和全球构造应力场，它们是一个相对概念。从时间上来看，构造应力场又可分为古构造应力场和现代仍在活动的构造应力场。前者只能从地壳上已经存在的构造及其组合特征去加以分析推断;后者则可以通过仪器测定出来。(二)构造应力场的表示 在...
17540782625：控矿构造应力场
郎刚答：招掖地区焦家式、河西式金矿的分布也有这个特点。当玲珑岩体的岩浆活动尚未完全结束时,边缘地段已经冷凝收缩,对于岩体边部来说,应力场也发生了相应的转化,即最大的伸长方向(σ3)变为最大的收缩方向,即相对伸长方向(σ3,即a"轴),也就是说σ1与σ3的位置发生了对换(图4-19)。 此时的主应变面,由于岩体收缩,...
17540782625：原岩应力场的概念及主要组成部分。
郎刚答：地心引力引起的应力场称为自重应力场，地壳中任意一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量。由于地质构造运动而引起的应力场称为构造应力场，构造应力与岩体的特性，以及正在发生过程中的地质构造运动和历次构造运动所形成的地质构造现象有密切关系。2.原岩应力分布的基本特点(43)(1)实测铅直应力基本上...
17540782625：板块构造应力场分析
郎刚答：限于资料和研究程度,本章只叙述印支期以来的板内变形的基本特点和构造应力场状态,对于更早期的古板块,其漂移和旋转均发生过复杂的变化,目前缺乏确切的实际资料,尚有诸多矛盾,对此,本课题暂不加讨论。 河北省板内构造变形极为发育,在各种不同方向的构造变形中,东西向和北北东向构造占居突出重要的地位,二者叠加...
17540782625：宣汉双石庙地区纵弯褶皱叠加特征及应力场、应变场分析
郎刚答：Ⅰ、Ⅱ组裂隙优选产状为257°∠80°,10°∠82°,为第一套平面“X”共轭裂隙,为早期北东向褶皱形成初期产物;Ⅳ、Ⅴ组裂隙优选产状为278°∠82°,150°∠80°,为伴随晚期褶皱初期产生的第二套“X”共轭裂隙。 (1)早期应力场特征 早期北东向双石庙背斜两翼优选产状为115°∠19°,296°∠15°,利用赤平投影(...
17540782625：如何判断是不是应力场
郎刚答：说明可能存在应力场。3、.形变规律：应力场引起的形变在物体内部一般比较规律，例如拉伸或压缩的形变方向都沿着一个轴线，物体内部的变形规律比较杂乱无章，则不属于应力场。4、应力分析：可以使用应力分析方法，如光弹性或力学模型，来研究物体内的应力分布情况，进一步判断是否为应力场。
17540782625：构造应力场控制油气运聚与分布
郎刚答：刘建中、张景和、岳乐平、吴诗平等人研究了不同油田现今地应力状态(表4.21)，讨论其与油气构造的关系，查明天然裂缝与人工裂缝分布特点，了解现今构造应力场特点，为制订油气勘探方案和油田开发方案提供直接的科学的有益数据资料，有利于提高勘探和开发效益。图4.27 克拉玛依七区现今最大水平主应力方向图(据...
17540782625：地应力场形成演化的数值模拟研究
郎刚答：为此，模拟研究中也把工程区河谷下切过程近似视为若干步快速“开挖”，并将开挖释放荷载作为卸荷荷载纳入计算，从而模拟研究区剥蚀卸荷地质过程及现今岩体应力场的形成。4.5.1 模拟计算模型 采用2D-σ有限元计算软件来模拟二郎山公路隧道工程区岩体应力场的形成与分布。根据研究区工程地质条件和有关勘测成果...
17540782625：断裂构造应力场特征
郎刚答：平移断层最大主压应力(σ1)与最小主压应力(σ3)都是水平的，中间主应力(σ2)为直立。这时容易在平面上产生共轭的平移断层。从力学性质讲，平移断层具有剪切力学特性。Jaeger＆cook(1979)称正断层应力条件(σr＞σHmax＞σHmin)为T型应力场；平移断层应力条件(σHmax＞σr＞σHmin)为B型应力场，...