地壳岩体的天然应力状态

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1、地壳岩体的天然应力状态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

2、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

3、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（gravitationalstre

4、ss）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.

5、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

6、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

7、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

8、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