工程地質(zhì)分析原理課件

第八章地面沉降問題的工程地質(zhì)分析工程地質(zhì)分析原理國名

地點沉降面積（km2）最大沉降速率（cm/a）最大沉降量（m）發(fā)生沉降的主要時間備注州或省市具體地點

日本東京江東及城北工業(yè)區(qū)29019.54.231892－1968開發(fā)地下水大阪16.32.81925－1968九州

佐賀縣白石平原88201954－1965尼崎3.1

美國加州圣克拉拉流域600213.901915－1967圣華金流域900046.08.551935－1968洛斯貝諾斯－開脫爾曼市2330404.88

－1955邱拉里華茲科＞303.961926－1954長灘市威明頓油田327191926－1968開采石油內(nèi)華達州拉斯維加斯50011935－1963抽取地下水亞利桑那州鳳凰城31031952－1970得克薩斯州休斯頓－加爾維斯頓100001－21943－1969路易斯安那州巴吞魯日5000.31934－1965墨西哥墨西哥城7560427.51890－1957意大利波河三角洲80030＞0.251953－1960開采石油

中國上海天津臺灣市區(qū)及郊區(qū)臺北盆地730010.121.622.6671.761.701921－19871959－19831963－抽取地下水表8－18.l基本概念及研究意義主要危害

(1).沿海地區(qū)沉降使地面低于海面，受海水侵襲；

(2)一些港口城市，由于碼頭、堤岸的沉降而喪失或降低了港灣設(shè)施的能力;(3)橋墩下沉，橋梁凈空減小，影響水上交通.(4)在一些地面沉降強烈的地區(qū)，伴隨地面垂直沉陷而發(fā)生的較大水平位移，往往會對許多地面和地下構(gòu)筑物造成巨大危害;(5)在地面沉降區(qū)還有一些較為常見的現(xiàn)象，如深井管上升、井臺破壞，高擺脫空，橋墩的不均勻下沉等，這些現(xiàn)象雖然不致于造成大的危害，但也會給市政建設(shè)的各方面帶來一定影響。天津市地面沉降西安市地面沉降8.2

地面沉降的形成機制8.2.1

承壓水位降低所引起的應(yīng)力轉(zhuǎn)變及土層的壓密位于末固結(jié)或半固結(jié)疏松沉積層地區(qū)內(nèi)的大城市，因為潛水易于污染往往開發(fā)深層的承壓水作為工業(yè)及生活用水的水源?！诳紫冻袎汉畬又?，抽汲地下水所引起的承壓水位的降低，必然要使含水層本身和其上、下相對含水層中的孔隙水壓力隨之而減小。根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，土中由復(fù)蓋層荷載引起的總應(yīng)力是由孔隙中的水和土顆粒骨架共同承擔(dān)的。由水承擔(dān)的部分稱為孔隙水壓力，它不能引起土層的壓密，故又稱為中性壓力，而由土骨架承擔(dān)的部分則能直接造成土層的壓密，故稱為有效應(yīng)力；二者之和等于總應(yīng)力。假定抽水過程中土層內(nèi)的總應(yīng)力不變，那么孔隙水壓力的減小必然導(dǎo)致土中有效應(yīng)力的等量增大，結(jié)果就會引起土層成比例的固結(jié)。由于區(qū)域性地面沉降范圍較廣闊，壓縮層厚度與沉降范圍相比較，又相對較小，因此無論從理論或?qū)嶋H應(yīng)用上，即可以把這類由于抽水引起的地面沉降問題按一維固結(jié)問題處理。以三層結(jié)構(gòu)條件下單層抽水的情況為例，對抽水過程中土層中應(yīng)力的轉(zhuǎn)變及土層的固結(jié)問題進行具體分析。

由于透水性能的顯著差異，上述孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力相應(yīng)增大的過程，在砂層和粘土層中的表現(xiàn)是截然不同的。在砂層中這一過程基本上可志著固結(jié)進展程度的應(yīng)力轉(zhuǎn)換線逐漸地向最終邊界線壩推進[如圖8—5(b)]，而達到AB線(與降低后的承壓水位相平按的孔隙水壓力線)所需的時間，正如模型試驗(圖8—6)所表明的，拄往需要幾個月、幾年甚至幾十年(取決于土層厚度和透水性)。這樣，在承壓水位降低后，直到應(yīng)力轉(zhuǎn)變過程(也就是固結(jié)過程)最終完成之前的相當長的一段時間里，粘土層中始終不同程度地存在有高于和新的承壓水位相平衡的孔隙水壓力，這部分孔陷水壓力通常被稱為剽余孔隙水壓力或超孔隙水壓力。土層內(nèi)現(xiàn)有的剽余孔隙水壓力的大小，是衡量該土層在現(xiàn)存的應(yīng)力條件下可能最終產(chǎn)生的固結(jié)、壓密的強烈程度的重要標志，通?？梢酝ㄟ^實測加以查明。以上通過一種較簡單的三層結(jié)構(gòu)、單層抽水模式，的機制。其它多層結(jié)構(gòu)(甚至多層抽水)類型的沉降，制仍然是相同的，所以就不再一一地進行討論了。

8.2.2土層的性質(zhì)及其變化與地面沉降的關(guān)系8.2.2.1土層的固結(jié)狀態(tài)與地面沉降的關(guān)系討論了承壓水位下降引起地面沉降盡管情況要復(fù)雜得多。如前所述，在土的固結(jié)、壓密過程中起作用的只是有效應(yīng)力，也就是說，土的固結(jié)、壓密程度主要取決于曾經(jīng)作用于土體上的有效應(yīng)力的大小。通常將曾經(jīng)作用于土層中的最大有效應(yīng)力稱為該土層的予固結(jié)應(yīng)力(或先期固結(jié)應(yīng)力)，它相當于壓縮曲線上開始的近水平段終點處的壓力值(如圖8—7)，故可通過實驗加以測定。如果抽水前土層不同深度處的固結(jié)程度都與土中現(xiàn)有的天然有效應(yīng)力此相適應(yīng)，那么這種土層就稱為正常固結(jié)的土層，此時該土層內(nèi)的天然孔隙水壓力線(即靜水壓力線)與預(yù)因結(jié)應(yīng)力線相重合。這里所謂的預(yù)固結(jié)應(yīng)力線，是指在不同深度上，從總應(yīng)力線向左方截取該深度土的預(yù)固結(jié)應(yīng)力值所得各點的連續(xù)。倘若當前土層內(nèi)不同深度處的固結(jié)程度不與現(xiàn)有的天然有效應(yīng)力此相適應(yīng)，在相同的條件下，超固結(jié)土層的壓密星將小于正常固結(jié)土層，同理，欠固結(jié)土層的壓密量則將大于正常固結(jié)土層。8.2.2.3砂層與粘土層的壓密在地面沉降中的相對重要性

在較低的有效應(yīng)力增長條件下，粘土層的壓密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升過程中，砂層的膨脹回彈則有決定意義。

8.3地面沉降的產(chǎn)生條件從前面的討論中可以看出，地面沉降的產(chǎn)生需要一定的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和土層內(nèi)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變(由水所承擔(dān)的那部分應(yīng)力不斷轉(zhuǎn)移到土顆粒上)條件。從地質(zhì)、水文地質(zhì)條件來看，疏松的多層含水體系；共中承壓含水層的水量豐富，適于長期開采；開采層的影響范圍內(nèi)，特別是它的頂、底板，有厚層的正常固結(jié)甚或欠固結(jié)的可壓縮性粘性土層等，對于地面沉降的產(chǎn)生是特別有利。從土層內(nèi)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變條件來看，承壓水位大幅度波動式的趨勢性降低，則是造成范圍不斷擴大的、累進性應(yīng)力轉(zhuǎn)變的必要前提。8.4

地面沉降的研究、預(yù)測及防治8.4.1場面沉烽的工程地質(zhì)研究為了掌握地面沉降的規(guī)律和特點，合理擬定控制地面沉降的措施，研究工作必須包括下述內(nèi)容：

(1)地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究；

(2)地面水準點的定期測量，(3)地下水開采量統(tǒng)計及地下水位的長期觀測；

(4)粘性土層孔隙水壓力的觀測；

(5)土層性質(zhì)的測試；

(6)各土層實際沉降量的監(jiān)測及土性參數(shù)的反算。其中前三項工作屬常規(guī)性質(zhì)，用一般通用的方法進行。8.4.1.1

粘性土層孔隙水壓力的觀測為研究抽、灌水作用下，土層不同深度處孔隙水壓力的消關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)有計劃地開展現(xiàn)場孔陽水壓力觀測工作。，除常規(guī)上工試驗外，還需進行以下一些專門性質(zhì)的試驗研究工作：為此，需在不同地區(qū)酌粘性土層內(nèi)埋沒孔隙水壓力觀測孔，觀測在夏軍用水期一般每5天一次，其他季節(jié)每10天一次。8.4.1.2

土層性質(zhì)的測試研究從地面沉降角度研究土層的性質(zhì)8.4.1.3

各土層實際沉降量的監(jiān)測及土性參數(shù)的反算8.4.2

地面沉降的預(yù)測及防治8.4.2.1

防治地面沉降的原則和方法工程地質(zhì)分析原理第二章地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)2.1基本概念及研究定義2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念地殼巖體內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)，是指未經(jīng)人為擾動的，主要是在重力場和構(gòu)造應(yīng)力場的綜合作用下，有時也在巖體的物理、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，在巖體天然應(yīng)力場內(nèi)，因挖除部分巖體或增加結(jié)構(gòu)面而引起的應(yīng)力，稱為感生應(yīng)力。

按成因，可對構(gòu)成巖體應(yīng)力的各組分作如下分類：巖體應(yīng)力：天然應(yīng)力和初始應(yīng)力（virginalstress）

自重應(yīng)力（gravitationalstress）

構(gòu)造應(yīng)力（tectonicstress）活動的（activetectonicstress）剩余的（residualtectonicstress）

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

感生應(yīng)力（inducedstress）

⑴.自重應(yīng)力：在重力場作用下生成的應(yīng)力為自重應(yīng)力。在地表近水平的情況下，重力場在巖體內(nèi)的某一任意類形成相當于上覆巖層重量的垂直正應(yīng)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(yīng)力中的最大主應(yīng)力。）由于泊松效應(yīng)（即側(cè)向膨脹）造成水平正應(yīng)力σh，相當于三向應(yīng)力中的最小應(yīng)力：

（μ為巖體的泊松比，N。稱為巖體的側(cè)壓力系數(shù)。）

對于大多數(shù)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(yīng)力狀態(tài)。⑵構(gòu)造應(yīng)力巖石圈運動在巖體內(nèi)形成的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力又可稱為活動構(gòu)造應(yīng)力和剩余構(gòu)造應(yīng)力?；顒訕?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。剩余的構(gòu)造應(yīng)力是古構(gòu)造運動殘留下來的應(yīng)力。⑶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。具體來說是巖體的物理狀態(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。殘余應(yīng)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(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。2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)類型目前有三種觀點：⑴由瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆于1905-1912年提出的，他以巖體具有蠕變的性能為依據(jù)，認為地殼巖體任一類的應(yīng)力都是各向相等的，均等于上覆巖層的自重，即：σx=σy=σv=rh⑵垂直應(yīng)力為主的觀點基于彈性理論提出的，認為巖體內(nèi)的應(yīng)力主要是重力場作用下形成的自重應(yīng)力。⑶水平應(yīng)力為主的觀點近年來，大量的震源機制資料和應(yīng)力實測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，其中包括以下三種典型情況：①.中間主應(yīng)力近于垂直，最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3近于水平，我國的大多數(shù)地區(qū)如邢臺、新豐江、丹江口以及西南南北向構(gòu)造均屬這種類型。在這種應(yīng)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(yīng)力成約30°～40°左右交角的陡立面產(chǎn)生走向滑動性的斷裂活動，此類三向應(yīng)力狀態(tài)稱為潛在走向滑動型。

②.最小主應(yīng)力軸σ3近于垂直，最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)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(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X裂面產(chǎn)生逆斷活動，故可稱為潛在逆斷型。③應(yīng)力場中的最大主應(yīng)力軸σ1垂直，其余兩主應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)就是這種類型。此應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的破壞（或再活動），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，故可稱為潛在正斷型。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)力軸傾斜的過度類型?？傊罅繉崪y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。

2.1.3研究意義地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)與人類的工程活動關(guān)系極大，它不僅是決定區(qū)域穩(wěn)定性的重要因素，而且往往對各類建筑物的設(shè)計和施工造成直接的影響。實踐表明，在高應(yīng)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(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也會對建筑物造成直接的危害。地殼開挖導(dǎo)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(jié)構(gòu)面的逆沖錯動。

⑵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)生剪切錯動。⑶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：⑴拱頂裂縫掉塊； ⑵邊墻內(nèi)鼓張裂；⑶底鼓及中心線偏移； ⑷施工導(dǎo)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(nèi)天然應(yīng)力的平衡，引起一系列諸如斷層復(fù)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(chǎn)的工程地質(zhì)作用。對于天然巖體應(yīng)力狀態(tài)的研究，是工程地質(zhì)工作者的一項重要任務(wù)。

2.2影響巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的主要因素及其作用2.2.1地區(qū)地質(zhì)條件及巖體所經(jīng)歷的地質(zhì)歷史對巖天然狀態(tài)的影響

⑴巖體的巖性及結(jié)構(gòu)特征對天然巖體應(yīng)力狀態(tài)形成的影響。a：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)指標的大小，從而影響自重應(yīng)力場特征（σv=γh）。b：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。c:巖體的巖性和結(jié)構(gòu)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(yīng)力的能力。

⑵構(gòu)造作用及其演變歷史對巖體天然應(yīng)力狀態(tài)形成的影響。統(tǒng)計表明活動的構(gòu)造應(yīng)力對世界上大部分地區(qū)巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)起著決定性的作用，而剩余構(gòu)造應(yīng)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(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某些巖體內(nèi)的水平應(yīng)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(yīng)力呈靜水應(yīng)力式分布。如下圖所示：AB為原始地面，則巖體內(nèi)任一深度h0+h處的P點的應(yīng)力為：

σh=σv=γ(h0+h)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)力隨之而變化，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)

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)力不具方向性，即σx=σy，所以與構(gòu)造作用造成的各向不等的高水平應(yīng)力區(qū)區(qū)別明顯。

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

巖體內(nèi)自由臨空面附近的應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用是促使巖體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜化的另一個重要因素。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)。河谷下切所引起的應(yīng)力變化有以下幾條規(guī)律：⑴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。⑵最大主應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸增大，至臨空面達到最大值，而最小主應(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?，有時甚至出現(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。

錦屏河谷下切后最大主應(yīng)力分布錦屏河谷下切后剪應(yīng)力分布圖⑶通常將最大主應(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，而將變化后的主應(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)得最為強烈，可達原始應(yīng)力場中水平應(yīng)力的三倍。

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）超過其強度，使巖體發(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，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。

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(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，故而整個體系在外荷載為零的情況下處于內(nèi)力平衡狀態(tài)。2.2.3巖體切割面附近的殘余應(yīng)力效應(yīng)非均質(zhì)的承載巖體，卸荷后，天然巖體內(nèi)形成自我平衡的殘余應(yīng)力體系，可用圖Ⅰ及圖Ⅱ所示的力學(xué)模型來表示。模型I然而，天然巖體大多是一種粘-彈性介質(zhì)，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(nèi)部的拉應(yīng)力將不斷降低，從而導(dǎo)致整個應(yīng)力體系的松弛。所以，從整體來看，這類殘余應(yīng)力體系始終處于內(nèi)力緩慢降低的動平衡之中。

力學(xué)模型II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?！凹s束元件”一旦喪失其約束能力（例如當拉應(yīng)力超過其抗拉強度時），束縛于體系內(nèi)的殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)物發(fā)生影響或危害。2.3我國地應(yīng)力場的空間分布及隨時間變化的規(guī)律2.3.1地應(yīng)力場的空間分布及其與板塊運動的關(guān)系2.3.1.1我國地應(yīng)力場的空間分布特點（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方向均與由各該點向我國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)向順時針偏轉(zhuǎn)，西側(cè)向逆時針偏轉(zhuǎn)。（2）三向應(yīng)力狀態(tài)及其所決定的現(xiàn)代構(gòu)造活動類型呈有規(guī)律的空間分布：①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，其主要特點是兩個水平主應(yīng)力均大于垂直主應(yīng)力。（σ3垂直，σ1和σ2水平）②潛在走滑型應(yīng)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(yīng)力大于垂直主應(yīng)力，具中等擠壓區(qū)的特征。。（σ2垂直，σ1和σ3水平）③潛在正斷型和張剪性走滑應(yīng)力狀態(tài)區(qū)主要分布于我國的東部和東北部，其主要特點是：區(qū)內(nèi)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(shù)千米；區(qū)內(nèi)KZ堆積具雙層結(jié)構(gòu)(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，橫向差異小；區(qū)內(nèi)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。

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(nèi)腹，還存在著一個局部潛在正斷型應(yīng)力分布區(qū)(圖2—19)。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)天然地震的震源機制也大多屬正斷層，且主拉應(yīng)力軸為近東西(圖2—21)。2.3.1.2地應(yīng)力場的形成與板塊運動的關(guān)系我國大部分地區(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(yīng)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(yīng)力場的形成產(chǎn)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(nèi)側(cè)，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)力場和最新構(gòu)造活動的特征。2.3.2斷裂帶附近的局部構(gòu)造應(yīng)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(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。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(yīng)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(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)的發(fā)育與活斷層的關(guān)系活斷層或活動斷塊的特定部位，往往形成很高的局部構(gòu)造應(yīng)力集中地區(qū)。(對照圖2-23講解)2.3.3地應(yīng)力隨時間變化與地殼巖應(yīng)變速率的關(guān)系

⑴地殼巖體的應(yīng)力-應(yīng)變性狀與應(yīng)變速率間的關(guān)系。伊藤、熊谷等人的研究表明：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。當應(yīng)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(yīng)變的增大而發(fā)生應(yīng)力積累，但當應(yīng)力增大到一定程度時，應(yīng)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(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。

在統(tǒng)一的區(qū)域構(gòu)造力的作用下，巖體內(nèi)部的應(yīng)變速率和沿斷裂帶的應(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。

①當區(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（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(nèi)部及沿斷裂帶的應(yīng)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(nèi)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(jù)計算，在30km深度C=10ˉ13/s的應(yīng)變速率，大體相當于地表隆起速度為5cm/a。

(2)當區(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(相當于使巖體內(nèi)方向有利的斷裂帶的CF=C0時（此時CR

<C0）的巖體應(yīng)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(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，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。這也是所有構(gòu)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(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(如圖2—28(a)中的③區(qū))

，故這類地區(qū)的特點應(yīng)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(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的情況。2.4地殼表層巖體應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性2.4.1地殼表層巖體應(yīng)力分布的規(guī)律2.4.1.1垂直應(yīng)力的分布世界各地實測應(yīng)力資料的統(tǒng)計表明，不同地區(qū)地殼表層巖體垂直應(yīng)力隨深度的分布，通常有如下關(guān)系：σv=A+γh（γ大體相當于巖體的平均容重，A為常數(shù)）我國地殼表層巖體內(nèi)垂直應(yīng)力隨深度的分布也大體上與國外統(tǒng)計結(jié)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從統(tǒng)計關(guān)系可以看出：地表表層巖體內(nèi)的垂直應(yīng)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(shù)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(yīng)力，公式中常數(shù)項的存在就表明了這一點。2.4.1.2水平應(yīng)力的分布及應(yīng)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(yīng)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。平均水平應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài)的的類型：平均水平應(yīng)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(gòu)造擾動或僅受輕微構(gòu)造作用或明顯遭受側(cè)向卸荷影響的巖體具有這種應(yīng)力狀態(tài)。（σ1垂直,重力場）；b.σh=σv近期未受構(gòu)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(yīng)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(yīng)力場）2.4.1.3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。2.4.1.4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)致深淺部的不同；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.2.4.2地表高應(yīng)力區(qū)及其地質(zhì)地貌標志研究表明，高應(yīng)力區(qū)在地表地質(zhì)地貌上有明顯的表現(xiàn)。因此，通過地質(zhì)地貌研究可以揭示是否高應(yīng)力區(qū)的存在。2.4.2.1天然條件下高水平應(yīng)力釋放有關(guān)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。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(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）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(jié)果。（解釋：初始為深部靜水應(yīng)力狀態(tài)，隨著侵蝕，垂直應(yīng)力減少，應(yīng)力差逐漸增大，當超過巖體極限事，形成水平破裂。（3）谷下水平卸荷裂隙及谷坡內(nèi)水平剪切蠕動變形帶 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，透水性很強的卸荷裂隙，特別是當最大主應(yīng)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(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)或緩傾角裂隙發(fā)育的巖漿巖分布區(qū)。發(fā)育在谷坡內(nèi)的水平剪切蠕動變形帶是高地應(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)致的沿坡角附近已有平緩結(jié)構(gòu)面發(fā)生的減速型剪切蠕動變形的產(chǎn)物。（4）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。2.4.2.2與鉆進有關(guān)的巖體應(yīng)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(yīng)力區(qū)所特有的巖體力學(xué)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(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，或沿一個方向的擦痕與之正常的拉裂坎。b.餅狀巖心是鉆進過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)合機制導(dǎo)致的。c.餅狀巖心的產(chǎn)生需具備特定的巖體力學(xué)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(jié)構(gòu)條件；高地應(yīng)力條件，最大主應(yīng)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。進一步研究發(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度參數(shù)及水平應(yīng)力的控制。2.4.2.3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：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(jié)構(gòu)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(zhì)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(yīng)力的地表、地下開挖，引起的變形和破壞最為強烈。

2.5巖體應(yīng)力和區(qū)域應(yīng)力場研究

鑒于天然應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜性，為了從定性、定量兩個方面闡明一個地區(qū)天然應(yīng)力狀態(tài)的總體特征，一般采用下述途徑：以地質(zhì)、地貌方法研究該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的演化歷史和現(xiàn)今應(yīng)力場基本特征；在此基礎(chǔ)上，選擇一些有代表性的地點進行應(yīng)力測定；以這些實測應(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，對區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場進行數(shù)值模擬研究，并根據(jù)反演分析結(jié)果建立區(qū)域應(yīng)力場的定量化模型。2.5.1構(gòu)造應(yīng)力場的演化歷史和現(xiàn)今地應(yīng)力場的基本特征的地質(zhì)地貌研究（1）構(gòu)造應(yīng)力場演化歷史研究通過地質(zhì)力學(xué)方法通過斷層錯動機制解的赤平投影解釋（2）現(xiàn)今地應(yīng)力場基本特征研究研究方法：斷層錯動機制解地質(zhì)地貌方法新斷裂網(wǎng)絡(luò)地質(zhì)地貌分析法地震震源機制解所謂新斷裂是指最新構(gòu)造應(yīng)力場下形成與發(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。共軛剪列面大多數(shù)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(xué)者認為這類區(qū)域性剪裂隙是在蠕動條件下沿最大剪應(yīng)力跡線形成的。這一對共軛剪裂面常常是新斷裂網(wǎng)絡(luò)中的基本成分，且其銳角等分線就是區(qū)域最大主應(yīng)力方位。2.5.1.3區(qū)域巖體應(yīng)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(chǔ)上，以地殼巖體應(yīng)變速率的變化趨勢，結(jié)合歷史時期的斷裂活動情況，總體上判明當前區(qū)內(nèi)巖體應(yīng)力積累和程度。（2）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；（3）可以作為高應(yīng)力區(qū)標志的地質(zhì)、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。2.5.2巖體應(yīng)力測量目前巖體應(yīng)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(yīng)力測試方法直接測試法間接測試法應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力解除法水力壓裂法（水壓致裂法）鉆孔崩落法定向巖心非彈性應(yīng)變恢復(fù)法凱塞爾效應(yīng)測試法2.5.2.1應(yīng)力恢復(fù)法（stress-recoverymethod)

當巖體應(yīng)力被解除后，通過施加壓力，使巖體恢復(fù)到原來的狀態(tài)，以求得巖體應(yīng)力解除時的應(yīng)力值。其優(yōu)點是當決定巖體的應(yīng)力時，不需測定巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系2.5.2.2應(yīng)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(cè)巖體傳來的應(yīng)力。從刻槽前裝置好的儀器測出由于這種應(yīng)力解除而引起的應(yīng)變。并根據(jù)有關(guān)巖石已知的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系換算出解除前巖體內(nèi)的應(yīng)力。以其精度高、測值穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于巖土工程設(shè)計、礦產(chǎn)開采、地震研究等方面。壓磁全應(yīng)力解除法實現(xiàn)了單孔測量三維地應(yīng)力，它克服了一般應(yīng)力解除測量法對巖石條件要求高、野外測量工序復(fù)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(yīng)力測量。該方法最大的優(yōu)點是能夠精確測得三維主應(yīng)力的大小和方向，以及可以在狹窄的坑道內(nèi)完成測量。圖3-28應(yīng)力解除法布置圖1.刻痕；2.電阻片的布置圖3-29鉆孔內(nèi)應(yīng)力解除法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(jù)破壞壓力、關(guān)閉壓力和破裂面的方位，計算和確定巖體內(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行深部地應(yīng)力測試，且具有操作簡便、無須知道巖體力學(xué)參數(shù)等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于水電工程設(shè)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(xué)研究等領(lǐng)域。應(yīng)用該測試方法，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。對于垂直鉆孔，由不同深度的測試數(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。對三個或三個以上的交匯鉆孔進行測試，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算得到測點附近的三維應(yīng)力狀態(tài)。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(yīng)力集中部位的局部破壞引起的，且崩落的長軸垂直區(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：(1)詳細測量區(qū)內(nèi)的鉆孔崩落現(xiàn)象，并根據(jù)崩落域的長軸展布確定該區(qū)水平最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。

(2)按照實際的巖體條件進行模擬試驗，求得θb

—σh直線關(guān)系(圖2—50)，并根據(jù)實測的σb求出區(qū)內(nèi)的水平最小主應(yīng)力(σh

)的量值。

(3)根據(jù)σh及實測的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。2.5.2.5定向巖心非彈性應(yīng)變恢復(fù)測量法：

1．基本原理實測結(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：(1)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，且整個應(yīng)變恢復(fù)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(yīng)變恢復(fù)(無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

(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?。此時，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(yīng)變恢復(fù)過程中，主應(yīng)變比(無論是彈性或是非彈性的)與主應(yīng)力比始終保持相等。2．測量的方法及步驟(1)從鉆孔中取定向巖心。(2)在巖心內(nèi)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(yīng)變恢復(fù)測量(所得結(jié)果顯然是非彈性的)，然后根據(jù)測量資料計算三個主應(yīng)變的方向及比值。如果有一個主應(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)的三個不同方向上進行應(yīng)變恢復(fù)測量，求得兩個水平主應(yīng)變的方向及比值即可。(3)測量時應(yīng)注意使巖心密封，以避免溫度及濕度變化對測量結(jié)果的影響。

2.5.2.6凱塞爾（Kaiser）效應(yīng)測量法

1.基本原理1950年，德國學(xué)者J.Kaiser發(fā)現(xiàn)受單向拉伸力作用的金屬材料，只有當應(yīng)力達到并超過材料所受過的最大先期應(yīng)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(yīng)。1963年，Goodman通過實驗證實巖石也具有凱塞爾效應(yīng)，從而為應(yīng)用這一技術(shù)測定巖體應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。70年代末期以來，日，美、中學(xué)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(yīng)方向獨立性、三維地應(yīng)力測量及試驗過程中噪聲的排除等問題，使凱塞爾效應(yīng)在地應(yīng)力測量領(lǐng)域已基本具有實用性。

為了深入理解凱塞爾效應(yīng)及其在地應(yīng)力測量方面的應(yīng)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(yīng)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(nèi)部顯微缺陷的受力擴展，而巖石的每一次受力，都會使其內(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，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(yīng)的基本機理。

(2)巖石凱塞爾效應(yīng)對地應(yīng)力的記憶功能已有的研究認為，通過凱塞爾效應(yīng)所測得的是巖體在地質(zhì)歷史時期內(nèi)所遭受過的最大應(yīng)力。如果確是這樣，實際上就無法利用凱塞爾效應(yīng)來解決現(xiàn)今地應(yīng)力的測量問題，因為在遭受過構(gòu)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(yīng)力。但是，一系列實測資料表明，利用凱塞爾效應(yīng)測得的巖體應(yīng)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(yīng)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(yīng)實際上只能記憶挽近時期的應(yīng)力；而不能記憶古構(gòu)造力。之所以如此，看來這里有一個顯微破裂的愈合問題。隨著環(huán)境的改變，巖石會發(fā)生重結(jié)晶或新晶體生長的作用，使那些古老的顯微破裂焊接愈合，從而也就使其喪失對古構(gòu)造應(yīng)力的記憶能力。

相反，挽近時期巖體的受力過程是在該巖體己處于地表附近的常溫，低圍壓條件下發(fā)生的，此時所產(chǎn)生的顯微破裂系統(tǒng)，由于形成后所經(jīng)歷的時間很短，且始終處于常溫和低圍壓條件下，所以不會發(fā)生愈合。因此，當采樣并對巖石試件加載、且應(yīng)力達到和超過挽近時期巖體所遭受的應(yīng)力量級時，這類顯微破裂即將進一步擴展，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)只能記憶挽近時期巖體所遭受過的應(yīng)力的道理所在。此外，值得指出的是，近些年來的研究發(fā)現(xiàn)，挽近時期遭受過方向和量值不同的多期應(yīng)力作用的巖石，在其再次受力過程中可能出現(xiàn)多個聲發(fā)射頻數(shù)急驟增高點(圖2—53)，分別對應(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)。巖石多期凱塞爾效應(yīng)的產(chǎn)生，是因為對于不同的主應(yīng)力組合，巖石內(nèi)部最易發(fā)生進一步破裂的缺陷方位不同，因而遭受過不同方向主應(yīng)力組合作用的巖石，在其內(nèi)部將產(chǎn)生多個與各次受力相對應(yīng)的顯微破裂系統(tǒng)。當對這類巖石試件進行加壓試驗并記錄其聲發(fā)射現(xiàn)象時，隨著壓力的逐漸增大，每當外荷載引起的應(yīng)力達到與某一期應(yīng)力相等的量級時，與之相對應(yīng)的顯微破裂就開始擴展，聲發(fā)射的累計頻數(shù)也就隨之出現(xiàn)一次突增，這就是多期凱塞爾效應(yīng)產(chǎn)生的機制。(3)測量結(jié)果的應(yīng)用通過上述討論不難看出，與其它的應(yīng)力測量方法不同，凱塞爾效應(yīng)測量結(jié)果所揭示的，并不是現(xiàn)存應(yīng)力，而是巖體于挽近期所遭受過的最大應(yīng)力。如果在此期間巖體曾遭受過不同應(yīng)力場的作用，則通過多期凱塞爾效應(yīng)，還可揭示出巖體挽近期的受力歷史及每一期主應(yīng)力的方向及其最大值。由凱塞爾效應(yīng)所揭示的最新應(yīng)力場，在方向上必定與現(xiàn)存應(yīng)力場相一致，而在量值方面則可能出現(xiàn)等于或大于現(xiàn)存應(yīng)力的兩種情況。導(dǎo)致出現(xiàn)后一種情況2·5·3區(qū)域地應(yīng)力場的物理及數(shù)值模擬研究。近些年來，由于物理模擬，電算以及有限元方法的迅速發(fā)展，已有可能對通過現(xiàn)場調(diào)研所建立起的區(qū)域應(yīng)力—形變場發(fā)育的基本模式，進行進一步物理和數(shù)值模擬研究。通過這種研究，不僅可以根據(jù)區(qū)內(nèi)一些點的應(yīng)力實測資料反演現(xiàn)今區(qū)域地應(yīng)力場，建立其現(xiàn)狀的定量化模型，取得不同地段在應(yīng)力—形變強度和發(fā)震能力方面的定量關(guān)系，而且可以通過改變外力或邊界條件的系統(tǒng)分析，深入研究區(qū)域地應(yīng)力場的形成演化機制和規(guī)律，為定量評價巖體穩(wěn)定性及區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。2.5.3.1模型的建立

通過對區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場演變史及現(xiàn)今地應(yīng)力場基本特征的地質(zhì)、地貌研究和部分地點巖體應(yīng)力的實測，應(yīng)對區(qū)域構(gòu)造格架及區(qū)域應(yīng)力—形變場發(fā)育的基本特征有了一個總體認識。以此為基礎(chǔ)，通過適當?shù)暮喕ǜ呕?，建立一個符合實際的地質(zhì)—力學(xué)模型，是保證模擬研究成功的關(guān)鍵。具體說來，模型的建立就是要正確確定模型的下述特征，(1)模型的范圍、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各部分的力學(xué)參數(shù)，(2)模型的邊界條件及可能的外力作用方式，(3)地區(qū)的總體應(yīng)力—形變圖象和部分地點的主應(yīng)力方向及大小。2.5.3.2機制模擬研究

為考察模型建立的正確性和進—步研究作用的基本機制，比較有效的方法是進行相似材料模擬研究。方法的要點是，按抽象出的模式用相似材料制成模型，并于其表面畫上方格網(wǎng)，然后放入專門設(shè)計的裝置中施加外力進行變形實驗，在外力不斷增大，變形累進發(fā)展過程中仔細觀察模型中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，并以間斷拍照的方式記錄變形發(fā)展的全過程。

第六章水庫誘發(fā)地震活動的工程地質(zhì)分析

工程地質(zhì)分析原理6·1基本概念及研究意義在一定條件下，人類的工程活動可以誘發(fā)地震，諸如修建水庫，城市或油田的抽水或注水，礦山坑道的崩塌，以及人工爆破或地下核爆炸等都能引起當?shù)爻霈F(xiàn)異常的地震活動，這類地震活動統(tǒng)稱為誘發(fā)地震（inducedearthquake）。其形成一方面依賴于該區(qū)的地質(zhì)條件、地應(yīng)力狀態(tài)和有待釋放的應(yīng)變能積累程度等因素；另一方面也與工程行為是否改變了一定范圍內(nèi)應(yīng)力場的平衡狀態(tài)密切相關(guān)。

一般說來誘發(fā)地震的震級比較小，震源深度比較淺，對經(jīng)濟建設(shè)和社會生活的影響范圍也比較小。但是水庫誘發(fā)地震則曾經(jīng)多次造成破壞性后果，更有甚者，水庫誘發(fā)地震還經(jīng)常威脅著水庫大壩的安全，甚至可能釀成遠比地震直接破壞更為嚴重的次生地質(zhì)災(zāi)害，因此對水庫誘發(fā)地震發(fā)生的可能性應(yīng)予以高度重視。水庫誘發(fā)地震活動發(fā)現(xiàn)于本世紀30年代。最早發(fā)現(xiàn)于希臘的馬拉松水庫．伴隨該水庫蓄水、1931年庫區(qū)就產(chǎn)生了頻繁的地震活動。此后，發(fā)現(xiàn)有相當一部分水庫蓄水過程中伴隨有水庫誘發(fā)地震現(xiàn)象。60年代以來出現(xiàn)了一些新的情況：一方面是幾個大水庫相繼產(chǎn)生了6級以上的強烈地震，造成大壩、附近建筑物的破壞和人員的死傷；另一方面是發(fā)現(xiàn)了深井注水(美國)可以誘發(fā)地震，為水庫誘發(fā)地震的形成機制提供了有價值的資料。于是這方面的研究重新活躍起來。6.2水庫誘發(fā)地震活動性變化的幾種典型情況自1975年第一屆國際誘發(fā)地震會議以來，經(jīng)過研究的與水庫蓄水有關(guān)的地震活動性變化的事例迅速增多。其中有的是活動性(頻度、強度)增加，這類事例公認的約有百余例；活動性減弱的事例也有4例，絕大多數(shù)水庫蓄水后地震活動性沒有變化。下面分別介紹各種典型情況，而以水庫活動性增強為著重點。6.2.1蓄水后地震活動性增強6.2.1.1卡里巴—科列馬斯塔型地震活動性的主要變化主要發(fā)生在1963年6月水庫蓄水位超出正常高水位之后，尤以1963年8月庫水位超出正常高水位2.9m之后為最強烈，此時水頭增值僅為2％，以此作為地震活動性強烈變化的誘因是缺乏說服力的?？墒窃谡８咚桓浇徊▌訋酌讕烊葑兓瘏s很大，顯然庫底巖石所承受的水庫附加荷載以及附加荷載的影響深度都隨之產(chǎn)生較大變化，水庫底部承受附加應(yīng)力超出一定值的巖石的體積也會產(chǎn)生很大變化。美國胡佛壩（米德湖）希臘科列瑪斯塔壩贊比亞卡里巴壩壩型及壩高（m)重力拱壩，222心墻堆石壩，165雙曲拱壩，127庫容（億m3）36747.51604開始蓄水及滿庫時間1935；1938.71965.7.21；1966.21958.12；1963.8地震活動特征第一次地震時間1936.91965.81961.7地震次數(shù)（起止時間）6000次（1936－1945）10000次（1936－1971）M≥2.0的前震740次，余震2580次（1966－1968）M≥2.0，1397次(1959.6－1968.12）主震震級（時間）5.0（1939.5.4）6.3（1966.2.5）6.1（1963.9.23）較大地震震級（時間）4.1（42.8.11）；4.4（42.9.9）；5.0（66.3.8）；5.0（66.4.3）；5.5（66.5.4）；5.5（66.6.11）；4.5（66.12.12）5.6（63.9.23）；5.8（63.9.23）；5.5（63.9.24）；6.0（63.9.25）；5.3（63.10.5）；5.8（63.11.8）；4.2（66.4.5）；5.5（67.4.20）

地震活動與水庫蓄水的時空相關(guān)性及其它特征

水庫水升高到100m以上時發(fā)生地震，隨水位進一步增高地震活動加強，庫水達到正常高水位并繼續(xù)上升時發(fā)生主震，95％以上的地震發(fā)生在距水庫32km之內(nèi)，震中沿斷層分布

充水開始后六個月水深僅120m即發(fā)生6.3級主震。1967－1972僅有宏觀記錄，地震活動頻率與水位高度正相關(guān)。地震活動限于水庫區(qū)小范圍內(nèi)

地震活動與庫水位的變化對應(yīng)關(guān)系不明顯，但與庫底巖石中附加剪應(yīng)力超過1巴的巖石體積Vτ正相關(guān)。確切定位的159次地震大多數(shù)位于水庫范圍內(nèi)，且絕大部分位于壩附近庫水最深的盆地中表6－1水庫誘發(fā)地震活動重要實例印度科因納壩中國新豐江壩中國丹江口壩塔吉克斯坦努列克壩塊石混凝土重力壩，103單支墩大頭壩，105寬縫重力壩，97土石壩，305m27.08115160.51051962.6；1964.81959.10.20；1961.9.231967.111972（105m）；1976（205m）；1981（305m）1963年地震頻率明顯增高1959.10，廣州臺記錄到來自庫區(qū)方向的2－4級地震三次；

1960.7的4.3級地震才引起重視1968.3（Ms≥2）1971較集中的出現(xiàn)于水庫西南10－15km1972.10水庫主體之下出現(xiàn)地震M≥1.0，25000次（1963－1971）M≥3.0，450次（1963－1970）M≥4.0，35次（1969－1974）ML≥0.4，297035次（1961.9－1977.12）其中ML≥1.0，12862次Ms≥0.6，33761次（1960.10.13－1987.12.11）Ms≥1.0，13643次Ms≥0.5約110次Ms≥2.053次（1968.3－1977.4）1800次（1971－1979）1.4＜M＜4.66.5（1967.12.10）6.1（1962.3.19）4.7（1973.11.29）4.6（1972.11）5.8（67.12.11）；5.4（67.12.12.06）；5.9（67.12.12.15）；5.5（67.12.13.05）；5.6（67.12.13）；5.4（67.12.24）；5.0（68.3.8）；5.4（68.10.29）；5.1（73.10.17）4.9（62.4.5）；5.1（62.7.29）；4.3（63.12.6）；5.3（64.9.23）；4.5（72.12.18）；4.5（73.12）；4.3（75.7.25）；4.7（77.5.12）；4.3（75.7.25）；4.3（81.5.4）；4.6（87.9.15）4.2（73.11.29）；4.6（73.11.30）4.2（1971.12）4.6（1972.11）4.3（1972.11）4.1（1975.3）4.1（1975.12）4.1（1976.9）

地震頻率與水位高度正相關(guān)，但地震活動性明顯的滯后于高水位，一般3－6個月。震中集中分布于以壩為中心的25km為半徑的范圍內(nèi)，且以10km為半徑的范圍內(nèi)最為密集

水庫蓄水之后地震活動的頻率和強度立即有明顯提高，在1970年以前，地震頻率特別是強度與水位高度正相關(guān)，但比水位高峰時間滯后2－4個月，70年后相關(guān)性減弱。地震主震分布于水庫主體中軸線兩端，以大壩附近峽谷區(qū)最密集，呈N30°W的密集帶和N70°E的密集帶，主震震中的兩帶交匯處，距大壩1.1km

庫水深達50米后（1969.12）開始有明顯地震活動，地震頻率和強度與水位間有明顯的同步變化，頻率峰值滯后于水位峰值約3個月，庫容急增至最大之后1.5個月發(fā)生了較強震動。地震活動集中于丹庫主體南北兩端的灰?guī)r峽谷區(qū)，庫區(qū)外圍本世紀內(nèi)曾有6級地震，蓄水后地震活動向庫區(qū)集中

蓄水后地震活動超過蓄水前年平均發(fā)生率的四倍，最強的兩次暴雨與1972年和1976年水位分別達到105m和205m相伴。所有大地震和多數(shù)地震活動都由水庫充水速率下降所引發(fā)，地震活動性對充水速率降低反映迅速，滯后一般1－4日。

1970年前地震分散地發(fā)生于庫周附近，1972年后向水庫主體集中，隨庫區(qū)水位增高上游充水，地震震中也向上游轉(zhuǎn)移圖6－3水庫誘發(fā)地震的兩類震源機制6.2.1.2科因納—新豐江型

1．科因納水庫誘發(fā)地震科因納水庫誘發(fā)地震之所以具有典型意義，就在于它是迄今為止最強的水庫誘發(fā)地震(0.5級，地震序列中大于5.0級的達15次)，而又是產(chǎn)生在構(gòu)造跡象最不明顯、巖層產(chǎn)狀基本水平、近200a附近沒有明顯地層活動的印度地盾德干高原之上。庫、壩區(qū)均位于厚達1500m、產(chǎn)狀水平、自古至始新世噴發(fā)的玄武巖層之上，由致密塊狀玄武巖與凝灰?guī)r及氣孔狀玄武巖互層，凝灰?guī)r中夾有紅色粘土，滲透性不良(圖6-7)。6.3水庫誘發(fā)地震的共同特點

從以上典型實例描述可知，水庫誘發(fā)地震不同類型雖各有其特性，但概括起來它們卻有很多共性。這主要是這類地層的產(chǎn)生空間和地震活動隨時間的變化與水庫所在空間和水庫水位或荷載隨時間的變化密切相關(guān)，表示介質(zhì)品質(zhì)的地震序列有其固有特點和震源機制解得出的應(yīng)力場與同一地區(qū)產(chǎn)生天然地震的應(yīng)力場基本相同。

6.3·1地震活動與水庫的空間聯(lián)系

6.3.1.1震中密集于庫壩附近通常主要是密集分布于水庫邊岸幾km到十幾km范圍之內(nèi)。或是密集于水庫最大水深處及其附近(卡里巴、科因納)，或是位于水庫主體兩側(cè)的峽谷區(qū)(新豐江見圖6-12，丹江口如圖6-25)。如庫區(qū)及附近有斷裂，則精確定位的震中往往沿斷裂分布。有的水庫誘發(fā)地層初期距水庫較遠而隨后逐漸向水庫集中(丹江口、蘇聯(lián)的努列克)。圖6-25丹江口水庫附近震中分布圖（1969－1975年）1、2、3、4－蓄水前天然地震，圓圈大小表示震級；5－蓄水后誘發(fā)地震；6－水庫邊界6.3.1.2震源極淺、震源體小水庫誘發(fā)地震主要發(fā)生在庫水或水庫荷載影響范圍之內(nèi)，所以震源深度很淺。一般多在地表之下10km之內(nèi)，以4-7km范圍內(nèi)為最多，且有初期淺隨后逐步加深的趨勢。例如我國新豐江水庫誘發(fā)地震1962年至1965年5月震源深度分布有如圖6-26所示。由于震源淺，所以面波強烈，震中烈度一般較天然地層高，零點幾級就有感，3級就可以造成破壞。我國天然地震震級與震中烈度之間，有如下的關(guān)系式M＝0.58I0+1.5其中：M為震級；I0為震中烈度。由于震源極淺，水庫誘發(fā)地震往往伴有地聲。我國有地聲的水庫誘發(fā)地震有新豐江、丹江口、南沖、佛子嶺。國外報導(dǎo)有地聲者有蒙太納、格朗格瓦爾、科列馬斯塔、康特拉、福達溪壩等等。由于震源淺且震源體小，所以地震的影響范圍小，等震線衰減迅速．其影響范圍多屬局部性的。

6.3.2誘發(fā)地震活動與庫水位及水荷載隨時間變化的相關(guān)性這種相關(guān)性已被廣泛用以判別地震活動是否屬水庫誘發(fā)地震。一般是水庫蓄水幾個月之后為微地震活動即有明顯的增強，隨后地震頻度也隨水位或庫容而明顯變化，但地震活動峰值在時間上均較水位或庫容峰值有所滯后。我國幾個水庫誘發(fā)地震蓄水開始與微震活動加強有如表6-3所示的關(guān)系。水庫名稱震級（Ms）震源深實際震中烈度計算震中烈度造成的破壞丹江4.79ⅦⅥ-損壞房間1904間，倒墻305處前進3.03ⅤⅢ-有掉瓦現(xiàn)象南沖2.86ⅤⅡ+掉瓦，個別房屋裂縫表6-2我國某些水庫誘發(fā)地震震中烈度比較水庫名稱蓄水時間地震活動加強時間間隔時間新豐江丹江口前進南沖柘林佛子嶺1959.101967.111970.51967.71972.11954.61959.111970.1①1971.101967.81972.101954.1212417196①1970.1是根據(jù)三峽站記錄地Ma≥1.2的地震。較小地震因庫區(qū)無臺未能測得，此值不可靠據(jù)另一種資料最早為1968.3.則間距為4月。表6－3

水位的急劇上升與急劇下降，特別是急劇下降，往往有較強地震產(chǎn)生。例如丹江口的4.7級地震即產(chǎn)生在水位急劇上升后的急劇下降期，新豐江水庫1977年的4.7級震也產(chǎn)生在水位急劇下降期(見圖6一11)。6.3.3水庫誘發(fā)地震序列的特點既然水庫誘發(fā)地震有水的活動和水庫荷載參與，這一特點必然在地震序列中有所反映。根據(jù)多個水庫誘發(fā)地震序列的研究，它們的特點如下：

(1)水庫誘發(fā)地震以前震極豐富為特點，屬于前震余震型(茂木2型)，而相同地區(qū)的天然地震往往屆主震余震型(茂木1型)(圖6—27)。以新豐江水庫誘發(fā)地震為例，從蓄水到主震發(fā)生的39個月內(nèi)，共記錄到從＞o．4的前震81719次。過去認為天然的大地震都是突然發(fā)生的屬主震余震型，近來以高倍率地震儀測知，大地震都是有前震的，只是前震小而少，因而常被忽略。與水庫誘發(fā)地震相比，天然地震前震小而少就很突出了。茂木2型地震序列表明介質(zhì)不均勻，被斷裂切割為多個塊體，且應(yīng)力分布也是不均勻的，這是由于水庫蓄水使巖體弱化所致。

(2)水庫誘發(fā)地震余震活動以低速度衰減，例如我國新豐江水庫誘發(fā)地震，1960年10月18日新豐江水庫設(shè)立第一個地層臺開始至1987年12月31日止，已記錄到從＞0.6級地震337461次，活動時間持續(xù)至今，整個活動期已30余年，科因納水庫地震活動迄今仍未停止。

主震t天后，余震次數(shù)n（t）可以下式表示：

n（t）=n1t-p（6－2）其中n1為常數(shù)，p表示衰減速度。所有天然地震p＞1.3，而水庫誘發(fā)地震則總是小于1.3且一般情況下小于l。例如我國新豐江水庫誘發(fā)地震p＝0.9；又如我國丹江口水庫誘發(fā)地震活動的p值為1.1，相同地區(qū)的天然地震少值高達1.92。

(3)頻度震級關(guān)系式中b值高和最大余震與主震震級比值高，主震震級不高，已有實例小于或等于6.5。

天然地震的前震，其額度與震級關(guān)系式(1gN=a-bM)中b值都低，一般為0.3一0.5，表明介質(zhì)為高強度．以脆性破壞方式發(fā)震。同一個地震序列的余震則有所不同，b值總是較前層b值為高，表明主震后介質(zhì)因破裂而強度降低，破壞方式為粘滑。水庫誘發(fā)地震與天然地震不同的是前震、余震b值極其相近，且一般都大干1，大大高于同區(qū)的天然地震的b值(表6-4)。所以整個水庫誘發(fā)地震序列近似于“余震”的系列，其b值表明介質(zhì)強度甚至比天然地震

余震者還低，可以認為是庫水的作用使介質(zhì)的強度進一步降低所致，表6-4中最大余震Ms與主震Mm之比值近于1，Mm-Ma＜1均表明介質(zhì)的不均質(zhì)和強度低的特點。介質(zhì)強度甚至比天然地震余震者還低。應(yīng)該指出，在天然地震為高b值的地區(qū)，水庫誘發(fā)地震卻可出現(xiàn)低b值。例如美國加州天然地層序列b值高達0.8—1.02，而可能用于水庫誘發(fā)地震的奧洛維爾1975.8.1的5.7級地震序列部b值僅為0.55；安德遜水庫的地震間隙處1973.8.3發(fā)生的4．7級地層序列b值也較該處天然地層序列b值低40％。6.3.4水庫誘發(fā)地震的震源機制解根據(jù)所有研究過的水庫誘發(fā)地震的震源機制服應(yīng)指出以下值得注意的兩點：

(1)由震源機制解得出的應(yīng)力場，與天然地震應(yīng)力場或根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)特征判定的應(yīng)力場相同。

(2)水庫誘發(fā)地震震源機制主要為走向滑動型和正斷型兩種，且前者多于后者。屬于逆沖型機制者極共少見，蘇聯(lián)努列克水庫南側(cè)的誘發(fā)地層為逆沖斷層型的少數(shù)實例之。

據(jù)新豐江水庫誘發(fā)地層余震的震源力學(xué)研究，該處水庫誘發(fā)地層震源機制以沿北北西向斷裂的走向滑動為主，而后期則以北北西向斷裂帶上的正斷型傾向滑動為主，表明區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力經(jīng)主震釋放之后，庫水荷重在誘發(fā)中占了主導(dǎo)地位。6．4水庫誘發(fā)地震的誘發(fā)機制水庫誘發(fā)地震的確切誘因現(xiàn)在尚未完全查明，但已有震例已經(jīng)以充分資料證明，這類地震不是由于水庫荷載直接造成的．而是水庫的某種作用間接誘發(fā)的(indirectlyinduced)。亦即水庫的某種作用迭加于已有的天然應(yīng)力場之上，使水庫蓄水前由于自然作用積累起來的應(yīng)變能較早地以地震的方式釋放出來。這方面的證據(jù)最主要的有以下兩點：

(1)根據(jù)水庫誘發(fā)地震震源機制解得出的應(yīng)力場與該區(qū)天然地震應(yīng)力場或根據(jù)近期活動構(gòu)造所得出的區(qū)域應(yīng)力場完全一致．說明產(chǎn)生地震的應(yīng)力場并非是由于水庫荷載產(chǎn)生的，而是近期構(gòu)造活動天然形成的。

(2)震源區(qū)由于水庫荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力增量一般是很小的，單獨不足以使巖體破壞或使巖體中已有斷裂面的兩側(cè)產(chǎn)生相互錯動。

6．4．2水庫蓄水對庫底巖體的各種效應(yīng)概括說來，水庫蓄水以后對庫底巖體可以產(chǎn)生以