原地应力状态三维分布估算方法的发展及初步应用TannoTakeo",HiranoToru0,MatsuiHiroya2>1)CrystallineEnvironmentResearchGroup,JapanAtomicEnergyAgency,Japan2)CrystallineEnvironmentEngineeringGroup,JapanAtomicEnergyAgency,Japan摘要日本原子能机构(JapanAtomicEnergyAgency)提出了一种方法'即通过地表原地应力测量所得的有限数据精确估算任意一点的实际原地应力状态分布。我们假定实际地应力是由上覆岩层压力和板块构造力的综合作用形成的，并建立了两种模型：三维有限元模型和边界元模型，模型考虑了地质情况的不均匀性，如岩石类型的变化和断层的存在。然后，为了检验模型，我们将这个方法应用到了瑞浪市地下研究实验室(MIU)周边的一些测点的原地应力状态估算之中。：P315.7；文献标识码：A;doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2011.01.014引言在地下构筑物的设计中，综合分析原地应力场不仅对设计目的，更对安全建设与施工具有重要意义。一般来说，结构体范围的大小将会决定应力测量方法对原地应力场量化认识的需求程度。然而，想姜获得足够的测量值是非常困难的，因为会有多方面的限制，如经费、时间进度和地下结构的尺寸等。日本原子能机构(JapanAtomicEnergyAgency,JAEA)已经提岀/一个基于有限应力测量值估算原地应力场的方法。在传统的方法中，只有重力被考虑到原地应力场的计算之中，然而，许多关于原地应力的研究表明⑴，由板块构造力产生的水平应力也应该被考虑到原地应力场的定绘研究中去。本文提岀了一种考虑由板块构造力引起的水平应力的数值模拟方法，文中介绍了这种方法及其在瑞浪市地下研究实验室(MIU)的原地应力测量中的应用。1MIU概述图1显示了MIU的位置和地质情况。MIU坐落于口本岐阜瑞浪市。MIU选址的调査始于2002年，而对竖并的开挖则开始于同一年的晚期。MIU测点由两个直径分别为6.5m和1km图1M1U的位置图(据JAEA⑴，有微小改动)4.5m的竖井组成。2010年3月的时候，竖井已经达到460m的深度。它们每隔100m就通过一个水平段相连接，并在300m的深度有一个主要水平研究段.计划将增加500m和1000m的主要水平研究段用于地学研究。MIU测点附近的地层是由晚白垩纪到早第三纪组成的，基岩花岗岩被180m厚的第三纪中新世到上新世的沉积岩所覆盖。东■西走向H.大倾角的Tsukiyoshi断层使得MIU地区北部的整个地层序列发生了偏移⑵。2原地应力场的表达式及数值模拟方法的应用空间任意一点的应力被定义为局部应力。如果局部应力记作£（工），那么比Q）可以用方程（1）来定义，该公式表示为地理特征和地质学干扰的函数.分别用“F”和来表示。云（工）=F（jr,£）或者a'ij（x）=G（z,Gy）（1）其中M和壽分别表示区域应力场和应变场，在弹性范围内两者等效。因此，在本文中它们被定义为区域应力场。在方程（1）中，如果“F”和“G”是确定的•那么空间任意一点的应力，即局部应力，可以通过区域应力场计算出来（正演分析）。反过来，区域应力场也可以通过局部应力反演得到（反演分析）。在本研究中.首先通过测址的局部应力定义F或者G,然后通过方程（1）计算区域应力场，进而估算目标区域的原地应力场。本文分别采用有限元法（finiteelementmethod,FEM）和边界元法（boundaryelementmethod,BEM）建模。前者考虑了与地质结构相关的不同力学性能的分布.后者考虑f大的不连续面•如Tsukiyoshi断层。3非均匀岩层中原地应力分布计算的方法及其应用3.1区域应力场的定义前面我们提到了区域应力场应该考虑由取•收稿日期：20104M6.力和板块构造力双重作用产生的水平应力，前者被定义为由约束边界条件造成的上覆地层压力引起的应力，而后者则是由板块构造力产生的区域应变引起的应力。曲区域应变导出的区域应力记作兀、成和爲。如果我们假定岩体是均匀弹性体，而且与区域应变点、成和）^相对应的位移是可加的，那么在一个区域的边界，这些应力可以用方程（2）来定义。兀=E/（l+0（1—2”）［（1一卩）龙+以如（Jyy=E/（1+1/）（1—2y）［（1—£+V^=E/2（l+v）y?,（2）其中E和y分别表示杨氏模量和泊松比。另外，如果我们考虑由于重力引起的应力，假设密度均匀，那么区域应力亦可以用方程...