2 地应力分布规律构造地质分析
2.1 地应力影响因素分析
2.1.1 地应力基本概念及成因
地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，它是由于地壳岩石变形而引起介质内部单位面积上的作用力，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也是在岩体的物理化学变化及岩浆侵入等作用下所形成的应力状态。地应力的大小和方向随时间和空间位置的不同而变化，构成的地应力场可按照地应力形成和活动年代划分为古地应力和现今地应力。将目前存在于地壳内的或正在活动的地应力，称为现今地应力；而把较老地质时期存在的，但目前不复存在的构造应力称为古地应力。
地应力形成原因复杂，与人们的生产实践活动关系密切，成为现代科学研究的重点之一。主要与地球的各种动力运动过程有关，如板块边界挤压、地心引力、地幔热对流、地球旋转、岩浆侵入及地球内应力等。另外，地表侵蚀、温度和水压梯度等也是影响地应力的重要因素。
（1）大陆板块边界挤压引起的应力场 全球板块构造理论认为，岩石圈板块在大洋中脊中增生出来，大洋洋脊两侧板块彼此做分离运动。大洋岩石圈板块在海沟处沉陷，下沉到软流层和地球内部去。在这个过程中受到三种驱动力作用，即洋脊推力、板块牵引力及海沟吸引力（图2-1）。
图2-1 岩层板块大尺度构造力
1—岩石层底部切力；2—俯冲带处板块拉力；3—洋脊推力；4—海沟吸引力；5—表面荷载和弯曲；6—均衡补偿；7—大洋岩石层弯曲
Zoback指出，大尺度构造力（包括板块边界力、地球动力学过程产生的力及海洋岩石层冷却中的热弹性力等）决定的构造应力场，一般在岩石弹性部分的若干倍范围内是均匀的，并可为各种大规模的板块内地质学问题提供重要的边界条件。
（2）地心引力引起应力场 由地心引力引起的应力场又称为重力应力场，它是各种应力场中唯一能够准确计算的应力场，其大小等于单位面积上覆岩层的重量，即
σG=γH （2-1）
式中 σG——重力应力，kN/m2；
γ——上覆岩层容重，kN/m3；
H——埋深，m。
重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分。但一般来说，由于板块运动、岩浆对流和侵入、温度不均和水压梯度等因素影响，垂直应力并不完全等于自重应力，甚至相差很大。我国十几个水电站地应力实测资料表明，实测垂直应力可达上覆岩体自重的1～6倍，见表2-1。
表2-1 几座水电站水平应力与垂直应力实测资料
（3）地慢热对流引起应力场 由硅镁质组成的地幔温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动。当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就分为两股方向相反的平流，经一定流程直到与另一对流圈的反向平流相遇，一起转为下降流，回到地球深处，形成一个封闭的循环体系。地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力；在地幔物质下降处，引起很大的水平挤压应力。
（4）岩浆侵入引起的应力场 岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，都在周围地层中产生相应的应力场，但其过程相当复杂。熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对周围施加的是各方向相等的均匀压力。但随着炽热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，从接触界面处逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程使得岩浆自身及周围岩体应力产生复杂的变化过程。
2.1.2 地应力主要影响因素
地应力大多是以水平应力为主的三向不等压应力场，并且三个主应力的大小和方向会随时空而变化，属于非稳定应力场。影响地应力的主要因素有地质构造、地形地貌、岩性、断层、地下水、温度等。
（1）地质构造 地质构造对地应力的影响主要表现在对应力分布和传递的影响上。在均匀应力场中，断裂构造对应力大小和方向的影响是局部的；在活动断层或地震区，地应力的大小和方向都有较大变化；在同一地质构造单元中，被断层或其他较大结构面切割的各大块体中的对应力大小和方向较一致，但在靠近断裂或其他结构面周围，特别是在转弯、交叉和两端处，地应力的大小和方向都有较大变化。
（2）地形地貌 地形地貌是影响地应力的重要因素之一，不同地形，在相同边界条件下，形成不同应力场。一般地，地形对地应力场的影响范围只限在地表附近，越接近地表影响越明显；随着深度的增加，影响程度逐渐减弱。通过二滩水电站地应力实测资料（表2-2）可以看出，当测孔深度小于30m时，测点最大主应力σ1数值偏小，方向紊乱；当孔深大于30m时，全部测点σ1方向均为NE向。当山体在水平岩石中引起的水平向附加应力小于静止侧向压力的20％时，地形对自重应力场的影响可以忽略不计。
表2-2 二滩水电站地应力实测结果
通常山脊地形在侧坡处发生应力集中，在山脚应力集中系数最大；斜边坡地形在坡底应力集中现象明显；深切河谷陡坡垂直应力大于上覆岩层引起的重力，谷底应力最大，河流切割越深应力集中程度越大。纳伦河谷重力应力分布光弹模拟试验表明，谷底应力集中深度达100m以上，宽度约500m；河谷上面地带为应力释放区，往下和两侧为河谷地形引起的应力集中区，深度继续增加才能到达正常地应力分布区，如图2-2所示。
图2-2 山区河谷重力应力分布
（3）岩性 大量地应力理论研究结果和实测数据表明，岩性也是影响地应力的一个重要因素。在佐洛塔列夫和高莉青对影响岩体应力状态的因素研究中，把岩性作为基本因素之一。陶振宇和杨子文指出岩性及其强度可能会显著影响地应力分布和平均水平地应力与垂直主应力比值，据收集到的371组（岩浆岩147组、沉积岩155组和变质岩69组）地应力实测资料，回归分析了中国不同岩性平均水平地应力与垂直地应力比值k随深度变化的曲线，如图2-3所示。
图2-3 全国平均水平地应力与垂直地应力比值随深度变化规律
岩浆岩的平均水平地应力与垂直地应力比值在500m以内大于沉积岩和变质岩，随着深度增加则小于沉积岩和变质岩且减小速率相对较大。沉积岩平均水平地应力与垂直地应力的比值回归曲线介于岩浆岩与变质岩之间，深度大于2000m后，k值在1.0附近波动。变质岩构造复杂，平均水平地应力与垂直地应力的比值k在500m以内较分散，随深度增加k值趋向于1.0。岩石力学性质对地应力影响较为明显，从能量积累角度来看，岩体地应力是能量积累与释放的结果，岩体应力上限受到岩体强度限制；弹性模量较高岩体内部，大多存在较高地应力。在同一区域内，受到近南北向外围应力场作用的正长岩与玄武岩保持变形协调，弹性模量较高的玄武岩在相同变形条件下储备较多弹性应变能，表现出较高应力值，如图2-4所示。
图2-4 最大主应力与岩石弹性模量关系
因此，在相同的地质构造中，地应力大小是岩性因素的函数。一般来说，弹性强度较高、弹性模量较大的岩体有利于地应力的积累，这些部位容易发生岩爆和地震等地质灾害；而塑性岩体易于变形则不容易应力的积累，地应力水平相对较低。
（4）断层 断层规模是影响断层附近应力场的重要因素，应力场扰动范围与断层几何尺寸密切相关，断层规模越大对地应力大小和方向影响越大，特别是在复合或群状发育断层的叠加作用下，大断层对于地应力分布状态将起着支配作用。由于断层干扰，断层周边一定范围内地应力分布随空间位置而异，断层及其附近应力方向变化明显，与区域主应力相比变化幅度为10°～90°；随着逐渐远离断层，主应力趋于平稳。断层端部和几何形状拐点处应力方向变化剧烈，应力大小变化较复杂且应力高度集中，如图2-5所示。
图2-5 断层附近最大主应力方向变化
（5）地下水 地下水对岩体地应力的大小具有显著的影响。岩体中包含有节理、裂隙等不连续层面，这些结构面中又往往含有水，地下水的存在使岩石孔隙中产生孔隙水压力，这些孔隙水压力与岩石骨架的应力共同组成岩体的地应力。尤其是深层岩体中，水对地应力的影响更大。
（6）温度 岩体温度对地应力的影响主要表现在两个方面：地温梯度和岩体局部温度。各地区地温梯度α不相同，一般α=3℃/100m，体胀系数β=10-5，若取弹性模量E=10GPa，岩体温度应力σt=HαβE=0.003HPa/m。可见，岩体温度应力为压应力，且随深度增加而增加；岩体温度应力场一般是静水压力场，三个主轴是任意垂直三轴，可以与重力应力场进行代数叠加，即有
（2-2）
岩体受局部温度影响，受热不均，会产生收缩或膨胀，在岩体内部形成裂隙，并在岩体内部及其周围保留部分残余热应力。例如：花岗片麻岩的热传导系数K=1.6×10-6m2/s，热膨胀系数α=6×10-6/℃，弹性模量E=60GPa，泊松系数ν=0.23，当瞬时增加温度ΔT=186℃时，经试验研究发现：岩体内部10m深度处的热应力历经10年左右仍然存在，径向应力σr为2.4MPa，切向应力σt为3.3MPa，且轴向应力σθ仍高达6.0MPa。
因此，地应力影响因素多种多样，在具体的构造模式和地质条件下，各种因素对地应力的影响程度也有所不同，并且各因素对地应力的影响也不是独立的，往往同时存在，相互影响。