工程地質(zhì)分析原理第二章地殼巖體的天然應(yīng)力形狀2.1根本概念及研討定義2.1.1巖體應(yīng)力的一些根本概念地殼巖體內(nèi)的天然應(yīng)力形狀，是指未經(jīng)人為擾動的，主要是在重力場和構(gòu)造應(yīng)力場的綜協(xié)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構(gòu)成的應(yīng)力形狀，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)，因挖除部分巖體或添加構(gòu)造面而引起的應(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〕變異及剩余應(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。在地表近程度的情況下，重力場在巖體內(nèi)的某一恣意類構(gòu)成相當(dāng)于上覆巖層分量的垂直正應(yīng)力σv。σv=γh〔r為巖石的容重；h為該點的埋深；σv相當(dāng)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〕呵斥程度正應(yīng)力σh，相當(dāng)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)鞏固巖體：μ為0.2～0.3，即N。為0.25～0.43。對于半鞏固巖體:N。大于0.43；而且當(dāng)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程度應(yīng)力形狀。⑵構(gòu)造應(yīng)力巖石圈運動在巖體內(nèi)構(gòu)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。活動構(gòu)造應(yīng)力，即狹義的地應(yīng)力，是地殼內(nèi)如今正在積累的可以導(dǎo)致巖石變形和破裂的應(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變異及剩余應(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。詳細來說是巖體的物理形狀、化學(xué)性質(zhì)或賦存條件的變化引起的，通常只具有部分意義，可統(tǒng)稱為變異應(yīng)力。剩余應(yīng)力：承載巖體蒙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遭到其他組分的約束，于是就在巖體構(gòu)造內(nèi)構(gòu)成剩余的拉、壓應(yīng)力自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，此即剩余應(yīng)力。2.1.2巖體天然應(yīng)力形狀類型目前有三種觀念：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根據(jù)，以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)力為主的觀念基于彈性實際提出的，以為巖體內(nèi)的應(yīng)力主要是重力場作用下構(gòu)成的自重應(yīng)力。⑶程度應(yīng)力為主的觀念近年來，大量的震源機制資料和應(yīng)力實測資料清楚地提示出地殼巖體內(nèi)的應(yīng)力形狀存在著不同的類型，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近于程度，我國的大多數(shù)地域如邢臺、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)力形狀下，假設(shè)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)力形狀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)力軸近于程度。喜媽拉雅的前緣地域?qū)儆谶@種類型。在此種應(yīng)力形狀下發(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，其他兩主應(yīng)力程度分布。在地處大洋中脊軸部地帶的冰島地域測得的三向應(yīng)力形狀就是這種類型。此應(yīng)力形狀下發(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)地域接近其中某一種，有些地域應(yīng)力形狀屬主應(yīng)力軸傾斜的過度類型。總之大量實測資料闡明，世界上大多數(shù)地域巖體內(nèi)的天然應(yīng)力形狀是以程度應(yīng)力為主。2.1.3研討意義地殼巖體的天然應(yīng)力形狀與人類的工程活動關(guān)系極大，它不僅是決議區(qū)域穩(wěn)定性的重要要素，而且往往對各類建筑物的設(shè)計和施工呵斥直接的影響。實際闡明，在高應(yīng)力區(qū)，地表、地下工程施工期間所進展的巖體開挖任務(wù)，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)絡(luò)的變形和破壞景象，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呵斥直接的危害。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、爆裂和沿已有構(gòu)造面的逆沖錯動。

⑵邊墻向臨空方向的程度位移和沿已有的近程度的構(gòu)造面發(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拱頂裂痕掉塊； 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，建筑高壩、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(yán)重危害建筑物和人民生命財富的工程地質(zhì)作用。對于天然巖體應(yīng)力形狀的研討，是工程地質(zhì)任務(wù)者的一項重要義務(wù)。2.2影響巖體天然應(yīng)力形狀的主要要素及其作用2.2.1地域地質(zhì)條件及巖體所閱歷的地質(zhì)歷史對巖天然形狀的影響⑴巖體的巖性及構(gòu)造特征對天然巖體應(yīng)力形狀構(gòu)成的影響。a：巖體的巖性及構(gòu)造特征決議著巖體的容重〔γ〕和泊松比〔μ〕等物理力學(xué)性質(zhì)目的的大小，從而影響自重應(yīng)力場特征〔σv=γh〕。b：在一致區(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、構(gòu)造特征及其非均一性。c:巖體的巖性和構(gòu)造特征決議著巖體的強度及其蠕變特征，因此決議了巖體接受及傳送應(yīng)力的才干。⑵構(gòu)造作用及其演化歷史對巖體天然應(yīng)力形狀構(gòu)成的影響。統(tǒng)計闡明活動的構(gòu)造應(yīng)力對世界上大部分地域巖體的天然應(yīng)力形狀起著決議性的作用，而剩余構(gòu)造應(yīng)力作用僅局限于一些地域。⑶區(qū)域卸荷作用對地殼表層巖體應(yīng)力形狀構(gòu)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)的程度應(yīng)力方面有著重要的作用。對于侵入體，當(dāng)巖體侵入時，由于巖體呈熔融形狀侵入地下一定深處，其中的應(yīng)力呈靜水應(yīng)力式分布。如以下圖所示：AB為原始地面，那么巖體內(nèi)任一深度h0+h處的P點的應(yīng)力為：σh=σv=γ(h0+h)以后，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與程度應(yīng)力σh的變化幅度不同。假定剝蝕厚度為h0，那么上述P點處的σv和σh分別變?yōu)椋害襳=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)程度應(yīng)力方面起了重要作用。但卸荷作用在巖體內(nèi)呵斥的高程度應(yīng)力不具方向性，即σx=σy，所以與構(gòu)造作用呵斥的各向不等的高程度應(yīng)力區(qū)區(qū)別明顯。

2.2.2

巖體內(nèi)自在臨空面附近的應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用巖體內(nèi)自在臨空面附近的應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用是促使巖體內(nèi)應(yīng)力形狀復(fù)雜化的另一個重要要素。巖體內(nèi)的自在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呵斥的；而后者那么與各種成因的地下洞穴的構(gòu)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)力那么與之近于垂直。⑵最大主應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸增大，至臨空面到達最大值，而最小主應(yīng)力那么恰好相反，即由內(nèi)向外逐漸減少，至臨空面處變?yōu)榱悖袝r甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力。與此相聯(lián)絡(luò)，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〕的景象稱為應(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)力集中景象通常在坡腳處及河谷底部表現(xiàn)得最為劇烈，可達原始應(yīng)力場中程度應(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〕超越其強度，使巖體發(fā)生破裂變形，生成各類表生構(gòu)造面。而表層巖體內(nèi)的應(yīng)力又因釋放而降低，圍繞河谷臨空面構(gòu)成一個應(yīng)力降低帶，高應(yīng)力集中區(qū)那么向巖體內(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形狀。但是A類彈簧遭到的是緊縮變形，內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力；而B彈簧那么因處于引張形狀而產(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)力平衡形狀。2.2.3巖體切割面附近的剩余應(yīng)力效應(yīng)非均質(zhì)的承載巖體，卸荷后，天然巖體內(nèi)構(gòu)成自我平衡的剩余應(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〕替代彈性約束元件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，這類剩余應(yīng)力體系一直處于內(nèi)力緩慢降低的動平衡之中。力學(xué)模型II在自我平衡的剩余應(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，剩余應(yīng)力的構(gòu)成才成為能夠。“約束元件〞一旦喪失其約束才干〔例如當(dāng)拉應(yīng)力超越其抗拉強度時〕，束縛于體系內(nèi)的剩余應(yīng)變能就會忽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)境的構(gòu)造物發(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)力形狀及其所決議的現(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)力形狀區(qū)主要分布于喜馬拉雅山前緣一帶，其主要特點是兩個程度主應(yīng)力均大于垂直主應(yīng)力。〔σ3垂直，σ1和σ2程度〕②潛在走滑型應(yīng)力形狀區(qū)主要分布于我國中西部寬廣地域，其主要特點是只需一個程度主應(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程度〕③潛在正斷型和張剪性走滑應(yīng)力形狀區(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非常發(fā)育，發(fā)育方向NE、NEE，推積厚度數(shù)千米；區(qū)內(nèi)KZ堆積具雙層構(gòu)造(圖2-20)，E充填斷陷盆地，N-Q掩埋了E時期的地塹和地壘，構(gòu)成了現(xiàn)代的低平的平原地形，橫向差別小；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提示，在西藏高原內(nèi)腹，還存在著一個部分潛在正斷型應(yīng)力分布區(qū)(圖2—19)。該區(qū)內(nèi)廣泛地發(fā)育著能夠是新生代構(gòu)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)力場的構(gòu)成與板塊運動的關(guān)系我國大部分地域最大主應(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。普通以為，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3800萬年前與歐亞板塊相碰撞〔對接〕。以后印度板塊仍以每年約5cm的速度向北北東方向推進，這樣一種宏大而繼續(xù)的板塊間的相互作用是控制我國西部地域地應(yīng)力場的決議性要素；在同一時期，東部太平洋板塊和菲律賓海板塊那么分別從北東東和南東方向向歐亞大陸之下爬升，從而分別對我國華北和華南地域地應(yīng)力場的構(gòu)成產(chǎn)生艱苦影響；并以為華北地域目前處于太平洋板塊爬升帶的內(nèi)側(cè)，大洋扳塊爬升引起地幔內(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，外表發(fā)生裂谷型斷裂作用，這樣構(gòu)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呵斥的南西西向的擠壓相結(jié)合，就決議了華北地域現(xiàn)代地應(yīng)力場和最新構(gòu)造活動的特征。2.3.2斷裂帶附近的部分構(gòu)造應(yīng)力集中作用⑴普通規(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)直線式陳列的斷裂組，應(yīng)力集中程度最高。特別是在斷裂端點、首尾錯列段、部分拐點、分枝點或與其它斷裂的交匯點，總之一切能對繼續(xù)活動起妨礙作用的地方，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部分構(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，往往構(gòu)成很高的部分構(gòu)造應(yīng)力集中地域。(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、熊谷等人的研討闡明：巖體的應(yīng)變速率是決議粘彈性介質(zhì)力學(xué)性狀的主要要素。當(dāng)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(dāng)應(yīng)力增大到一定程度時，應(yīng)力就不再增大，而變形那么不斷增大，即進入粘性流動階段，但不發(fā)生破壞。但當(dāng)C大于C0時，那么巖體的性狀近于彈性，即隨著應(yīng)變的開展，巖體內(nèi)的應(yīng)力不斷增大，最終導(dǎo)致忽然的破壞。

在一致的區(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，普通是前者小于后者。在天然條件下就能夠出現(xiàn)三種不同的組合情況。

①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〔此時CF必然大于C0〕，地殼巖體整個處于彈性形狀，隨著變形的開展，巖體內(nèi)部及沿斷裂帶的應(yīng)力不斷增高，到達一定程度發(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，歷史上巖石圈蒙受劇烈運動時會出現(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(dāng)于地表隆起速度為5cm/a。(2)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〔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，那么巖體本身的力學(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)力的開展很快進入粘性變形階段，沿最大受力方向產(chǎn)生粘性的緊縮變形，垂直于最大主應(yīng)力方向那么產(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)力隨形變的開展不斷增高，最終發(fā)生破裂，導(dǎo)致再活動，引起地震。日本列島地域地形變和斷裂新活動性的開展就是在這樣的背景條件下發(fā)生的。這也是一切構(gòu)造新活動區(qū)所具有的共同特征。一些地震活動劇烈地域的地表隆升速度的資料闡明，地殼隆升速率大于或等于2mm/a的能夠?qū)儆谶@類地域。〔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))，故這類地域的特點應(yīng)是以地殼隆升或沉降為標(biāo)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)力形狀的復(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)計闡明，不同地域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(dāng)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(dāng)于巖體的平均容重；大多數(shù)地域，在蒙受區(qū)域性剝蝕的過程中，由于垂向卸荷不徹底而保管一部分剩余自重應(yīng)力，公式中常數(shù)項的存在就闡明了這一點。2.4.1.2程度應(yīng)力的分布及應(yīng)力形狀的類型 從已有的實測資料分析，有如下規(guī)律： 程度應(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。平均程度應(yīng)力的分布及應(yīng)力形狀的的類型：平均程度應(yīng)力隨深度而增大，并可區(qū)分三種情況：a.σh<σv堆積物堆積后未受構(gòu)造擾動或僅受細微構(gòu)造作用或明顯蒙受側(cè)向卸荷影響的巖體具有這種應(yīng)力形狀。〔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堆積巖層，N=1，靜水應(yīng)力分布；c.σh>σv分布較為普遍，σ1、σ3程度或垂直，N>1或<1。〔σ2垂直，程度應(yīng)力場〕2.4.1.3部分地帶的應(yīng)力異常分布在斷層及一些剪切帶附近垂直應(yīng)力及程度應(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)力形狀的差別已有的資料闡明，近地表的淺部和較深部的應(yīng)力形狀有時明顯不同。導(dǎo)致這種差別的緣由有：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)力形狀的差別.2.4.2地表高應(yīng)力區(qū)及其地質(zhì)地貌標(biāo)志研討闡明，高應(yīng)力區(qū)在地表地質(zhì)地貌上有明顯的表現(xiàn)。因此，經(jīng)過地質(zhì)地貌研討可以提示能否高應(yīng)力區(qū)的存在。2.4.2.1天然條件下高程度應(yīng)力釋放有關(guān)的淺表生時效變形景象〔1〕隱爆 最早發(fā)現(xiàn)于美國南安大約省，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，普通高度較小，而延伸長度較大。最早稱之為隆爆〔POP-UP〕景象。其發(fā)育特征有：a.發(fā)育在強度和厚度都不太大的近程度層狀巖層中；b.隆爆軸與實測最大主應(yīng)力根本垂直C.絕大多數(shù)隆爆都是該區(qū)大陸冰川衰退不久的產(chǎn)物。分析以為這種景象乃是該區(qū)地表巖體中的一種與高程度應(yīng)力釋放有關(guān)的表生時效變形景象。導(dǎo)致這種高程度應(yīng)力那么是由構(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)力形狀，隨著侵蝕，垂直應(yīng)力減少，應(yīng)力差逐漸增大，當(dāng)超越巖體極限事，構(gòu)成程度破裂。〔3〕谷下程度卸荷裂隙及谷坡內(nèi)程度剪切蠕動變形帶 大量的勘察資料闡明，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(dāng)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構(gòu)造面發(fā)育而成。因此，這種裂隙最易產(chǎn)生于近程度產(chǎn)出的堆積巖分布區(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)的程度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)生時效變形景象是河谷構(gòu)成的不同階段，由差別回彈導(dǎo)致的沿坡角附近已有平緩構(gòu)造面發(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)育有深大的拉裂痕及拉張斷陷帶。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)力釋放及伴生景象〔1〕巖心餅化景象鉆進過程中巖心裂成餅狀的景象是高地應(yīng)力區(qū)所特有的巖膂力學(xué)景象。這種景象有幾個方面的共性：a.一切的餅狀巖心在形狀上均有其共同特征：巖餅的厚度與巖心的直徑有一定的關(guān)系，普通約為直徑的1/4到1/5，所以不同的鉆孔，只需孔徑一樣，巖餅的厚度就大致相近；一切巖餅的外表均為新穎破裂面，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別卸荷回彈的產(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)生需具備特定的巖膂力學(xué)條件：彈性高，儲能條件好的巖性條件，如火成巖；整體塊狀的巖體構(gòu)造條件；高地應(yīng)力條件，最大主應(yīng)力在30MPa以上。(2)鉆孔崩落景象：研討發(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。察看闡明，這種孔徑的增大是由于孔壁部分破損崩落所致，即鉆孔崩落。進一步研討發(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)及程度應(yīng)力的控制。2.4.2.3與開挖卸荷及應(yīng)力釋放相聯(lián)絡(luò)的巖體變形破壞景象及研討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)的變形破壞景象：采場及基坑底部的隆爆；邊坡及邊墻向臨空方向的程度位移和沿已有的近程度的構(gòu)造面發(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，有時還會對建筑物呵斥直接危險。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劇烈。

2.5巖體應(yīng)力和區(qū)域應(yīng)力場研討

鑒于天然應(yīng)力形狀復(fù)雜性，為了從定性、定量兩個方面闡明一個地域天然應(yīng)力形狀的總體特征，普通采用下述途徑：以地質(zhì)、地貌方法研討該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的演化歷史和現(xiàn)今應(yīng)力場根本特征；在此根底上，選擇一些有代表性的地點進展應(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)力場進展數(shù)值模擬研討，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)力場的根本特征的地質(zhì)地貌研討〔1〕構(gòu)造應(yīng)力場演化歷史研討經(jīng)過地質(zhì)力學(xué)方法經(jīng)過斷層錯動機制解的赤平投影解釋〔2〕現(xiàn)今地應(yīng)力場根本特征研討研討方法：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)力場下構(gòu)成與開展的斷裂。在一定區(qū)域內(nèi)，不同性質(zhì)的新斷裂往往構(gòu)成一定方式的網(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，一組壓性構(gòu)造面和一組張裂面，其中后二者普通發(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)者以為這類區(qū)域性剪裂隙是在蠕動條件下沿最大剪應(yīng)力跡線構(gòu)成的。這一對共軛剪裂面經(jīng)常是新斷裂網(wǎng)絡(luò)中的根本成分，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)力積累和程度的研討〔1〕歷史上各時期及當(dāng)代地殼隆升的速度和高度：經(jīng)過層狀地貌進展詳細研討〔剖面丈量和測年〕，求出抬升速率和幅度；在此根底上，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(dāng)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(biāo)志的地質(zhì)、地貌景象的發(fā)育歷史和分布：如河谷劇烈的卸荷回彈、巖餅、基坑、平硐中的巖爆和其它劇烈變形景象。2.5.2巖體應(yīng)力丈量目前巖體應(yīng)力丈量的方法很多，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(dāng)巖體應(yīng)力被解除后，經(jīng)過施加壓力，使巖體恢復(fù)到原來的形狀，以求得巖體應(yīng)力解除時的應(yīng)力值。其優(yōu)點是當(dāng)決議巖體的應(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接受旁側(cè)巖體傳來的應(yīng)力。從刻槽前安裝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，被廣泛運用于巖土工程設(shè)計、礦產(chǎn)開采、地震研討等方面。壓磁全應(yīng)力解除法實現(xiàn)了單孔丈量三維地應(yīng)力，它抑制了普通應(yīng)力解除丈量法對巖石條件要求高、野外丈量工序復(fù)雜、工期長、費用高等缺陷，可實現(xiàn)垂直孔深0～100米的三維地應(yīng)力丈量。該方法最大的優(yōu)點是可以準(zhǔn)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)完成丈量。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)經(jīng)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、封鎖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展深部地應(yīng)力測試，且具有操作簡便、無須知道巖膂力學(xué)參數(shù)等優(yōu)點，已被廣泛運用于水電工程設(shè)計、鐵路、公路的隧道選線、場地穩(wěn)定性評價、核廢料處置以及地學(xué)研討等領(lǐng)域。運用該測試方法，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)，可得到最大和最小程度主應(yīng)力隨深度變化規(guī)律。對三個或三個以上的交匯鉆孔進展測試，經(jīng)過數(shù)據(jù)處置計算得到測點附近的三維應(yīng)力形狀。2.5.2.4鉆孔丈量崩落丈量法：研討闡明鉆孔崩落景象是由孔壁應(yīng)力集中部位的部分破壞引起的，且崩落的長軸垂直區(qū)內(nèi)程度最大主應(yīng)力方向，而崩落域側(cè)向角〔θb〕及破壞應(yīng)力比〔σH/σh〕的大小那么主要與巖石的性質(zhì)及程度最小主應(yīng)力有關(guān)。由此可以求出該區(qū)程度最大、最小主應(yīng)力的方向及大小。步驟如下：(1)詳細丈量區(qū)內(nèi)的鉆孔崩落景象，并根據(jù)崩落域的長軸展布確定該區(qū)程度最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。(2)按照實踐的巖體條件進展模擬實驗，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)的程度最小主應(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)程度最大主應(yīng)力(σH)的大小。2.5.2.5定向巖心非彈性應(yīng)變恢復(fù)丈量法：1．根本原理實測結(jié)果闡明，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′1、ε″1、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″1ε3=ε′3+ε″3(3)假設(shè)發(fā)生非線性蠕變，那么最大彈性應(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，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)的軸向所代表的那么是較老的應(yīng)力環(huán)境。但實測資料闡明，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)力比一直堅持相等。2．丈量的方法及步驟(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展應(yīng)變恢復(fù)丈量(所得結(jié)果顯然是非彈性的)，然后根據(jù)丈量資料計算三個主應(yīng)變的方向及比值。假設(shè)有一個主應(yīng)力是垂直的，且其大小等于上覆層的分量，那么只在程度面內(nèi)的三個不同方向上進展應(yīng)變恢復(fù)丈量，求得兩個程度主應(yīng)變的方向及比值即可。(3)丈量時應(yīng)留意使巖心密封，以防止溫度及濕度變化對丈量結(jié)果的影響。2.5.2.6凱塞爾〔Kaiser〕效應(yīng)丈量法1.根本原理1950年，德國學(xué)者J.Kaiser發(fā)現(xiàn)受單向拉伸力作用的金屬資料，只需當(dāng)應(yīng)力到達并超越資料所受過的最大先期應(yīng)力時才會開場有明顯的聲發(fā)射景象出現(xiàn)，這就是著名的凱塞爾效應(yīng)。1963年，Goodman經(jīng)過實驗證明巖石也具有凱塞爾效應(yīng)，從而為運用這一技術(shù)測定巖體應(yīng)力奠定了根底。70年代末期以來，日，美、中學(xué)者對這一問題開展了廣泛的實際及實驗研討，先后處理了凱塞爾效應(yīng)方向獨立性、三維地應(yīng)力丈量及實驗過程中噪聲的排除等問題，使凱塞爾效應(yīng)在地應(yīng)力丈量領(lǐng)域已根本具有適用性。

為了深化了解凱塞爾效應(yīng)及其在地應(yīng)力丈量方面的運用，首先需對下述根本問題作簡要的討論。(1)巖石凱塞爾效應(yīng)的微觀機理研討闡明，巖石的聲發(fā)射景象實踐上是來源于其內(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)部組織構(gòu)造產(chǎn)生與荷載大小及方向相順應(yīng)的顯微破裂系統(tǒng)，再次加載時，假設(shè)荷載小于先期荷載，那么先期構(gòu)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)，—·旦荷載到達并超越先期荷載，，已有的裂紋即將進一步擴展，聲發(fā)射隨之開場大量繼續(xù)出現(xiàn)，這就是凱塞爾效應(yīng)的根本機理。

(2)巖石凱塞爾效應(yīng)對地應(yīng)力的記憶功能已有的研討以為，經(jīng)過凱塞爾效應(yīng)所測得的是巖體在地質(zhì)歷史時期內(nèi)所蒙受過的最大應(yīng)力。假設(shè)確是這樣，實踐上就無法利用凱塞爾效應(yīng)來處理現(xiàn)今地應(yīng)力的丈量問題，由于在蒙受過構(gòu)造變動，且有斷裂發(fā)育的地域，任何一部分巖體當(dāng)時都蒙受過很大的，甚至是接近其破裂強度的應(yīng)力。但是，一系列實測資料闡明，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)力非常接近(表2—10)o對于為什么出現(xiàn)這種矛盾景象，以往的研討也未能加以闡明。經(jīng)過對已有實測資料的深化分析，我們發(fā)現(xiàn)凱塞爾效應(yīng)實踐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