工程地质分析原理

第二章地壳岩体的天然应力状态2.1基本概念及研究定义2.1.1岩体应力的一些基本概念地壳岩体内的天然应力状态，是指未经人为扰动的，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态，常称为天然应力或初始应力。人类从事工程活动，在岩体天然应力场内，因挖除部分岩体或增加结构面而引起的应力，称为感生应力。按成因，可对构成岩体应力的各组分作如下分类：岩体应力：天然应力和初始应力（virginalstress）自重应力（gravitationalstress）构造应力（tectonicstress）活动的（activetectonicstress）剩余的（residualtectonicstress）变异及残余应力（alteredandresidualstress）感生应力（inducedstress）⑴.自重应力：在重力场作用下生成的应力为自重应力。在地表近水平的情况下，重力场在岩体内的某一任意类形成相当于上覆岩层重量的垂直正应力σv。σv=γh（r为岩石的容重；h为该点的埋深；σv相当于该点三向应力中的最大主应力。）由于泊松效应（即侧向膨胀）造成水平正应力σh，相当于三向应力中的最小应力：（μ为岩体的泊松比，N。称为岩体的侧压力系数。）对于大多数坚硬岩体：μ为0.2～0.3，即N。为0.25～0.43。对于半坚硬岩体:N。大于0.43；而且当上覆荷载大，下伏岩体呈塑流时，μ接近0.5，N。近于1，也就是说该点近于静水平应力状态。⑵构造应力岩石圈运动在岩体内形成的应力称为构造应力。构造应力又可称为活动构造应力和剩余构造应力。活动构造应力，即狭义的地应力，是地壳内现在正在积累的能够导致岩石变形和破裂的应力。剩余的构造应力是古构造运动残留下来的应力。⑶变异及残余应力变异应力：岩体的物理、化学变化及岩浆的侵入等引起的应力。具体来说是岩体的物理状态、化学性质或赋存条件的变化引起的，通常只具有局部意义，可统称为变异应力。残余应力：承载岩体遭受卸荷或部分卸荷时，岩体中某些组分的膨胀回弹趋势部分地受到其他组分的约束，于是就在岩体结构内形成残余的拉、压应力自相平衡的应力系统，此即残余应力。2.1.2岩体天然应力状态类型目前有三种观点：⑴由瑞士地质学家海姆于1905-1912年提出的，他以岩体具有蠕变的性能为依据，认为地壳岩体任一类的应力都是各向相等的，均等于上覆岩层的自重，即：σx=σy=σv=rh⑵垂直应力为主的观点基于弹性理论提出的，认为岩体内的应力主要是重力场作用下形成的自重应力。⑶水平应力为主的观点近年来，大量的震源机制资料和应力实测资料清楚地揭示出地壳岩体内的应力状态存在着不同的类型，其中包括以下三种典型情况：①.中间主应力近于垂直，最大主应力σ1和最小主应力σ3近于水平，我国的大多数地区如邢台、新丰江、丹江口以及西南南北向构造均属这种类型。在这种应力状态下，如果发生破坏（或再活动）是沿走向与最大主压应力成约30°～40°左右交角的陡立面产生走向滑动性的断裂活动，此类三向应力状态称为潜在走向滑动型。②.最小主应力轴σ3近于垂直，最大主应力与中间主应力轴近于水平。喜妈拉雅的前缘地区属于这种类型。在此种应力状态下发生的破坏，是逆断型的，即沿走向与最大主应力垂直的剖面X裂面产生逆断活动，故可称为潜在逆断型。③应力场中的最大主应力轴σ1垂直，其余两主应力水平分布。在地处大洋中脊轴部地带的冰岛地区测得的三向应力状态就是这种类型。此应力状态下发生的破坏（或再活动），是沿走向与最小主应力轴相垂直的面，发生正断性质的活动，故可称为潜在正断型。上述为三种典型情况，大多数地区接近其中某一种，有些地区应力状态属主应力轴倾斜的过度类型。总之大量实测资料表明，世界上大多数地区岩体内的天然应力状态是以水平应力为主。2.1.3研究意义地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极大，它不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且往往对各类建筑物的设计和施工造成直接的影响。实践表明，在高应力区，地表、地下工程施工期间所进行的岩体开挖工作，往往能在岩体内引起一系列与卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，其结果是不仅会恶化地基或边坡岩体的工程地质条件，而且作用的本身有时也会对建筑物造成直接的危害。地壳开挖导致的岩体变形和破坏主要有以下几种类型：⑴基坑底部的隆起、爆裂和沿已有结构面的逆冲错动。⑵边墙向临空方向的水平位移和沿已有的近水平的结构面发生剪切错动。⑶边墙或边坡岩体的倾斜。地下开挖产生的岩体变形和破坏也有不同的类型：⑴拱顶裂缝掉块；⑵边墙内鼓张裂；⑶底鼓及中心线偏移；⑷施工导坑缩径。此外，修建高坝、大型水库和深大的地下硐室等，常能在更大范围内天然应力的平衡，引起一系列诸如断层复活、水库地震以及大型岩爆等严重危害建筑物和人民生命财产的工程地质作用。对于天然岩体应力状态的研究，是工程地质工作者的一项重要任务。2.2影响岩体天然应力状态的主要因素及其作用2.2.1地区地质条件及岩体所经历的地质历史对岩天然状态的影响⑴岩体的岩性及结构特征对天然岩体应力状态形成的影响。a：岩体的岩性及结构特征决定着岩体的容重（γ）和泊松比（μ）等物理力学性质指标的大小，从而影响自重应力场特征（σv=γh）。b：在统一区域构造应力作用下，岩体内应力分布的特征主要取决于岩性、结构特征及其非均一性。c:岩体的岩性和结构特征决定着岩体的强度及其蠕变特征，因而决定了岩体承受及传递应力的能力。⑵构造作用及其演变历史对岩体天然应力状态形成的影响。统计表明活动的构造应力对世界上大部分地区岩体的天然应力状态起着决定性的作用，而剩余构造应力作用仅局限于一些地区。⑶区域卸荷作用对地壳表层岩体应力状态形成的影响。区域性的地表剥蚀卸荷作用在增大某些岩体内的水平应力方面有着重要的作用。对于侵入体，当岩体侵入时，由于岩体呈熔融状态侵入地下一定深处，其中的应力呈静水应力式分布。如下图所示：AB为原始地面，则岩体内任一深度h0+h处的P点的应力为：σh=σv=γ(h0+h)此后，岩体经剥蚀而出露地表。随着岩体剥蚀卸荷，岩体内的应力随之而变化，但垂直应力σv与水平应力σh的变化幅度不同。假定剥蚀厚度为h0，则上述P点处的σv和σh分别变为：σv=γ(h0+h)-γh0=γhσh=γ(h0+h)-μ/(1-μ)×γh0=γh+((1-2μ)/(1-μ))×γh0(a)可见地表卸荷在增大侵入岩体内水平应力方面起了重要作用。但卸荷作用在岩体内造成的高水平应力不具方向性，即σx=σy，所以与构造作用造成的各向不等的高水平应力区区别明显。2.2.2岩体内自由临空面附近的应力重分布及应力集中作用岩体内自由临空面附近的应力重分布及应力集中作用是促使岩体内应力状态复杂化的另一个重要因素。岩体内的自由临空面包括地表的和地下的两类，前者主要是地表水流的切割造成的；而后者则与各种成因的地下洞穴的形成有关。河谷下切所引起的应力变化有以下几条规律：⑴主应力方向在河谷临空面附近发生明显的变化：最大主应力与临空面近于平行，而最小主应力则与之近于垂直。⑵最大主应力由内向外逐渐增大，至临空面达到最大值，而最小主应力则恰好相反，即由内向外逐渐减少，至临空面处变为零，有时甚至出现拉应力。与此相联系，剪应力在临空面附近，特别是在下部坡脚处，显著增大。锦屏河谷下切后最大主应力分布锦屏河谷下切后剪应力分布图⑶通常将最大主应力（或剪应力）在临空面附近增大（或减少）的现象称为应力集中，而将变化后的主应力与初始应力之比称为应力集中系数。临空面附近的应力集中现象通常在坡脚处及河谷底部表现得最为强烈，可达原始应力场中水平应力的三倍。因此，在高应力区，河谷临空面附近的应力集中，往往使周围岩体内的应力（特别是坡脚和谷底）超过其强度，使岩体发生破裂变形，生成各类表生结构面。而表层岩体内的应力又因释放而降低，围绕河谷临空面形成一个应力降低带，高应力集中区则向岩体内部转移。值得一提的是，垂直于最大主应力的河谷段，临空面附近的应力集中程度要比平行于最大主应力的河谷段高得多。模型Ⅰ表示的是两长一短的弹簧被同时固定在两端的夹具之间。这样A、B两类弹簧因发生了弹性变形而处于不同的受力状态。但是A类弹簧受到的是压缩变形，内部产生压应力；而B弹簧则因处于引张状态而产生拉应力。体系内上述两类应力的总和彼此相等，故而整个体系在外荷载为零的情况下处于内力平衡状态。2.2.3岩体切割面附近的残余应力效应非均质的承载岩体，卸荷后，天然岩体内形成自我平衡的残余应力体系，可用图Ⅰ及图Ⅱ所示的力学模型来表示。模型I然而，天然岩体大多是一种粘-弹性介质，更符合于Ⅱ图所示的沃依特流变模型。与模型Ⅰ不同的是，以阻尼器（粘滞性约束元件）代替弹性约束元件B弹簧。因粘滞元件具有流变性，故随着时间的推移，其内部的拉应力将不断降低，从而导致整个应力体系的松弛。所以，从整体来看，这类残余应力体系始终处于内力缓慢降低的动平衡之中。力学模型II在自我平衡的残余应力体系中，起主导作用的是约束元件，正是由于它的存在，残余应力的形成才成为可能。“约束元件”一旦丧失其约束能力（例如当拉应力超过其抗拉强度时），束缚于体系内的残余应变能就会突然而猛烈地以膨胀回弹和生成垂直于卸荷方向的引张裂面的方式释放出来，对以该岩体为地基或环境的结构物发生影响或危害。2.3我国地应力场的空间分布及随时间变化的规律2.3.1地应力场的空间分布及其与板块运动的关系2.3.1.1我国地应力场的空间分布特点（1）各地最大主应力的发育呈明显的规律性各地的σ1方向均与由各该点向我国的察隅和巴基斯坦的伊斯兰堡联线所构成的夹角等分线方向相吻合或相近似，仅在两侧边缘地带略有偏转，即东侧向顺时针偏转，西侧向逆时针偏转。（2）三向应力状态及其所决定的现代构造活动类型呈有规律的空间分布：①潜在逆断型应力状态区主要分布于喜马拉雅山前缘一带，其主要特点是两个水平主应力均大于垂直主应力。（σ3垂直，σ1和σ2水平）②潜在走滑型应力状态区主要分布于我国中西部广大地区，其主要特点是只有一个水平主应力大于垂直主应力，具中等挤压区的特征。。（σ2垂直，σ1和σ3水平）③潜在正断型和张剪性走滑应力状态区主要分布于我国的东部和东北部，其主要特点是：区内新生代以来正断层与地堑或断陷盆地十分发育，发育方向NE、NEE，推积厚度数千米；区内KZ堆积具双层结构(图2-20)，E充填断陷盆地，N-Q掩埋了E时期的地堑和地垒，形成了现代的低平的平原地形，横向差异小；区内地震由两个方向断裂引起，即NNE向断裂的右旋兼张性活动和NNW向断裂的左旋兼张性活动。卫星影象及天然地震的震源机制资料还揭示，在西藏高原内腹，还存在着一个局部潜在正断型应力分布区(图2—19)。该区内广泛地发育着可能是新生代形成的近南北向的正断层和地堑式的断陷谷地。该区天然地震的震源机制也大多属正断层，且主拉应力轴为近东西(图2—21)。2.3.1.2地应力场的形成与板块运动的关系我国大部分地区最大主应力方向和量值的上述变化规律，完全是由印度板块与欧亚板块的碰撞、挤压所导致的。一般认为，白垩纪末印度板块从西南向北北东方向推移，并在始新世中期末，即大约距今3800万年前与欧亚板块相碰撞（对接）。此后印度板块仍以每年约5cm的速度向北北东方向推进，这样一种巨大而持续的板块间的相互作用是控制我国西部地区地应力场的决定性因素；在同一时期，东部太平洋板块和菲律宾海板块则分别从北东东和南东方向向欧亚大陆之下俯冲，从而分别对我国华北和华南地区地应力场的形成产生重大影响；并认为华北地区目前处于太平洋板块俯冲带的内侧，大洋扳块俯冲引起地幔内高温、低波速的熔融或半熔融物质上涌并挤入地壳，使地壳受拉而变簿，表面发生裂谷型断裂作用，这样形成的北西一南东向拉张和太平洋板块于上地幔深处对欧亚板块所造成的南西西向的挤压相结合，就决定了华北地区现代地应力场和最新构造活动的特征。2.3.2断裂带附近的局部构造应力