工程地质分析原理 第二章地壳岩体的天然应力状态
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
◼ 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( virginal stress) 自重应力( gravitational stress 构造应力( tectonic stress) 活动的( active tectonic stress 剩余的( residual tectonic stress) 变异及残余应力( altered and residual stre) 感生应力( induced stress
◼ 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（virginal stress） ◼ 自重应力（gravitational stress） ◼ 构造应力 （tectonic stress） ◼ 活动的（active tectonic stress） ◼ 剩余的（residual tectonic stress） ◼ 变异及残余应力（altered and residual stress） ◼ 感生应力（induced stress）
n(1)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 (r为岩石的容重;h为该点的埋深;σ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on,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
◼ 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σ v。 ◼ σ v=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 (2)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
◼ 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
(3)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弓 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 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。 212岩体天然应力状态类型 目前有三种观点:(1)由瑞土地质学家海姆于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:σ=σ=0=th
◼ 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：σ x =σ y =σ v =rh
■(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。 (3)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,最大主应力和最小主应力 σ近于水平,我国的大多数地区如邢台、新丰江、丹江 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在走向滑动型
◼ 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 ③应力场中的最大主应力轴垂直,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 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.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
21.3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 往能在岩体內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 (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
原地面线 翟盖层 翟盖层 开挖掉的士石料 皮尔页岩→理论上的最大回弹 开挖线 观测到的回弹 斑脱质页岩 若P不三、沙皮尔页岩 原有断层面 图2-6俄亥坝静水池基坑开挖过程中岩体的 变形.破坏情况示意图 (据L.B.恩得渥特等,1964)