地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)環(huán)境與土木工程學(xué)院地質(zhì)工程系2007年9月本章學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求掌握巖體應(yīng)力等基本概念；

理解地表巖體應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性，了解大地應(yīng)力場(chǎng)的特征及分布規(guī)律；理解地殼巖體的應(yīng)力—應(yīng)變特征與應(yīng)變速率的關(guān)系，臨界應(yīng)變速率的概念；地應(yīng)力隨時(shí)間變化的一般規(guī)律；掌握利用大地應(yīng)力場(chǎng)特征判定一個(gè)地區(qū)可能產(chǎn)生的最新活動(dòng)斷裂的運(yùn)動(dòng)方向和錯(cuò)動(dòng)方式；掌握巖體天然應(yīng)力狀態(tài)與地區(qū)地質(zhì)條件和巖體的地質(zhì)歷史的關(guān)系，天然應(yīng)力比值系數(shù)N的概念，河谷附近應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中的一般規(guī)律，不連續(xù)面附近應(yīng)力集中的一般規(guī)律，地表高應(yīng)力場(chǎng)的判別標(biāo)志；理解巖體切割面附近的殘余應(yīng)力的成因及其效應(yīng)；了解巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的研究和評(píng)價(jià)方法。本章學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求學(xué)習(xí)重點(diǎn)：（1）地表巖體應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性；（2）殘余應(yīng)力的成因及其效應(yīng)；（3）巖體應(yīng)力-應(yīng)變性狀與應(yīng)變速率的關(guān)系。本章重點(diǎn)及難點(diǎn)學(xué)習(xí)難點(diǎn)：（1）地表巖體應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性，不僅表現(xiàn)在其大小、方向不同，還表現(xiàn)在其空間變化和隨時(shí)間的變化。（2）殘余應(yīng)力效應(yīng)，特別是在自由臨空面附近，差異性巖體卸荷是造成殘余應(yīng)力的主要原因，并造成了臨空面附近復(fù)雜的淺生和表生時(shí)效變形現(xiàn)象。本章重點(diǎn)及難點(diǎn)2.1基本概念及研究意義主要介紹以下三方面內(nèi)容:2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的類型2.1.3研究巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的意義

地殼巖體內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)，是指未經(jīng)人為擾動(dòng)的，主要是在重力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的綜合作用下，有時(shí)也在巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿侵入等的作用下所形成的應(yīng)力狀態(tài)，常稱為天然應(yīng)力或初始應(yīng)力。人類從事工程活動(dòng)，在巖體天然應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)，因挖除部分巖體或增加結(jié)構(gòu)物而引起的應(yīng)力，稱為感生應(yīng)力。2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念按成因，對(duì)構(gòu)成巖體應(yīng)力的各組分作如下分類：

天然應(yīng)力或初始應(yīng)力（virginalstress）

自重應(yīng)力（gravitationalstress）

構(gòu)造應(yīng)力（tectonicstress）

活動(dòng)的（activetectonicstress）剩余的（residualtectonicstress）

變異及殘余應(yīng)力（alteredandresidualstress）

感生應(yīng)力（inducedstress）

2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念自重應(yīng)力

在重力場(chǎng)作用下生成的應(yīng)力為自重應(yīng)力。地表近水平時(shí)，重力場(chǎng)在巖體內(nèi)的某一任意點(diǎn)形成相當(dāng)于上覆巖層重量的垂直正應(yīng)力σv：

σhhσv地面

σv

=γh式中：γ為巖石的容重；h為該點(diǎn)的埋深；σv相當(dāng)于該點(diǎn)三向應(yīng)力中的最大主應(yīng)力。2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念另外，由于泊松效應(yīng)（即側(cè)向膨脹）造成水平正應(yīng)力σh，相當(dāng)于三向應(yīng)力中的最小應(yīng)力：式中：μ為泊松比，N0稱為側(cè)壓力系數(shù)。對(duì)大多數(shù)堅(jiān)硬巖體：μ為0.2～0.3，即N0為0.25～0.43。對(duì)于半堅(jiān)硬巖體:N0大于0.43，且當(dāng)上覆荷載大，下伏巖體呈塑流時(shí)，μ接近0.5，N0近于1，及近似于靜水應(yīng)力狀態(tài)。2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念構(gòu)造應(yīng)力地殼運(yùn)動(dòng)在巖體內(nèi)形成的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。可分為活動(dòng)的構(gòu)造應(yīng)力和剩余的構(gòu)造應(yīng)力兩類。

活動(dòng)的構(gòu)造應(yīng)力，即狹義的地應(yīng)力：地殼內(nèi)現(xiàn)在正在積累的能夠?qū)е聨r石變形和破裂的應(yīng)力。（與區(qū)域穩(wěn)定與巖體穩(wěn)定密切相關(guān)）

剩余的構(gòu)造應(yīng)力：是古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘留下來(lái)的應(yīng)力。對(duì)于這種應(yīng)力是否存在有不同的認(rèn)識(shí)。根據(jù)應(yīng)力松弛觀點(diǎn)，認(rèn)為在一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的數(shù)萬(wàn)年后，該次構(gòu)造應(yīng)力因松弛效應(yīng)而不復(fù)存在。但在加拿大地盾蘇必湖地區(qū)的應(yīng)力實(shí)測(cè)資料顯示，剩余構(gòu)造應(yīng)力仍然十分明顯。2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念變異及殘余應(yīng)力

變異應(yīng)力：巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿的侵入等引起的應(yīng)力。具體來(lái)說(shuō)是巖體的物理狀態(tài)、化學(xué)性質(zhì)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(yīng)力。這類應(yīng)力均是由巖體的物理狀態(tài)、化學(xué)性質(zhì)或賦存條件等方面發(fā)生變化應(yīng)起的，通常只具有局部意義。殘余應(yīng)力：承載巖體遭受卸荷或部分卸荷時(shí)，巖體中某些組分的膨脹回彈趨勢(shì)部分地受到其它組分的約束，于是就在巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成殘余的拉、壓應(yīng)力自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，此即殘余應(yīng)力。2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念

地殼巖體的應(yīng)力狀態(tài)取決于該地區(qū)的地質(zhì)條件和巖體所經(jīng)歷的地質(zhì)歷史。對(duì)此問(wèn)題的看法，目前主要有三種觀點(diǎn)：（1）“靜水應(yīng)力式”分布的觀點(diǎn)由瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆于1905-1912年提出，他以巖體具有蠕變的性能為依據(jù)，認(rèn)為地殼巖體內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力都是各向相等的，均等于上覆巖層的自重，即：

σx=σy=σv=γh這一假說(shuō)適用于某些局部條件，如中歐地區(qū)強(qiáng)烈構(gòu)造變形的沉積巖、阿爾卑斯山深埋隧道巖體中的應(yīng)力狀態(tài)。2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的類型（2）垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)基于彈性理論提出的，認(rèn)為巖體內(nèi)的應(yīng)力主要是重力場(chǎng)作用下形成的自重應(yīng)力。垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力可按下式確定。

σv=γh

這一假說(shuō)由于缺乏對(duì)地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多樣性的了解，僅適用于某些局部條件，2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的類型（3）水平應(yīng)力為主的觀點(diǎn)早在上世紀(jì)二十年代，我國(guó)著名地質(zhì)學(xué)家李四光教授就指出，地殼運(yùn)動(dòng)以水平運(yùn)動(dòng)為主，地應(yīng)力場(chǎng)是以水平應(yīng)力為主導(dǎo)的。到五十年代，瑞典學(xué)者N.哈斯特通過(guò)在芬-斯地塊的礦山巖體應(yīng)力測(cè)量工作，證實(shí)該地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主。

近年來(lái)，大量的震源機(jī)制資料和應(yīng)力實(shí)測(cè)資料清楚地揭示出地殼巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)存在著不同的類型，主要包括以下三種典型情況：2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的類型中間主應(yīng)力σ2近于垂直，最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3近于水平。在這種應(yīng)力狀態(tài)下，地殼巖體的破壞形式必然是沿走向與最大主壓應(yīng)力成約30°～40°左右交角的陡立面產(chǎn)生走向滑動(dòng)性的斷裂活動(dòng)，此類三向應(yīng)力狀態(tài)稱為潛在走向滑動(dòng)型。2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的類型最小主應(yīng)力軸σ3近于垂直，最大主應(yīng)力σ1與中間主應(yīng)力σ2軸近于水平。 在此種應(yīng)力狀態(tài)下，地殼巖體的破壞形式必然是逆斷型的，即沿走向與最大主應(yīng)力垂直的剖面X裂面產(chǎn)生逆斷活動(dòng)，故可稱為潛在逆斷型。喜馬拉雅山的前緣地區(qū)屬于這種類型。2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的類型2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的類型應(yīng)力場(chǎng)中的最大主應(yīng)力軸σ1垂直，其余兩主應(yīng)力水平分布。此應(yīng)力狀態(tài)下，地殼巖體的破壞形式必然是沿走向與最小主應(yīng)力軸相垂直的面，發(fā)生正斷性質(zhì)的活動(dòng)，故可稱為潛在正斷型。我國(guó)青藏高原中部存在這種類型。地處大洋中脊軸部地帶的冰島地區(qū)測(cè)得的應(yīng)力狀態(tài)就是這種類型。上述為三種典型情況，大多數(shù)地區(qū)接近其中某一種，有些地區(qū)應(yīng)力狀態(tài)屬主應(yīng)力軸傾斜的過(guò)渡類型。總之大量實(shí)測(cè)資料表明，世界上大多數(shù)地區(qū)巖體內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)是以水平應(yīng)力為主。這就足以證明，構(gòu)造因素在地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)的形成中起著主導(dǎo)作用。

2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的類型

地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)與人類的工程活動(dòng)關(guān)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(duì)各類建筑物的設(shè)計(jì)和施工造成直接的影響。越來(lái)越多的研究資料表明，在高巖體應(yīng)力區(qū)，地表、地下工程施工期間所進(jìn)行的巖體開挖工作，往往能在巖體內(nèi)引起一系列與卸荷回彈和應(yīng)力釋放相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象，其結(jié)果是不僅會(huì)惡化地基或邊坡巖體的工程地質(zhì)條件，而且作用的本身有時(shí)也會(huì)對(duì)建筑物造成直接的危害。地表開挖導(dǎo)致的巖體變形和破壞主要有以下幾種類型：2.1.3研究巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的意義（1）基坑底部的隆起、爆裂和沿已有結(jié)構(gòu)面的逆沖錯(cuò)動(dòng)。2.1.3研究巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的意義（2）邊墻向臨空方向的水平位移和沿已有的近水平的結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)。

2.1.3研究巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的意義（3）邊墻或邊坡巖體的傾斜

地下開挖產(chǎn)生的巖體變形和破壞也有不同的類型：

拱頂裂縫掉塊邊墻內(nèi)鼓張裂底鼓及中心線偏移施工導(dǎo)坑縮徑

2.1.3研究巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的意義都汶路龍溪隧道拱頂塌落洞頂及洞壁垮塌洞壁內(nèi)鼓2.1.3研究巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的意義

此外，修建高壩、大型水庫(kù)和深大的地下硐室等，常能在更大范圍內(nèi)破壞巖體內(nèi)天然應(yīng)力的平衡，引起一系列諸如斷層復(fù)活、水庫(kù)地震以及大型巖爆等嚴(yán)重危害建筑物和人民生命財(cái)產(chǎn)的工程地質(zhì)作用。所以，對(duì)于天然巖體應(yīng)力狀態(tài)的研究，是工程地質(zhì)工作者的一項(xiàng)重要任務(wù)。2.1.3研究巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的意義2.2影響巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的

主要因素及其作用主要從以下三方面進(jìn)行討論:2.2.1與地區(qū)地質(zhì)條件及巖體所經(jīng)歷的地質(zhì)歷史的關(guān)系2.2.2巖體內(nèi)自由臨空面附近的應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用2.2.3巖體切割面附近的殘余應(yīng)力效應(yīng)（1）巖體的巖性及結(jié)構(gòu)特征對(duì)天然巖體應(yīng)力狀態(tài)形成的影響巖體的巖性及結(jié)構(gòu)特征決定著巖體的容重（γ）和泊松比（μ）等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的大小，從而影響自重應(yīng)力場(chǎng)特征（σv=γh

）。在統(tǒng)一區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖體內(nèi)應(yīng)力分布的特征主要取決于巖性、結(jié)構(gòu)特征及其非均一性。巖體的巖性和結(jié)構(gòu)特征決定著巖體的強(qiáng)度及其蠕變特征，因而決定了巖體承受及傳遞應(yīng)力的能力。2.2.1巖體天然應(yīng)力狀態(tài)與地區(qū)地質(zhì)條件及巖體所經(jīng)歷的地質(zhì)歷史的關(guān)系（2）構(gòu)造作用及其演變歷史對(duì)巖體天然應(yīng)力狀態(tài)形成的影響構(gòu)造作用及其演化歷史，是決定地殼巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的最主要因素。

研究資料表明，與活動(dòng)的構(gòu)造應(yīng)力相聯(lián)系的地應(yīng)力，呈現(xiàn)有規(guī)律的變化；而與剩余構(gòu)造應(yīng)力相聯(lián)系的地應(yīng)力，則取決于局部構(gòu)造，且較為雜亂。2.2.1巖體天然應(yīng)力狀態(tài)與地區(qū)地質(zhì)條件及巖體所經(jīng)歷的地質(zhì)歷史的關(guān)系（3）區(qū)域卸荷作用對(duì)地殼表層巖體應(yīng)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巖體內(nèi)的水平應(yīng)力方面有著重要的作用。例如，對(duì)于未受明顯構(gòu)造擾動(dòng)的侵入體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的形成，一般經(jīng)歷了兩個(gè)階段：首先是侵入階段，由于巖體呈熔融狀態(tài)侵入地下一定深處，故巖體中的應(yīng)力呈靜水應(yīng)力式分布。假定圖中AB為原始地面，則巖體內(nèi)任一深度h0+h處P點(diǎn)的應(yīng)為：

σh=σv=γ(h0+h)

2.2.1巖體天然應(yīng)力狀態(tài)與地區(qū)地質(zhì)條件及巖體所經(jīng)歷的地質(zhì)歷史的關(guān)系假定圖中AB為原始地面，則巖體內(nèi)任一深度h0+h處P點(diǎn)的應(yīng)為：

σh=σv=γ(h0+h)2.2.1巖體天然應(yīng)力狀態(tài)與地區(qū)地質(zhì)條件及巖體所經(jīng)歷的地質(zhì)歷史的關(guān)系

此后，巖體經(jīng)剝蝕而出露地表。隨著巖體剝蝕卸荷，巖體內(nèi)的應(yīng)力發(fā)生變化，但垂直應(yīng)力σv與水平應(yīng)力σh的變化幅度不同。假定剝蝕厚度為h0，則上述P點(diǎn)處的σv和σh

分別變?yōu)椋?/p>

σv=γ(h0+h)-γh0=γh

σh=γ(h0+h)-μ/(1-μ)×γh0

=γh-((1-2μ)/(1-μ))×γh0可見地表卸荷在增大侵入巖體內(nèi)水平應(yīng)力方面起了重要作用。但卸荷作用在巖體內(nèi)造成的高水平應(yīng)力不具方向，即σx=σy。所以和構(gòu)造作用造成的各向不等的水平應(yīng)力相區(qū)別。2.2.1巖體天然應(yīng)力狀態(tài)與地區(qū)地質(zhì)條件及巖體所經(jīng)歷的地質(zhì)歷史的關(guān)系促使巖體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜化的另一個(gè)重要因素，就是巖體內(nèi)自由臨空面附近的應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用。巖體內(nèi)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(guān)。2.2.2巖體內(nèi)自由臨空面附近的

應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用

與河谷下切相聯(lián)系的地表臨空面的形成，使得原來(lái)處于應(yīng)力平衡狀態(tài)的巖體因局部卸荷而向臨空方向膨脹回彈，從而導(dǎo)致臨空面附近巖體內(nèi)的應(yīng)力重分布。這一過(guò)程的特點(diǎn)，除與巖體的性質(zhì)有一定關(guān)系外，主要取決于巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)和臨空面的形態(tài)特征，故隨條件的不同而變化。作為變化的一般規(guī)律，主要有以下幾方面：（1）主應(yīng)力方向在河谷臨空面附近發(fā)生明顯的變化：最大主應(yīng)力與臨空面近于平行，而最小主應(yīng)力則與之近于垂直。2.2.2巖體內(nèi)自由臨空面附近的

應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用（2）最大主應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸增大，至臨空面達(dá)到最大值；最小主應(yīng)力則恰好相反，即由內(nèi)向外逐漸減少，至臨空面處變?yōu)榱悖袝r(shí)甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力。與此相聯(lián)系，剪應(yīng)力在臨空面附近，特別是在下部坡腳處，顯著增大。

（3）將最大主應(yīng)力（或剪應(yīng)力）在臨空面附近增大（或減少）的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中，將變化后的應(yīng)力與初始應(yīng)力之比稱為應(yīng)力集中系數(shù)。臨空面附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象，通常在坡腳處及河谷底部表現(xiàn)得最為強(qiáng)烈。2.2.2巖體內(nèi)自由臨空面附近的

應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用

因此，在高應(yīng)力區(qū)河谷臨空面附近的應(yīng)力集中，往往使周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力（特別是坡腳和谷底）超過(guò)其強(qiáng)度，巖體發(fā)生破裂變形，生成各類表生結(jié)構(gòu)面。而表層巖體內(nèi)的應(yīng)力又因釋放而降低，圍繞河谷臨空面形成一個(gè)應(yīng)力降低帶，高應(yīng)力集中區(qū)則向巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移。

值得一提的是，由于現(xiàn)代地應(yīng)力場(chǎng)中的水平應(yīng)力強(qiáng)度各向不等，不同走向的河谷，巖體應(yīng)力集中程度差異較大。垂直于最大主應(yīng)力的河谷段，臨空面附近的應(yīng)力集中程度要比平行于最大主應(yīng)力的河谷段高得多。各種變形、破裂現(xiàn)象大多集中發(fā)育在垂直于最大主應(yīng)力的河谷段。2.2.2巖體內(nèi)自由臨空面附近的

應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用

雅礱江錦屏一級(jí)電站河谷巖體應(yīng)力分布圖最大主應(yīng)力分布最大剪應(yīng)力分布2.2.2巖體內(nèi)自由臨空面附近的

應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用

非均質(zhì)的承載巖體在卸荷情況下，由于其各組成單元力學(xué)性狀的不同，往往分異為兩類彈性特征截然不同的力學(xué)“元件”。那些原來(lái)處于強(qiáng)烈彈性變形狀態(tài)的單元，總是力圖膨脹回彈，以“改善”自身的“受壓”狀態(tài)。但是，這類彈脹元件的應(yīng)力松弛趨勢(shì)，通常受到另一類未遭彈性變形或彈性微弱從而發(fā)展為“約束元件”單元的牽制。這樣，“彈脹元件”內(nèi)的壓應(yīng)力只能部分釋放，同時(shí)在“約束元件”內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力?！皬椕浽眱?nèi)壓應(yīng)力降低和“約束元件”內(nèi)拉應(yīng)力增大的過(guò)程持續(xù)發(fā)展，直到整個(gè)體系達(dá)到殘余壓應(yīng)力和殘余拉應(yīng)力的平衡。2.2.3巖體切割面附近的

殘余應(yīng)力效應(yīng)

模型Ⅰ表示的是兩長(zhǎng)一短的彈簧被同時(shí)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(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力；而B彈簧則因處于引張狀態(tài)而產(chǎn)生拉應(yīng)力。體系內(nèi)上述兩類應(yīng)力的總和彼此相等，故而整個(gè)體系在外荷載為零的情況下處于內(nèi)力平衡狀態(tài)。

非均質(zhì)承載巖體卸荷后，其內(nèi)部形成的這種自我平衡的殘余應(yīng)力體系，可用力學(xué)模型Ⅰ及Ⅱ加以形象說(shuō)明。模型I2.2.3巖體切割面附近的

殘余應(yīng)力效應(yīng)

然而，天然巖體大多是粘-彈性介質(zhì)，更符合于模型Ⅱ所示的沃依特流變模型。它與模型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(shí)間的推移，其內(nèi)部的拉應(yīng)力將不斷降低，從而導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)力體系的松弛。所以，從整體來(lái)看，這類殘余應(yīng)力體系始終處于內(nèi)力緩慢降低的動(dòng)平衡之中。

力學(xué)模型II2.2.3巖體切割面附近的

殘余應(yīng)力效應(yīng)由以上分析可見，在自我平衡的殘余應(yīng)力體系中，起主導(dǎo)作用的是約束元件，正是由于它的存在，殘余應(yīng)力的形成才成為可能。“約束元件”一旦喪失其約束能力（例如當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)），束縛于體系內(nèi)的殘余應(yīng)變能就會(huì)突然而猛烈地以膨脹回彈和生成垂直于卸荷方向的引張破裂面的方式釋放出來(lái)，對(duì)以該巖體為地基或環(huán)境的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生影響或危害。2.2.3巖體切割面附近的

殘余應(yīng)力效應(yīng)

從地質(zhì)條件來(lái)看，能夠在卸荷后產(chǎn)生殘余應(yīng)力的巖體條件有多種情況。以下主要介紹兩種主要類型：

（1）在承載條件下被膠結(jié)起來(lái)的顆粒體系，如砂巖、礫巖等。

在初始條件下，顆粒內(nèi)部和膠結(jié)物中的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)顯著不同。前者因承受很大的壓應(yīng)力而儲(chǔ)存較高的彈性應(yīng)變能，后者則處于微弱的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)。這類巖體卸荷后，處于高應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的顆粒體系的膨脹回彈趨勢(shì)，受到不具膨脹回彈特性的膠結(jié)物的約束，只能部分地回彈和部分釋放應(yīng)力。隨此過(guò)程的持續(xù)發(fā)展，顆粒體系內(nèi)的壓應(yīng)力逐漸降低，膠結(jié)物中則不斷發(fā)展拉應(yīng)力，直至在約束和被約束單元間形成達(dá)到殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力的平衡。2.2.3巖體切割面附近的

殘余應(yīng)力效應(yīng)

（2）巖體組成單元的強(qiáng)度和變形性能各不相同，承載后強(qiáng)度高的單元只能發(fā)生彈性變形，而強(qiáng)度較低的單元除彈性變形外還產(chǎn)生了部分塑性變形。這類承載巖體卸荷后，殘余應(yīng)力形成機(jī)制和過(guò)程如下圖所示。單元1和2表示二個(gè)相互牢固結(jié)合（膠結(jié)或結(jié)晶聯(lián)結(jié)）在一起的單元，前者強(qiáng)度高于后者。受力過(guò)程中它們的應(yīng)變相同均為e，單元1主要是彈性變形，單元2內(nèi)則發(fā)展部分塑性變形。卸荷后，若兩類單元都可以自由回彈（圖d）。但因二者牢固聯(lián)結(jié)，單元1的回彈受到單元2的約束。結(jié)果就在單元1和2中分別產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力和殘余拉應(yīng)力（圖e）。若單元1、2所代表的是二個(gè)形體較大且強(qiáng)度不同的巖體，此時(shí)二者界面上將產(chǎn)生殘余剪應(yīng)力（圖g）。2.2.3巖體切割面附近的

殘余應(yīng)力效應(yīng)

以上二類殘余應(yīng)力體系都是由于承載巖體組成單元間的力學(xué)性狀不同二造成的。

還有一類殘余應(yīng)力體系，是由于不均勻卸荷致使巖體不同部位發(fā)生差異回彈而引起的（如河谷臨空面附近）。其特點(diǎn)是一部分回彈可能性或回彈能力小的巖體以摩阻力的方式約束另一部分巖體的回彈趨勢(shì)，結(jié)果就在二者界面形成殘余剪應(yīng)力，而在兩側(cè)的巖體里分別產(chǎn)生殘余拉、壓應(yīng)力，一旦界面上的摩阻力由于某些原因被降低，巖體內(nèi)的殘余應(yīng)力就會(huì)以沿界面產(chǎn)生滑動(dòng)的方式，部分地或全部地釋放出來(lái)。2.2.3巖體切割面附近的

殘余應(yīng)力效應(yīng)2.3我國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布

及隨時(shí)間變化的一般規(guī)律主要介紹以下三方面內(nèi)容:2.3.1地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布及其與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系2.3.2斷裂帶附近的局部構(gòu)造應(yīng)力集中作用2.3.3地應(yīng)力隨時(shí)間變化與地殼巖體應(yīng)變速率的關(guān)系我國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布特點(diǎn)

2.3.1地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布

及其與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

（1）各地最大主應(yīng)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(diǎn)向我國(guó)的察隅和巴基斯坦的伊斯蘭堡聯(lián)線所構(gòu)成的夾角等分線方向相吻合或相近似，僅在兩側(cè)邊緣地帶略有偏轉(zhuǎn)，即東側(cè)向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，西側(cè)向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。（2）三向應(yīng)力狀態(tài)及其所決定的現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)類型呈有規(guī)律的空間分布：

潛在逆斷型應(yīng)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(diǎn)是兩個(gè)水平主應(yīng)力均大于垂直主應(yīng)力，屬?gòu)?qiáng)烈水平擠壓區(qū)。地殼物質(zhì)運(yùn)移方向主要是垂直向上。σ3垂直，σ1和σ2水平2.3.1地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布

及其與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

潛在走滑型應(yīng)力狀態(tài)區(qū)主要分布于我國(guó)中西部廣大地區(qū)，其主要特點(diǎn)是只有一個(gè)水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力，具中等擠壓區(qū)特征。地震多是由斷層走向滑動(dòng)所引起的，局部也有逆斷及正斷機(jī)制的地震。σ2垂直，σ1和σ3水平2.3.1地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布

及其與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

潛在正斷型和張剪性走滑應(yīng)力狀態(tài)區(qū)主要分布于我國(guó)的東部和東北部，其主要特點(diǎn)是：區(qū)內(nèi)新生代以來(lái)NE－NEE向正斷層與地塹或斷陷盆地十分發(fā)育；新生代沉積具有雙層結(jié)構(gòu)(下圖)，E充填斷陷盆地，N-Q覆蓋E時(shí)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?。坏卣鹩蒒NE向斷裂的右旋兼張性活動(dòng)和NNW向斷裂的左旋兼張性活動(dòng)。2.3.1地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布

及其與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

衛(wèi)星影象及天然地震的震源機(jī)制資料還揭示：在西藏高原內(nèi)腹，還存在著一個(gè)局部潛在正斷型應(yīng)力分布區(qū)(上圖)。該區(qū)內(nèi)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(jī)制也大多屬正斷型，且主拉應(yīng)力軸為近東西向）。2.3.1地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布

及其與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系地應(yīng)力場(chǎng)的形成與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系我國(guó)大部分地區(qū)最大主應(yīng)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(dǎo)致的。一般認(rèn)為，白堊紀(jì)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(wàn)年前與歐亞板塊相碰撞（對(duì)接）。此后印度板塊仍以每年約5cm的速度向北北東方向推進(jìn)，這樣一種巨大而持續(xù)的板塊間的相互作用是控制我國(guó)西部地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的決定性因素。在同一時(shí)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(duì)我國(guó)華北和華南地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的形成產(chǎn)生重大影響，并認(rèn)為華北地區(qū)目前處于太平洋板塊俯沖帶的內(nèi)側(cè)。2.3.1地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布

及其與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

大洋扳塊俯沖引起地幔內(nèi)高溫、低波速的熔融或半熔融物質(zhì)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，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(duì)歐亞板塊所造成的南西西向的擠壓相結(jié)合，就決定了華北地區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力場(chǎng)和最新構(gòu)造活動(dòng)的特征。2.3.1地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布

及其與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

我國(guó)、特別是西部地區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)和現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)，主要是由印度和歐亞兩大陸板塊相互碰撞、擠壓所決定的。印度板塊對(duì)歐亞板塊的推擠類似于建筑物對(duì)地基的加載作用，察隅和伊斯蘭堡則是加載邊界的兩端點(diǎn)。如果在兩板塊相互擠壓過(guò)程中，歐亞板塊內(nèi)部所產(chǎn)生的僅是彈性變形。則根據(jù)彈性理論，歐亞板塊內(nèi)部各點(diǎn)主應(yīng)力的方向應(yīng)嚴(yán)格與圖2-22所示的地基承載的情況近似，即各點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向?yàn)楦鼽c(diǎn)與承載邊界兩端點(diǎn)聯(lián)系的夾角等分線方向。但是，由于碰撞擠壓過(guò)程中歐亞板塊內(nèi)部產(chǎn)生了塑性或粘性流動(dòng)變形。所以，兩側(cè)邊緣部位的最大主應(yīng)力方向發(fā)生了一定的偏轉(zhuǎn)，與彈性介質(zhì)的情況有一定出入。

2.3.1地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布

及其與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

（1）一般規(guī)律

含有各類斷裂的受力變形時(shí)，沿?cái)嗔褞Оl(fā)生應(yīng)力集中，不同方位斷裂的應(yīng)力集中程度有所不同，使得巖體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)變得十分復(fù)雜。

對(duì)于一個(gè)三向受力的巖體，那些與最大主應(yīng)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(yīng)力集中程度最高。尤其是在斷裂端點(diǎn)、首尾錯(cuò)列段、局部拐點(diǎn)、分枝點(diǎn)或與其它斷裂的交匯點(diǎn)?？傊磺心軐?duì)繼續(xù)活動(dòng)起阻礙作用的地方，都是應(yīng)力高度集中的部位。2.3.2斷裂帶附近的局部構(gòu)造應(yīng)力

集中作用

（2）局部構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)的發(fā)育與活斷層的關(guān)系

活斷層是現(xiàn)今地應(yīng)力集中程度較高的斷裂帶，同時(shí)它的持續(xù)活動(dòng)又將導(dǎo)致其附近地區(qū)的應(yīng)力進(jìn)一步重新分布。所以，在活斷層或活動(dòng)斷塊的特定部位，往往形成很高的局部應(yīng)力集中區(qū)（圖）。局部壓應(yīng)力集中區(qū)通常是近代的隆起和推擠型構(gòu)造的形成地帶，往往伴有逆斷機(jī)制的地震；局部拉應(yīng)力集中區(qū)常是近代的拗陷和拉分型構(gòu)造的形成地帶，有時(shí)則伴有正斷機(jī)制的地震。

2.3.2斷裂帶附近的局部構(gòu)造應(yīng)力

集中作用

印度板塊向北強(qiáng)烈推擠歐亞板塊，致使川西北斷塊在近EW向區(qū)域構(gòu)造力的驅(qū)動(dòng)下，以5～10mm/a的速率向東強(qiáng)力楔入。該斷塊的向東推移過(guò)程在兩邊界斷裂相向凸出形成的“構(gòu)造劇烈收口部位”受阻，致使構(gòu)造應(yīng)力和地殼形變?cè)谄湮鱾?cè)岷山地區(qū)高度集中（圖），形成了一個(gè)近SN向展布的強(qiáng)烈褶斷隆起帶。這種機(jī)制導(dǎo)致在東經(jīng)104°附近形成了一個(gè)近SN向地跨岷山隆起區(qū)及其兩側(cè)邊界斷裂帶的強(qiáng)震活動(dòng)帶。

2.3.2斷裂帶附近的局部構(gòu)造應(yīng)力

集中作用

（1）地殼巖體的應(yīng)力-應(yīng)變性狀與應(yīng)變速率間的關(guān)系巖體的應(yīng)變速率是決定粘彈性介質(zhì)力學(xué)性狀的主要因素。當(dāng)應(yīng)變速率C小于某臨界值C0時(shí)（對(duì)于花崗巖C0=10-13－10-14/s），巖體在受力初期隨應(yīng)變的增大而發(fā)生應(yīng)力積累。當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度時(shí)，應(yīng)力不再增大而變形則不斷增大。巖體產(chǎn)生粘性流動(dòng)而不發(fā)生破壞。當(dāng)C大于C0時(shí)，則巖體的性狀近于彈性體，即隨著應(yīng)變的發(fā)展，巖體內(nèi)的應(yīng)力不斷增大，最終導(dǎo)致突然的破壞。

2.3.3地應(yīng)力隨時(shí)間變化與地殼

巖體應(yīng)變速率的關(guān)系

在統(tǒng)一的區(qū)域構(gòu)造力的作用下，巖體內(nèi)部的應(yīng)變速率和沿?cái)嗔褞У膽?yīng)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：

當(dāng)區(qū)域構(gòu)造力的作用使巖體的應(yīng)變速率CR大于臨界應(yīng)變速率C0時(shí)（此時(shí)CF必然大于C0），地殼巖體整個(gè)處于彈性狀態(tài)，巖體及沿?cái)嗔褞У膽?yīng)力積累均隨形變發(fā)展而不斷增加(圖2－28(a)中的①區(qū))。破壞既可沿已有的斷裂發(fā)生，也可在巖體內(nèi)部發(fā)生。這是歷史上地殼強(qiáng)烈構(gòu)造變動(dòng)時(shí)的情況。據(jù)計(jì)算，在地殼厚度30km的條件下，C=10ˉ13/s的應(yīng)變速率，大體相當(dāng)于地表隆起速度為5cm/a。2.3.3地應(yīng)力隨時(shí)間變化與地殼

巖體應(yīng)變速率的關(guān)系

當(dāng)區(qū)域構(gòu)造力的作用使巖體的應(yīng)變速率CR介于C0和某一臨界值Ca(相當(dāng)于使巖體內(nèi)方向有利的斷裂帶的CF=C0時(shí)的巖體應(yīng)變速率)之間，即C0>CR>Ca(圖2－28(a)中的②區(qū))時(shí)，則巖體的力學(xué)性狀與斷裂帶不同：巖體本身因其應(yīng)變速率CR<C0，故隨應(yīng)變、應(yīng)力的發(fā)展很快進(jìn)入粘性變形階段，沿最大受力方向產(chǎn)生粘性的壓縮變形，垂直于最大主應(yīng)力方向則產(chǎn)生伸長(zhǎng)和隆起，而不發(fā)生破壞；方向有利的斷裂帶內(nèi)，因其應(yīng)變速率CF>C0而具彈性性狀，應(yīng)力隨形變的發(fā)展不斷增高，最終發(fā)生破裂，導(dǎo)致再活動(dòng)，引起地震。日本列島地區(qū)地形變和斷裂新活動(dòng)性的發(fā)展就是在這樣的背景條件下發(fā)生的。

這也是所有構(gòu)造新活動(dòng)區(qū)所具有的共同特征。地殼隆升速率大于或等于2mm/a的可能屬于這類地區(qū)。2.3.3地應(yīng)力隨時(shí)間變化與地殼

巖體應(yīng)變速率的關(guān)系

區(qū)域構(gòu)造力的作用微弱，致使巖體的應(yīng)變速率CR<Ca。在這樣的條件下，由于巖體本身及斷裂帶的應(yīng)變速率均低于臨界應(yīng)變速率C0(圖2－28(a)中的③區(qū))，故這類地區(qū)的特點(diǎn)應(yīng)是以地殼隆升或沉降為標(biāo)志的地形變微弱，無(wú)活斷層發(fā)育，故代表著現(xiàn)代構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的情況。2.3.3地應(yīng)力隨時(shí)間變化與地殼

巖體應(yīng)變速率的關(guān)系2.4地殼表層巖體應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性主要介紹以下兩方面內(nèi)容:2.4.1地殼表層巖體分布的若干規(guī)律2.4.2地表高地應(yīng)力區(qū)及其地質(zhì)地貌標(biāo)志

地殼表層巖體內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)是極為復(fù)雜的，它與深部區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有很大的區(qū)別。

（1）垂直應(yīng)力的分布世界各地實(shí)測(cè)應(yīng)力資料的統(tǒng)計(jì)表明，不同地區(qū)地殼表層巖體垂直應(yīng)力主要是由上覆巖層自重所引起的，隨深度呈現(xiàn)性增加，通常有如下關(guān)系：σv=A+γh式中：γ大體相當(dāng)于巖體的平均容重；A為常數(shù)，隨統(tǒng)計(jì)地區(qū)而不同。多數(shù)地區(qū)在遭受區(qū)域型剝蝕過(guò)程中，垂直方向的卸荷松弛尚未完成，因而地表巖體中還保存了一部分剩余的垂直應(yīng)力。2.4.1地殼表層巖體應(yīng)力分布的

若干規(guī)律

（2）水平應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài)的類型

已有的統(tǒng)計(jì)資料表明，地殼表層巖體內(nèi)平均水平應(yīng)力隨深度的變化，主要有三種類型（圖）。2.4.1地殼表層巖體應(yīng)力分布的

若干規(guī)律第一類是圖中曲線①所代表的情況，即。在自然界內(nèi)，沉積后未受到構(gòu)造擾動(dòng)或僅受輕微構(gòu)造作用以及某些遭受明顯側(cè)向卸荷影響的巖體可能具有這類應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于前者來(lái)說(shuō)，由于其天然應(yīng)力狀態(tài)是在重力場(chǎng)作用下形成的，故其水平應(yīng)力具有各向同性特征，且其天然應(yīng)力比值系數(shù)（水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比）N=μ/（1-μ）=0.25—0.43；對(duì)于后者來(lái)說(shuō)，雖然水平應(yīng)力中可能包含有一定的構(gòu)造應(yīng)力成分，但因其量值較小，故仍可保持的關(guān)系。

2.4.1地殼表層巖體應(yīng)力分布的

若干規(guī)律

第二類是圖中曲線②所代表的情況，即。在自然界中少數(shù)近期未受明顯構(gòu)造擠壓的深部塑性變形區(qū)，某些具有高塑性的沉積巖層，由于其應(yīng)力近于呈靜水壓力式分布，故其應(yīng)力狀態(tài)多屬于這種類型。對(duì)于這類巖體，其N值等于1。第三類是圖中③類曲線所反映的情況，即水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。這是地殼表層巖體里，一種較為普遍的應(yīng)力狀態(tài)類型。這類巖體由于其水平應(yīng)力的大小往往有明顯的方向性，故N值各向不等。在平行于最大主應(yīng)力σ1的方向上N>1，而在垂直于σ1的方向上則可能有N>1或N<1兩種情況（取決于垂直應(yīng)力是中間主應(yīng)力還是最小主應(yīng)力）。在自然界中，導(dǎo)致水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的因素主要有構(gòu)造作用、卸荷作用或河谷底部的局部應(yīng)力集中。2.4.1地殼表層巖體應(yīng)力分布的

若干規(guī)律（3）局部地帶的應(yīng)力異常分布在斷層及一些剪切帶附近垂直應(yīng)力及水平應(yīng)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(dǎo)致誘發(fā)地震的產(chǎn)生。（4）淺部與深部應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)有時(shí)明顯不同。導(dǎo)致這種差異的原因有：a.地表切割所引起的側(cè)向卸荷和河谷臨空面附近的應(yīng)力重分布作用，往往會(huì)使地表附近巖體的應(yīng)力在量值和方向上變化很大，從而導(dǎo)致深部與淺部巖體的應(yīng)力狀態(tài)有所不同；b.各應(yīng)力分量隨深度的變化梯度不同，從而導(dǎo)致深淺部應(yīng)力狀態(tài)的差異。2.4.1地殼表層巖體應(yīng)力分布的

若干規(guī)律2.4.2地表高地應(yīng)力區(qū)及其

地質(zhì)地貌標(biāo)志

研究表明，與地表高應(yīng)力區(qū)分布相聯(lián)系的特征地質(zhì)地貌標(biāo)志，主要有如下諸方面。（1）天然條件下高水平應(yīng)力釋放有關(guān)的淺表生時(shí)效變形現(xiàn)象

隆爆：最早發(fā)現(xiàn)于加拿大南安大略省，其表現(xiàn)為近地表出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)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(zhǎng)度較大。最早稱之為隆爆（POP-UP）現(xiàn)象。隆爆的總體發(fā)育特征如下：a.發(fā)育在強(qiáng)度和厚度都不太大的近水平層狀巖層中；b.隆爆軸與實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力基本垂直；c.絕大多數(shù)隆爆都是該區(qū)大陸冰川消退不久的產(chǎn)物。分析認(rèn)為這種現(xiàn)象乃是該區(qū)地表巖體中的一種與高水平應(yīng)力釋放有關(guān)的表生時(shí)效變形現(xiàn)象。導(dǎo)致這種高水平應(yīng)力則是由構(gòu)造應(yīng)力及大陸冰川加載后的卸荷作用共同導(dǎo)致的。2.4.2地表高地應(yīng)力區(qū)及其

地質(zhì)地貌標(biāo)志

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。這種裂隙是區(qū)域性卸荷剝蝕的結(jié)果。一般認(rèn)為，埋深于地下且處于靜水應(yīng)力狀態(tài)侵入巖體，在遭受侵蝕而出露地表的過(guò)程中，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的差值逐漸增大，當(dāng)超過(guò)巖體所能承受的極限時(shí)，即形成水平破裂。2.4.2地表高地應(yīng)力區(qū)及其

地質(zhì)地貌標(biāo)志

谷下水平卸荷裂隙及谷坡內(nèi)水平剪切蠕動(dòng)變形帶

大量的勘察資料表明：在高地應(yīng)力區(qū)內(nèi)的較開闊的河谷經(jīng)常有一系列開口良好，透水性很強(qiáng)的卸荷裂隙，特別是當(dāng)最大主應(yīng)力與河段走向垂直時(shí)，這種卸荷裂隙尤為發(fā)育。它們多沿已有的層面或斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)育而成。因此，這種裂隙最易產(chǎn)生在近水平產(chǎn)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)。

2.4.2地表高地應(yīng)力區(qū)及其

地質(zhì)地貌標(biāo)志

發(fā)育在谷坡內(nèi)的水平剪切蠕動(dòng)變形帶是高地應(yīng)力區(qū)常見的；另一種應(yīng)力釋放類型產(chǎn)生時(shí)效變形現(xiàn)象是河谷形成的不同階段，由差異回彈導(dǎo)致的沿坡腳附近已有平緩結(jié)構(gòu)面發(fā)生的減速型剪切蠕動(dòng)變形的產(chǎn)物。2.4.2地表高地應(yīng)力區(qū)及其

地質(zhì)地貌標(biāo)志

應(yīng)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。據(jù)研究，這種拉張變形可能有不同成因。其中有一類屬于在特殊地質(zhì)、地貌環(huán)境（高地應(yīng)力、強(qiáng)卸荷）條件下，河谷巖體水平卸荷所導(dǎo)致的應(yīng)力釋放性時(shí)效變形現(xiàn)象。2.4.2地表高地應(yīng)力區(qū)及其

地質(zhì)地貌標(biāo)志（2）與鉆進(jìn)有關(guān)的巖體應(yīng)力釋放及伴生現(xiàn)象巖芯餅化現(xiàn)象

鉆進(jìn)過(guò)程中巖芯裂成餅狀的現(xiàn)象是高地應(yīng)力區(qū)所特有的巖體力學(xué)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象有幾個(gè)方面的共性：a.所有的餅狀巖芯在形態(tài)上均有其共同特征：巖餅的厚度與巖芯的直徑有一定的關(guān)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(shù)內(nèi)部隱約見有順槽，或沿一個(gè)方向的擦痕與之正常的拉裂坎。2.4.2地表高地應(yīng)力區(qū)及其

地質(zhì)地貌標(biāo)志

b.餅狀巖芯是鉆進(jìn)過(guò)程中差異卸荷回彈的產(chǎn)物，破裂主要發(fā)生在一定高度的巖芯根部，是由拉張和剪切復(fù)合機(jī)制導(dǎo)致的。c.餅狀巖芯的產(chǎn)生需具備特定的巖體力學(xué)條件：彈性高，儲(chǔ)能條件好的巖性條件，如火成巖；整體塊狀的巖體結(jié)構(gòu)條件；高地應(yīng)力條件，最大主應(yīng)力在30MPa以上。2.4.2地表高地應(yīng)力區(qū)及其

地質(zhì)地貌標(biāo)志鉆孔崩落現(xiàn)象研究發(fā)現(xiàn)，一些鉆孔的孔徑不是圓的，而呈橢圓型，長(zhǎng)短軸之差可達(dá)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。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：破裂首先出現(xiàn)于孔壁應(yīng)力集中程度最高的部位；破壞域側(cè)向角的大小主要受巖石的強(qiáng)度參數(shù)及水平應(yīng)力的控制。2.4.2地表高地應(yīng)力區(qū)及其

地質(zhì)地貌標(biāo)志與開挖卸荷及應(yīng)力釋放相聯(lián)系的巖體變形破壞現(xiàn)象及研究意義在高地應(yīng)力區(qū)，開挖往往引起巖體內(nèi)一系列卸荷回彈和應(yīng)力釋放相關(guān)聯(lián)的變形破壞現(xiàn)象，包括：采場(chǎng)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(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)；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(huì)惡化建筑物場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件，有時(shí)還會(huì)對(duì)建筑物造成直接危險(xiǎn)。在各個(gè)方向的開挖中，垂直于最大主應(yīng)力的地表、地下開挖，引起的變形和破壞最為強(qiáng)烈。2.4.2地表高地應(yīng)力區(qū)及其

地質(zhì)地貌標(biāo)志鑒于天然應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜性，為了從定性、定量?jī)蓚€(gè)方面闡明一個(gè)地區(qū)天然應(yīng)力狀態(tài)的總體特征，一般采用下述綜合研究途徑：（1）以地質(zhì)、地貌方法研究該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的演化歷史和現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)基本特征；（2）在此基礎(chǔ)上，選擇一些有代表性的地點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定；（3）以這些實(shí)測(cè)應(yīng)力資料和已掌握的應(yīng)力集中區(qū)的發(fā)育分布規(guī)律，對(duì)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并根據(jù)反演分析結(jié)果建立區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的定量化模型。實(shí)際上其過(guò)程可歸結(jié)為：自然歷史分析定量測(cè)定反演分析2.5巖體應(yīng)力和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)研究（1）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化歷史研究

對(duì)于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的演化歷史的研究，除了可采用一般的地質(zhì)力學(xué)方法外，還可采用斷層錯(cuò)動(dòng)機(jī)制解的赤平投影解析法。（2）現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)基本特征研究

近年來(lái)應(yīng)用于現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的研究方法還包括：新斷裂網(wǎng)絡(luò)地質(zhì)地貌解析法；地震震源機(jī)制解析法。2.5.1構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的演化歷史和現(xiàn)今地應(yīng)

力場(chǎng)基本特征的地質(zhì)、地貌研究所謂新斷裂是指最新構(gòu)造構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下形成與發(fā)展的斷裂。在一定區(qū)域內(nèi)，不同性質(zhì)的新斷裂往往構(gòu)成一定形式的網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)成新斷裂網(wǎng)絡(luò)的成分包括一對(duì)共軛的剪切面，一組壓性結(jié)構(gòu)面和一組張裂面，其中后二者一般發(fā)育較差。共軛剪裂面大多數(shù)表現(xiàn)為兩組區(qū)域性剪裂隙。一般認(rèn)為，這類區(qū)域性剪裂隙是在蠕動(dòng)條件下沿最大剪應(yīng)力跡線形成的，其銳角等分線就是區(qū)域最大主應(yīng)力方位。金沙江溪落渡電站區(qū)域新斷裂網(wǎng)絡(luò)1—實(shí)測(cè)活斷層；2—遙感解譯的活動(dòng)性斷裂；3—遙感解譯的區(qū)域性節(jié)理；4—斷裂編號(hào)；2.5.1構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的演化歷史和現(xiàn)今地應(yīng)

力場(chǎng)基本特征的地質(zhì)、地貌研究（3）區(qū)域巖體應(yīng)力積累和程度的研究

歷史上各時(shí)期及現(xiàn)今地殼隆升的速度和高度。通過(guò)層狀地貌進(jìn)行詳細(xì)研究（剖面測(cè)量和測(cè)年），求出抬升速率和幅度；在此基礎(chǔ)上，以地殼巖體應(yīng)變速率的變化趨勢(shì)，結(jié)合歷史時(shí)期的斷裂活動(dòng)情況，總體上判明當(dāng)前區(qū)內(nèi)巖體應(yīng)力積累和程度。

區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中條件和應(yīng)力集中區(qū)的分布。取決于巖性和構(gòu)造部位。

可以作為高應(yīng)力區(qū)標(biāo)志的地質(zhì)、地貌現(xiàn)象的發(fā)育歷史和分布。如河谷強(qiáng)烈的卸荷回彈、巖餅、基坑、平硐中的巖爆和其它強(qiáng)烈變形現(xiàn)象。2.5.1構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的演化歷史和現(xiàn)今地應(yīng)

力場(chǎng)基本特征的地質(zhì)、地貌研究目前巖體應(yīng)力測(cè)量方法很多，分類也不盡一致，但歸納起來(lái)可分為直接測(cè)試法和間接測(cè)試法兩類：2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量巖體應(yīng)力測(cè)試方法直接測(cè)試法間接測(cè)試法應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力解除法水力壓裂法（水壓致裂法）鉆孔崩落法定向巖芯非彈性應(yīng)變恢復(fù)法凱塞爾效應(yīng)測(cè)試法（1）應(yīng)力恢復(fù)法（stress-recoverymethod)

當(dāng)巖體應(yīng)力被解除后，通過(guò)施加壓力，使其恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，以求得巖體應(yīng)力解除前的應(yīng)力值。優(yōu)點(diǎn)是在確定巖體的應(yīng)力時(shí)，不需測(cè)定巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量（2）應(yīng)力解除法（stress-reliefmethod）

在擬測(cè)點(diǎn)附近的一個(gè)小巖石單元周圍切割出一個(gè)環(huán)狀“槽子”，使得這一部分巖體處于卸荷狀態(tài)。從刻槽前裝置好的儀器測(cè)出由于這種應(yīng)力解除而引起的應(yīng)變反應(yīng)。并根據(jù)有關(guān)巖石已知的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，精確換算出應(yīng)力解除前巖體內(nèi)三維主應(yīng)力的大小和方向。該方法以其精度高、測(cè)值穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于巖土工程設(shè)計(jì)、礦產(chǎn)開采、地震研究等方面。2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量（3）水壓致裂法（hydraulicfracturingmethod）通過(guò)鉆孔向地下某深度處的測(cè)點(diǎn)段壓液，用高壓將孔壁壓裂，然后根據(jù)破壞壓力、關(guān)閉壓力和破裂面的方位，計(jì)算和確定巖體內(nèi)各主應(yīng)力的大小和方向。該法能有效地利用已有鉆孔進(jìn)行深部地應(yīng)力測(cè)試，且具有操作簡(jiǎn)便、無(wú)須知道巖體力學(xué)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于水電工程設(shè)計(jì)、鐵路、公路的隧道選線、場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、核廢料處理以及地學(xué)研究等領(lǐng)域。應(yīng)用該測(cè)試方法，可以得到垂直于鉆孔平面的最大和最小應(yīng)力的大小和方向。對(duì)于垂直鉆孔，由不同深度的測(cè)試數(shù)據(jù)，可得到最大和最小水平主應(yīng)力隨深度變化規(guī)律。對(duì)三個(gè)或三個(gè)以上的交匯鉆孔進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)附近的三維應(yīng)力狀態(tài)。2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量（4）鉆孔測(cè)量崩落測(cè)量法研究表明鉆孔崩落現(xiàn)象是由孔壁應(yīng)力集中部位的局部破壞引起的，且崩落的長(zhǎng)軸垂直區(qū)內(nèi)水平最大主應(yīng)力方向，而崩落域側(cè)向角（θb）及破壞應(yīng)力比（σH/σh）的大小則主要與巖石的性質(zhì)及水平最小主應(yīng)力有關(guān)。由此可以求出該區(qū)水平最大、最小主應(yīng)力的方向及大小。步驟如下：

詳細(xì)測(cè)量區(qū)內(nèi)的鉆孔崩落現(xiàn)象，并根據(jù)崩落域的長(zhǎng)軸展布確定該區(qū)水平最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。

按照實(shí)際的巖體條件進(jìn)行模擬試驗(yàn)，求得θb－σh直線關(guān)系(圖2－50)，并根據(jù)實(shí)測(cè)的σb求出區(qū)內(nèi)的水平最小主應(yīng)力(σh)的量值。

根據(jù)σh及實(shí)測(cè)的C0，利用圖2－51即可得出區(qū)內(nèi)水平最大主應(yīng)力(σH)的大小。2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量（5）定向巖芯非彈性應(yīng)變恢復(fù)測(cè)量法基本原理實(shí)測(cè)結(jié)果表明，巖石應(yīng)變恢復(fù)的性狀(圖2—52)有如下主要特征：

巖石的總應(yīng)變恢復(fù)量(ε)是由彈性應(yīng)變恢復(fù)(ε′)和非彈性應(yīng)變恢復(fù)(ε″)兩部分所組成，且整個(gè)應(yīng)變恢復(fù)的時(shí)間足夠長(zhǎng)，約達(dá)30余小時(shí)。

2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量

在未發(fā)生非線性蠕變的條件下主應(yīng)變恢復(fù)(無(wú)論是彈性的或是非彈性的)的軸向與主應(yīng)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

如果發(fā)生非線性蠕變，則最大彈性應(yīng)變恢復(fù)軸與最大非彈性應(yīng)變恢復(fù)軸的方向?qū)⑹遣煌摹４藭r(shí)，彈性應(yīng)變恢復(fù)的軸向所反映的是較新的應(yīng)力環(huán)境，而非彈性應(yīng)變恢復(fù)的軸向所代表的則是較老的應(yīng)力環(huán)境。但實(shí)測(cè)資料表明，出現(xiàn)非線性蠕變的情況是很少的。2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量

在整個(gè)應(yīng)變恢復(fù)過(guò)程中，主應(yīng)變比(無(wú)論是彈性或是非彈性的)與主應(yīng)力比始終保持相等。測(cè)量的方法及步驟

從鉆孔中取定向巖芯。

在巖芯內(nèi)選三個(gè)不同方向的面，在每個(gè)面上的三個(gè)不同方向上進(jìn)行應(yīng)變恢復(fù)測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量資料計(jì)算三個(gè)主應(yīng)變的方向及比值。如果有一個(gè)主應(yīng)力是垂直的，且其大小等于上覆層的重量。則只在水平面內(nèi)的三個(gè)不同方向上進(jìn)行應(yīng)變恢復(fù)測(cè)量，求得兩個(gè)水平主應(yīng)變的方向及比值即可。2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量（6）凱塞爾（Kaiser）效應(yīng)測(cè)量法

基本原理1950年，德國(guó)學(xué)者J.Kaiser發(fā)現(xiàn)受單向拉伸力作用的金屬材料，只有當(dāng)應(yīng)力達(dá)到并超過(guò)材料所受過(guò)的最大先期應(yīng)力時(shí)才會(huì)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(yīng)。1963年，Goodman通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)巖石也具有凱塞爾效應(yīng)，從而為應(yīng)用這一技術(shù)測(cè)定巖體應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。70年代末期以來(lái)，日、美、中學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題開展了廣泛的理論及實(shí)驗(yàn)研究，先后解決了凱塞爾效應(yīng)方向獨(dú)立性、三維地應(yīng)力測(cè)量及試驗(yàn)過(guò)程中噪聲的排除等問(wèn)題，使凱塞爾效應(yīng)在地應(yīng)力測(cè)量領(lǐng)域已基本具有實(shí)用性。2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量

為了深入理解凱塞爾效應(yīng)及其在地應(yīng)力測(cè)量方面的應(yīng)用，首先需對(duì)下述基本問(wèn)題作簡(jiǎn)要的討論。

巖石凱塞爾效應(yīng)的微觀機(jī)理研究表明，巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象實(shí)際上是來(lái)源于其內(nèi)部顯微缺陷的受力擴(kuò)展，而巖石的每一次受力，都會(huì)使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與荷載大小及方向相適應(yīng)的顯微破裂系統(tǒng)，再次加載時(shí)，如果荷載小于先期荷載，則先期形成的缺陷不會(huì)發(fā)生進(jìn)一步破裂，因此也就幾乎沒(méi)有聲發(fā)射出現(xiàn)，一旦荷載達(dá)到并超過(guò)先期荷載，已有的裂紋即將進(jìn)一步擴(kuò)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(yīng)的基本機(jī)理。2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量

巖石凱塞爾效應(yīng)對(duì)地應(yīng)力的記憶功能已有的研究認(rèn)為，通過(guò)凱塞爾效應(yīng)所測(cè)得的是巖體在地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)所遭受過(guò)的最大應(yīng)力。如果確是這樣，實(shí)際上就無(wú)法利用凱塞爾效應(yīng)來(lái)解決現(xiàn)今地應(yīng)力的測(cè)量問(wèn)題，因?yàn)樵谠馐苓^(guò)構(gòu)造變動(dòng)，且有斷裂發(fā)育的地區(qū)，任何一部分巖體當(dāng)時(shí)都遭受過(guò)很大的，甚至是接近其破裂強(qiáng)度的應(yīng)力。但是，一系列實(shí)測(cè)資料表明，利用凱塞爾效應(yīng)測(cè)得的巖體應(yīng)力遠(yuǎn)小于該巖體的破裂強(qiáng)度，而與用套鉆法測(cè)得的現(xiàn)今巖體應(yīng)力十分接近。對(duì)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(guò)對(duì)已有實(shí)測(cè)資料的深入分析，我們發(fā)現(xiàn)凱塞爾效應(yīng)實(shí)際上只能記憶晚近時(shí)期的應(yīng)力；而不能記憶古構(gòu)造力。之所以如此看來(lái)這里有一個(gè)顯微破裂的愈合問(wèn)題。2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量隨著環(huán)境的改變，巖石會(huì)發(fā)生重結(jié)晶或新晶體生長(zhǎng)的作用，使那些古老的顯微破裂焊接愈合，從而也就使其喪失對(duì)古構(gòu)造應(yīng)力的記憶能力。相反，晚近時(shí)期巖體的受力過(guò)程是在該巖體已處于地表附近的常溫、低圍壓條件下發(fā)生的，此時(shí)所產(chǎn)生的顯微破裂系統(tǒng)，由于形成后所經(jīng)歷的時(shí)間很短，且始終處于常溫和低圍壓條件下，所以不會(huì)發(fā)生愈合。因此，當(dāng)采樣并對(duì)巖石試件加載、且應(yīng)力達(dá)到和超過(guò)晚近時(shí)期巖體所遭受的應(yīng)力量級(jí)時(shí)，這類顯微破裂即將進(jìn)一步擴(kuò)展，從而引起聲發(fā)射的急劇增加，這也就是巖石凱塞爾效應(yīng)只能記憶晚近時(shí)期巖體所遭受過(guò)的應(yīng)力的道理所在。2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量此外，值得指出的是，近些年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，挽近時(shí)期遭受過(guò)方向和量值不同的多期應(yīng)力作用的巖石，在其再次受力過(guò)程中可能出現(xiàn)多個(gè)聲發(fā)射頻數(shù)急劇增高點(diǎn)(圖2－53)，分別對(duì)應(yīng)不同的先期應(yīng)力，這種現(xiàn)象可稱為多期凱塞爾效應(yīng)。2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量巖石多期凱塞爾效應(yīng)的產(chǎn)生，是因?yàn)閷?duì)于不同的主應(yīng)力組合，巖石內(nèi)部最易發(fā)生進(jìn)一步破裂的缺陷方位不同，因而遭受過(guò)不同方向主應(yīng)力組合作用的巖石，在其內(nèi)部將產(chǎn)生多個(gè)與各次受力相對(duì)應(yīng)的顯微破裂系統(tǒng)。當(dāng)對(duì)這類巖石試件進(jìn)行加壓試驗(yàn)并記錄其聲發(fā)射現(xiàn)象時(shí)，隨著壓力的逐漸