第一章地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)

1、 巖體結(jié)構(gòu)特征及其變形破壞機(jī)制，是進(jìn)行區(qū)域穩(wěn)巖體結(jié)構(gòu)特征及其變形破壞機(jī)制，是進(jìn)行區(qū)域穩(wěn)定和巖體穩(wěn)定分析的定和巖體穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論。 決定巖體變形破壞的決定巖體變形破壞的主導(dǎo)因素主導(dǎo)因素是是巖石材料的性質(zhì)巖石材料的性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)特征巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體的應(yīng)力狀態(tài)巖體的應(yīng)力狀態(tài)、孔隙裂隙中水和時(shí)孔隙裂隙中水和時(shí)間因素間因素。是是指巖體中具有一定方向、力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低、指巖體中具有一定方向、力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低、兩向延伸（或具有一定厚度）的地質(zhì)界面（或帶）。兩向延伸（或具有一定厚度）的地質(zhì)界面（或帶）。（rockmassrockmass）通常通常指地質(zhì)體中與工程建設(shè)有關(guān)的那指地質(zhì)體中與工程建設(shè)有

2、關(guān)的那一部分巖石，它處于一定的地質(zhì)環(huán)境、被各種結(jié)構(gòu)面所分一部分巖石，它處于一定的地質(zhì)環(huán)境、被各種結(jié)構(gòu)面所分割。割。：結(jié)構(gòu)面在空間的分布和組合可將巖體切割成形結(jié)構(gòu)面在空間的分布和組合可將巖體切割成形狀、大小不同的塊體狀、大小不同的塊體，稱(chēng)結(jié)構(gòu)體。，稱(chēng)結(jié)構(gòu)體。工程地質(zhì)之所以要將巖體的結(jié)構(gòu)特征作為重要工程地質(zhì)之所以要將巖體的結(jié)構(gòu)特征作為重要研究對(duì)象，意義如下：研究對(duì)象，意義如下：巖體中的結(jié)構(gòu)面是巖體力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)薄弱的巖體中的結(jié)構(gòu)面是巖體力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)薄弱的部位，它導(dǎo)致巖體力學(xué)性能的部位，它導(dǎo)致巖體力學(xué)性能的不連續(xù)性不連續(xù)性、不均一性不均一性和和各向異性各向異性巖體的結(jié)構(gòu)特征對(duì)巖體在一定荷載條件下的巖體

3、的結(jié)構(gòu)特征對(duì)巖體在一定荷載條件下的變形破壞方式和強(qiáng)度特征起著重要的變形破壞方式和強(qiáng)度特征起著重要的控制作用控制作用靠近地表的巖體，其結(jié)構(gòu)特征在很大程度上靠近地表的巖體，其結(jié)構(gòu)特征在很大程度上確定了外營(yíng)力對(duì)巖體的確定了外營(yíng)力對(duì)巖體的改造進(jìn)程改造進(jìn)程研究結(jié)構(gòu)面最關(guān)鍵的是研究各類(lèi)結(jié)構(gòu)面的研究結(jié)構(gòu)面最關(guān)鍵的是研究各類(lèi)結(jié)構(gòu)面的、以及它以及它們的們的等。等。n2.1 2.1 基本概念及研究意義基本概念及研究意義n2.1.2.1.1 1 巖體應(yīng)力的一些基本概念巖體應(yīng)力的一些基本概念按成因，可對(duì)構(gòu)成巖體應(yīng)力的各組分作如下分類(lèi)：按成因，可對(duì)構(gòu)成巖體應(yīng)力的各組分作如下分類(lèi)：n 巖體應(yīng)力：巖體應(yīng)力：n 自重應(yīng)力自重

4、應(yīng)力n 活動(dòng)的活動(dòng)的n天然應(yīng)力或初始應(yīng)力天然應(yīng)力或初始應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力 剩余的剩余的 變異及殘余應(yīng)力變異及殘余應(yīng)力 感生應(yīng)力感生應(yīng)力地殼巖體內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)，是指未經(jīng)人為擾動(dòng)的，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(chēng)為狀態(tài)，常稱(chēng)為天然應(yīng)力或初天然應(yīng)力或初始應(yīng)力始應(yīng)力。人類(lèi)從事工程活動(dòng)，在巖體天然應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)，因挖除部人類(lèi)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)

5、面而引起的應(yīng)力，稱(chēng)為分巖體或增加結(jié)構(gòu)面而引起的應(yīng)力，稱(chēng)為感生應(yīng)力或次生感生應(yīng)力或次生應(yīng)力應(yīng)力。n2.1.2.1.2 2 研究意義研究意義 工程地質(zhì)以巖體的地應(yīng)力為主要研究對(duì)象，主要是基于以工程地質(zhì)以巖體的地應(yīng)力為主要研究對(duì)象，主要是基于以下三點(diǎn)：下三點(diǎn)： 1 1、巖體天然應(yīng)力狀態(tài)或地應(yīng)力場(chǎng)是工程巖體存在的基本環(huán)、巖體天然應(yīng)力狀態(tài)或地應(yīng)力場(chǎng)是工程巖體存在的基本環(huán)境之一，它對(duì)工程巖體（或是地質(zhì)體）的變形和破壞起重要控境之一，它對(duì)工程巖體（或是地質(zhì)體）的變形和破壞起重要控制作用。制作用。因此，它是因此，它是區(qū)域穩(wěn)定性區(qū)域穩(wěn)定性和和巖體穩(wěn)定性巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和巖體工程評(píng)價(jià)和巖體工程設(shè)計(jì)的重要因素或參量。

6、設(shè)計(jì)的重要因素或參量。 2 2、巖體地應(yīng)力場(chǎng)是決定各類(lèi)地下建筑物穩(wěn)定性的主要因素。、巖體地應(yīng)力場(chǎng)是決定各類(lèi)地下建筑物穩(wěn)定性的主要因素。在在高應(yīng)力區(qū)高應(yīng)力區(qū)，地表、地下工程施工期間所進(jìn)行的巖體開(kāi)挖工作，地表、地下工程施工期間所進(jìn)行的巖體開(kāi)挖工作，往往能在巖體內(nèi)引起一系列與往往能在巖體內(nèi)引起一系列與卸荷回彈卸荷回彈和和應(yīng)力釋放應(yīng)力釋放相聯(lián)系的變相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象，其結(jié)果是不僅會(huì)形和破壞現(xiàn)象，其結(jié)果是不僅會(huì)惡化惡化地基或邊坡巖體的工程地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危害3、修建高壩、大型水庫(kù)和深大的地下硐

7、室等，常能在更大范圍修建高壩、大型水庫(kù)和深大的地下硐室等，常能在更大范圍內(nèi)內(nèi)破壞巖體的天然應(yīng)力平衡破壞巖體的天然應(yīng)力平衡，引起一系列諸如斷層復(fù)活、水庫(kù)，引起一系列諸如斷層復(fù)活、水庫(kù)誘發(fā)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)的工誘發(fā)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。程地質(zhì)作用。為了防災(zāi)、減災(zāi)，就需要深入研究巖體天然應(yīng)力為了防災(zāi)、減災(zāi)，就需要深入研究巖體天然應(yīng)力狀態(tài)及人類(lèi)工程活動(dòng)對(duì)它的影響。狀態(tài)及人類(lèi)工程活動(dòng)對(duì)它的影響。n2.2.2 2 巖體天然地應(yīng)力狀態(tài)的形成及其類(lèi)型巖體天然地應(yīng)力狀態(tài)的形成及其類(lèi)型n2.2.2.1 2.1 天然地應(yīng)力的形成天然地應(yīng)力的形成 區(qū)

8、域因素區(qū)域因素作為控制性因素，形成一個(gè)地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的基本格作為控制性因素，形成一個(gè)地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的基本格架；而架；而局部因素局部因素僅作為影響因素，使地應(yīng)力發(fā)生局部變化。僅作為影響因素，使地應(yīng)力發(fā)生局部變化。 形成巖體中天然地應(yīng)力的因素包括形成巖體中天然地應(yīng)力的因素包括構(gòu)造運(yùn)動(dòng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖體和巖體重力作用重力作用，一些地區(qū)包括一些地區(qū)包括巖漿侵入巖漿侵入形成的應(yīng)力。形成的應(yīng)力。.重力作用：重力作用：在在重力場(chǎng)重力場(chǎng)作用下生成的應(yīng)力為自重應(yīng)力。在地表近水平的作用下生成的應(yīng)力為自重應(yīng)力。在地表近水平的情況下，重力場(chǎng)在巖體內(nèi)的某一任意點(diǎn)上形成相當(dāng)于上覆巖層情況下，重力場(chǎng)在巖體內(nèi)的某一任意點(diǎn)上形成相當(dāng)于上覆

9、巖層重量的垂直正應(yīng)力重量的垂直正應(yīng)力v： v=h（為巖石的容重；為巖石的容重；h h為該點(diǎn)的埋深；為該點(diǎn)的埋深；v v相當(dāng)于該點(diǎn)三向應(yīng)力中相當(dāng)于該點(diǎn)三向應(yīng)力中的最大主應(yīng)力。）的最大主應(yīng)力。）n 由于泊松效應(yīng)（即側(cè)向膨脹）造成水平正應(yīng)力由于泊松效應(yīng)（即側(cè)向膨脹）造成水平正應(yīng)力h h，相當(dāng)于相當(dāng)于三向應(yīng)力中的最小主應(yīng)力：三向應(yīng)力中的最小主應(yīng)力：（2-22-2）（為巖體的泊松比，為巖體的泊松比，N N。稱(chēng)為巖體的側(cè)壓力系數(shù)。）稱(chēng)為巖體的側(cè)壓力系數(shù)。） 大多數(shù)大多數(shù)堅(jiān)硬巖體堅(jiān)硬巖體：為為0.20.20.30.3，即，即N N。為為0.250.250.430.43。半堅(jiān)硬巖體半堅(jiān)硬巖體: :N N。大于

10、大于0.430.43；當(dāng)上覆荷載大，下伏當(dāng)上覆荷載大，下伏巖體呈塑流巖體呈塑流：接近接近0.50.5，N N。近于近于1 1，也就，也就是說(shuō)該點(diǎn)近于靜水應(yīng)力狀態(tài)。是說(shuō)該點(diǎn)近于靜水應(yīng)力狀態(tài)。地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)巖石圈運(yùn)動(dòng)在巖體內(nèi)形成的應(yīng)力稱(chēng)為構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造巖石圈運(yùn)動(dòng)在巖體內(nèi)形成的應(yīng)力稱(chēng)為構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力又可分為活動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力和剩余構(gòu)造應(yīng)力。應(yīng)力又可分為活動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力和剩余構(gòu)造應(yīng)力。n 活動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力，即狹義的地應(yīng)力，是地殼內(nèi)現(xiàn)在正在活動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力，即狹義的地應(yīng)力，是地殼內(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。積累的能夠?qū)е聨r石變形和破裂的應(yīng)力。n 剩余構(gòu)造應(yīng)力是古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘留下來(lái)的應(yīng)力。剩余

11、構(gòu)造應(yīng)力是古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘留下來(lái)的應(yīng)力。 如云南瀾滄江小灣水電站壩址區(qū)至少經(jīng)歷了如云南瀾滄江小灣水電站壩址區(qū)至少經(jīng)歷了5 5期構(gòu)期構(gòu)造應(yīng)力的作用：近造應(yīng)力的作用：近NNENNE向向NWWNWW向向NE-NNENE-NNE向向NWNW向向近近NSNS向；向； 金沙江溪洛渡壩址區(qū)，自燕山期以來(lái)也經(jīng)歷了金沙江溪洛渡壩址區(qū)，自燕山期以來(lái)也經(jīng)歷了5 5期期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用：構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用：NWWNWW向向NEENEE向向NNENNE向向NNWNNW向向NWWNWW向。向。巖漿侵入巖漿侵入n巖漿侵入擠壓、冷凝收縮和成巖等過(guò)程，均會(huì)在周?chē)鷰r體巖漿侵入擠壓、冷凝收縮和成巖等過(guò)程，均會(huì)在周?chē)鷰r體中產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)。中

12、產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)。n2.2.2 巖體天然應(yīng)力狀態(tài)類(lèi)型巖體天然應(yīng)力狀態(tài)類(lèi)型目前有三種觀點(diǎn)：目前有三種觀點(diǎn)：“靜水應(yīng)力式靜水應(yīng)力式”分布觀點(diǎn)分布觀點(diǎn)地殼巖體任一點(diǎn)的應(yīng)力都是各向相等的，均等于上覆巖地殼巖體任一點(diǎn)的應(yīng)力都是各向相等的，均等于上覆巖層的自重，即：層的自重，即：x=y=v=h垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)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，其應(yīng)力大小可按公式計(jì)算。用下形成的自重應(yīng)力，其應(yīng)力大小可按公式計(jì)算。水平應(yīng)力為主的觀點(diǎn)水平應(yīng)力為主的觀點(diǎn).中間主應(yīng)力近于垂直，最大主應(yīng)力中間主應(yīng)力近于垂直，最大主

13、應(yīng)力1和最小主應(yīng)力和最小主應(yīng)力3近于水近于水平。平。在這種應(yīng)力狀態(tài)下，如果發(fā)生破壞（或再活動(dòng)）是沿在這種應(yīng)力狀態(tài)下，如果發(fā)生破壞（或再活動(dòng)）是沿走向與最大主壓應(yīng)力成約走向與最大主壓應(yīng)力成約3040左右交角的陡立面產(chǎn)生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(lèi)三向應(yīng)力狀態(tài)稱(chēng)為走向滑動(dòng)性的斷裂活動(dòng)，此類(lèi)三向應(yīng)力狀態(tài)稱(chēng)為潛在走向潛在走向滑動(dòng)型?；瑒?dòng)型。 .最小主應(yīng)力軸最小主應(yīng)力軸3近于垂直，最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力軸近近于垂直，最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力軸近于水平。于水平。在此種應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的破壞，是逆斷型的，即在此種應(yīng)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(yīng)力垂直的剖面沿走向與最大主應(yīng)力

14、垂直的剖面X裂面產(chǎn)生逆斷活動(dòng)，故可裂面產(chǎn)生逆斷活動(dòng)，故可稱(chēng)為稱(chēng)為潛在逆斷型。潛在逆斷型。應(yīng)力場(chǎng)中的最大主應(yīng)力軸應(yīng)力場(chǎng)中的最大主應(yīng)力軸1垂直，其余兩主應(yīng)力水平分布。垂直，其余兩主應(yīng)力水平分布。此應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的破壞（或再活動(dòng)），是沿走向與最小此應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的破壞（或再活動(dòng)），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(chēng)為主應(yīng)力軸相垂直的面，發(fā)生正斷性質(zhì)的活動(dòng)，故可稱(chēng)為潛潛在正斷型。在正斷型。地殼淺部地應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律：地殼淺部地應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律：1 1、地應(yīng)力是一個(gè)具有相對(duì)穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，是時(shí)間和、地應(yīng)力是一個(gè)具有相對(duì)穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，是時(shí)間和空間的函數(shù)空

15、間的函數(shù) 不同地區(qū)天然應(yīng)力狀態(tài)的類(lèi)型往往不同，不同地區(qū)天然應(yīng)力狀態(tài)的類(lèi)型往往不同，同一地點(diǎn)不同同一地點(diǎn)不同深度深度范圍內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)類(lèi)型也可能會(huì)有所差別。絕大多數(shù)范圍內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)類(lèi)型也可能會(huì)有所差別。絕大多數(shù)地區(qū)，地區(qū)，隨深度變化隨深度變化，同一處的地應(yīng)力可能會(huì)從水平應(yīng)力為主轉(zhuǎn)，同一處的地應(yīng)力可能會(huì)從水平應(yīng)力為主轉(zhuǎn)化為一豎直應(yīng)力為主，臨界點(diǎn)可能為靜水應(yīng)力式?；癁橐回Q直應(yīng)力為主，臨界點(diǎn)可能為靜水應(yīng)力式。 空間上空間上，受，受地層巖性地層巖性、結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征、地形地貌地形地貌等影響，從等影響，從小范圍來(lái)看，其變化往往非常顯著，但某個(gè)地區(qū)的整體而言，小范圍來(lái)看，其變化往往非常顯著，但某個(gè)地區(qū)

16、的整體而言，地應(yīng)力的變化不會(huì)太大，其量值和方向一般均具有宏觀的規(guī)律地應(yīng)力的變化不會(huì)太大，其量值和方向一般均具有宏觀的規(guī)律性。性。 在在某些地震活動(dòng)區(qū)活躍區(qū)某些地震活動(dòng)區(qū)活躍區(qū)，地應(yīng)力大小和方向隨時(shí)間的，地應(yīng)力大小和方向隨時(shí)間的變化非常明顯。地震前，應(yīng)力不斷積累、升高，地震時(shí)，應(yīng)力變化非常明顯。地震前，應(yīng)力不斷積累、升高，地震時(shí)，應(yīng)力釋放，地應(yīng)力值大幅度下降。如書(shū)中例子。龍門(mén)山斷層例子。釋放，地應(yīng)力值大幅度下降。如書(shū)中例子。龍門(mén)山斷層例子。2.2.3 天然地應(yīng)力分布的一般規(guī)律天然地應(yīng)力分布的一般規(guī)律n2.2.3.2 3.2 活斷層活動(dòng)與局部應(yīng)力集中活斷層活動(dòng)與局部應(yīng)力集中1 1、一般規(guī)律、一般規(guī)

17、律 巖體內(nèi)的各種成因巖體內(nèi)的各種成因斷裂影響應(yīng)力的分布和傳遞斷裂影響應(yīng)力的分布和傳遞，從而使巖體內(nèi)地應(yīng)力狀，從而使巖體內(nèi)地應(yīng)力狀態(tài)變得極為復(fù)雜。態(tài)變得極為復(fù)雜。 對(duì)于一個(gè)三向受力的巖體，在分布于最大、最小主應(yīng)力通過(guò)的平面內(nèi)對(duì)于一個(gè)三向受力的巖體，在分布于最大、最小主應(yīng)力通過(guò)的平面內(nèi)的各類(lèi)斷裂中，通常那些與最大主應(yīng)力成的各類(lèi)斷裂中，通常那些與最大主應(yīng)力成303040 40 交角的斷裂，其應(yīng)力集交角的斷裂，其應(yīng)力集中程度最高。尤其是呈雁行式或斷續(xù)直線式排列的斷裂組。中程度最高。尤其是呈雁行式或斷續(xù)直線式排列的斷裂組。 一切能對(duì)斷裂繼續(xù)活動(dòng)起一切能對(duì)斷裂繼續(xù)活動(dòng)起阻礙阻礙作用的地段，都將是應(yīng)力高度集

18、中的部作用的地段，都將是應(yīng)力高度集中的部位，這些地段常成為位，這些地段常成為強(qiáng)震發(fā)生強(qiáng)震發(fā)生的特殊部位。的特殊部位。端點(diǎn)、首尾錯(cuò)列段、局部拐點(diǎn)、分支點(diǎn)或與其他方向斷裂的交匯點(diǎn)端點(diǎn)、首尾錯(cuò)列段、局部拐點(diǎn)、分支點(diǎn)或與其他方向斷裂的交匯點(diǎn)2 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、局部構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)的發(fā)育與活斷層的關(guān)系 活斷層活斷層實(shí)際上是現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)力集中程度相對(duì)較高的斷裂帶，同實(shí)際上是現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)力集中程度相對(duì)較高的斷裂帶，同時(shí)它的持續(xù)活動(dòng)又將導(dǎo)致及其附近地區(qū)應(yīng)力進(jìn)一步重新分布，所以在活斷時(shí)它的持續(xù)活動(dòng)又將導(dǎo)致及其附近地區(qū)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

19、很高的局部構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)。層或活動(dòng)斷塊的特定部位，往往形成很高的局部構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)。局部壓應(yīng)力集中區(qū)局部壓應(yīng)力集中區(qū) 近代隆起和推擠型構(gòu)造的形成地帶近代隆起和推擠型構(gòu)造的形成地帶 逆斷型強(qiáng)震活動(dòng)；逆斷型強(qiáng)震活動(dòng)；局部拉應(yīng)力集中區(qū)局部拉應(yīng)力集中區(qū) 近代拗陷和拉分型構(gòu)造的形成地帶近代拗陷和拉分型構(gòu)造的形成地帶 正斷機(jī)制的地震。正斷機(jī)制的地震。2.4 地殼表層地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性地殼表層地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性 影響巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的因素：影響巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的因素：巖體自重、構(gòu)造應(yīng)力巖體自重、構(gòu)造應(yīng)力；各種地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖性、各種地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖性、剝蝕作用剝蝕作用、巖石的物、巖石的物理化學(xué)作用以及人

20、類(lèi)工程活動(dòng)等。理化學(xué)作用以及人類(lèi)工程活動(dòng)等。區(qū)域性的地表剝蝕卸荷作用在增大區(qū)域性的地表剝蝕卸荷作用在增大某些巖體內(nèi)某些巖體內(nèi)的水平應(yīng)力的水平應(yīng)力方面有著重要的作用。方面有著重要的作用。大陸冰川的消退：大陸冰川的消退：加拿大冰川系統(tǒng)的最大冰層厚度達(dá)到加拿大冰川系統(tǒng)的最大冰層厚度達(dá)到30003750m，相當(dāng)于在基巖上作用有附加的，相當(dāng)于在基巖上作用有附加的2128MPa的垂向荷載，的垂向荷載，其水平側(cè)向應(yīng)力與垂直應(yīng)力的關(guān)系可由（其水平側(cè)向應(yīng)力與垂直應(yīng)力的關(guān)系可由（2-2）式計(jì)算得到，即：）式計(jì)算得到，即： （2-2） 對(duì)于對(duì)于理想彈性狀態(tài)，理想彈性狀態(tài)，在冰川消退后因冰川作用產(chǎn)生的垂直在冰川消退后

21、因冰川作用產(chǎn)生的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力也隨之消退為零。應(yīng)力和水平應(yīng)力也隨之消退為零。2.2.4.1 4.1 垂向卸荷垂向卸荷 在花崗巖、輝長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖和石灰?guī)r等堅(jiān)硬巖體中有在花崗巖、輝長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖和石灰?guī)r等堅(jiān)硬巖體中有明顯的明顯的粘彈性壓縮粘彈性壓縮，因此在冰川的持續(xù)荷載作用下，在剛性側(cè)，因此在冰川的持續(xù)荷載作用下，在剛性側(cè)限條件下，有：限條件下，有： （2-4）)21 (2Eh 在冰川消退和地殼發(fā)生瞬時(shí)回彈以后，對(duì)應(yīng)于不能馬上恢在冰川消退和地殼發(fā)生瞬時(shí)回彈以后，對(duì)應(yīng)于不能馬上恢復(fù)的粘彈性垂直應(yīng)變，由上式導(dǎo)得的側(cè)向應(yīng)力會(huì)保留在巖體中復(fù)的粘彈性垂直應(yīng)變，由上式導(dǎo)得的側(cè)向應(yīng)力會(huì)保留在巖體中作為

22、作為殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力。 在每次冰川活動(dòng)過(guò)程中，由上述粘彈性垂直壓縮導(dǎo)致的水在每次冰川活動(dòng)過(guò)程中，由上述粘彈性垂直壓縮導(dǎo)致的水平殘余應(yīng)力平殘余應(yīng)力不斷增加不斷增加。在冰川消退過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)與卸荷速率。在冰川消退過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)與卸荷速率相同的等壓隆起現(xiàn)象。而在冰川消退以后，伴隨粘彈性應(yīng)變的相同的等壓隆起現(xiàn)象。而在冰川消退以后，伴隨粘彈性應(yīng)變的部分恢復(fù)，水平應(yīng)力的回退需要一定時(shí)間。這樣，在冰川消退部分恢復(fù)，水平應(yīng)力的回退需要一定時(shí)間。這樣，在冰川消退以后短時(shí)間內(nèi)，在基巖中可能存在非常高的水平應(yīng)力狀態(tài)，足以后短時(shí)間內(nèi)，在基巖中可能存在非常高的水平應(yīng)力狀態(tài)，足以造成基巖表層發(fā)生隆爆等以造成基巖表層發(fā)生隆

23、爆等高地應(yīng)力現(xiàn)象高地應(yīng)力現(xiàn)象。廣義開(kāi)爾文（廣義開(kāi)爾文（modified Kelvinmodified Kelvin）體）體一個(gè)開(kāi)爾文元件和彈簧串聯(lián)組成。一個(gè)開(kāi)爾文元件和彈簧串聯(lián)組成。本構(gòu)方程：本構(gòu)方程：21211kkkk蠕變方程：蠕變方程：tkekk212010彈性后效（卸載效應(yīng)）：彈性后效（卸載效應(yīng)）：t t1 1時(shí)刻卸載，由胡克體產(chǎn)時(shí)刻卸載，由胡克體產(chǎn)生的彈性變形生的彈性變形0 0/k/k1 1立即立即恢復(fù)，而開(kāi)爾文體則要經(jīng)恢復(fù)，而開(kāi)爾文體則要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)。過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)。2.4.2 河谷侵蝕側(cè)向卸荷河谷侵蝕側(cè)向卸荷 河谷下切或邊坡開(kāi)挖河谷下切或邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，隨著邊坡側(cè)向應(yīng)過(guò)

24、程中，隨著邊坡側(cè)向應(yīng)力的解除（卸荷），邊坡力的解除（卸荷），邊坡產(chǎn)生回彈變形，邊坡應(yīng)力產(chǎn)生回彈變形，邊坡應(yīng)力產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整，其結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整，其結(jié)果是在邊坡一定深度范圍內(nèi)是在邊坡一定深度范圍內(nèi)形成形成二次應(yīng)力場(chǎng)二次應(yīng)力場(chǎng)。河谷下切所引起的應(yīng)力變化有河谷下切所引起的應(yīng)力變化有以下幾條規(guī)律：以下幾條規(guī)律：主應(yīng)力方向在河谷臨空面附主應(yīng)力方向在河谷臨空面附近發(fā)生明顯的變化：通常重分布后近發(fā)生明顯的變化：通常重分布后的最大主應(yīng)力與臨空面近于平行，的最大主應(yīng)力與臨空面近于平行，而最小主應(yīng)力則與之近于垂直。而最小主應(yīng)力則與之近于垂直。n 最大主應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸增最大主應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸增大，至臨空面達(dá)到最

25、大值，大，至臨空面達(dá)到最大值，。與此相聯(lián)系，。與此相聯(lián)系，剪應(yīng)力在臨空面附近，特別是在下剪應(yīng)力在臨空面附近，特別是在下部坡腳處，顯著增大。部坡腳處，顯著增大。 臨空面附近的臨空面附近的現(xiàn)象現(xiàn)象通常在通常在表現(xiàn)得最表現(xiàn)得最為強(qiáng)烈。為強(qiáng)烈。應(yīng)力集中：最大主應(yīng)力（或剪應(yīng)力）在臨空面附近增大（或減小的現(xiàn)象）應(yīng)力集中：最大主應(yīng)力（或剪應(yīng)力）在臨空面附近增大（或減小的現(xiàn)象）應(yīng)力集中系數(shù)：變化后的主應(yīng)力與初始應(yīng)力之比。應(yīng)力集中系數(shù)：變化后的主應(yīng)力與初始應(yīng)力之比。因此，在高應(yīng)力區(qū)，河谷臨空面附近的應(yīng)力集中，往往因此，在高應(yīng)力區(qū)，河谷臨空面附近的應(yīng)力集中，往往使周?chē)鷰r體內(nèi)的應(yīng)力（特別是坡腳和谷底）超過(guò)其強(qiáng)度，使

26、周?chē)鷰r體內(nèi)的應(yīng)力（特別是坡腳和谷底）超過(guò)其強(qiáng)度，使使巖體發(fā)生破裂變形，巖體發(fā)生破裂變形，生成生成各類(lèi)表生結(jié)構(gòu)面各類(lèi)表生結(jié)構(gòu)面。而表層巖體內(nèi)的。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，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。高應(yīng)力集中區(qū)則向巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移。n 垂直于最大主應(yīng)力的河谷段，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)力的河谷段度要比平行于最大主應(yīng)力的河谷段高得多。高得多。n2.4.2.4.3 3 地殼表層高地應(yīng)力區(qū)及其地質(zhì)地貌標(biāo)志地殼表層高地應(yīng)力區(qū)及其地質(zhì)地貌標(biāo)志研究表

27、明，高地應(yīng)力區(qū)在地表研究表明，高地應(yīng)力區(qū)在地表地質(zhì)地貌地質(zhì)地貌上有明顯的表現(xiàn)。因上有明顯的表現(xiàn)。因此，通過(guò)地質(zhì)地貌研究可以揭示是否高地應(yīng)力區(qū)的存在。此，通過(guò)地質(zhì)地貌研究可以揭示是否高地應(yīng)力區(qū)的存在。1 1 天然條件下與高水平應(yīng)力釋放有關(guān)的淺表生時(shí)效變形現(xiàn)象天然條件下與高水平應(yīng)力釋放有關(guān)的淺表生時(shí)效變形現(xiàn)象（1 1）隱爆）隱爆最早發(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(lèi)似低角度逆斷層的斷隆，一般高度較小，而延伸長(zhǎng)度較大。最早褶或類(lèi)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(chēng)之為隆爆（稱(chēng)之為隆爆（POP-UPPOP

28、-UP）現(xiàn)象?，F(xiàn)象。其發(fā)育特征有：其發(fā)育特征有： a. a. 發(fā)育在強(qiáng)度和厚度都不太大的近水平層狀巖層中；發(fā)育在強(qiáng)度和厚度都不太大的近水平層狀巖層中； b. b.隆爆軸與實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力基本垂直隆爆軸與實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力基本垂直 C. 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。絕大多數(shù)隆爆都是該區(qū)大陸冰川消退不久的產(chǎn)物。（2 2）谷下水平卸荷裂隙及谷坡內(nèi)水平剪切蠕動(dòng)變形）谷下水平卸荷裂隙及谷坡內(nèi)水平剪切蠕動(dòng)變形帶帶大量的勘察資料表明，在高地應(yīng)力區(qū)內(nèi)較開(kāi)闊的河谷經(jīng)常有一系大量的勘察資料表明，在高地應(yīng)力區(qū)內(nèi)較開(kāi)闊的河谷經(jīng)常有一系列開(kāi)口良好，透水性很強(qiáng)的卸荷裂隙，特別是當(dāng)最大主應(yīng)力與河段走向列開(kāi)口良

29、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)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)生于近水平產(chǎn)出的沉積巖分布區(qū)或緩傾育而成。因此，這種裂隙最易產(chǎn)生于近水平產(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)。角裂隙發(fā)育的巖漿巖分布區(qū)。（3）應(yīng)力釋放型的深大拉張變形帶）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(lèi)拉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(lèi)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)別于通常的卸荷張變形帶以其規(guī)模

30、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。裂隙。（4 4）蓆狀裂隙）蓆狀裂隙在出露于地表的侵入巖體中，廣泛見(jiàn)于一種近地表平行分布在出露于地表的侵入巖體中，廣泛見(jiàn)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。這是隙。這是區(qū)域性卸荷剝蝕區(qū)域性卸荷剝蝕的結(jié)果。的結(jié)果。2 與鉆進(jìn)有關(guān)的巖體應(yīng)力釋放及伴生現(xiàn)象與鉆進(jìn)有關(guān)的巖體應(yīng)力釋放及伴生現(xiàn)象（1 1）巖心餅化現(xiàn)象）巖心餅化現(xiàn)象 鉆進(jìn)過(guò)程中巖心裂成餅狀的現(xiàn)象是高地應(yīng)力區(qū)所特有的巖鉆進(jìn)過(guò)程中巖心裂成餅狀的現(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

31、共性：體力學(xué)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象有幾個(gè)方面的共性：a.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(guān)系，一般約為直徑的與巖心的直徑有一定的關(guān)系，一般約為直徑的1/41/4到到1/51/5，所，所以不同的鉆孔，只要孔徑相同，巖餅的厚度就大致相近；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有巖餅的表面均為新鮮破裂面新鮮破裂面，而且邊緣部分粗糙，多數(shù)內(nèi)，而且邊緣部分粗糙，多數(shù)內(nèi)部隱約見(jiàn)有順槽，或沿一個(gè)方向的擦痕與之對(duì)應(yīng)的拉裂坎。部隱約見(jiàn)有順槽，或沿一個(gè)方向的擦痕與之對(duì)應(yīng)的拉裂坎。b.b.餅狀巖心是鉆進(jìn)

32、過(guò)程中差異卸荷回彈的產(chǎn)物，破裂主要餅狀巖心是鉆進(jìn)過(guò)程中差異卸荷回彈的產(chǎn)物，破裂主要發(fā)生在一定高度的巖心根部，是由拉張和復(fù)合機(jī)制導(dǎo)致的。發(fā)生在一定高度的巖心根部，是由拉張和復(fù)合機(jī)制導(dǎo)致的。c.c.餅狀巖心的產(chǎn)生需具備特定的巖體力學(xué)條件：餅狀巖心的產(chǎn)生需具備特定的巖體力學(xué)條件：n 彈性高，儲(chǔ)能條件好的巖性條件，如火成巖；彈性高，儲(chǔ)能條件好的巖性條件，如火成巖；n 整體塊狀的巖體結(jié)構(gòu)條件；整體塊狀的巖體結(jié)構(gòu)條件；n 高地應(yīng)力條件，最大主應(yīng)力在高地應(yīng)力條件，最大主應(yīng)力在3030MPaMPa以上。以上。( (2 2) )鉆孔周?chē)鷰r體蔥皮化現(xiàn)象：鉆孔周?chē)鷰r體蔥皮化現(xiàn)象： 蔥皮化薄層巖片一般呈疊瓦式分布于鉆孔周?chē)?，平面方向基本與鉆孔軸垂直，兩端微微上翹，其產(chǎn)生可能與爆破震動(dòng)卸荷作用有關(guān)。巖片厚度在幾毫米至5cm，延伸長(zhǎng)度一般在2030cm.( (3 3) )鉆孔崩落現(xiàn)象：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)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)短軸之差可達(dá)3-183-18cmcm。觀察表明，這種孔徑的增大是由于孔觀察表明，這種孔徑的增大是由于孔