第2章 地壳岩体的天然应力状态

地壳岩体的天然应力状态环境与土木工程学院地质工程系2007年9月本章学习内容及要求掌握岩体应力等基本概念；

理解地表岩体应力状态的复杂性，了解大地应力场的特征及分布规律；理解地壳岩体的应力—应变特征与应变速率的关系，临界应变速率的概念；地应力随时间变化的一般规律；掌握利用大地应力场特征判定一个地区可能产生的最新活动断裂的运动方向和错动方式；掌握岩体天然应力状态与地区地质条件和岩体的地质历史的关系，天然应力比值系数N的概念，河谷附近应力重分布及应力集中的一般规律，不连续面附近应力集中的一般规律，地表高应力场的判别标志；理解岩体切割面附近的残余应力的成因及其效应；了解岩体天然应力状态的研究和评价方法。本章学习内容及要求学习重点：（1）地表岩体应力状态的复杂性；（2）残余应力的成因及其效应；（3）岩体应力-应变性状与应变速率的关系。本章重点及难点学习难点：（1）地表岩体应力状态的复杂性，不仅表现在其大小、方向不同，还表现在其空间变化和随时间的变化。（2）残余应力效应，特别是在自由临空面附近，差异性岩体卸荷是造成残余应力的主要原因，并造成了临空面附近复杂的浅生和表生时效变形现象。本章重点及难点2.1基本概念及研究意义主要介绍以下三方面内容:2.1.1岩体应力的一些基本概念2.1.2岩体天然应力状态的类型2.1.3研究岩体天然应力状态的意义

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物而引起的应力，称为感生应力。2.1.1岩体应力的一些基本概念按成因，对构成岩体应力的各组分作如下分类：

天然应力或初始应力（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）

2.1.1岩体应力的一些基本概念自重应力

在重力场作用下生成的应力为自重应力。地表近水平时，重力场在岩体内的某一任意点形成相当于上覆岩层重量的垂直正应力σv：

σhhσv地面

σv

=γh式中：γ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。2.1.1岩体应力的一些基本概念另外，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：式中：μ为泊松比，N0称为侧压力系数。对大多数坚硬岩体：μ为0.2～0.3，即N0为0.25～0.43。对于半坚硬岩体:N0大于0.43，且当上覆荷载大，下伏岩体呈塑流时，μ接近0.5，N0近于1，及近似于静水应力状态。2.1.1岩体应力的一些基本概念构造应力地壳运动在岩体内形成的应力称为构造应力。可分为活动的构造应力和剩余的构造应力两类。

活动的构造应力，即狭义的地应力：地壳内现在正在积累的能够导致岩石变形和破裂的应力。（与区域稳定与岩体稳定密切相关）

剩余的构造应力：是古构造运动残留下来的应力。对于这种应力是否存在有不同的认识。根据应力松弛观点，认为在一次构造运动的数万年后，该次构造应力因松弛效应而不复存在。但在加拿大地盾苏必湖地区的应力实测资料显示，剩余构造应力仍然十分明显。2.1.1岩体应力的一些基本概念变异及残余应力

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。这类应力均是由岩体的物理状态、化学性质或赋存条件等方面发生变化应起的，通常只具有局部意义。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它组分的约束，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。2.1.1岩体应力的一些基本概念

地壳岩体的应力状态取决于该地区的地质条件和岩体所经历的地质历史。对此问题的看法，目前主要有三种观点：（1）“静水应力式”分布的观点由瑞士地质学家海姆于1905-1912年提出，他以岩体具有蠕变的性能为依据，认为地壳岩体内任一点的应力都是各向相等的，均等于上覆岩层的自重，即：

σx=σy=σv=γh这一假说适用于某些局部条件，如中欧地区强烈构造变形的沉积岩、阿尔卑斯山深埋隧道岩体中的应力状态。2.1.2岩体天然应力状态的类型（2）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。垂直应力和水平应力可按下式确定。

σv=γh

这一假说由于缺乏对地质条件的复杂性和多样性的了解，仅适用于某些局部条件，2.1.2岩体天然应力状态的类型（3）水平应力为主的观点早在上世纪二十年代，我国著名地质学家李四光教授就指出，地壳运动以水平运动为主，地应力场是以水平应力为主导的。到五十年代，瑞典学者N.哈斯特通过在芬-斯地块的矿山岩体应力测量工作，证实该地区应力场以水平应力为主。

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，主要包括以下三种典型情况：2.1.2岩体天然应力状态的类型中间主应力σ2近于垂直，最大主应力σ1和最小主应力σ3近于水平。在这种应力状态下，地壳岩体的破坏形式必然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。2.1.2岩体天然应力状态的类型最小主应力轴σ3近于垂直，最大主应力σ1与中间主应力σ2轴近于水平。 在此种应力状态下，地壳岩体的破坏形式必然是逆断型的，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。喜马拉雅山的前缘地区属于这种类型。2.1.2岩体天然应力状态的类型2.1.2岩体天然应力状态的类型应力场中的最大主应力轴σ1垂直，其余两主应力水平分布。此应力状态下，地壳岩体的破坏形式必然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。我国青藏高原中部存在这种类型。地处大洋中脊轴部地带的冰岛地区测得的应力状态就是这种类型。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渡类型。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。这就足以证明，构造因素在地壳岩体的天然应力状态的形成中起着主导作用。

2.1.2岩体天然应力状态的类型

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。越来越多的研究资料表明，在高岩体应力区，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。地表开挖导致的岩体变形和破坏主要有以下几种类型：2.1.3研究岩体天然应力状态的意义（1）基坑底部的隆起、爆裂和沿已有结构面的逆冲错动。2.1.3研究岩体天然应力状态的意义（2）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。

2.1.3研究岩体天然应力状态的意义（3）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：

拱顶裂缝掉块边墙内鼓张裂底鼓及中心线偏移施工导坑缩径

2.1.3研究岩体天然应力状态的意义都汶路龙溪隧道拱顶塌落洞顶及洞壁垮塌洞壁内鼓2.1.3研究岩体天然应力状态的意义

此外，修建高坝、大型水库和深大的地下硐室等，常能在更大范围内破坏岩体内天然应力的平衡，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。所以，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。2.1.3研究岩体天然应力状态的意义2.2影响岩体天然应力状态的

主要因素及其作用主要从以下三方面进行讨论:2.2.1与地区地质条件及岩体所经历的地质历史的关系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2.2.3岩体切割面附近的残余应力效应（1）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

）。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。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。2.2.1岩体天然应力状态与地区地质条件及岩体所经历的地质历史的关系（2）构造作用及其演变历史对岩体天然应力状态形成的影响构造作用及其演化历史，是决定地壳岩体天然应力状态的最主要因素。

研究资料表明，与活动的构造应力相联系的地应力，呈现有规律的变化；而与剩余构造应力相联系的地应力，则取决于局部构造，且较为杂乱。2.2.1岩体天然应力状态与地区地质条件及岩体所经历的地质历史的关系（3）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岩体内的水平应力方面有着重要的作用。例如，对于未受明显构造扰动的侵入体内应力状态的形成，一般经历了两个阶段：首先是侵入阶段，由于岩体呈熔融状态侵入地下一定深处，故岩体中的应力呈静水应力式分布。假定图中AB为原始地面，则岩体内任一深度h0+h处P点的应为：

σh=σv=γ(h0+h)

2.2.1岩体天然应力状态与地区地质条件及岩体所经历的地质历史的关系假定图中AB为原始地面，则岩体内任一深度h0+h处P点的应为：

σh=σv=γ(h0+h)2.2.1岩体天然应力状态与地区地质条件及岩体所经历的地质历史的关系

此后，岩体经剥蚀而出露地表。随着岩体剥蚀卸荷，岩体内的应力发生变化，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=γh

σh=γ(h0+h)-μ/(1-μ)×γh0

=γh-((1-2μ)/(1-μ))×γh0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，即σx=σy。所以和构造作用造成的各向不等的水平应力相区别。2.2.1岩体天然应力状态与地区地质条件及岩体所经历的地质历史的关系促使岩体内应力状态复杂化的另一个重要因素，就是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。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

与河谷下切相联系的地表临空面的形成，使得原来处于应力平衡状态的岩体因局部卸荷而向临空方向膨胀回弹，从而导致临空面附近岩体内的应力重分布。这一过程的特点，除与岩体的性质有一定关系外，主要取决于岩体的原始应力状态和临空面的形态特征，故随条件的不同而变化。作为变化的一般规律，主要有以下几方面：（1）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。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（2）最大主应力由内向外逐渐增大，至临空面达到最大值；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。

（3）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，将变化后的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。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

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，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，由于现代地应力场中的水平应力强度各向不等，不同走向的河谷，岩体应力集中程度差异较大。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。各种变形、破裂现象大多集中发育在垂直于最大主应力的河谷段。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

雅砻江锦屏一级电站河谷岩体应力分布图最大主应力分布最大剪应力分布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

非均质的承载岩体在卸荷情况下，由于其各组成单元力学性状的不同，往往分异为两类弹性特征截然不同的力学“元件”。那些原来处于强烈弹性变形状态的单元，总是力图膨胀回弹，以“改善”自身的“受压”状态。但是，这类弹胀元件的应力松弛趋势，通常受到另一类未遭弹性变形或弹性微弱从而发展为“约束元件”单元的牵制。这样，“弹胀元件”内的压应力只能部分释放，同时在“约束元件”内产生拉应力。“弹胀元件”内压应力降低和“约束元件”内拉应力增大的过程持续发展，直到整个体系达到残余压应力和残余拉应力的平衡。2.2.3岩体切割面附近的

残余应力效应

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。

非均质承载岩体卸荷后，其内部形成的这种自我平衡的残余应力体系，可用力学模型Ⅰ及Ⅱ加以形象说明。模型I2.2.3岩体切割面附近的

残余应力效应

然而，天然岩体大多是粘-弹性介质，更符合于模型Ⅱ所示的沃依特流变模型。它与模型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II2.2.3岩体切割面附近的

残余应力效应由以上分析可见，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破裂面的方式释放出来，对以该岩体为地基或环境的结构物产生影响或危害。2.2.3岩体切割面附近的

残余应力效应

从地质条件来看，能够在卸荷后产生残余应力的岩体条件有多种情况。以下主要介绍两种主要类型：

（1）在承载条件下被胶结起来的颗粒体系，如砂岩、砾岩等。

在初始条件下，颗粒内部和胶结物中的应力、应变状态显著不同。前者因承受很大的压应力而储存较高的弹性应变能，后者则处于微弱的应力、应变状态。这类岩体卸荷后，处于高应力、应变状态的颗粒体系的膨胀回弹趋势，受到不具膨胀回弹特性的胶结物的约束，只能部分地回弹和部分释放应力。随此过程的持续发展，颗粒体系内的压应力逐渐降低，胶结物中则不断发展拉应力，直至在约束和被约束单元间形成达到残余拉应力和残余压应力的平衡。2.2.3岩体切割面附近的

残余应力效应

（2）岩体组成单元的强度和变形性能各不相同，承载后强度高的单元只能发生弹性变形，而强度较低的单元除弹性变形外还产生了部分塑性变形。这类承载岩体卸荷后，残余应力形成机制和过程如下图所示。单元1和2表示二个相互牢固结合（胶结或结晶联结）在一起的单元，前者强度高于后者。受力过程中它们的应变相同均为e，单元1主要是弹性变形，单元2内则发展部分塑性变形。卸荷后，若两类单元都可以自由回弹（图d）。但因二者牢固联结，单元1的回弹受到单元2的约束。结果就在单元1和2中分别产生残余压应力和残余拉应力（图e）。若单元1、2所代表的是二个形体较大且强度不同的岩体，此时二者界面上将产生残余剪应力（图g）。2.2.3岩体切割面附近的

残余应力效应

以上二类残余应力体系都是由于承载岩体组成单元间的力学性状不同二造成的。

还有一类残余应力体系，是由于不均匀卸荷致使岩体不同部位发生差异回弹而引起的（如河谷临空面附近）。其特点是一部分回弹可能性或回弹能力小的岩体以摩阻力的方式约束另一部分岩体的回弹趋势，结果就在二者界面形成残余剪应力，而在两侧的岩体里分别产生残余拉、压应力，一旦界面上的摩阻力由于某些原因被降低，岩体内的残余应力就会以沿界面产生滑动的方式，部分地或全部地释放出来。2.2.3岩体切割面附近的

残余应力效应2.3我国地应力场的空间分布

及随时间变化的一般规律主要介绍以下三方面内容:2.3.1地应力场的空间分布及其与板块运动的关系2.3.2断裂带附近的局部构造应力集中作用2.3.3地应力随时间变化与地壳岩体应变速率的关系我国地应力场的空间分布特点

2.3.1地应力场的空间分布

及其与板块运动的关系

（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：

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，属强烈水平挤压区。地壳物质运移方向主要是垂直向上。σ3垂直，σ1和σ2水平2.3.1地应力场的空间分布

及其与板块运动的关系

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，具中等挤压区特征。地震多是由断层走向滑动所引起的，局部也有逆断及正断机制的地震。σ2垂直，σ1和σ3水平2.3.1地应力场的空间分布

及其与板块运动的关系

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NE－NEE向正断层与地堑或断陷盆地十分发育；新生代沉积具有双层结构(下图)，E充填断陷盆地，N-Q覆盖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；地震由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。2.3.1地应力场的空间分布

及其与板块运动的关系

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(上图)。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型，且主拉应力轴为近东西向）。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。2.3.1地应力场的空间分布

及其与板块运动的关系

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。2.3.1地应力场的空间分布

及其与板块运动的关系

我国、特别是西部地区的地应力场和现代构造活动，主要是由印度和欧亚两大陆板块相互碰撞、挤压所决定的。印度板块对欧亚板块的推挤类似于建筑物对地基的加载作用，察隅和伊斯兰堡则是加载边界的两端点。如果在两板块相互挤压过程中，欧亚板块内部所产生的仅是弹性变形。则根据弹性理论，欧亚板块内部各点主应力的方向应严格与图2-22所示的地基承载的情况近似，即各点的最大主应力方向为各点与承载边界两端点联系的夹角等分线方向。但是，由于碰撞挤压过程中欧亚板块内部产生了塑性或粘性流动变形。所以，两侧边缘部位的最大主应力方向发生了一定的偏转，与弹性介质的情况有一定出入。

2.3.1地应力场的空间分布

及其与板块运动的关系

（1）一般规律

含有各类断裂的受力变形时，沿断裂带发生应力集中，不同方位断裂的应力集中程度有所不同，使得岩体内部的应力状态变得十分复杂。

对于一个三向受力的岩体，那些与最大主应力成30°～40°左右交角的断裂，特别是这类方向的雁行式或断续直线式排列的断裂组，应力集中程度最高。尤其是在断裂端点、首尾错列段、局部拐点、分枝点或与其它断裂的交汇点。总之一切能对继续活动起阻碍作用的地方，都是应力高度集中的部位。2.3.2断裂带附近的局部构造应力

集中作用

（2）局部构造应力集中区的发育与活断层的关系

活断层是现今地应力集中程度较高的断裂带，同时它的持续活动又将导致其附近地区的应力进一步重新分布。所以，在活断层或活动断块的特定部位，往往形成很高的局部应力集中区（图）。局部压应力集中区通常是近代的隆起和推挤型构造的形成地带，往往伴有逆断机制的地震；局部拉应力集中区常是近代的拗陷和拉分型构造的形成地带，有时则伴有正断机制的地震。

2.3.2断裂带附近的局部构造应力

集中作用

印度板块向北强烈推挤欧亚板块，致使川西北断块在近EW向区域构造力的驱动下，以5～10mm/a的速率向东强力楔入。该断块的向东推移过程在两边界断裂相向凸出形成的“构造剧烈收口部位”受阻，致使构造应力和地壳形变在其西侧岷山地区高度集中（图），形成了一个近SN向展布的强烈褶断隆起带。这种机制导致在东经104°附近形成了一个近SN向地跨岷山隆起区及其两侧边界断裂带的强震活动带。

2.3.2断裂带附近的局部构造应力

集中作用

（1）地壳岩体的应力-应变性状与应变速率间的关系岩体的应变速率是决定粘弹性介质力学性状的主要因素。当应变速率C小于某临界值C0时（对于花岗岩C0=10-13－10-14/s），岩体在受力初期随应变的增大而发生应力积累。当应力增大到一定程度时，应力不再增大而变形则不断增大。岩体产生粘性流动而不发生破坏。当C大于C0时，则岩体的性状近于弹性体，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。

2.3.3地应力随时间变化与地壳

岩体应变速率的关系

在统一的区域构造力的作用下，岩体内部的应变速率和沿断裂带的应变速率通常是不同的，一般是前者小于后者。在天然条件下就可能出现三种不同的组合情况：

当区域构造力的作用使岩体的应变速率CR大于临界应变速率C0时（此时CF必然大于C0），地壳岩体整个处于弹性状态，岩体及沿断裂带的应力积累均随形变发展而不断增加(图2－28(a)中的①区)。破坏既可沿已有的断裂发生，也可在岩体内部发生。这是历史上地壳强烈构造变动时的情况。据计算，在地壳厚度30km的条件下，C=10ˉ13/s的应变速率，大体相当于地表隆起速度为5cm/a。2.3.3地应力随时间变化与地壳

岩体应变速率的关系

当区域构造力的作用使岩体的应变速率CR介于C0和某一临界值Ca(相当于使岩体内方向有利的断裂带的CF=C0时的岩体应变速率)之间，即C0>CR>Ca(图2－28(a)中的②区)时，则岩体的力学性状与断裂带不同：岩体本身因其应变速率CR<C0，故随应变、应力的发展很快进入粘性变形阶段，沿最大受力方向产生粘性的压缩变形，垂直于最大主应力方向则产生伸长和隆起，而不发生破坏；方向有利的断裂带内，因其应变速率CF>C0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。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景条件下发生的。

这也是所有构造新活动区所具有的共同特征。地壳隆升速率大于或等于2mm/a的可能属于这类地区。2.3.3地应力随时间变化与地壳

岩体应变速率的关系

区域构造力的作用微弱，致使岩体的应变速率CR<Ca。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率C0(图2－28(a)中的③区)，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，故代表着现代构造稳定区的情况。2.3.3地应力随时间变化与地壳

岩体应变速率的关系2.4地壳表层岩体应力状态的复杂性主要介绍以下两方面内容:2.4.1地壳表层岩体分布的若干规律2.4.2地表高地应力区及其地质地貌标志

地壳表层岩体内的天然应力状态是极为复杂的，它与深部区域构造应力场有很大的区别。

（1）垂直应力的分布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垂直应力主要是由上覆岩层自重所引起的，随深度呈现性增加，通常有如下关系：σv=A+γh式中：γ大体相当于岩体的平均容重；A为常数，随统计地区而不同。多数地区在遭受区域型剥蚀过程中，垂直方向的卸荷松弛尚未完成，因而地表岩体中还保存了一部分剩余的垂直应力。2.4.1地壳表层岩体应力分布的

若干规律

（2）水平应力的分布及应力状态的类型

已有的统计资料表明，地壳表层岩体内平均水平应力随深度的变化，主要有三种类型（图）。2.4.1地壳表层岩体应力分布的

若干规律第一类是图中曲线①所代表的情况，即。在自然界内，沉积后未受到构造扰动或仅受轻微构造作用以及某些遭受明显侧向卸荷影响的岩体可能具有这类应力状态。对于前者来说，由于其天然应力状态是在重力场作用下形成的，故其水平应力具有各向同性特征，且其天然应力比值系数（水平应力与垂直应力之比）N=μ/（1-μ）=0.25—0.43；对于后者来说，虽然水平应力中可能包含有一定的构造应力成分，但因其量值较小，故仍可保持的关系。

2.4.1地壳表层岩体应力分布的

若干规律

第二类是图中曲线②所代表的情况，即。在自然界中少数近期未受明显构造挤压的深部塑性变形区，某些具有高塑性的沉积岩层，由于其应力近于呈静水压力式分布，故其应力状态多属于这种类型。对于这类岩体，其N值等于1。第三类是图中③类曲线所反映的情况，即水平应力大于垂直应力。这是地壳表层岩体里，一种较为普遍的应力状态类型。这类岩体由于其水平应力的大小往往有明显的方向性，故N值各向不等。在平行于最大主应力σ1的方向上N>1，而在垂直于σ1的方向上则可能有N>1或N<1两种情况（取决于垂直应力是中间主应力还是最小主应力）。在自然界中，导致水平应力大于垂直应力的因素主要有构造作用、卸荷作用或河谷底部的局部应力集中。2.4.1地壳表层岩体应力分布的

若干规律（3）局部地带的应力异常分布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震的产生。（4）浅部与深部应力状态的差异已有的资料表明，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：a.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变化很大，从而导致深部与浅部岩体的应力状态有所不同；b.各应力分量随深度的变化梯度不同，从而导致深浅部应力状态的差异。2.4.1地壳表层岩体应力分布的

若干规律2.4.2地表高地应力区及其

地质地貌标志

研究表明，与地表高应力区分布相联系的特征地质地貌标志，主要有如下诸方面。（1）天然条件下高水平应力释放有关的浅表生时效变形现象

隆爆：最早发现于加拿大南安大略省，其表现为近地表出现细长的隆褶或类似低角度逆断层的断隆，一般高度较小，而延伸长度较大。最早称之为隆爆（POP-UP）现象。隆爆的总体发育特征如下：a.发育在强度和厚度都不太大的近水平层状岩层中；b.隆爆轴与实测最大主应力基本垂直；c.绝大多数隆爆都是该区大陆冰川消退不久的产物。分析认为这种现象乃是该区地表岩体中的一种与高水平应力释放有关的表生时效变形现象。导致这种高水平应力则是由构造应力及大陆冰川加载后的卸荷作用共同导致的。2.4.2地表高地应力区及其

地质地貌标志

蓆状裂隙在出露于地表的侵入岩体中，广泛见于一种近地表平行分布的区域性裂隙发育，通常上部较密，向下逐渐变稀疏，即蓆状裂隙。这种裂隙是区域性卸荷剥蚀的结果。一般认为，埋深于地下且处于静水应力状态侵入岩体，在遭受侵蚀而出露地表的过程中，水平应力与垂直应力的差值逐渐增大，当超过岩体所能承受的极限时，即形成水平破裂。2.4.2地表高地应力区及其

地质地貌标志

谷下水平卸荷裂隙及谷坡内水平剪切蠕动变形带

大量的勘察资料表明：在高地应力区内的较开阔的河谷经常有一系列开口良好，透水性很强的卸荷裂隙，特别是当最大主应力与河段走向垂直时，这种卸荷裂隙尤为发育。它们多沿已有的层面或断裂结构面发育而成。因此，这种裂隙最易产生在近水平产出的沉积岩分布区或缓倾角裂隙发育的岩浆岩分布区。

2.4.2地表高地应力区及其

地质地貌标志

发育在谷坡内的水平剪切蠕动变形带是高地应力区常见的；另一种应力释放类型产生时效变形现象是河谷形成的不同阶段，由差异回弹导致的沿坡脚附近已有平缓结构面发生的减速型剪切蠕动变形的产物。2.4.2地表高地应力区及其

地质地貌标志

应力释放型的深大拉张变形带

一些地段的谷坡后缘发育有深大的拉裂缝及拉张断陷带。这类拉张变形带以其规模大，延伸方向稳定和发育面深区别于通常的卸荷裂隙。据研究，这种拉张变形可能有不同成因。其中有一类属于在特殊地质、地貌环境（高地应力、强卸荷）条件下，河谷岩体水平卸荷所导致的应力释放性时效变形现象。2.4.2地表高地应力区及其

地质地貌标志（2）与钻进有关的岩体应力释放及伴生现象岩芯饼化现象

钻进过程中岩芯裂成饼状的现象是高地应力区所特有的岩体力学现象。这种现象有几个方面的共性：a.所有的饼状岩芯在形态上均有其共同特征：岩饼的厚度与岩芯的直径有一定的关系，一般约为直径的1/4到1/5，所以不同的钻孔，只要孔径相同，岩饼的厚度就大致相近；所有岩饼的表面均为新鲜破裂面，而且边缘部分粗糙，多数内部隐约见有顺槽，或沿一个方向的擦痕与之正常的拉裂坎。2.4.2地表高地应力区及其

地质地貌标志

b.饼状岩芯是钻进过程中差异卸荷回弹的产物，破裂主要发生在一定高度的岩芯根部，是由拉张和剪切复合机制导致的。c.饼状岩芯的产生需具备特定的岩体力学条件：弹性高，储能条件好的岩性条件，如火成岩；整体块状的岩体结构条件；高地应力条件，最大主应力在30MPa以上。2.4.2地表高地应力区及其

地质地貌标志钻孔崩落现象研究发现，一些钻孔的孔径不是圆的，而呈椭圆型，长短轴之差可达3-18cm。观察表明：这种孔径的增大是由于孔壁局部破损崩落所致，即钻孔崩落。进一步研究发现：破裂首先出现于孔壁应力集中程度最高的部位；破坏域侧向角的大小主要受岩石的强度参数及水平应力的控制。2.4.2地表高地应力区及其

地质地貌标志与开挖卸荷及应力释放相联系的岩体变形破坏现象及研究意义在高地应力区，开挖往往引起岩体内一系列卸荷回弹和应力释放相关联的变形破坏现象，包括：采场及基坑底部的隆爆；边坡及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；边坡、边墙岩体的倾倒；地下硐室、巷道的变形与破坏等。这些变形和破坏不仅会恶化建筑物场地的工程地质条件，有时还会对建筑物造成直接危险。在各个方向的开挖中，垂直于最大主应力的地表、地下开挖，引起的变形和破坏最为强烈。2.4.2地表高地应力区及其

地质地貌标志鉴于天然应力状态复杂性，为了从定性、定量两个方面阐明一个地区天然应力状态的总体特征，一般采用下述综合研究途径：（1）以地质、地貌方法研究该区构造应力场的演化历史和现今应力场基本特征；（2）在此基础上，选择一些有代表性的地点进行应力测定；（3）以这些实测应力资料和已掌握的应力集中区的发育分布规律，对区域构造应力场进行数值模拟研究，并根据反演分析结果建立区域应力场的定量化模型。实际上其过程可归结为：自然历史分析定量测定反演分析2.5岩体应力和区域应力场研究（1）构造应力场演化历史研究

对于构造应力场的演化历史的研究，除了可采用一般的地质力学方法外，还可采用断层错动机制解的赤平投影解析法。（2）现今地应力场基本特征研究

近年来应用于现今地应力场的研究方法还包括：新断裂网络地质地貌解析法；地震震源机制解析法。2.5.1构造应力场的演化历史和现今地应

力场基本特征的地质、地貌研究所谓新断裂是指最新构造构造应力场下形成与发展的断裂。在一定区域内，不同性质的新断裂往往构成一定形式的网络。构成新断裂网络的成分包括一对共轭的剪切面，一组压性结构面和一组张裂面，其中后二者一般发育较差。共轭剪裂面大多数表现为两组区域性剪裂隙。一般认为，这类区域性剪裂隙是在蠕动条件下沿最大剪应力迹线形成的，其锐角等分线就是区域最大主应力方位。金沙江溪落渡电站区域新断裂网络1—实测活断层；2—遥感解译的活动性断裂；3—遥感解译的区域性节理；4—断裂编号；2.5.1构造应力场的演化历史和现今地应

力场基本特征的地质、地貌研究（3）区域岩体应力积累和程度的研究

历史上各时期及现今地壳隆升的速度和高度。通过层状地貌进行详细研究（剖面测量和测年），求出抬升速率和幅度；在此基础上，以地壳岩体应变速率的变化趋势，结合历史时期的断裂活动情况，总体上判明当前区内岩体应力积累和程度。

区内应力集中条件和应力集中区的分布。取决于岩性和构造部位。

可以作为高应力区标志的地质、地貌现象的发育历史和分布。如河谷强烈的卸荷回弹、岩饼、基坑、平硐中的岩爆和其它强烈变形现象。2.5.1构造应力场的演化历史和现今地应

力场基本特征的地质、地貌研究目前岩体应力测量方法很多，分类也不尽一致，但归纳起来可分为直接测试法和间接测试法两类：2.5.2岩体应力测量岩体应力测试方法直接测试法间接测试法应力恢复法应力解除法水力压裂法（水压致裂法）钻孔崩落法定向岩芯非弹性应变恢复法凯塞尔效应测试法（1）应力恢复法（stress-recoverymethod)

当岩体应力被解除后，通过施加压力，使其恢复到原来的状态，以求得岩体应力解除前的应力值。优点是在确定岩体的应力时，不需测定岩体的应力应变关系。2.5.2岩体应力测量（2）应力解除法（stress-reliefmethod）

在拟测点附近的一个小岩石单元周围切割出一个环状“槽子”，使得这一部分岩体处于卸荷状态。从刻槽前装置好的仪器测出由于这种应力解除而引起的应变反应。并根据有关岩石已知的应力－应变关系，精确换算出应力解除前岩体内三维主应力的大小和方向。该方法以其精度高、测值稳定可靠等优点，被广泛应用于岩土工程设计、矿产开采、地震研究等方面。2.5.2岩体应力测量（3）水压致裂法（hydraulicfracturingmethod）通过钻孔向地下某深度处的测点段压液，用高压将孔壁压裂，然后根据破坏压力、关闭压力和破裂面的方位，计算和确定岩体内各主应力的大小和方向。该法能有效地利用已有钻孔进行深部地应力测试，且具有操作简便、无须知道岩体力学参数等优点，已被广泛应用于水电工程设计、铁路、公路的隧道选线、场地稳定性评价、核废料处理以及地学研究等领域。应用该测试方法，可以得到垂直于钻孔平面的最大和最小应力的大小和方向。对于垂直钻孔，由不同深度的测试数据，可得到最大和最小水平主应力随深度变化规律。对三个或三个以上的交汇钻孔进行测试，经过数据处理计算得到测点附近的三维应力状态。2.5.2岩体应力测量（4）钻孔测量崩落测量法研究表明钻孔崩落现象是由孔壁应力集中部位的局部破坏引起的，且崩落的长轴垂直区内水平最大主应力方向，而崩落域侧向角（θb）及破坏应力比（σH/σh）的大小则主要与岩石的性质及水平最小主应力有关。由此可以求出该区水平最大、最小主应力的方向及大小。步骤如下：

详细测量区内的钻孔崩落现象，并根据崩落域的长轴展布确定该区水平最大主应力和最小主应力。

按照实际的岩体条件进行模拟试验，求得θb－σh直线关系(图2－50)，并根据实测的σb求出区内的水平最小主应力(σh)的量值。

根据σh及实测的C0，利用图2－51即可得出区内水平最大主应力(σH)的大小。2.5.2岩体应力测量2.5.2岩体应力测量（5）定向岩芯非弹性应变恢复测量法基本原理实测结果表明，岩石应变恢复的性状(图2—52)有如下主要特征：

岩石的总应变恢复量(ε)是由弹性应变恢复(ε′)和非弹性应变恢复(ε″)两部分所组成，且整个应变恢复的时间足够长，约达30余小时。

2.5.2岩体应力测量

在未发生非线性蠕变的条件下主应变恢复(无论是弹性的或是非弹性的)的轴向与主应力方向一致，即：ε1、ε′2、ε″3、与σl的方向一致，而ε3、ε′3、ε″3与σ3的方向一致，且ε1=ε′1+ε″1

ε3=ε′3+ε″3

如果发生非线性蠕变，则最大弹性应变恢复轴与最大非弹性应变恢复轴的方向将是不同的。此时，弹性应变恢复的轴向所反映的是较新的应力环境，而非弹性应变恢复的轴向所代表的则是较老的应力环境。但实测资料表明，出现非线性蠕变的情况是很少的。2.5.2岩体应力测量

在整个应变恢复过程中，主应变比(无论是弹性或是非弹性的)与主应力比始终保持相等。测量的方法及步骤

从钻孔中取定向岩芯。

在岩芯内选三个不同方向的面，在每个面上的三个不同方向上进行应变恢复测量，然后根据测量资料计算三个主应变的方向及比值。如果有一个主应力是垂直的，且其大小等于上覆层的重量。则只在水平面内的三个不同方向上进行应变恢复测量，求得两个水平主应变的方向及比值即可。2.5.2岩体应力测量（6）凯塞尔（Kaiser）效应测量法

基本原理1950年，德国学者J.Kaiser发现受单向拉伸力作用的金属材料，只有当应力达到并超过材料所受过的最大先期应力时才会开始有明显的声发射现象出现，这就是著名的凯塞尔效应。1963年，Goodman通过实验证实岩石也具有凯塞尔效应，从而为应用这一技术测定岩体应力奠定了基础。70年代末期以来，日、美、中学者对这一问题开展了广泛的理论及实验研究，先后解决了凯塞尔效应方向独立性、三维地应力测量及试验过程中噪声的排除等问题，使凯塞尔效应在地应力测量领域已基本具有实用性。2.5.2岩体应力测量

为了深入理解凯塞尔效应及其在地应力测量方面的应用，首先需对下述基本问题作简要的讨论。

岩石凯塞尔效应的微观机理研究表明，岩石的声发射现象实际上是来源于其内部显微缺陷的受力扩展，而岩石的每一次受力，都会使其内部组织结构产生与荷载大小及方向相适应的显微破裂系统，再次加载时，如果荷载小于先期荷载，则先期形成的缺陷不会发生进一步破裂，因此也就几乎没有声发射出现，一旦荷载达到并超过先期荷载，已有的裂纹即将进一步扩展，声发射随之开始大量持续出现，这就是凯塞尔效应的基本机理。2.5.2岩体应力测量

岩石凯塞尔效应对地应力的记忆功能已有的研究认为，通过凯塞尔效应所测得的是岩体在地质历史时期内所遭受过的最大应力。如果确是这样，实际上就无法利用凯塞尔效应来解决现今地应力的测量问题，因为在遭受过构造变动，且有断裂发育的地区，任何一部分岩体当时都遭受过很大的，甚至是接近其破裂强度的应力。但是，一系列实测资料表明，利用凯塞尔效应测得的岩体应力远小于该岩体的破裂强度，而与用套钻法测得的现今岩体应力十分接近。对于为什么出现这种矛盾现象，以往的研究也未能加以阐明。通过对已有实测资料的深入分析，我们发现凯塞尔效应实际上只能记忆晚近时期的应力；而不能记忆古构造力。之所以如此看来这里有一个显微破裂的愈合问题。2.5.2岩体应力测量随着环境的改变，岩石会发生重结晶或新晶体生长的作用，使那些古老的显微破裂焊接愈合，从而也就使其丧失对古构造应力的记忆能力。相反，晚近时期岩体的受力过程是在该岩体已处于地表附近的常温、低围压条件下发生的，此时所产生的显微破裂系统，由于形成后所经历的时间很短，且始终处于常温和低围压条件下，所以不会发生愈合。因此，当采样并对岩石试件加载、且应力达到和超过晚近时期岩体所遭受的应力量级时，这类显微破裂即将进一步扩展，从而引起声发射的急剧增加，这也就是岩石凯塞尔效应只能记忆晚近时期岩体所遭受过的应力的道理所在。2.5.2岩体应力测量此外，值得指出的是，近些年来的研究发现，挽近时期遭受过方向和量值不同的多期应力作用的岩石，在其再次受力过程中可能出现多个声发射频数急剧增高点(图2－53)，分别对应不同的先期应力，这种现象可称为多期凯塞尔效应。2.5.2岩体应力测量岩石多期凯塞尔效应的产生，是因为对于不同的主应力组合，岩石内部最易发生进一步破裂的缺陷方位不同，因而遭受过不同方向主应力组合作用的岩石，在其内部将产生多个与各次受力相对应的显微破裂系统。当对这类岩石试件进行加压试验并记录其声发射现象时，随着压力的逐渐