[科普中国]-原岩应力

存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称为岩体初始应力、绝对应力或地应力。

基本介绍地壳中没有受到人类工程活动（如矿井中开掘巷道等）影响的岩体称为原岩体，简称原岩。

存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称为岩体初始应力、绝对应力或地应力。

天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场称为原岩应力场。

原岩应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。此外，原岩体内温度不均匀、水压梯度变化、地表被剥蚀或其他物理化学作用也能影响岩体内应力的大小与分布状态。

在井巷和采场等地下工程结构稳定性分析中，原岩应力是一种初始的应力边界条件，同时原岩应力是引起地下工程结构变形和破坏的力源。

采矿工程中，地下采掘空间对周围岩体内的原岩应力场产生扰动，使得原岩应力重新分布，并且在井巷和采场的围岩中产生几倍于原岩应力的高值应力（所谓的二次应力）。围岩随之变形，随着时间的延长，围岩变形继续扩大，甚至引起围岩破坏或支护物破坏，这就是我们常说的矿山压力显现。由此可见，矿山压力的来源与原岩应力密切相关，围岩稳定性显然是以原岩应力场为前提条件的。在计算任何人工开挖的岩体周围的应力分布以前，必须测量或估算开挖前的应力状态。

原岩应力约为自重应力和构造应力之和

原岩应力的基本规律通过理论研究、地质调查和大量的地应力测量资料，原岩应力的分布的主要规律归纳如下：

(1) 实测垂直应力基本上等于上覆岩层重量。

(2)水平应力普遍大于垂直应力。

(3) 平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小。

(4) 最大水平主应力和最小水平主应力一般比值相差较大。

各应力分量之间的比较（1）平均水平应力avhσ与垂直应力zσ的比较。 从上面两个图的统计结果看，一般情况下，zσ相当于上覆岩层的自重，而水平应力的波动范围就比较大。且一般大于铅垂应力，其产生原因。一般归结为地壳的构造动。据国内外实测资料统计，平均水平应力avh⋅σ与zσ的比值大部分在0.8~1.5之间。见下表统计结果。

（2）水平应力yσ与xσ间的比较 地壳内水平应力中的两个主应力xσ与yσ在数值上一般不相等，这一统计结果反映出了水平应力具有较强的方向性，见下表。

（3）铅垂应力zσ与自重应力zP之间的比较 岩体上覆岩层的重量是形成岩体初始应力的基本因素之一。一般认为岩体的铅垂应力大体上相当于上覆岩层的重力zP，但并非所有实测结果都如此，从我国的实测结果表明，铅垂应力zσ与单位面积上的上覆岩层重力zP的比例在0.43~19.8之间变化，如果考虑到成果的分散性，以2.1~8.0=zzPσ作为大体上相等的情况，则仅占8.7%，而8.0zzPσ的占69.6%。这些资料说明，多数的1>zzPσ。即铅垂应力多数情况下大于上覆岩体的重量。这种现象只能解释为某种力场作用的结果。而这种力场不是完全由上覆岩层自重所引起的。

围岩破坏与原岩应力场
（1）垂直应力大于水平应力时，破坏主要在巷道侧面发生。 同时在顶底板发生破坏但破坏程度很小。 垂直应力与水平应力比越大，顶底板的破坏程度越小巷道侧面破坏越严重。

（2）水平应力大于垂直应力时，巷道的破坏主要发生在顶、底板处同时在巷道侧面产生的破坏程度很小。 水平应力与垂直应力比越大，顶底板的破坏程度越大，巷道侧面破坏程度越低。

（3）水平应力大小与垂直应力较为接近时，巷道的顶，底板及侧面同时发生破坏。

（4）岩石破坏规律与荷载的大小、岩石种类、破坏准则、巷道形态等没有关系，只与水平、垂直应力比有关。1

原岩应力测量原位测量是目前取得工程需要的不同深度原岩应力可靠资料的唯一方法。因为尽管原岩应力的各种假说和理论对认识地壳的受力规律有一定的参考价值，但对于工程而言，都或多或少、或大或小存在各种地质构造和影响原岩应力大小和方向的错纵复杂的因素，因而没有也不可能有任何一种理论可以完全取代实测方法而能给出工程需要的可靠的资料。美国、西欧各国、澳大利亚、加拿大、南非、日本等都普遍开展了原岩应力量测。我国于60年代末进行了这项工作，并于70年代末开展的比较普遍。1964年，在陈宗基教授带领下，中科院武汉岩土所在湖北大冶铁矿进行了我国首次应力解除法测量原岩应力，测量深度为-80m。1966年，李四光教授在河北上吴县建立了我国第一个地应力测量观测站。原岩应力测量在葛洲坝、二滩水电站、长江三峡建设工程中，发挥了重要作用。许多煤矿尤其是金属矿都开展了大量的原岩应力测量工作。

原岩应力测量是指通过某种测试手段测得岩体某一点上的应力数据，即组成原岩应力场各个应力分量的大小和方向。应力测量结果对于分析地下工程的稳定性，进行采矿或地下工程设计以及施工管理都是必不可少的依据之一，因而受到广泛重视。

30年代有人用量测洞壁的应变来计算岩体的初始应力状态。自50年代后，人们着重研究岩体深部未受扰动的应力状态。相继出现了雷曼的门塞式应变仪、哈斯特压磁应力计以及三向应变计等。1969年在里斯本召开了“岩体内应力测定”国际会议。于1976年和1977年分别召开两次与岩体应力测量有关的国际会议，促进了岩体应力测量技术的发展。

岩体应力测试方法很多，按测试的物理量来分，有直接法（观测应力）和间接法（由测应变、变形及其它物理量转为求应力）；按量测部位分，有深孔法和表面法；按测量元件分，有机械式、电阻式、电感式或光学的等等。为了便于了解，先将它们列成下表。

到目前为止，岩体应力测试都是以弹性理论为依据的，即假定岩体是均质连续、各向同性的线弹性体。这与实际不符合，有待进一步改进。

延伸阅读我国地应力分布及测量的基本情况中国地应力量测的试验和研究始于60年代。60年代初在地下矿山的巷道、硐室表明利用扁千斤顶法测量围岩表明的应力状态。1964年，在陈宗基教授的带领下，中科院武汉岩土所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应力解除法测量，测量深度为-80m。1966年3月，李四光教授在河北上吴县建立了全国第一个地应力观测站。60年代后期，中科院武汉岩土所、长沙矿冶研究院、地质所等开展了地应力测量。70年代中后期，地应力测量在水电部门也得到广泛开展，长江科学院等都开展了这方面工作。但90%以上的地应力测量则分布在地震研究、水利水电、采矿行业。通过丰富的地应力测量资料，可对我国大陆浅层地壳应力的分布规律有了初步认识，并且有以下明显分区特点

（1）华北地区以太行山为界，东西两个区域有较大差异。太行山以东的华北平原及周边地区，其最大主压应力的方向为近东西向，而太行山以西最大主压应力方向侧为近南北向；

（2）秦岭构造带以南的华南地区，最大主压应力的方向为北西西至北西向；

（3）东北地区主压应力方向以北东东向为主；

（4）西部地区测得的最大主压应力以北北东为主，个别为近南北向。

（5）在滇西南北构造带上，小江断裂带附近最大主压应力的方向为近东西向，从此断裂带向西，包括澜沧江断裂以北。鲜水河断裂以南地区，最大主压应力的方向逐渐转为北西向或北北西向。

本词条内容贡献者为:

邱昆峰 - Research Fellow - Colorado School of Mines, USA