吉林省通化南部地区浅部工程地应力分析

王　岩，杜　军

（1.吉林省地矿勘察设计研究院，吉林长春130012；2.辽宁工程勘察设计院，辽宁锦州121000）

吉林省通化南部地区浅部工程地应力分析

王岩*1，杜军2

（1.吉林省地矿勘察设计研究院，吉林长春130012；2.辽宁工程勘察设计院，辽宁锦州121000）

通化南部地区公路、铁路和水利等一些基础设施的浅部地下工程（如隧道等）往往也面临着较高的地应力环境。通过搜集该地区2组地下100～500m浅部岩体工程地应力实测资料，参照Hoek-Brown方法，分析讨论该地区浅部岩体垂直应力、最大和最小水平主应力随埋深的分布规律，以及区内不同地块地应力大小、应力场方向的差异。

通化南部地区；浅部工程；地应力；应力场方向

1　地质背景

通化南部地区位于吉林省东南部，南与朝鲜民主主义人民共和国隔鸭绿江相望。地貌单元属于鸭绿江与浑江之间的老岭中低山区。大地构造单元属于浑江陷褶断束（Ⅱ）之鸭绿江凹褶断束（Ⅲ）［1］北部。构造活动早期形成辽吉古裂谷，至中生代以韧塑性变形和塑性纵弯柔流褶皱变形［2］为主。新生代以来区内活动表现为继承性、间歇性和改造性。鸭绿江断裂带位于区内南部，NE方向延伸，具有多期活动特点，断裂带南侧为集安地震带。浑江断裂带位于区域北部边界，弧形展布，由数条断层构成，断面多倾向北西，局部倾向南东，倾角50°～60°。

2　Hoek-Brown方法与浅部工程

2.1Hoek-Brown方法［3］

E.T.Brown和E.Hoek统计了世界不同地区地应力测量结果，总结了垂直应力、水平平均主应力与垂直应力之比随埋深分布规律，即：

式中：H——埋深；

σV——垂直应力；

σH——最大水平主应力；

σh——最小水平主应力。

2.2浅部工程

何满潮等把国际岩石力学学会定义的硬岩发生软化的深度作为深部工程与浅部工程的界限。即假设覆岩的容重为25kN/m3，则硬岩发生软化的临界深度为500m。因此将大于500m深度范围的地下工程称为深部工程，把小于500m范围的地下工程称为浅部工程。王明洋等基于分区破裂现象深度概念，根据围岩的变形和破坏形态，界定浅部工程活动为坑道最大支撑压力区不破坏的深度［3］。

3　地质应力测试方法与测试成果

3.1测试方法

收集的地区两点地应力测式方法均采用水压致裂原地应力测量方法，水压致裂法为国际岩石力学学会试验方法委员会所推荐的测定岩石应力方法之一，是目前直接进行孔内应力测量的先进方法。其原理如下：利用一对可膨胀的封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔，然后通过泵入流体对该试验段（常称压裂段）增压，同时利用X-Y记录仪、计算机数字采集系统记录压力随时间的变化。对实测记录曲线进行分析，得到特征压力参数，再根据相应的理论计算公式，就可得到测点处的最大和最小水平主应力的量值以及岩石的水压致裂抗拉强度等岩石力学参数。测试系统如图1所示。

3.2测试成果

（1）通化抽水蓄能电站应力测试。抽水蓄能电站位于通化市区西南15km，对ZK12孔9个测段进行地应力值随深度分布测试，测试深度100.0～301.7m，测试成果见图2。

①ZK12孔在测量深域内最大水平主应力为7.6～14.5MPa，最小水平主应力3.8～8.4MPa，垂直应力为2.0～8.2MPa。

②测孔处最大、最小水平主应力值回归计算公式为σH=0.035H+4.50；σh=0.023H+1.65；垂直应力值回归计算公式为σV=0.0263H，钻孔上部存在水平应力集中，地应力大小表现为σH＞σh＞σV，水平构造应力作用为主。

③应力场状态以NEE向挤压为主，最大水平主应力方向一般为N64°～83°E，优势方向N74°E。

（2）五女峰隧道应力测式。五女峰隧道位于通化市区东南83km，对SZK05孔10个测段进行地应力值随深度分布测试，测试深度100.0～500.0m，测试成果见图3。

图1　双回路水压致裂应力测量系统

图2　电站孔内应力值随深度变化图

图3　隧道孔内应力值随深度变化图

①SZK05孔在测量深域内最大水平主应力为4.0～19.0MPa，最小水平主应力3.0～14.0MPa，垂直应力为2.0～13.0MPa。

②测孔处最大、最小水平主应力值回归计算公式为σH=0.034H+1.56；σh=0.023H+0.94；垂直应力值回归计算公式为σV=0.0265H，钻孔上部也存在水平应力集中，地应力大小表现为σH＞σh＞σV，水平构造应力作用为主。

③应力场状态以NEE向挤压为主，最大水平主应力方向为N60°～72°E，优势方向为N67°E。

4　应力分布规律讨论

分析总结上述2个工程应力测试成果，得出浅部工程地应力规律如下：

（1）垂直主应力随深度增加呈直线型增加，相应地最大、最小水平主应力也随深度而逐步增大，两向水平应力呈近似平行的2条直线，发展趋势随深度增加与垂直应力的差值逐渐减少。

（2）两测试点均表现出钻孔上部均存在一定程度的水平应力集中。

（3）三向主应力大小关系如下：σH＞σh＞σV，表明相应工程区应力场均以水平构造应力作用为主，并有随深度线性增加趋势，区内深部存在逆断层型应力状态。

（4）区内应力场状态以NEE向挤压为主，最大水平主应力优势方向NEE，与中国大陆应力场方向［4］基本一致。

5　区块间应力差异分析讨论

（1）垂直应力。2个测点垂直应力分别为σV=0.0263H、σV=0.0265H，垂直应力与埋深的线性关系明显，回归的相关性很好，应力变化梯度接近。表明通化南部地区相同埋深不同区块浅部垂直应力值大小基本一致，应力大小基本由上覆岩体重量引起的。与Hoek-Brown方法的统计结果相比较，应力变化梯度略小于Hoek-Brown统计关系式中的0.027，应力大小与深度关系符合Hoek-Brown方法中垂直应力统计关系式。

（2）水平主应力。两地回归式中的最大水平主应力和最小水平主应力的梯度系数基本相等，表明通化南部地区浅部工程的最大、最小水平主应力变化量随工程埋深变化量基本相等；但常数项前者明显要大于后者，表明区域内浅部岩体既已存在明显的水平应力事实，同时也反映不同区块既已存在的水平应力大小差异明显。总结该区水平主应力大小关系式如下：

式中：C1、C2——既已存在的最大水平主应力、最小水平主应力。

（3）应力场方向。区内最大水平主应力优势方向均为NEE，不同区块最大水平主应力优势方向略有差异。

6　结论

（1）通化南部地区浅部工程岩体垂直应力随埋深增大而增大，垂直应力与埋深有良好的线性关系。垂直应力大小基本由上覆岩体重量引起的，应力变化梯度略小于Hoek-Brown统计关系式中的0.027。

（2）两向水平应力随埋深近似呈线性关系变化，发展趋势随深度增加与垂直应力的差值逐渐减少。区域内浅部岩体存在显著水平应力，不同地块应力大小差异明显。

（3）区内三向主应力关系为：σH＞σh＞σV。

（4）区内应力场状态以水平构造应力作用为主，最大水平主应力优势方向NEE。

［1］吉林省地质矿产局.吉林省区域地质志［M］.北京：地质出版社，1988.

［2］中国地质调查局.中华人民共和国区域地质调查报告［R］.吉林：吉林省地质调查院，2007.

［3］李新平，汪斌，周桂龙.我国大陆实测深部地应力分布规律研究［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（增1）：2876.

［4］武艳强，江在林，闫伟，等.中国大陆应力、应变率场方向特征分析［J］.大地测量与地球动力学，2012（2）：8.计算方法探讨［J］.水运工程，2012（1）：49-53.

［7］Wang Z，Xie X，Wang J.A New Nonlinear Method for Vertical Settlement Prediction of a Single Pile and Pile Groups in Layered Soils［J］.Computers and Geotechnics，2012（45）：118-126.

［8］谢新宇，王忠瑾，王金昌，等.考虑桩土非线性的超长桩沉降计算方法［J］.中南大学学报：自然科学版，2013，44（11）：4664-4671.

［9］RANDOLPH M.F，LEONG E.C，HOULSBY G.T.One Dimensional Analysis of Soil Plugs in Pipe Piles［J］.Geotechnique，1991，41（4）：587-598.

［10］ BRUCY，F，MEUNIER，J，NAUROY，J.F.Behavior of Pile Plug in Sandy Soils During and After Driving［C］//Proc.23rd Offshore Tech.Conf.，1991：145-154.

［11］龚晓南.土力学［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

P553

A

1004-5716（2016）02-0020-03

2015-09-24

2015-10-23

王岩（1973-），男（汉族），辽宁大连人，高级工程师，现从事水工环技术工作。