2 地应力的工程地质研究

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1、2地应力的工程地质研究资源环境学院内容提要1地应力的种类2应力状态及应力场分布变化规律3地应力研究的工程意义4地应力工程地质研究的内容和方法2.1地应力的种类一、基本概念地应力：地壳岩体内在天然状态条件下所具有的内应力。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，称为感生应力或次生应力。地应力场:地壳内各点的

2、应力状态在空间分布的总合﹐称为地应力场。二、地应力分类自重应力—由岩体自重产生的应力地应力的种类构造应力—指由构造运动引起的地应力剩余应力—地壳受风化剥蚀，承载岩体由于卸荷作用残留在岩体中的自相平衡的应力变异应力—由岩体的物理状态、化学性质或赋存条件方面的变化而引起的应力1、自重应力垂直应力σ＝γh＝ρghz水平应力不同岩体的泊松比不同，重力场中地壳内各点水平应力不同。当岩体位于地壳内不太深处，一般岩石泊松比为0.2-0.3，侧压力系数为0.25-0.43，因此，垂直应力大于水平应力。地面呈水平的半无限弹性岩体的自重

3、应力的主平面是铅直的和水平的。地表以下较深部如深达千米，侧压力系数趋近于1。地壳深处岩体往往接近于静水压力状态，两邻质点均有大小相同的自重应力，同一深度上水平应力等于垂直应力，垂直三者面上无剪应力，两相邻质点均不会发生相对错动2、构造应力活动的构造应力：近期和现代地壳运动正在积累的应力，也是地应力中最活跃最重要的一种，常导致岩体的变形与破坏；残余的构造应力：古构造运动残留下来的应力。构造应力以弹性应变能量形式存在于强烈活动构造带岩体内，地应力突然增大并超过岩体的强度时，可能引起岩体突然破裂，而产生地震或发生滑坡。构造

4、应力的起源其一，由于地球自转速度的变化产生了离心惯性力和纬向惯性力而引起的；其二，板块运动的观点解释，认为是由于地幔物质热对流使板块之间相互碰撞、挤压而引起全球构造应力场。构造应力存在于构造运动强烈的地带，如强烈褶皱地带、深大断裂带常积累有很大的地应力；但如该地区岩体裂隙特别发育或岩体塑性较大时，新的构造应力便难于积累，地应力的强度就大为降低，这样就使岩体中的天然应力具有自重应力场的特点。3、剩余应力和变异应力剩余应力：指地壳受风化剥蚀，承载岩体由于卸荷作用残留在岩体中的自相平衡的应力，致使垂直应力相应降低，水平应力

5、则保持不变。变异应力：由岩体的物理状态、化学性质或赋存条件方面的变化而引起的应力，通常只具有局部意义。例如岩浆的侵人，沿接触带产生很大的压应力；喷出时，岩浆迅速冷凝，沿某一方向产生收缩节理，而使岩体应力分布具有明显的各向异性。2.2天然应力状态及应力场分布变化规律一、地应力状态类型目前有三种观点：⑴“静水压力式”分布观点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=σ=σ=γhxyv阿尔卑斯山的一些隧道中岩体的作用性

6、能与此理论相符。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。σ＝γhz在地质历史上未遭遇构造变动且现代无明显新构造运动的沉积岩地区。⑶水平应力为主的观点上世纪20年代由李四光提出，50年代瑞典的N.哈斯特在矿岩石应力测量和大地测量中，直接认识了地应力的存在和变化，并被广泛承认。其认为地壳上部的地应力具有三个特点：•普遍存在水平压应力，在所有深度上水平应力都大大超过由于覆盖层重量引起的铅直应力；•水平应力具有高度的方向性，即两个水平应力的大小不等；•应力处于动态平衡状态。天

7、然应力比值系数K——天然应力场中铅直应力与水平应力的比值。σσxyKK==或σσzzK=0，地壳表层垂直柱状节理发育且透水性良好的玄武岩地区、某些张性构造断裂带、边坡卸荷带；1>K>0，地壳浅部沉积岩，厚度变化不大，且未经明显构造扰动的坚硬的岩体地区；K=1，地壳深部塑性区，未经明显构造扰动的泠凝过程中的岩浆岩体地区；K>1，地壳浅部存在有明显构造应力场的地区。1>K>0和K>1较常见。考虑到地应力三个主应力的作用及其在地壳中的效应，将天然应力划分为两类状态。第一类：最大主应力为倾斜的。其所产生的两组剪力面，一是穿切

8、地壳接近铅直的面，另一是穿切地壳接近水平的面。第二类：主应力有两个近于水平，另一近于铅直。¢中间主应力近于铅直；¢最小主应力轴σ近于铅直；3¢最大主应力轴σ近于铅直。1①中间主应力近于垂直，最大主应力σ和最小主应力σ13近于水平，分布于我国中西部广大地区。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