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1、第二章第二章 地壳岩体的天然地壳岩体的天然应力状态应力状态第1页，共77页，编辑于2022年，星期二n n2.1 2.1 基本概念及研究定义基本概念及研究定义n n2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 岩体应力的一些基本概念岩体应力的一些基本概念岩体应力的一些基本概念岩体应力的一些基本概念n n 地壳岩体内的天然应力状态，是指未经人为扰动的，主要是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，常称为天然应学变化及岩浆侵入等的
2、作用下所形成的应力状态，常称为天然应力或初力或初始应力。始应力。n n 人人类类从从事事工工程程活活动动，在在岩岩体体天天然然应应力力场场内内，因因挖挖除除部部分分岩岩体体或增加结构面而引起的应力，称为感生应力。或增加结构面而引起的应力，称为感生应力。第2页，共77页，编辑于2022年，星期二n n 按成因，可对构成岩体应力的各组分作如下分类：按成因，可对构成岩体应力的各组分作如下分类：n n 岩体应力：岩体应力：n n 天然应力和初始应力（天然应力和初始应力（virginal stressvirginal stress）n n 自重应力（自重应力（gravitational stressgr
3、avitational stress）n n 构造应力构造应力 （tectonic stresstectonic stress）n n 活动的（活动的（active tectonic stressactive tectonic stress）n n 剩余的（剩余的（residual tectonic stressresidual tectonic stress）n n 变异及残余应力（变异及残余应力（altered and residual stressaltered and residual stress）n n 感生应力（感生应力（induced stressinduced stress）
4、第3页，共77页，编辑于2022年，星期二n n.自重应力：自重应力：n n 在在重重力力场场作作用用下下生生成成的的应应力力为为自自重重应应力力。在在地地表表近近水水平平的的情情况况下下，重重力力场场在在岩岩体体内内的的某某一一任任意意类类形形成成相相当当于于上上覆覆岩岩层重量的垂直正应力层重量的垂直正应力 v v。n n v v=h=h （r r为为岩岩石石的的容容重重；h h为为该该点点的的埋埋深深；v v相相当当于于该该点点三三向向应应力力中的最大主应力。）中的最大主应力。）n n 由由于于泊泊松松效效应应（即即侧侧向向膨膨胀胀）造造成成水水平平正正应应力力h h，相相当当于于三三向应
5、力中的最小应力：向应力中的最小应力：n n n n （为岩体的泊松比，为岩体的泊松比，N N。称为岩体的侧压力系数。）称为岩体的侧压力系数。）第4页，共77页，编辑于2022年，星期二n n 对于大多数坚硬岩体：对于大多数坚硬岩体：为为0.20.20.30.3，即，即N N。为为0.250.250.430.43。对于半坚硬岩体。对于半坚硬岩体:N:N。大于大于0.430.43；而且当上覆荷载大，；而且当上覆荷载大，下伏岩体呈塑流时，下伏岩体呈塑流时，接近接近0.50.5，N N。近于近于1 1，也就是说该点近于，也就是说该点近于静水平应力状态。静水平应力状态。n n构造应力构造应力n n 岩岩
6、石石圈圈运运动动在在岩岩体体内内形形成成的的应应力力称称为为构构造造应应力力。构构造造应应力又可称为活动构造应力和剩余构造应力。力又可称为活动构造应力和剩余构造应力。n n 活活动动构构造造应应力力，即即狭狭义义的的地地应应力力，是是地地壳壳内内现现在在正正在在积积累累的的能够导致岩石变形和破裂的应力。能够导致岩石变形和破裂的应力。n n 剩余的构造应力是古构造运动残留下来的应力。剩余的构造应力是古构造运动残留下来的应力。第5页，共77页，编辑于2022年，星期二n n 变异及残余应力变异及残余应力n n 变变异异应应力力：岩岩体体的的物物理理、化化学学变变化化及及岩岩浆浆的的侵侵入入等等引引
7、起起的的应应力力。具具体体来来说说是是岩岩体体的的物物理理状状态态、化化学学性性质质或或赋赋存存条条件件的的变变化化引引起的，通常只具有局部意义，可统称为变异应力。起的，通常只具有局部意义，可统称为变异应力。n n 残余应力：承载岩体遭受卸荷或部分卸荷时，岩体中某些组残余应力：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。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 2.1.2 岩体天然应力状态类型岩体天然
8、应力状态类型岩体天然应力状态类型岩体天然应力状态类型n n 目目前前有有三三种种观观点点：由由瑞瑞士士地地质质学学家家海海姆姆于于1905-19121905-1912年年提提出出的的，他他以以岩岩体体具具有有蠕蠕变变的的性性能能为为依依据据，认认为为地地壳壳岩岩体体任任一一类类的的应应力力都都是是各各向向相相等等的的，均均等等于于上上覆覆岩岩层层的的自自重重，即即：x x=y y=v v=rh=rh第6页，共77页，编辑于2022年，星期二n n垂直应力为主的观点垂直应力为主的观点n n 基基于于弹弹性性理理论论提提出出的的，认认为为岩岩体体内内的的应应力力主主要要是是重重力力场场作作用用下形
9、成的自重应力。下形成的自重应力。n n水平应力为主的观点水平应力为主的观点n n 近近年年来来，大大量量的的震震源源机机制制资资料料和和应应力力实实测测资资料料清清楚楚地地揭揭示示出出地地壳壳岩岩体体内内的的应应力力状状态态存存在在着着不不同同的的类类型型，其其中中包包括括以以下下三三种种典典型情况：型情况：n n .中中间间主主应应力力近近于于垂垂直直，最最大大主主应应力力 1 1和和最最小小主主应应力力 3 3近近于于水水平平，我我国国的的大大多多数数地地区区如如邢邢台台、新新丰丰江江、丹丹江江口口以以及及西西南南南南北北向向构构造造均均属属这这种种类类型型。在在这这种种应应力力状状态态下
10、下，如如果果发发生生破破坏坏（或或再再活活动动）是是沿沿走走向向与与最最大大主主压压应应力力成成约约3030 4040 左左右右交交角角的的陡陡立立面面产产生生走走向向滑滑动动性性的的断断裂裂活活动动，此此类类三三向向应应力力状状态态称称为为潜在走向滑动型。潜在走向滑动型。第7页，共77页，编辑于2022年，星期二 .最最小小主主应应力力轴轴 3 3近近于于垂垂直直，最最大大主主应应力力与与中中间间主主应应力力轴轴近近于于水水平平。喜喜妈妈拉拉雅雅的的前前缘缘地地区区属属于于这这种种类类型型。在在此此种种应应力力状状态态下下发发生生的的破破坏坏，是是逆逆断断型型的的，即即沿沿走走向向与与最最大
11、大主主应应力力垂垂直直的的剖剖面面X X裂裂面面产产生生逆断活动，故可称为逆断活动，故可称为潜在逆断型。潜在逆断型。n n 应力场中的最大主应力轴应力场中的最大主应力轴 1 1垂直，其余两主应力水平分布。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，故可称为潜在正潜在正断型。断型。n n 上述为三种典
12、型情况，大多数地区接近其中某一种，有些地区应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。上大多数地区岩体内的天然应力状态是以水平应力为主。第8页，共77页，编辑于2022年，星期二n n2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 研究意义研究意义研究意义研究意义n n 地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极大，它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
13、筑物的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、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。的本身有时也会对建筑物造成直接的危害。n n 地壳开挖导致的岩体变形和
14、破坏主要有以下几种类型：地壳开挖导致的岩体变形和破坏主要有以下几种类型：n n 基坑底部的隆起、爆裂和沿已有结构面的逆冲错动。基坑底部的隆起、爆裂和沿已有结构面的逆冲错动。第9页，共77页，编辑于2022年，星期二第10页，共77页，编辑于2022年，星期二 边边墙墙向向临临空空方方向向的的水水平平位位移移和和沿沿已已有有的的近近水水平平的的结结构构面面发生剪切错动。发生剪切错动。边墙或边坡岩体的倾斜。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：地下开挖产生的岩体变形和破坏也有不同的类型：拱顶裂缝掉块；拱顶裂缝掉块；边墙内鼓张裂；边墙内鼓张裂；底鼓及中心线偏移；底鼓及中心
15、线偏移；施工导坑缩径。施工导坑缩径。此此外外，修修建建高高坝坝、大大型型水水库库和和深深大大的的地地下下硐硐室室等等，常常能能在在更更大大范范围围内内天天然然应应力力的的平平衡衡，引引起起一一系系列列诸诸如如断断层层复复活活、水水库库地地震震以以及及大大型型岩岩爆爆等等严严重重危危害害建建筑筑物物和和人人民民生生命命财财产产的的工工程程地地质质作作用用。对对于于天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。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。第11页，共77页，编辑于2022年，星期二第12页，共77页，编辑于2022年，星期二第13页，共77页，编辑于2022年
16、，星期二2.2 影响岩体天然应力状态的主要因素及其作用影响岩体天然应力状态的主要因素及其作用2.2.12.2.12.2.12.2.1地地地地区区区区地地地地质质质质条条条条件件件件及及及及岩岩岩岩体体体体所所所所经经经经历历历历的的的的地地地地质质质质历历历历史史史史对对对对岩岩岩岩天天天天然然然然 状状状状态态态态 的影响的影响的影响的影响n n 岩体的岩性及结构特征对天然岩体应力状态形成的影响。岩体的岩性及结构特征对天然岩体应力状态形成的影响。n n a a a a：岩岩体体的的岩岩性性及及结结构构特特征征决决定定着着岩岩体体的的容容重重（）和和泊泊松松比比（）等物理力学性质指标的大小，从
17、而影响自重应力场特征（等物理力学性质指标的大小，从而影响自重应力场特征（v v=h=h ）。）。n n b b b b：在在统统一一区区域域构构造造应应力力作作用用下下，岩岩体体内内应应力力分分布布的的特特征征主主要要取决于岩性、结构特征及其非均一性。取决于岩性、结构特征及其非均一性。n n c:c:c:c:岩岩体体的的岩岩性性和和结结构构特特征征决决定定着着岩岩体体的的强强度度及及其其蠕蠕变变特特征征，因因而而决决定了岩体承受及传递应力的能力。定了岩体承受及传递应力的能力。第14页，共77页，编辑于2022年，星期二 构构造造作作用用及及其其演演变变历历史史对对岩岩体体天天然然应应力力状状态
18、态形形成成的的影影响响。统统计计表表明明活活动动的的构构造造应应力力对对世世界界上上大大部部分分地地区区岩岩体体的的天天然然应应力力状状态起着决定性的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。作用，而剩余构造应力作用仅局限于一些地区。区域卸荷作用对地壳表层岩体应力状态形成的影响。区域卸荷作用对地壳表层岩体应力状态形成的影响。区区域域性性的的地地表表剥剥蚀蚀卸卸荷荷作作用用在在增增大大某某些些岩岩体体内内的的水水平平应应力方面有着重要的作用。力方面有着重要的作用。对对于于侵侵入入体体，当当岩岩体体侵侵入入时时，由由于于岩岩体体呈呈熔熔融融状状态态侵侵入入地下一定深处，其中的应力呈静
19、水应力式分布。地下一定深处，其中的应力呈静水应力式分布。如如下下图图所所示示：ABAB为为原原始始地地面面，则则岩岩体体内内任任一一深深度度h h0 0+h+h处处 的的P P点的应力为：点的应力为：h h=v v=(h=(h0 0+h)+h)第15页，共77页，编辑于2022年，星期二 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v与水平应力h的变化幅度不同。假定剥蚀厚度为h0，则上述P点处的 v和h 分别变为：v=(h0+h)-h0=h h=(h0+h)-/(1-)h0=h-(1-2)/(1-)h0 (a)第16页，共77页，编辑于2022年，星期二第1
20、7页，共77页，编辑于2022年，星期二 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卸荷作用在岩体内造成的高水平应力不具方向性高水平应力不具方向性，即，即 x x=y y，所以与，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。构造作用造成的各向不等的高水平应力区区别明显。2.2.22.2.2 岩体内自由临空面附近的应力重分布及应力岩体内自由临空面附近的应力重分布及应力岩体内自由临空面附近的应力重分布及应力岩体内自由临空面附近的应力重分布及应力 集中作用集中作用集中作用集中作用 岩岩体体内内自自由由
21、临临空空面面附附近近的的应应力力重重分分布布及及应应力力集集中中作作用用是是促促使使岩体内应力状态复杂化的另一个重要因素岩体内应力状态复杂化的另一个重要因素。岩岩体体内内的的自自由由临临空空面面包包括括地地表表的的和和地地下下的的两两类类，前前者者主主要要是是地地表表水水流流的的切切割割造造成成的的；而而后后者者则则与与各各种种成成因因的的地地下下洞洞穴穴的的形形成成有关。有关。第18页，共77页，编辑于2022年，星期二n n 河河谷谷下下切切所所引引起起的的应应力力变变化化有以下几条规律：有以下几条规律：n n 主主应应力力方方向向在在河河谷谷临临空空面面附附近近发发生生明明显显的的变变化
22、化：最最大大主主应应力力与与临临空空面面近近于于平平行行，而而最最小小主主应力则与之近于垂直。应力则与之近于垂直。n n 最最大大主主应应力力由由内内向向外外逐逐渐渐增增大大，至至临临空空面面达达到到最最大大值值，而而最最小小主主应应力力则则恰恰好好相相反反，即即由由内内向向外外逐逐渐渐减减少少，至至临临空空面面处处变变为为零零，有有时时甚甚至至出出现现拉拉应应力力。与与此此相相联联系系，剪剪应应力力在在临临空空面面附附近近，特特别别是是在在下下部部坡坡脚脚处处，显显著著增增大大。第19页，共77页，编辑于2022年，星期二锦屏河谷下切后最大主应力分布第20页，共77页，编辑于2022年，星期
23、二锦屏河谷下切后剪应力分布图第21页，共77页，编辑于2022年，星期二n n 通通常常将将最最大大主主应应力力（或或剪剪应应力力）在在临临空空面面附附近近增增大大（或或减减少少）的的现现象象称称为为应应力力集集中中，而而将将变变化化后后的的主主应应力力与与初初始始应应力力之之比比称称为为应应力力集集中中系系数数。临临空空面面附附近近的的应应力力集集中中现现象象通通常常在在坡坡脚脚处处及及河河谷谷底底部部表表现现得得最最为为强强烈烈，可可达达原原始始应应力力场场中中水水平平应应力力的三倍。的三倍。第22页，共77页，编辑于2022年，星期二n n n n 因因此此，在在高高应应力力区区，河河谷
24、谷临临空空面面附附近近的的应应力力集集中中，往往往往使使周周围围岩岩体体内内的的应应力力（特特别别是是坡坡脚脚和和谷谷底底）超超过过其其强强度度，使使岩岩体体发发生生破破裂裂变变形形，生生成成各各类类表表生生结结构构面面。而而表表层层岩岩体体内内的的应应力力又又因因释释放放而而降降低低，围围绕绕河河谷谷临临空空面面形形成成一一个个应应力力降降低低带带，高高应应力力集集中区则向岩体内部转移。中区则向岩体内部转移。n n 值值得得一一提提的的是是，垂垂直直于于最最大大主主应应力力的的河河谷谷段段，临临空空面面附附近近的的应力集中程度要比平行于最大主应力的河谷段应力集中程度要比平行于最大主应力的河谷
25、段高得多。高得多。n n 第23页，共77页，编辑于2022年，星期二 模型模型表示的是两长一短的弹表示的是两长一短的弹簧被同时固定在两端的夹具之间。簧被同时固定在两端的夹具之间。这样这样A A、B B两类弹簧因发生了弹性变两类弹簧因发生了弹性变形而处于不同的受力状态。但是形而处于不同的受力状态。但是A A类类弹簧受到的是压缩变形，内部产生弹簧受到的是压缩变形，内部产生压应力；而压应力；而B B弹簧则因处于引张状态弹簧则因处于引张状态而产生拉应力。体系内上述两类应而产生拉应力。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在外荷载为零
26、的情况下处于内力平衡状态。衡状态。2.2.3 岩体切割面附近的残余应力效应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，可用图及图所示的力学模型来表示。模型模型I I第24页，共77页，编辑于2022年，星期二n n 然而，天然岩体大多是一然而，天然岩体大多是一种粘种粘-弹性介质，更符合于弹性介质，更符合于图所示的沃依特流变模型。与图所示的沃依特流变模型。与模型模型不同的是，以阻尼器不同的是，以阻尼器（粘滞性约束元件）代替弹性（粘滞性约束元件）代替弹性约束元件约束元件B B弹簧。因粘滞元件弹簧。因粘滞元件具有流变性，故随着时间的推具有流变性，故随
27、着时间的推移，其内部的拉应力将不断降移，其内部的拉应力将不断降低，从而导致整个应力体系的低，从而导致整个应力体系的松弛。所以，松弛。所以，从整体来看，这从整体来看，这类残余应力体系始终处于内力类残余应力体系始终处于内力缓慢降低的动平衡之中。缓慢降低的动平衡之中。力学模型力学模型IIII第25页，共77页，编辑于2022年，星期二n n在在自自我我平平衡衡的的残残余余应应力力体体系系中中，起起主主导导作作用用的的是是约约束束元元件件，正正是是由由于于它它的的存存在在，残残余余应应力力的的形形成成才才成成为为可可能能。“约约束束元元件件”一一旦旦丧丧失失其其约约束束能能力力（例例如如当当拉拉应应力
28、力超超过过其其抗抗拉拉强强度度时时），束束缚缚于于体体系系内内的的残残余余应应变变能能就就会会突突然然而而猛猛烈烈地地以以膨膨胀胀回回弹弹和和生生成成垂垂直直于于卸卸荷荷方方向向的的引引张张裂裂面面的的方方式式释释放放出出来来，对对以以该该岩岩体体为为地基或环境的结构物发生影响或危害。地基或环境的结构物发生影响或危害。第26页，共77页，编辑于2022年，星期二2.3 我国地应力场的空间分布及随时间变化我国地应力场的空间分布及随时间变化 的规律的规律2.3.1 2.3.1 地应力场的空间分布及其与板块运动的关系地应力场的空间分布及其与板块运动的关系地应力场的空间分布及其与板块运动的关系地应力场
29、的空间分布及其与板块运动的关系2.3.1.12.3.1.1我国地应力场的空间分布特点我国地应力场的空间分布特点我国地应力场的空间分布特点我国地应力场的空间分布特点 （1 1）各地最大主应力的发育呈明显的规律性）各地最大主应力的发育呈明显的规律性 各各地地的的 1 1方方向向均均与与由由各各该该点点向向我我国国的的察察隅隅和和巴巴基基斯斯坦坦的的伊伊斯斯兰兰堡堡联联线线所所构构成成的的夹夹角角等等分分线线方方向向相相吻吻合合或或相相近近似似，仅仅在在两两侧侧边边缘缘地地带带略略有有偏偏转转，即即东东侧侧向向顺顺时时针针偏偏转转，西西侧侧向向逆逆时针偏转。时针偏转。（2 2）三三向向应应力力状状态
30、态及及其其所所决决定定的的现现代代构构造造活活动动类类型型呈呈有有规律的空间分布：规律的空间分布：第27页，共77页，编辑于2022年，星期二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。（3垂直垂直，1和和2水平）水平）第28页，共77页，编辑于2022年，星期二n n 潜潜 在在 走走滑滑型型应应力力状状态态区区主主要要分分布布于于我我国国中中西西部部广广大大地地区区，其其主主要要特特点点是是只只有有一一个个水水平平主主应应力力大大于于垂垂直直主主应应力力，具具中中等等挤压区的特征。挤压区的特征。n n。（2垂直垂直，1和和3水平）水平）第2
31、9页，共77页，编辑于2022年，星期二n n 潜潜在在正正断断型型和和张张剪剪性性走走滑滑应应力力状状态态区区主主要要分分布布于于我我国国的的东东部部和和东东北北部部，其其主主要要特特点点是是：区区内内新新生生代代以以来来正正断断层层与与地地堑堑或或断断陷陷盆盆地地十十分分发发育育，发发育育方方向向NENE、NEENEE，推推积积厚厚度度数数千千米米；区区内内KZKZ堆堆积积具具双双层层结结构构(图图2-20)2-20)，E E充充填填断断陷陷盆盆地地，N-QN-Q掩掩埋埋了了E E时时期期的的地地堑堑和和地地垒垒，形形成成了了现现代代的的低低平平的的平平原原地地形形，横横向向差差异异小小；
32、区区内内地地震震由由两两个个方方向向断断裂裂引引起起，即即NNENNE向向断断裂裂的的右右旋旋兼兼张张性性活活动动和和NNWNNW向向断断裂的左旋兼张性活动。裂的左旋兼张性活动。第30页，共77页，编辑于2022年，星期二n n 卫星影象及天然地震卫星影象及天然地震的震源机制资料还揭示，的震源机制资料还揭示，在西藏高原内腹，还存在在西藏高原内腹，还存在着一个局部潜在正断型应着一个局部潜在正断型应力分布区力分布区(图图219)219)。该。该区内广泛地发育着可能是区内广泛地发育着可能是新生代形成的近南北向的新生代形成的近南北向的正断层和地堑式的断陷谷正断层和地堑式的断陷谷地。该区天然地震的震源地
33、。该区天然地震的震源机制也大多属正断层，且机制也大多属正断层，且主拉应力轴为近东西主拉应力轴为近东西 (图图221)221)。第31页，共77页，编辑于2022年，星期二2.3.1.2 2.3.1.2 地应力场的形成与板块运动的关系地应力场的形成与板块运动的关系地应力场的形成与板块运动的关系地应力场的形成与板块运动的关系 我我国国大大部部分分地地区区最最大大主主应应力力方方向向和和量量值值的的上上述述变变化化规规律律，完完全全是是由由印印度度板板块块与与欧欧亚亚板板块块的的碰碰撞撞、挤挤压压所所导导致致的的。一一般般认认为为，白白垩垩纪纪末末印印度度板板块块从从西西南南向向北北北北东东方方向向
34、推推移移，并并在在始始新新世世中中期期末末，即即大大约约距距今今38003800万万年年前前与与欧欧亚亚板板块块相相碰碰撞撞（对对接接）。此此后后印印度度板板块块仍仍以以每每年年约约5cm5cm的的速速度度向向北北北北东东方方向向推推进进，这这样样一一种种巨巨大大而而持持续续的的板板块块间间的的相相互互作作用用是是控控制制我我国国西西部部地地区区地地应应力场的决定性因素；力场的决定性因素；n n 在在同同一一时时期期，东东部部太太平平洋洋板板块块和和菲菲律律宾宾海海板板块块则则分分别别从从北北东东东东和和南南东东方方向向向向欧欧亚亚大大陆陆之之下下俯俯冲冲，从从而而分分别别对对我我国国华华北北
35、和和华华南南地地区区地地应应力力场场的的形形成成产产生生重重大大影影响响；并并认认为为华华北北地地区区目目前前处处于于太太平平洋洋板板块块俯俯冲冲带带的的内内侧侧，大大洋洋扳扳块块俯俯冲冲引引起起地地幔幔内内高高温温、低低波波速速的的熔熔融融或或半半熔熔融融物物质质上上涌涌并并挤挤入入地地壳壳，使使地地壳壳受受拉拉而而变变簿簿，表表面面发生裂谷型断裂作用，发生裂谷型断裂作用，第32页，共77页，编辑于2022年，星期二n n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板块
36、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。应力场和最新构造活动的特征。第33页，共77页，编辑于2022年，星期二2.3.2 2.3.2 断裂带附近的局部构造应力集中作用断裂带附近的局部构造应力集中作用断裂带附近的局部构造应力集中作用断裂带附近的局部构造应力集中作用n n 一般规律一般规律n n 对对于于一一个个三三向向受受力力的的岩岩体体，那那些些与与最最大大主主应应力力成成3030 4040 左左右右交交角角的的断断裂裂，特特别别是是这这类类方方向向的的雁雁行行式式或或断断续续直直线线式式排排列列的的断断裂裂组组，应应力力集集中中程程度度最最高高。特特
37、别别是是在在断断裂裂端端点点、首首尾尾错错列列段段、局局部部拐拐点点、分分枝枝点点或或与与其其它它断断裂裂的的交交汇汇点点，总总之之一一切切能能对对继继续续活活动动起起阻阻碍碍作作用用的的地地方方，都都是是应应力力高高度度集集中中的的部部位位，所所以以这些地方常成为强震发生的特殊部位。这些地方常成为强震发生的特殊部位。n n n n 局部构造应力集中区的发育与活断层的关系局部构造应力集中区的发育与活断层的关系n n 活活断断层层或或活活动动断断块块的的特特定定部部位位，往往往往形形成成很很高高的的局局部部构构造应力集中地区。造应力集中地区。(对照图对照图2-232-23讲解讲解)第34页，共7
38、7页，编辑于2022年，星期二第35页，共77页，编辑于2022年，星期二第36页，共77页，编辑于2022年，星期二n n2.3.3 2.3.3 地应力随时间变化与地壳岩应变速率的关系地应力随时间变化与地壳岩应变速率的关系n n 地壳岩体的应力地壳岩体的应力-应变性状与应变速率间的关系应变性状与应变速率间的关系。n n 伊藤、熊谷等人的研究表明：岩体的应变速率是决定粘弹性介伊藤、熊谷等人的研究表明：岩体的应变速率是决定粘弹性介质力学性状的主要因素。质力学性状的主要因素。n n 当应变速率当应变速率C C小于某临界值小于某临界值C C0 0时时(对于实验的花岗岩对于实验的花岗岩C C0 0=1
39、0=10-13-131010-14-14/S)/S)，岩体在受力初期随应变的增大而发生应力积累，但当应力，岩体在受力初期随应变的增大而发生应力积累，但当应力增大到一定程度时，应力就不再增大，而变形则不断增大，即进入增大到一定程度时，应力就不再增大，而变形则不断增大，即进入粘性流动阶段，但不发生破坏。粘性流动阶段，但不发生破坏。n n 但当但当C C大于大于C C0 0时，则岩体的性状近于弹性，即随着应变的发展，时，则岩体的性状近于弹性，即随着应变的发展，岩体内的应力不断增大，最终导致突然的破坏。岩体内的应力不断增大，最终导致突然的破坏。n n 第37页，共77页，编辑于2022年，星期二 在在
40、统统一一的的区区域域构构造造力力的的作作用用下下，岩岩体体内内部部的的应应变变速速率率和和沿沿沿沿断断断断裂裂裂裂带带带带的的应应变变速速率率通通常常是是不不同同的的，一一般般是是前前者者小小于于后后者。在天然条件下就可能出现三种不同的组合情况。者。在天然条件下就可能出现三种不同的组合情况。当当区区域域构构造造力力的的作作用用使使岩岩岩岩体体体体的的应应变变速速率率C CR R大大于于临临界界应应变变速速率率C C0 0时时（此此此此时时时时C CF F必必必必然然然然大大大大于于于于C C0 0），地地壳壳岩岩体体整整个个处处于于弹弹性性状状态态，随随着着变变形形的的发发展展，岩岩体体内内部
41、部及及沿沿断断裂裂带带的的应应力力不不断断增增高高，达达到到一一定定程程度度发发生生破破坏坏。破破坏坏即即可可沿沿已已有有的的断断裂裂发发生生，也也可可在在岩岩体体内内部部发发生生，历历史史上上岩岩石石圈圈遭遭受受强强烈烈运运动动时时会会出出现现这这种种情情况况。据据计计算算，在在30km30km深深度度C=10C=101313/s/s的的应应变变速速率率，大大体体相相当于地表隆起速度为当于地表隆起速度为5cm/a5cm/a。第38页，共77页，编辑于2022年，星期二n n (2)(2)当区域构造力的作用使岩体的应变速率当区域构造力的作用使岩体的应变速率C CR R介于介于C C0 0和某和
42、某一临界值一临界值C Ca a(相当于使岩体内方向有利的断裂带的相当于使岩体内方向有利的断裂带的C CF F=C=C0 0时（此时时（此时C CR R CCCR RCaCa。(如图如图228(a)228(a)中的中的区区)时，则岩体本身的力学性状与断裂带不同：时，则岩体本身的力学性状与断裂带不同：n n 岩体本身岩体本身，因其应变速率，因其应变速率C CR RCCC0 0，而具弹性性状，应力随形变，而具弹性性状，应力随形变的发展不断增高，最终发生破裂，导致再活动，引起地震。的发展不断增高，最终发生破裂，导致再活动，引起地震。日本列岛地区地形变和断裂新活动性的发展就是在这样的背日本列岛地区地形变
43、和断裂新活动性的发展就是在这样的背景条件下发生的。景条件下发生的。第39页，共77页，编辑于2022年，星期二n n这也是所有构造新活动区所具有的共同特征。一些地震活动强烈这也是所有构造新活动区所具有的共同特征。一些地震活动强烈地区的地表隆升速度的资料表明，地壳隆升速率大于或等于地区的地表隆升速度的资料表明，地壳隆升速率大于或等于2mm/a2mm/a的可能属于这类地区。的可能属于这类地区。n n （3 3）区域构造力的作用微弱，致使岩体的应变速率）区域构造力的作用微弱，致使岩体的应变速率C CR RCaCa。在这。在这样的条件下，由于岩体本身及断裂带的应变速率均低于临界应变速样的条件下，由于岩
44、体本身及断裂带的应变速率均低于临界应变速率率C C0 0(如图如图228(a)228(a)中的中的区区)，故这类地区的特点应是以地，故这类地区的特点应是以地壳隆升或沉降为标志的地形变微弱，无活断层发育，故代表壳隆升或沉降为标志的地形变微弱，无活断层发育，故代表着现代构造稳定区的情况。着现代构造稳定区的情况。第40页，共77页，编辑于2022年，星期二第41页，共77页，编辑于2022年，星期二n n2.4 地壳表层岩体应力状态的复杂性地壳表层岩体应力状态的复杂性n n2.4.1 2.4.1 地壳表层岩体应力分布的规律地壳表层岩体应力分布的规律n n2.4.1.1 2.4.1.1 2.4.1.1
45、 2.4.1.1 垂直应力的分布垂直应力的分布垂直应力的分布垂直应力的分布n n 世界各地实测应力资料的统计表明，不同地区地壳表世界各地实测应力资料的统计表明，不同地区地壳表层岩体层岩体垂直应力垂直应力随深度的分布，通常有如下关系：随深度的分布，通常有如下关系：n n v v=A+h=A+hn n（大体相当于岩体的平均容重，大体相当于岩体的平均容重，A A为常数）为常数）n n 我国地壳表层岩体内垂直应力随深度的分布也大体上与国外我国地壳表层岩体内垂直应力随深度的分布也大体上与国外统计结果相一致。统计结果相一致。n n表表2-3 2-3 我国我国 v v/h/h比值统计资料比值统计资料 v v
46、 /h/h1.2所占百分比所占百分比13.717.360第42页，共77页，编辑于2022年，星期二n n从统计关系可以看出：从统计关系可以看出：从统计关系可以看出：从统计关系可以看出：n n 地表表层岩体内的垂直应力成分主要由上覆岩层自地表表层岩体内的垂直应力成分主要由上覆岩层自重所引起，即随深度而线性增大，且其增长率相当于岩重所引起，即随深度而线性增大，且其增长率相当于岩体的平均容重；体的平均容重；n n 大多数地区，在遭受区域性剥蚀的过程中，由于垂向卸荷不大多数地区，在遭受区域性剥蚀的过程中，由于垂向卸荷不彻底而保存一部分剩余自重应力，公式中常数项的存在就表明了彻底而保存一部分剩余自重应
47、力，公式中常数项的存在就表明了这一点。这一点。2.4.1.2 2.4.1.2 2.4.1.2 2.4.1.2 水平应力的分布及应力状态的类型水平应力的分布及应力状态的类型水平应力的分布及应力状态的类型水平应力的分布及应力状态的类型 从已有的实测资料分析，有如下规律：从已有的实测资料分析，有如下规律：水平应力分量的各向异性，即水平应力分量的各向异性，即h2 h2/h1h1不等于不等于1 1，其比值介于其比值介于0.5-0.750.5-0.75之间。之间。第43页，共77页，编辑于2022年，星期二n n平均水平应力的分布及应力状态的的类型：平均水平应力随平均水平应力的分布及应力状态的的类型：平均
48、水平应力随深度而增大，并可区分三种情况深度而增大，并可区分三种情况：n na.a.h h v v 分布较为普遍，分布较为普遍，1 1、3 3 水平或垂直，水平或垂直，N1N1或或11。（2 2垂直，水平应力场）垂直，水平应力场）2.4.1.3 2.4.1.3 2.4.1.3 2.4.1.3 局部地带的应力异常分布局部地带的应力异常分布局部地带的应力异常分布局部地带的应力异常分布n n 在断层及一些剪切带附近垂直应力及水平应力随深度的分在断层及一些剪切带附近垂直应力及水平应力随深度的分布明显高于同深度的其它地带，正是这种异常往往导致诱发地布明显高于同深度的其它地带，正是这种异常往往导致诱发地震的
49、产生。震的产生。第44页，共77页，编辑于2022年，星期二n n2.4.1.4 2.4.1.4 2.4.1.4 2.4.1.4 浅部与深部应力状态的差异浅部与深部应力状态的差异浅部与深部应力状态的差异浅部与深部应力状态的差异n n 已有的资料表明，近地表的浅部和较深部的应力状态有时明显不已有的资料表明，近地表的浅部和较深部的应力状态有时明显不同。导致这种差异的原因有：同。导致这种差异的原因有：n n a.a.地表切割所引起的侧向卸荷和河谷临空面附近的应地表切割所引起的侧向卸荷和河谷临空面附近的应力重分布作用往往会使地表附近岩体的应力在量值和方向上力重分布作用往往会使地表附近岩体的应力在量值和
50、方向上变化很大，从而导致深浅部的不同；变化很大，从而导致深浅部的不同；n n b.b.各应力分量各应力分量随深度的随深度的变化梯度变化梯度不同，从而导致深浅部应力不同，从而导致深浅部应力状态的差异状态的差异.第45页，共77页，编辑于2022年，星期二n n2.4.2 地表高应力区及其地质地貌标志n n 研究表明，高应力区在地表地质地貌上有明显的表现。研究表明，高应力区在地表地质地貌上有明显的表现。因此，通过地质地貌研究可以揭示是否高应力区的存在。因此，通过地质地貌研究可以揭示是否高应力区的存在。n n2.4.2.1 2.4.2.1 天然条件下高水平应力释放有关的浅表生时效变天然条件下高水平应