第二章地殼巖體的天然應力狀態(tài)第1頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.1基本概念及研究定義2.1.1巖體應力的一些基本概念地殼巖體內的天然應力狀態(tài)，是指未經人為擾動的，主要是在重力場和構造應力場的綜合作用下，有時也在巖體的物理、化學變化及巖漿侵入等的作用下所形成的應力狀態(tài)，常稱為天然應力或初始應力。人類從事工程活動，在巖體天然應力場內，因挖除部分巖體或增加結構面而引起的應力，稱為感生應力。

第2頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三按成因，可對構成巖體應力的各組分作如下分類：巖體應力：天然應力和初始應力（virginalstress）自重應力（gravitationalstress）構造應力（tectonicstress）活動的（activetectonicstress）剩余的（residualtectonicstress）變異及殘余應力（alteredandresidualstress）感生應力（inducedstress）

第3頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三⑴.自重應力：在重力場作用下生成的應力為自重應力。在地表近水平的情況下，重力場在巖體內的某一任意類形成相當于上覆巖層重量的垂直正應力σv。σv=γh（r為巖石的容重；h為該點的埋深；σv相當于該點三向應力中的最大主應力。）由于泊松效應（即側向膨脹）造成水平正應力σh，相當于三向應力中的最小應力：

（μ為巖體的泊松比，N。稱為巖體的側壓力系數。）

第4頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三對于大多數堅硬巖體：μ為0.2～0.3，即N。為0.25～0.43。對于半堅硬巖體:N。大于0.43；而且當上覆荷載大，下伏巖體呈塑流時，μ接近0.5，N。近于1，也就是說該點近于靜水平應力狀態(tài)。⑵構造應力巖石圈運動在巖體內形成的應力稱為構造應力。構造應力又可稱為活動構造應力和剩余構造應力?；顒訕嬙鞈?，即狹義的地應力，是地殼內現(xiàn)在正在積累的能夠導致巖石變形和破裂的應力。剩余的構造應力是古構造運動殘留下來的應力。第5頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三⑶變異及殘余應力變異應力：巖體的物理、化學變化及巖漿的侵入等引起的應力。具體來說是巖體的物理狀態(tài)、化學性質或賦存條件的變化引起的，通常只具有局部意義，可統(tǒng)稱為變異應力。殘余應力：承載巖體遭受卸荷或部分卸荷時，巖體中某些組分的膨脹回彈趨勢部分地受到其他組分的約束，于是就在巖體結構內形成殘余的拉、壓應力自相平衡的應力系統(tǒng)，此即殘余應力。2.1.2巖體天然應力狀態(tài)類型目前有三種觀點：⑴由瑞士地質學家海姆于1905-1912年提出的，他以巖體具有蠕變的性能為依據，認為地殼巖體任一類的應力都是各向相等的，均等于上覆巖層的自重，即：σx=σy=σv=rh第6頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三⑵垂直應力為主的觀點基于彈性理論提出的，認為巖體內的應力主要是重力場作用下形成的自重應力。⑶水平應力為主的觀點近年來，大量的震源機制資料和應力實測資料清楚地揭示出地殼巖體內的應力狀態(tài)存在著不同的類型，其中包括以下三種典型情況：①.中間主應力近于垂直，最大主應力σ1和最小主應力σ3近于水平，我國的大多數地區(qū)如邢臺、新豐江、丹江口以及西南南北向構造均屬這種類型。在這種應力狀態(tài)下，如果發(fā)生破壞（或再活動）是沿走向與最大主壓應力成約30°～40°左右交角的陡立面產生走向滑動性的斷裂活動，此類三向應力狀態(tài)稱為潛在走向滑動型。

第7頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三

②.最小主應力軸σ3近于垂直，最大主應力與中間主應力軸近于水平。喜媽拉雅的前緣地區(qū)屬于這種類型。在此種應力狀態(tài)下發(fā)生的破壞，是逆斷型的，即沿走向與最大主應力垂直的剖面X裂面產生逆斷活動，故可稱為潛在逆斷型。③應力場中的最大主應力軸σ1垂直，其余兩主應力水平分布。在地處大洋中脊軸部地帶的冰島地區(qū)測得的三向應力狀態(tài)就是這種類型。此應力狀態(tài)下發(fā)生的破壞（或再活動），是沿走向與最小主應力軸相垂直的面，發(fā)生正斷性質的活動，故可稱為潛在正斷型。上述為三種典型情況，大多數地區(qū)接近其中某一種，有些地區(qū)應力狀態(tài)屬主應力軸傾斜的過度類型?？傊罅繉崪y資料表明，世界上大多數地區(qū)巖體內的天然應力狀態(tài)是以水平應力為主。

第8頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.1.3研究意義地殼巖體的天然應力狀態(tài)與人類的工程活動關系極大，它不僅是決定區(qū)域穩(wěn)定性的重要因素，而且往往對各類建筑物的設計和施工造成直接的影響。實踐表明，在高應力區(qū)，地表、地下工程施工期間所進行的巖體開挖工作，往往能在巖體內引起一系列與卸荷回彈和應力釋放相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象，其結果是不僅會惡化地基或邊坡巖體的工程地質條件，而且作用的本身有時也會對建筑物造成直接的危害。地殼開挖導致的巖體變形和破壞主要有以下幾種類型：⑴基坑底部的隆起、爆裂和沿已有結構面的逆沖錯動。

第9頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三第10頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三

⑵邊墻向臨空方向的水平位移和沿已有的近水平的結構面發(fā)生剪切錯動。⑶邊墻或邊坡巖體的傾斜。地下開挖產生的巖體變形和破壞也有不同的類型：⑴拱頂裂縫掉塊； ⑵邊墻內鼓張裂；⑶底鼓及中心線偏移； ⑷施工導坑縮徑。此外，修建高壩、大型水庫和深大的地下硐室等，常能在更大范圍內天然應力的平衡，引起一系列諸如斷層復活、水庫地震以及大型巖爆等嚴重危害建筑物和人民生命財產的工程地質作用。對于天然巖體應力狀態(tài)的研究，是工程地質工作者的一項重要任務。

第11頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三第12頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三第13頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.2影響巖體天然應力狀態(tài)的主要因素及其作用2.2.1地區(qū)地質條件及巖體所經歷的地質歷史對巖天然狀態(tài)的影響

⑴巖體的巖性及結構特征對天然巖體應力狀態(tài)形成的影響。a：巖體的巖性及結構特征決定著巖體的容重（γ）和泊松比（μ）等物理力學性質指標的大小，從而影響自重應力場特征（σv=γh）。b：在統(tǒng)一區(qū)域構造應力作用下，巖體內應力分布的特征主要取決于巖性、結構特征及其非均一性。c:巖體的巖性和結構特征決定著巖體的強度及其蠕變特征，因而決定了巖體承受及傳遞應力的能力。第14頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三

⑵構造作用及其演變歷史對巖體天然應力狀態(tài)形成的影響。統(tǒng)計表明活動的構造應力對世界上大部分地區(qū)巖體的天然應力狀態(tài)起著決定性的作用，而剩余構造應力作用僅局限于一些地區(qū)。

⑶區(qū)域卸荷作用對地殼表層巖體應力狀態(tài)形成的影響。區(qū)域性的地表剝蝕卸荷作用在增大某些巖體內的水平應力方面有著重要的作用。對于侵入體，當巖體侵入時，由于巖體呈熔融狀態(tài)侵入地下一定深處，其中的應力呈靜水應力式分布。如下圖所示：AB為原始地面，則巖體內任一深度h0+h處的P點的應力為：σh=σv=γ(h0+h)第15頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三此后，巖體經剝蝕而出露地表。隨著巖體剝蝕卸荷，巖體內的應力隨之而變化，但垂直應力σv與水平應力σh的變化幅度不同。假定剝蝕厚度為h0，則上述P點處的σv和σh

分別變?yōu)椋?/p>

σv=γ(h0+h)-γh0=γhσh=γ(h0+h)-μ/(1-μ)×γh0=γh-((1-2μ)/(1-μ))×γh0(a)第16頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三第17頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三

可見地表卸荷在增大侵入巖體內水平應力方面起了重要作用。但卸荷作用在巖體內造成的高水平應力不具方向性，即σx=σy，所以與構造作用造成的各向不等的高水平應力區(qū)區(qū)別明顯。

2.2.2

巖體內自由臨空面附近的應力重分布及應力集中作用

巖體內自由臨空面附近的應力重分布及應力集中作用是促使巖體內應力狀態(tài)復雜化的另一個重要因素。巖體內的自由臨空面包括地表的和地下的兩類，前者主要是地表水流的切割造成的；而后者則與各種成因的地下洞穴的形成有關。第18頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三

河谷下切所引起的應力變化有以下幾條規(guī)律：⑴主應力方向在河谷臨空面附近發(fā)生明顯的變化：最大主應力與臨空面近于平行，而最小主應力則與之近于垂直。⑵最大主應力由內向外逐漸增大，至臨空面達到最大值，而最小主應力則恰好相反，即由內向外逐漸減少，至臨空面處變?yōu)榱?，有時甚至出現(xiàn)拉應力。與此相聯(lián)系，剪應力在臨空面附近，特別是在下部坡腳處，顯著增大。

第19頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三錦屏河谷下切后最大主應力分布第20頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三錦屏河谷下切后剪應力分布圖第21頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三⑶通常將最大主應力（或剪應力）在臨空面附近增大（或減少）的現(xiàn)象稱為應力集中，而將變化后的主應力與初始應力之比稱為應力集中系數。臨空面附近的應力集中現(xiàn)象通常在坡腳處及河谷底部表現(xiàn)得最為強烈，可達原始應力場中水平應力的三倍。第22頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三

因此，在高應力區(qū)，河谷臨空面附近的應力集中，往往使周圍巖體內的應力（特別是坡腳和谷底）超過其強度，使巖體發(fā)生破裂變形，生成各類表生結構面。而表層巖體內的應力又因釋放而降低，圍繞河谷臨空面形成一個應力降低帶，高應力集中區(qū)則向巖體內部轉移。

值得一提的是，垂直于最大主應力的河谷段，臨空面附近的應力集中程度要比平行于最大主應力的河谷段高得多。

第23頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三模型Ⅰ表示的是兩長一短的彈簧被同時固定在兩端的夾具之間。這樣A、B兩類彈簧因發(fā)生了彈性變形而處于不同的受力狀態(tài)。但是A類彈簧受到的是壓縮變形，內部產生壓應力；而B彈簧則因處于引張狀態(tài)而產生拉應力。體系內上述兩類應力的總和彼此相等，故而整個體系在外荷載為零的情況下處于內力平衡狀態(tài)。2.2.3巖體切割面附近的殘余應力效應非均質的承載巖體，卸荷后，天然巖體內形成自我平衡的殘余應力體系，可用圖Ⅰ及圖Ⅱ所示的力學模型來表示。模型I第24頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三然而，天然巖體大多是一種粘-彈性介質，更符合于Ⅱ圖所示的沃依特流變模型。與模型Ⅰ不同的是，以阻尼器（粘滯性約束元件）代替彈性約束元件B彈簧。因粘滯元件具有流變性，故隨著時間的推移，其內部的拉應力將不斷降低，從而導致整個應力體系的松弛。所以，從整體來看，這類殘余應力體系始終處于內力緩慢降低的動平衡之中。

力學模型II第25頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三在自我平衡的殘余應力體系中，起主導作用的是約束元件，正是由于它的存在，殘余應力的形成才成為可能?！凹s束元件”一旦喪失其約束能力（例如當拉應力超過其抗拉強度時），束縛于體系內的殘余應變能就會突然而猛烈地以膨脹回彈和生成垂直于卸荷方向的引張裂面的方式釋放出來，對以該巖體為地基或環(huán)境的結構物發(fā)生影響或危害。第26頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.3我國地應力場的空間分布及隨時間變化的規(guī)律2.3.1地應力場的空間分布及其與板塊運動的關系2.3.1.1我國地應力場的空間分布特點（1）各地最大主應力的發(fā)育呈明顯的規(guī)律性各地的σ1方向均與由各該點向我國的察隅和巴基斯坦的伊斯蘭堡聯(lián)線所構成的夾角等分線方向相吻合或相近似，僅在兩側邊緣地帶略有偏轉，即東側向順時針偏轉，西側向逆時針偏轉。（2）三向應力狀態(tài)及其所決定的現(xiàn)代構造活動類型呈有規(guī)律的空間分布：第27頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三①潛在逆斷型應力狀態(tài)區(qū)主要分布于喜馬拉雅山前緣一帶，其主要特點是兩個水平主應力均大于垂直主應力。（σ3垂直，σ1和σ2水平）第28頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三②潛在走滑型應力狀態(tài)區(qū)主要分布于我國中西部廣大地區(qū)，其主要特點是只有一個水平主應力大于垂直主應力，具中等擠壓區(qū)的特征。。（σ2垂直，σ1和σ3水平）第29頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三③潛在正斷型和張剪性走滑應力狀態(tài)區(qū)主要分布于我國的東部和東北部，其主要特點是：區(qū)內新生代以來正斷層與地塹或斷陷盆地十分發(fā)育，發(fā)育方向NE、NEE，推積厚度數千米；區(qū)內KZ堆積具雙層結構(圖2-20)，E充填斷陷盆地，N-Q掩埋了E時期的地塹和地壘，形成了現(xiàn)代的低平的平原地形，橫向差異?。粎^(qū)內地震由兩個方向斷裂引起，即NNE向斷裂的右旋兼張性活動和NNW向斷裂的左旋兼張性活動。

第30頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三衛(wèi)星影象及天然地震的震源機制資料還揭示，在西藏高原內腹，還存在著一個局部潛在正斷型應力分布區(qū)(圖2—19)。該區(qū)內廣泛地發(fā)育著可能是新生代形成的近南北向的正斷層和地塹式的斷陷谷地。該區(qū)天然地震的震源機制也大多屬正斷層，且主拉應力軸為近東西(圖2—21)。第31頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.3.1.2地應力場的形成與板塊運動的關系我國大部分地區(qū)最大主應力方向和量值的上述變化規(guī)律，完全是由印度板塊與歐亞板塊的碰撞、擠壓所導致的。一般認為，白堊紀末印度板塊從西南向北北東方向推移，并在始新世中期末，即大約距今3800萬年前與歐亞板塊相碰撞（對接）。此后印度板塊仍以每年約5cm的速度向北北東方向推進，這樣一種巨大而持續(xù)的板塊間的相互作用是控制我國西部地區(qū)地應力場的決定性因素；在同一時期，東部太平洋板塊和菲律賓海板塊則分別從北東東和南東方向向歐亞大陸之下俯沖，從而分別對我國華北和華南地區(qū)地應力場的形成產生重大影響；并認為華北地區(qū)目前處于太平洋板塊俯沖帶的內側，大洋扳塊俯沖引起地幔內高溫、低波速的熔融或半熔融物質上涌并擠入地殼，使地殼受拉而變簿，表面發(fā)生裂谷型斷裂作用，第32頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三這樣形成的北西一南東向拉張和太平洋板塊于上地幔深處對歐亞板塊所造成的南西西向的擠壓相結合，就決定了華北地區(qū)現(xiàn)代地應力場和最新構造活動的特征。第33頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.3.2斷裂帶附近的局部構造應力集中作用

⑴一般規(guī)律對于一個三向受力的巖體，那些與最大主應力成30°～40°左右交角的斷裂，特別是這類方向的雁行式或斷續(xù)直線式排列的斷裂組，應力集中程度最高。特別是在斷裂端點、首尾錯列段、局部拐點、分枝點或與其它斷裂的交匯點，總之一切能對繼續(xù)活動起阻礙作用的地方，都是應力高度集中的部位，所以這些地方常成為強震發(fā)生的特殊部位。

⑵局部構造應力集中區(qū)的發(fā)育與活斷層的關系活斷層或活動斷塊的特定部位，往往形成很高的局部構造應力集中地區(qū)。(對照圖2-23講解)第34頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三第35頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三第36頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.3.3地應力隨時間變化與地殼巖應變速率的關系

⑴地殼巖體的應力-應變性狀與應變速率間的關系。伊藤、熊谷等人的研究表明：巖體的應變速率是決定粘彈性介質力學性狀的主要因素。當應變速率C小于某臨界值C0時(對于實驗的花崗巖C0=10-13—10-14/S)，巖體在受力初期隨應變的增大而發(fā)生應力積累，但當應力增大到一定程度時，應力就不再增大，而變形則不斷增大，即進入粘性流動階段，但不發(fā)生破壞。但當C大于C0時，則巖體的性狀近于彈性，即隨著應變的發(fā)展，巖體內的應力不斷增大，最終導致突然的破壞。

第37頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三在統(tǒng)一的區(qū)域構造力的作用下，巖體內部的應變速率和沿斷裂帶的應變速率通常是不同的，一般是前者小于后者。在天然條件下就可能出現(xiàn)三種不同的組合情況。

①當區(qū)域構造力的作用使巖體的應變速率CR大于臨界應變速率C0時（此時CF必然大于C0），地殼巖體整個處于彈性狀態(tài)，隨著變形的發(fā)展，巖體內部及沿斷裂帶的應力不斷增高，達到一定程度發(fā)生破壞。破壞即可沿已有的斷裂發(fā)生，也可在巖體內部發(fā)生，歷史上巖石圈遭受強烈運動時會出現(xiàn)這種情況。據計算，在30km深度C=10ˉ13/s的應變速率，大體相當于地表隆起速度為5cm/a。第38頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三

(2)當區(qū)域構造力的作用使巖體的應變速率CR介于C0和某一臨界值Ca(相當于使巖體內方向有利的斷裂帶的CF=C0時（此時CR

<C0）的巖體應變速率，見圖2—28(a))之間，即C0>CR>Ca。(如圖2—28(a)中的②區(qū))時，則巖體本身的力學性狀與斷裂帶不同：巖體本身，因其應變速率CR<C0，故隨應變、應力的發(fā)展很快進入粘性變形階段，沿最大受力方向產生粘性的壓縮變形，垂直于最大主應力方向則產生伸長和隆起，而不發(fā)生破壞；方向有利的斷裂帶內，因其應變速率CF>C0，而具彈性性狀，應力隨形變的發(fā)展不斷增高，最終發(fā)生破裂，導致再活動，引起地震。日本列島地區(qū)地形變和斷裂新活動性的發(fā)展就是在這樣的背景條件下發(fā)生的。第39頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三這也是所有構造新活動區(qū)所具有的共同特征。一些地震活動強烈地區(qū)的地表隆升速度的資料表明，地殼隆升速率大于或等于2mm/a的可能屬于這類地區(qū)。（3）區(qū)域構造力的作用微弱，致使巖體的應變速率CR<Ca。在這樣的條件下，由于巖體本身及斷裂帶的應變速率均低于臨界應變速率C0(如圖2—28(a)中的③區(qū))

，故這類地區(qū)的特點應是以地殼隆升或沉降為標志的地形變微弱，無活斷層發(fā)育，故代表著現(xiàn)代構造穩(wěn)定區(qū)的情況。第40頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三第41頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.4地殼表層巖體應力狀態(tài)的復雜性2.4.1地殼表層巖體應力分布的規(guī)律2.4.1.1垂直應力的分布世界各地實測應力資料的統(tǒng)計表明，不同地區(qū)地殼表層巖體垂直應力隨深度的分布，通常有如下關系：σv=A+γh（γ大體相當于巖體的平均容重，A為常數）我國地殼表層巖體內垂直應力隨深度的分布也大體上與國外統(tǒng)計結果相一致。表2-3我國σv/γh比值統(tǒng)計資料σv

/γh<0.80.8-1.2>1.2所占百分比13.717.360第42頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三從統(tǒng)計關系可以看出：地表表層巖體內的垂直應力成分主要由上覆巖層自重所引起，即隨深度而線性增大，且其增長率相當于巖體的平均容重；大多數地區(qū)，在遭受區(qū)域性剝蝕的過程中，由于垂向卸荷不徹底而保存一部分剩余自重應力，公式中常數項的存在就表明了這一點。2.4.1.2水平應力的分布及應力狀態(tài)的類型

從已有的實測資料分析，有如下規(guī)律： 水平應力分量的各向異性，即σh2/σh1不等于1，其比值介于0.5-0.75之間。第43頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三平均水平應力的分布及應力狀態(tài)的的類型：平均水平應力隨深度而增大，并可區(qū)分三種情況：a.σh<σv沉積物沉積后未受構造擾動或僅受輕微構造作用或明顯遭受側向卸荷影響的巖體具有這種應力狀態(tài)。（σ1垂直,重力場）；b.σh=σv近期未受構造擠壓的深部塑性變形區(qū)或某些具有高塑性的沉積巖層，N=1，靜水應力分布；c.σh>σv分布較為普遍，σ1、σ3水平或垂直，N>1或<1。（

σ2垂直，水平應力場）2.4.1.3局部地帶的應力異常分布在斷層及一些剪切帶附近垂直應力及水平應力隨深度的分布明顯高于同深度的其它地帶，正是這種異常往往導致誘發(fā)地震的產生。第44頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.4.1.4淺部與深部應力狀態(tài)的差異已有的資料表明，近地表的淺部和較深部的應力狀態(tài)有時明顯不同。導致這種差異的原因有：a.地表切割所引起的側向卸荷和河谷臨空面附近的應力重分布作用往往會使地表附近巖體的應力在量值和方向上變化很大，從而導致深淺部的不同；b.各應力分量隨深度的變化梯度不同，從而導致深淺部應力狀態(tài)的差異.第45頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.4.2地表高應力區(qū)及其地質地貌標志研究表明，高應力區(qū)在地表地質地貌上有明顯的表現(xiàn)。因此，通過地質地貌研究可以揭示是否高應力區(qū)的存在。2.4.2.1天然條件下高水平應力釋放有關的淺表生時效變形現(xiàn)象

（1）隱爆 最早發(fā)現(xiàn)于美國南安大略省，其表現(xiàn)為近地表出現(xiàn)細長的隆褶或類似低角度逆斷層的斷隆，一般高度較小，而延伸長度較大。最早稱之為隆爆（POP-UP）現(xiàn)象。第46頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三第47頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三其發(fā)育特征有：a.發(fā)育在強度和厚度都不太大的近水平層狀巖層中；b.隆爆軸與實測最大主應力基本垂直C.絕大多數隆爆都是該區(qū)大陸冰川消退不久的產物。分析認為這種現(xiàn)象乃是該區(qū)地表巖體中的一種與高水平應力釋放有關的表生時效變形現(xiàn)象。導致這種高水平應力則是由構造應力及大陸冰川加載后的卸荷作用共同導致的。第48頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三（2）蓆狀裂隙在出露于地表的侵入巖體中，廣泛見于一種近地表平行分布的區(qū)域性裂隙發(fā)育，通常上部較密，向下逐漸變稀疏，即蓆狀裂隙。這是區(qū)域性卸荷剝蝕的結果。（解釋：初始為深部靜水應力狀態(tài)，隨著侵蝕，垂直應力減少，應力差逐漸增大，當超過巖體極限事，形成水平破裂。第49頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三（3）谷下水平卸荷裂隙及谷坡內水平剪切蠕動變形帶 大量的勘察資料表明，在高地應力區(qū)內的較開闊的河谷經常有一系列開口良好，透水性很強的卸荷裂隙，特別是當最大主應力與河段走向垂直時，這種卸荷裂隙尤為發(fā)育。它們多沿已有的層面或斷裂結構面發(fā)育而成。因此，這種裂隙最易產生于近水平產出的沉積巖分布區(qū)或緩傾角裂隙發(fā)育的巖漿巖分布區(qū)。發(fā)育在谷坡內的水平剪切蠕動變形帶是高地應力區(qū)常見的；另一種應力釋放類型產生時效變形現(xiàn)象是河谷形成的不同階段，由差異回彈導致的沿坡角附近已有平緩結構面發(fā)生的減速型剪切蠕動變形的產物。第50頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三（4）應力釋放型的深大拉張變形帶一些地段的谷坡后緣發(fā)育有深大的拉裂縫及拉張斷陷帶。這類拉張變形帶以其規(guī)模大，延伸方向穩(wěn)定和發(fā)育面深區(qū)別于通常的卸荷裂隙。2.4.2.2與鉆進有關的巖體應力釋放及伴生現(xiàn)象（1）巖心餅化現(xiàn)象

鉆進過程中巖心裂成餅狀的現(xiàn)象是高地應力區(qū)所特有的巖體力學現(xiàn)象。這種現(xiàn)象有幾個方面的共性：a.所有的餅狀巖心在形態(tài)上均有其共同特征：巖餅的厚度與巖心的直徑有一定的關系，一般約為直徑的1/4到1/5，所以不同的鉆孔，只要孔徑相同，巖餅的厚度就大致相近；所有巖餅的表面均為新鮮破裂面，而且邊緣部分粗糙，多數內部隱約見有順槽，或沿一個方向的擦痕與之正常的拉裂坎。第51頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三b.餅狀巖心是鉆進過程中差異卸荷回彈的產物，破裂主要發(fā)生在一定高度的巖心根部，是由拉張和復合機制導致的。c.餅狀巖心的產生需具備特定的巖體力學條件：彈性高，儲能條件好的巖性條件，如火成巖；整體塊狀的巖體結構條件；高地應力條件，最大主應力在30MPa以上。(2)鉆孔崩落現(xiàn)象：研究發(fā)現(xiàn)，一些鉆孔的孔徑不是園的，而呈橢圓型，長短軸之差可達3-18cm。觀察表明，這種孔徑的增大是由于孔壁局部破損崩落所致，即鉆孔崩落。第52頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三進一步研究發(fā)現(xiàn)：破裂首先出現(xiàn)于孔壁應力集中程度最高的部位；破壞域側向角的大小主要受巖石的強度參數及水平應力的控制。第53頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三第54頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.4.2.3與開挖卸荷及應力釋放相聯(lián)系的巖體變形破壞現(xiàn)象及研究意義開挖往往引起巖體內一系列卸荷回彈和應力釋放相關聯(lián)的變形破壞現(xiàn)象：采場及基坑底部的隆爆；邊坡及邊墻向臨空方向的水平位移和沿已有的近水平的結構面發(fā)生剪切錯動；邊坡、邊墻巖體的傾倒；地下硐室、巷道的變形與破壞等這些變形和破壞不僅會惡化建筑物場地的工程地質條件，有時還會對建筑物造成直接危險。在各個方向的開挖中，垂直于最大主應力的地表、地下開挖，引起的變形和破壞最為強烈。第55頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三

2.5巖體應力和區(qū)域應力場研究

鑒于天然應力狀態(tài)復雜性，為了從定性、定量兩個方面闡明一個地區(qū)天然應力狀態(tài)的總體特征，一般采用下述途徑：以地質、地貌方法研究該區(qū)構造應力場的演化歷史和現(xiàn)今應力場基本特征；在此基礎上，選擇一些有代表性的地點進行應力測定；以這些實測應力資料和已掌握的應力集中區(qū)的發(fā)育分布規(guī)律，對區(qū)域構造應力場進行數值模擬研究，并根據反演分析結果建立區(qū)域應力場的定量化模型。第56頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.5.1構造應力場的演化歷史和現(xiàn)今地應力場的基本特征的地質地貌研究（1）構造應力場演化歷史研究通過地質力學方法通過斷層錯動機制解的赤平投影解釋（2）現(xiàn)今地應力場基本特征研究研究方法：斷層錯動機制解地質地貌方法新斷裂網絡地質地貌分析法地震震源機制解第57頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三

所謂新斷裂是指最新構造應力場下形成與發(fā)展的斷裂。在一定區(qū)域內，不同性質的新斷裂往往構成一定形式的網絡。構成新斷裂網絡的成分包括一對共軛的剪切面，一組壓性結構面和一組張裂面，其中后二者一般發(fā)育較差。共軛剪列面大多數表現(xiàn)為兩組區(qū)域性剪裂隙，該裂隙陡傾且彼此近于正交。奧地利學者認為這類區(qū)域性剪裂隙是在蠕動條件下沿最大剪應力跡線形成的。這一對共軛剪裂面常常是新斷裂網絡中的基本成分，且其銳角等分線就是區(qū)域最大主應力方位。第58頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.5.1.3區(qū)域巖體應力積累和程度的研究（1）歷史上各時期及當代地殼隆升的速度和高度：通過層狀地貌進行詳細研究（剖面測量和測年），求出抬升速率和幅度；在此基礎上，以地殼巖體應變速率的變化趨勢，結合歷史時期的斷裂活動情況，總體上判明當前區(qū)內巖體應力積累和程度。（2）區(qū)內應力集中條件和應力集中區(qū)的分布：取決于巖性和構造部位；（3）可以作為高應力區(qū)標志的地質、地貌現(xiàn)象的發(fā)育歷史和分布：如河谷強烈的卸荷回彈、巖餅、基坑、平硐中的巖爆和其它強烈變形現(xiàn)象。第59頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.5.2巖體應力測量目前巖體應力測量的方法很多，分類也不盡一致，但歸納起來可分為直接測試法和間接測試法兩類：巖體應力測試方法直接測試法間接測試法應力恢復法應力解除法水力壓裂法（水壓致裂法）鉆孔崩落法定向巖心非彈性應變恢復法凱塞爾效應測試法第60頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.5.2.1應力恢復法（stress-recoverymethod)

當巖體應力被解除后，通過施加壓力，使巖體恢復到原來的狀態(tài)，以求得巖體應力解除時的應力值。其優(yōu)點是當決定巖體的應力時，不需測定巖體的應力應變關系第61頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.5.2.2應力解除法（stress-reliefmethod)：在擬測點附近的一個小巖石單元周圍切割出的一個“槽子”，使得這一小部分巖體不再承受旁側巖體傳來的應力。從刻槽前裝置好的儀器測出由于這種應力解除而引起的應變。并根據有關巖石已知的應力—應變關系換算出解除前巖體內的應力。以其精度高、測值穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，被廣泛應用于巖土工程設計、礦產開采、地震研究等方面。壓磁全應力解除法實現(xiàn)了單孔測量三維地應力，它克服了一般應力解除測量法對巖石條件要求高、野外測量工序復雜、工期長、費用高等缺點，可實現(xiàn)垂直孔深0～100米的三維地應力測量。該方法最大的優(yōu)點是能夠精確測得三維主應力的大小和方向，以及可以在狹窄的坑道內完成測量。第62頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三圖3-28應力解除法布置圖1.刻痕；2.電阻片的布置圖3-29鉆孔內應力解除法第63頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.5.2.3水壓致裂法(hydraulicfracturingmethod)通過鉆孔向地下某深度處的測點段壓液，用高壓將孔壁壓裂，然后根據破壞壓力、關閉壓力和破裂面的方位，計算和確定巖體內各主應力的大小和方向。該法能有效地利用已有鉆孔進行深部地應力測試，且具有操作簡便、無須知道巖體力學參數等優(yōu)點，已被廣泛應用于水電工程設計、鐵路、公路的隧道選線、場地穩(wěn)定性評價、核廢料處理以及地學研究等領域。應用該測試方法，可以得到垂直于鉆孔平面的最大和最小應力的大小和方向。對于垂直鉆孔，由不同深度的測試數據，可得到最大和最小水平主應力隨深度變化規(guī)律。對三個或三個以上的交匯鉆孔進行測試，經過數據處理計算得到測點附近的三維應力狀態(tài)。第64頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.5.2.4鉆孔測量崩落測量法：

研究表明鉆孔崩落現(xiàn)象是由孔壁應力集中部位的局部破壞引起的，且崩落的長軸垂直區(qū)內水平最大主應力方向，而崩落域側向角（θb）及破壞應力比（σH/σh）的大小則主要與巖石的性質及水平最小主應力有關。由此可以求出該區(qū)水平最大、最小主應力的方向及大小。步驟如下：(1)詳細測量區(qū)內的鉆孔崩落現(xiàn)象，并根據崩落域的長軸展布確定該區(qū)水平最大主應力和最小主應力。

(2)按照實際的巖體條件進行模擬試驗，求得θb—σh直線關系(圖2—50)，并根據實測的σb求出區(qū)內的水平最小主應力(σh)的量值。

(3)根據σh及實測的C0，利用圖2—51即可得出區(qū)內水平最大主應力(σH)的大小。第65頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2.5.2.5定向巖心非彈性應變恢復測量法：

1．基本原理實測結果表明，巖石應變恢復的性狀(圖2—52)有如下主要特征：(1)巖石的總應變恢復量(ε)是由彈性應變恢復(ε′)和非彈性應變恢復(ε″)兩部分所組成，且整個應變恢復的時間足夠長，約達30余小時。(2)在未發(fā)生非線性蠕變的條件下主應變恢復(無論是彈性的或是非彈性的)的軸向與主應力方向一致，即：ε1、ε′2、ε″3、與σl的方向一致，而ε3、ε′3、ε″3與σ3的方向一致，且ε1=ε′1+ε″1

ε3=ε′3+ε″3

第66頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三(3)如果發(fā)生非線性蠕變，則最大彈性應變恢復軸與最大非彈性應變恢復軸的方向將是不同的。此時，彈性應變恢復的軸向所反映的是較新的應力環(huán)境，而非彈性應變恢復的軸向所代表的則是較老的應力環(huán)境。但實測資料表明，出現(xiàn)非線性蠕變的情況是很少的。

(4)在整個應變恢復過程中，主應變比(無論是彈性或是非彈性的)與主應力比始終保持相等。第67頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三2．測量的方法及步驟(1)從鉆孔中取定向巖心。(2)在巖心內選三個不同方向的面，且在每個面上的三個不同方向上進行應變恢復測量(所得結果顯然是非彈性的)，然后根據測量資料計算三個主應變的方向及比值。如果有一個主應力是垂直的，且其大小等于上覆層的重量，則只在水平面內的三個不同方向上進行應變恢復測量，求得兩個水平主應變的方向及比值即可。(3)測量時應注意使巖心密封，以避免溫度及濕度變化對測量結果的影響。第68頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三

2.5.2.6凱塞爾（Kaiser）效應測量法

1.基本原理1950年，德國學者J.Kaiser發(fā)現(xiàn)受單向拉伸力作用的金屬材料，只有當應力達到并超過材料所受過的最大先期應力時才會開始有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象出現(xiàn)，這就是著名的凱塞爾效應。1963年，Goodman通過實驗證實巖石也具有凱塞爾效應，從而為應用這一技術測定巖體應力奠定了基礎。70年代末期以來，日，美、中學者對這一問題開展了廣泛的理論及實驗研究，先后解決了凱塞爾效應方向獨立性、三維地應力測量及試驗過程中噪聲的排除等問題，使凱塞爾效應在地應力測量領域已基本具有實用性。

第69頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三為了深入理解凱塞爾效應及其在地應力測量方面的應用，首先需對下述基本問題作簡要的討論。(1)巖石凱塞爾效應的微觀機理研究表明，巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象實際上是來源于其內部顯微缺陷的受力擴展，而巖石的每一次受力，都會使其內部組織結構產生與荷載大小及方向相適應的顯微破裂系統(tǒng)，再次加載時，如果荷載小于先期荷載，則先期形成的缺陷不會發(fā)生進一步破裂，因此也就幾乎沒有聲發(fā)射出現(xiàn)，—·旦荷載達到并超過先期荷載，，已有的裂紋即將進一步擴展，聲發(fā)射隨之開始大量持續(xù)出現(xiàn)，這就是凱塞爾效應的基本機理。

第70頁，共77頁，2023年，2月20日，星期三(2)巖石凱塞爾效應對地應力的記憶功能已有的研究認為，通過凱塞爾效應所測得的是巖體在地質歷史時期內所遭受過的最大應力。如果確是這樣，實際上就無法利用凱塞爾效應來解決現(xiàn)今地應力的測量問題，因為在遭受過構造變動，且有斷裂發(fā)育的地區(qū)，任何一部分巖體當時都遭受過很大的，甚至是接近其破裂強度的應力。但是，一系列實測資料表明，利用凱塞爾效應測得的巖體應力遠小于該巖體的破裂強度，而與用套鉆法測得的現(xiàn)今巖體應力十分接近(表2—10)o對于為什么出現(xiàn)這種矛盾現(xiàn)象，以往的研究也未能加以闡明。通過對已有實測資料的深入分析，我們發(fā)現(xiàn)凱塞爾效應實際上只能記憶挽近時期的應力；而