地壳岩体的天然应力状态分析.ppt

工程地质分析原理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（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）

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σv。
σv=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。
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。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：σx=σy=σv=rh
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。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。
⑵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。
⑶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：
⑴拱顶裂缝掉块；
⑵边墙内鼓张裂；
⑶底鼓及中心线偏移；
⑷施工导坑缩径。
此外，修建高坝、大型水库和深大的地下硐室等，常能在更