利用原地应力实测资料分析芦山地震震前浅部地壳应力积累

龙门山断裂带南段的芦山Ms7.0级地震给雅安地区人民群众和当地社会带来巨大的损失,如何从地壳应力积累的角度来研究该次地震对于深入认识孕震发震机理将有很大的帮助.项目组在过去21年中在该区域积累了22个钻孔的应力实测资料,这些应力资料显示该区域的应力状态为逆冲断层应力状态,最大水平主压应力方向为N44＆#176;-64＆#176;W,而且在过去20多年里,该区域的应力状态是稳定的.文中提出利用平均差应力和平均有效应力之比μm来表征地壳应力积累的能力和水平.通过理论分析可知μm的物理意义与μ是近似的,完全可以用μm代替μ来开展分析.利用实测应力数据计算得到的μm范围为0.39～0.56,接近于Byerlee定律所定义的μ=0.6的下限值,该范围与龙门山断裂带震后断层泥稳态摩擦系数的范围完全吻合,芦山地震的发生说明研究区的地壳应处于摩擦极限平衡或者亚平衡状态.芦山地震的震源机制解反应的应力状态为逆冲断层应力状态,主压应力轴方向为122°,与该区域的应力测试数据所反应的应力状态一致.通过与他人的研究成果对比分析可知,芦山地震可看作汶川地震对龙门山断裂带南段区域的断层加载而诱发产生的一次地震.

高地应力环境下乌鞘岭深埋长隧道软弱围岩流变规律实测与数值分析研究

在高地应力环境下的软弱围岩中修建深埋长隧道,软弱围岩流变一是个突出的工程地质问题。位于兰新铁路上的乌鞘岭深埋长隧道工程在穿越宽达785 m的断层F7时,软弱围岩发生了显著流变,围岩最大收敛变形超过1 m,对支护结构造成严重破坏。首先,在对乌鞘岭深埋长隧道进行长期围岩收敛变形的基础上,分析乌鞘岭深埋长隧道左、右主洞的收敛变形规律,其研究结果表明左线主洞的收敛变形均大于右线主洞,这是由于进行右线主洞施工时吸取了左线施工的经验;然后,利用FLAC3D对乌鞘岭深长隧道软弱围岩流变进行数值研究,数值分析结果与实测结果较为一致;最后,提出对软弱围岩流变进行工程治理的6条原则。

隧道围岩挤压变形问题探究

隧道围岩大变形是目前公路、铁路隧道建设中遇到的重要科学问题。工程实践中,隧道围岩大变形主要是由于围岩遭受剪切破坏而产生了流变而导致的,部分隧道的围岩大变形是由于围岩成分中的亲水矿物遇水发生水化学反应而发生体积膨胀产生的,故隧道围岩大变形可以分为应力型、材料性和结构型3类。通过全面分析前人的研究成果,可以将隧道围岩相对变形3%作为划分隧道内是否发生大变形的定量评价指标。而对于应力型围岩大变形,Hoek提出的隧道围岩径向变形和掌子面变形预测公式较好地预测了施工现场的围岩变形量,其现实意义较为明显,但需要针对不同的工程条件调整原地应力的估算公式或者考虑围岩二次应力场的赋存状态。对于材料型和结构型围岩大变形的变形量预测,目前仍然是一块研究的空白区,需要进一步开展相关工作。

汶川M_S8.0级大震前后的水压致裂原地应力测量

在汶川M_s8.0级大震发生前一周,采用水压致裂技术在龙门山发震断裂带±400 m深度上测得的最大水平主应力值为21～22 MPa,与其附近下盘之差高达8～10 MPa.大震后的原地重复测量结果表明,发震断裂带上的最大、最小水平主应力值分别降低了29%和23%,而在下盘大震前后的地应力作用状况并无变化.测量结果分析表明,活动断裂带的地应力高值异常是圈定地震危险区的可靠依据,是强震孕育和发生的警示标志.

高黎贡山深埋隧道地应力特征及岩爆模拟试验

以中国西南地区地质作用最复杂的高黎贡山越岭隧道为例,在隧道工程地质条件分析的基础上,对最可能发生岩爆的花岗斑岩进行真三轴岩石力学试验测试,并结合原位地应力测量结果,确定不同工况下岩爆模拟试验的三向应力量值和加载、卸载方式。岩爆模拟试验结果表明,单纯卸载和卸载–加载方式都可以出现岩爆,但卸载–加载方式的岩爆明显比单一卸载方式的岩爆要强烈,说明隧道开挖后二次应力分布引起的应力集中对岩爆的发生起着十分重要的作用。岩爆破坏过程通常具有渐进性,一般先在试件表面出现岩屑剥落,有时伴有裂纹的扩展,最后才会发生岩块的弹射现象。绝大多数试件岩爆具有明显的滞后性,表现为加载或卸载一段时间后才发生岩爆;而岩爆过程持续时间却非常短(1 s左右),具有明显的瞬时性。声发射监测结果显示,花岗斑岩在外部荷载作用下声发射强烈,对岩爆具有较好的前兆性。上述模拟结果和认识对于地质条件复杂的造山带深埋隧道工程建设具有重要的参考价值。

乌鞘岭长大深埋隧道围岩变形与地应力关系的研究

乌鞘岭长大深埋隧道横穿祁连山东麓,长达20050m,最大埋深1050m。在于枚岩夹板岩及构造角砾岩等软弱岩层洞段的隧道开挖过程中,围岩强烈变形,水平最大变形达1034mm,拱顶最大下沉量达1053mm,由此导致支护失效甚至型钢钢架被严重扭曲,且持续变形不收敛。原地应力测量研究表明,该洞段具有明显的现今构造应力作用,最大主应力的作用强度为20～22MPa,现今地应力状态的总体特征为σ_H≥σ_V＞σ_h。分析认为,隧道围岩的变形是在较强的构造应力与垂直重力的共同作用下,由于未及时支护,软弱围岩不能承受该作用力,以致产生持续性流变大变形。工程实践表明,围岩应力状态是支护设计的依据,而适时支护是非常重要的。允许围岩适度变形,使围岩应力得以适度释放。选择在流变大变形尚未形成,围岩尚未丧失其抗载能力的时刻,及时进行衬砌支护,这对确保围岩稳定和支护安全具有重要意义。

中国大陆地壳应力环境基础数据库

本文介绍了国际上有关地应力环境研究与数据库建设的相关情况;重点阐述了“中国大陆地壳应力环境基础数据库”的构成,包括基本数据类型、数据来源以及数据覆盖范围等基本情况;阐述了本数据库管理系统的基本设计思想、主要功能及其特色;扼要介绍了以数据库资料为基础开展了中国大陆构造应力分区以及应力场的数值模拟研究成果.

工程区地应力场的综合分析法研究

针对如何准确确定工程区地应力场提出了综合分析法,即利用断层力学分析法、原地应力实测和数值模拟综合分析工程区地应力场,以期得到更为全面准确的结论。断层力学分析法可以和原地应力实测相互支持映证,并为数值模拟提供依据,而数值模拟可以帮助深刻理解地质条件对实测数据的影响,同时能很好地展现地应力场的三维分布。文中以位于山东胶东半岛的一个研究实例来展示该方法的有效性。工程区地质构造活动主要受近EW晚更新世活动断裂控制,利用断层力学分析法可得该区域三向主应力关系应为SH>SV>Sh,最大水平主应力的方向应为N60oE—N120oE。实测结果显示该区域应力状态有利于走滑断层活动,且最大水平主应力方向N66.6—87.6oW。依据室内实验数据和工程地质调查结论,构建三维数值模型,模拟分析工程区的应力场,分析得到工程区的应力场三维分布特征,数值模拟结果与原地实测的结果较一致。综合分析数值模拟和工程地质调查结果,原地应力测值受地质构造影响较为明显,数值模拟结论能较好地代表完整岩体区的应力分布状态。

工程区高地应力判据研究及实例分析

对原地应力状态的准确把握是地下工程稳定性评价的重要基础,而选择可行的高地应力判据是进行地应力状态评价的前提条件。在详细分析现有各种原地应力评价判据的基础上,提出可行的高地应力判据,并在判据模型中引入了国际上认可度非常高的Shoerey模型,但该模型没有考虑岩体变形模量和岩石弹性模量的区别。通过广泛研究目前国内外关于岩体强度的理论和方法,引入Hoek-Brown岩体强度估算理论,补充完善了Shoerey模型。云南禄丰某工程隧道,工程区共布置两个地应力测孔,测试结果较为离散。利用应力状态评价和数据拟合方法,推算出最大埋深部位的应力值达19.29 MPa,而岩体整体强度仅为5.243 MPa。按照强度应力比和Shoerey模型的评判标准,该隧道洞身部位的应力状态均为极高应力状态,应引起重视。对原地应力状态评价的一般方法和步骤进行了概括总结,以方便其他工程参考使用。

地下水封油库场址地应力场及工程稳定性分析研究

建设战略地下水封石油储备库是完善国家石油储备体系的重要途径之一。鉴于此,我国拟在渤海湾附近投资兴建一大型战略石油储备库。由于地下水封油库特殊的地下结构形式,需要对工程区范围内的地应力的量值和方向进行详细的研究分析。在工程区共布置5个水压致裂地应力测点,实际测值相对较为离散,各个测点之间很难找到内在联系,因此利用Sheorey模型对5个测点的测值进行了归一化处理,较为准确地给出洞身部位的应力值大小,即最大水平主应力为11.02±1.0 MPa,最小水平主应力范围为6.82±1.0 MPa,最大主应力的方向为76°(±13°),这与B.C.Haimson等人在朝鲜半岛的研究成果较为吻合,实测地应力场方向与世界应力图所给出的区域构造应力场的方向极为一致,即WSW-ENE到E-W之间。按照修正后的岩体强度应力比方法评价工程区的应力状态可知,地应力量值中等,地应力场对地下工程稳定性影响不大。在这样的远场应力条件下,按照开挖后洞室截面周边最大应力和洞室围岩岩体强度之比的分析计算结果,如果洞室轴线沿最大水平主应力方向布置,在开挖过程中,地下洞室围岩基本以线弹性变形为主,局部受节理裂隙面影响的岩体会出现掉块现象。选择合适的洞室截面形状及洞室轴线和地应力场最大水平主应力方向之间的夹角对洞室的稳定性至关重要。

水压致裂应力测量在广州抽水蓄能电站设计中的应用研究

在高压输水隧洞及地下厂房围岩中,遇水膨胀的蚀变岩带十分发育。但根据水压致裂原地应力的测量结果及最小主应力设计准则,广州抽水蓄能电站的高压输水隧洞甚至高压岔管段均取消了钢衬。电站建成以来的安全运行表明,该设计是完全合理的。实践表明:在充分利用岩体自身的承载能力,优化工程设计方面,水压致裂原地应力测量具有十分重要的意义。

蒙山断裂地应力特征及其稳定性分析

蒙山断裂带是沂沭断裂(郯庐断裂带山东段)西侧的一条北西向断裂,控制着长清-临沂中强地震带,该蒙山断裂带的地应力状态对研究山东中部地震活动的危险性有重要的意义。在蒙山断裂附近开展了2个深孔的水压致裂地应力测量,得到最大水平主应力SH为7.0~17.0 MPa,最小水平主应力Sh为5.0~11.0MPa。测量结果显示,300m以上的三向主应力的相对大小表现为SH】Sv≥Sh(Sv为垂直主应力);400~450 m范围内,三向主应力相对大小表现为SH】Sv】Sh;最大水平主应力的方向为NE-NEE,与利用其他资料得到的结果一致;实测资料得到侧压力系数K的平均值,ZK134孔KHmax=1.54(KHmax为最大水平侧压系数),ZK8孔KHmax=1.38。根据Byerlee定律判定蒙山断裂处于相对稳定的地应力状态,2个孔的?m(最大剪应力与平均主应之比)在2010-2011年间几乎没有变化,亦表明该断层处在一个稳定的状态。

不同压裂介质影响下绝对应力测值的试验研究

为研究不同压裂介质影响下的绝对应力测值,利用大尺寸真三轴模拟水压致裂试验系统,用清水及密度分别为1.1、1.2、1.3、1.4 g/cm3的泥浆介质对400 mm×400 mm×400 mm的花岗岩试样进行了水压致裂室内试验,成功获取了连续的压力-时间曲线。利用6种方法识别压力-时间曲线的闭合压力点,与实加最小水平主应力(h S 5 MPa)对比,得出单切线等4种方法较为符合实际情况;在考虑试验系统柔度影响前提下,对比了实测和理论重张压力;最后分析了在持续泵压作用下岩石裂缝延伸的压力。试验结果表明,密度为1.1、1.2 g/cm3的泥浆介质对压力特征参数的取值影响较小,误差不超过1 MPa,但密度为1.3、1.4 g/cm3的泥浆介质对特征参数值影响很大。试验结果对水压致裂地应力测量技术在不同压裂介质影响下的适用性有重要的指导意义。

压力洞室围岩的高压透水率测试技术与应用研究

随着压力洞室、深埋地下工程的建设,迫切需要弄清工程所在深度上的岩体在高压作用下的透水性状。由于岩体中的节理、裂隙等各种软弱结构面在高压作用下将会张裂、扩展,只有按照等于或略大于洞壁围岩实际承受的压力进行高压透水测试,才能得到工程运行状态下岩体透水率的可靠资料。介绍了钻孔高压压水测试技术,并结合其在工程中的具体应用做了初步分析。

川西某水电工程气垫调压室原地应力及相关岩体特性参数的测量与应用分析

为论证某水电工程高压洞室的方案设计,采用水压致裂技术对高压洞室的原地应力及相关岩体力学参数进行细致的测试。测量结果表明,测点洞段围岩的最小主应力值为5.6～7.9 MPa,最小主应力状态为近水平;测点洞段围岩的抗劈裂强度一般为6.0～8.0 MPa,围岩自身具有较强的承载能力;在7.0 MPa高压下洞壁围岩的透水率大多小于1.0 Lu。因此,该洞段岩体具备较为理想的岩体力学特性,是修建高压力洞室的较好位置。但在规模庞大的高压洞室岩体内的极个别张性裂隙带,由于其承载能力弱,串通性强,高压下漏水严重,是无衬砌高压洞室工程建设的一大隐患。对此进行卓有成效的高压灌浆处理,显著提高围岩结构的完整性,增强其高压封闭功能,这是工程建设成败的关键。

钻孔高压压水测试在深埋与承压洞室工程中的应用研究

随着工程建设的发展,最高压力为1.0 MPa的常规压水测试,已不能满足具有压力洞室工程的勘测需要。只有按照洞壁围岩实际承受的压力进行高压压水测试,才能为确定岩体的高压透水性状、洞壁围岩的临界破裂压力、岩体透水性随时间的变化特征,以及岩体高压作用下的变形与工程稳定性分析等提供可靠依据。

高地应力作用下乌鞘岭深埋长隧道软弱围岩流变规律研究

在高地应力环境下的软弱围岩中修建深埋长隧道,软弱围岩流变一是个突出的工程地质问题。位于兰新铁路上的鸟鞘岭隧道工程在穿越宽迭785m的活动断裂带F7时,软弱围岩发生了显著流变,围岩最大收敛变形超过1m,对支护结构造成了严重破坏。本文在对鸟鞘岭隧道进行长期围岩收敛变形的基础之上,分析了乌鞘岭左右两主洞的收敛变形规律。此外,作者提出了对软岩围岩流变进行工程治理的原则。

地下硐室围岩应力状态及相关参数测量结果的分析与评价

在深埋及压力硐室工程中,采用水压致裂法测定围岩三维应力状态,宜首先判定围岩应力的分布状况。在具有应力松弛圈、应力集中区与不受开挖影响的正常应力分布域情况下,只有分别进行计算分析,才能更为真实地揭示出硐壁围岩的三维应力分布特征。对于确定压力硐室围岩自身承载能力的水力劈裂测试成果,只有结合裂隙性状、岩层结构状况等进行全面分析,才能准确评价围岩的抗载强度。由于在高压力作用下,岩体中存在的软弱结构面有可能被张裂或扩展,从而改变岩层的透水性,因此只有按照工程运行状态下围岩实际承受的压力进行高压压水测试,才能得到岩层透水性的可靠资料。

基于Hoek-Brown强度准则的高应力判据理论分析

如何评价工程岩体中赋存的应力状态一直是工程设计人员所要面对的基本问题之一。应力状态评价需综合考虑岩体强度和岩体中赋存的应力两个要素,其评价结果反映了地下结构围岩在二次应力场作用下满足岩体强度准则时可能的变形破坏响应。通过对前人研究成果的分析,总结出高应力作用下地下结构的基本变形破坏规律。利用Hoek-Brown强度准则分析岩体强度与岩体质量分级参数和岩石单轴抗压强度的关系,得出多数情况下岩体强度与岩石单轴抗压强度的比值都小于0.5,进一步确认了利用岩体强度和应力之比作为高应力判据的可靠性。通过综合分析Hoek-Brown强度准则和岩石剪切破坏的摩擦理论,推导出在不同摩擦系数下岩体强度与岩体中赋存的最大主应力在破坏时的基本关系。根据这一基本关系,再结合地下空间二次应力场的调整规律,从岩石力学的角度证明了新的高应力判据。将该高应力判据应用于国内外的各种已建成的工程实例,发现评价效果良好。最后给出了应用该高应力判据进行应力状态评价的一般步骤,同时也指出所需要注意的问题。

中国海区及其邻域的原地应力状态

本文根据钻孔崩落.应力解除和水压致裂等方法得出的137个应力数据以及部分油井压裂资料,分析了中国海区及其邻域的原地应力状态和构造应力场,并在此基础上探讨了有关力源问题.研究结果表明,中国海区的构造应力场有一定的分区特点,它是中国东部的华北和华南两大应力区向海域的延伸.其中渤海、黄海及其邻域受 NEE 向挤压应力场控制,区内的断层活动性质以走滑为主.而东海、台湾海峡及其南海则处于 NWW-NW-NNW 向挤压应力场的作用下,其最大水平主应力方向由内陆向东南沿海呈辐射状展布.主应力方向随深度增加更趋稳定一致.在华北地区及邻域断层活动以走滑为主,而华南地区及其邻域则大致以1700m 深为界,上部以逆冲为主,下部以走滑为主.另外,研究区构造应力场的力源主要来自太平洋板块、菲律宾板块和印度-澳大利亚板块的综合作用.