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

1．岩体应力

地壳岩体内的天然应力，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、化学及岩浆侵入等的作用下形成的应力状态。按成因，地壳岩体应力包括如下成分：

①自重应力(gravitational stress)：在重力场作用下生成的应力；

垂直应力σ

v

=γh

水平应力σ

h

=(μ/1-μ)γh

②构造应力(tectonic stress)：地壳运动在岩体内形成的应力；

活动的(active tectonic stress)：地壳内现代正在积累的、能够导致岩体变形破裂的应力，即狭义的地应力；

剩余的(residual tectonic stress)：古构造运动的残留应力；

③变异应力(altered stress)：岩体的物理状态、化学性质或赋存条件的变化所引起的应力，通常只具有局部意义；

岩浆侵入-内部静水式应力；

挤压围岩；

岩浆喷出-冷凝收缩、水平应力显著降低；

深部蠕变-σ

h =σ

v

(d) 残余应力(residual stress)：岩体卸荷时，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，于是岩体结构内形成残余的拉、压应力自相平衡的应力系统。

2．地壳岩体的天然应力状态

（1）主要观点：

①“静水应力”

σh =σv =γh

②垂直应力为主的观点

σv =γh

σh=(μ/1-μ)γh

③水平应力为主的观点

地壳运动以水平运动为主，应力场以水平应力为主导。

a. σ

h >σ

v

,水平应力随深度线性增加。

b.水平应力具有明显的方向性，σ

h1 >σ

h2

= 0.3～0.75

（2）地壳岩体应力状态的三种基本情况：

图？

a.三向应力分布；

b.岩体破裂方位；

②潜在逆断型

图？

a.三向应力分布；

b.岩体破裂方位；

图？

a.三向应力分布；

b.岩体破裂方位；

3.我国地应力场的空间分布总体特征

(1)最大主应力σ1作用方向：

(2)地壳三向应力状态的分区性：

①喜马拉雅山前缘带--潜在逆断型应力状态分布区：

a.两个水平主应力 > 垂直主应力；

方向⊥山脉走向；

b.最大主应力σ

1

c.平行于山脉走向的断层发生逆断活动；

d.强烈水平挤压，地壳物质垂直向上。

②青藏高原-- 潜在正断型应力状态分布区：

垂直作用，最小主应力近EW向作用（拉张应力）；

a.最大主应力σ

1

b.近SN向断层发生正断活动；

c.地壳岩体承受近EW向拉伸作用，形成近SN向正断层、地堑式断陷谷。

③中西部地区(环青藏高原)--潜在走滑型应力状态分布区：

垂直作用；

a.中间主应力σ

2

b.断层走滑错动，且以左旋走滑为主；

c.中等挤压区，兼有一定的逆断分量；

d.例外：天山、祁连山、岷山等。

④东北部（华北、松辽平原、汾渭地堑）--潜在正断型、张剪走滑型应力状态分布区：

中生代以来正断层、地堑式断陷盆地；

断层活动两个方向：NNE向断裂右旋走滑兼正断；

NWW向断裂左旋走滑兼正断；

引起的张剪型破坏）。

拉张区兼有一定的走滑分量（NNW向拉张应力σ

3

⑤东南地区：

作用方向NW～NWW；

最大主应力σ

1

三向应力状态：东缘-台湾地区以潜在逆断型为主；

华南地区以潜在走滑型为主。

（2）地应力场的形成与板块运动的关系

①板块间的相互作用形式：

欧亚板块—弹塑性介质；

印度板块—刚性体；

印度板块向北推移插入欧亚板块，类似于地基承载效应。

②“滑线场”理论：

莫尔纳等提出的“滑线场”理论—解释我国现代地应力场的形成机理。

(图示)

4．地应力随时间变化与地壳岩体应变速率的关系

（1）地壳岩体应力-应变性状与应变速率的关系：

应变：ε=ΔL/L

应变速率：C=ε/t (单位时间的应变)

临界应变速率：C 0=τk / η (τk －长期强度，η-粘性系数。)

①当应变速率C小于临界值C

时：

受力初期随应力应变增大而逐渐积累增高，到一定程度后应力不再增加、变形则不断发展；

岩体产生粘性流动变形，不发生破坏。

②当应变速率C超过临界值时：

岩体性状近似于弹性体。

岩体内的应力随应变的发展而不断增大，最终导致突然破坏。

（2）地应力随时间变化的一般规律：

①强烈构造变动区：

岩体的ＣＲ>Ｃ０，则必然断层带的ＣＦ>Ｃ０

a.岩体处于弹性状态，应力随时间不断增高直至破坏；

b.破坏既可沿断裂带、也可在岩体内部发生；

地壳强烈构造变动期，大体相当于地壳抬升速率约5mm/a。

②现代构造稳定区：

岩体的ＣＲ<Ｃ０，断层带的ＣＦ<Ｃ０

岩体和断层带的应力均经过初期的减速型增长阶段后，逐步稳定在与地壳应变速率和岩体性质相适应的特定水平上。

现代构造稳定区，地壳隆起及沉降微弱，无断层活动。大体上相当于地壳抬升速率≤2mm/a。

③现代构造活动区：

岩体的ＣＲ介于Ｃ０与和某一临界值Ｃa（相当于最危险方向断层带的ＣＦ＝Ｃ０时的应变速率）之间，即ＣＲ<Ｃ０、ＣＦ>Ｃ０：

岩体内和断层带的情况不同：

a.岩体内应力发展很快进入粘性变形阶段，最大受力方向压缩、最小受力方向拉伸变形，不发生破坏；

b.断裂带处于弹性状态，应力随时间不断增高直至破坏；

现代构造活动区，地壳隆起与断裂带内的应力积累同步、同源，研究地壳隆起速率即高度极为重要：

a.判断构造稳定性。大体相当于地壳抬升速率V=3～5mm/a。

b.判断断裂带的应力集中程度。ｋ＝活动期抬升速率／现今抬升速率。5．地壳表层岩体应力状态的复杂性

（１）地质条件、岩体经历的地质历史对岩体应力状态的影响

①地质条件：

a.未遭受构造挤压和扰动的坚硬岩体

重力场为主的应力状态σＸ＝σＹ＝（μ／１－μ）σＶ

b.近期未受明显构造挤压的深部塑性变形区、高塑性沉积岩去

静水式应力状态σＸ＝σＹ＝σＶ

c.张性构造断裂带、垂直柱状节理发育的玄武岩、边坡卸荷带

σＸ＝σＹ＝0

②岩体经历的地质历史：

a.构造作用；

b.剥蚀作用：

侵入岩体：静水式应力状态→水平应力>垂直应力

原始状态：σ

h =σ

v

=γ(h

+h)

剥蚀：σ

v =γ(h

+h)- γh

=γh

σh =γ(h0+h)- （μ／１－μ）γh0

=γh+(1-2μ／１－μ) γh

（２）岩体自由临空面附近的应力重分布和应力集中效应

①河谷临空面附近岩体内的应力重分布：

主应力方向改变；σ

1

∥坡面，σ3⊥坡面；

应力分异现象：σ

1

向临空面逐渐增大；

σ3向临空面逐渐减小，坡面附近可出现拉应力；

②河谷临空面附近岩体内的应力集中：

坡脚、谷底—主应力、剪应力增高；

坡顶—主应力降低或发展拉应力；

坡面--应力卸荷松弛，形成应力降低带，高应力集中向坡内转移；

河谷方向与最大主应力作用方向的关系；

※应力集中：主应力及剪应力在临空面附近的增大（或减小）的现象；

应力集中系数：变化后的应力与原始应力之比。

（３）不连续面附近的应力集中效应

①最有利于应力集中的结构面方向

②结构面上有利于应力集中的部位：

端点、拐点、分支（交汇）点、错列点等阻碍位移变形的部位。

③断裂型不连续面（活断层）附近的应力集中情况：

a.拉、压应力“四象限”分布（图示）；

b.“锁固短”附近的拉、压应力分布（图示）；

c.断层斜列段附近的应力分布特征（图示）；

d.复杂的构造条件对地壳岩体应力集中部位的控制作用；

（4）岩体切割面附近的残余应力效应

岩体—非均质体，各部位弹性性状不同；

卸荷—各部位膨胀、回弹趋势差异较大。

①力学模型：弹性模型(图示)；

流变模型（图示）；

②地质条件：

a.承载条件下胶结的颗粒体；

b.组成单元的强度、变形性不同；

c.河谷底部岩体的残余剪应力；

（图示）

6．岩体天然应力状态的研究方法

原则：自然历史分析-定性，掌握总体特征；

地应力测量-定量，技术不完善；

随着科学技术的发展与新技术的广泛应用，地壳岩体天然应力场的研究已在更加科学化和定量化方面取得了显著的进展。目前，地应力场研究途径主要有如下基本方法。

（1）构造应力场演变历史的地质研究

①地质-力学研究

②构造应力的断层错动机制赤平投影解析

根据断层错动时所产生的、且长期保存在断层两盘岩体内的共生裂隙组合(下图)，通过赤平投影解析，分析断层错动机制，求出断裂错动时的受力状态及历次活动的主应力方向，进而阐明区域构造应力场的演化和现代应力场的基本特征(解析方法查阅文献)。

共轭X断裂发展中各序次应力场和次级构造形迹的关系

（2）现代地应力场特征的研究方法

①地震形变带分析法：

通过对地震产生的地表形变现象的力学性质及组合形式的分析，判断地震发生时的构造应力场状况，为研究现今地壳应力状态提供重要的科学依据。

分析研究的基本程序为：

a.查明以地裂缝、隆起及陷落为主的构造形迹的特征和展布情况，着重研究各类构造形迹的结构要素及力学性质；

b.根据它们的空间组合及力学组合关系，运用应变椭球解析原理，按岩体力学观点确定地震过程的主压应力方向及应力状态。

②断层微量位错测量:

在构造应力的作用下，地壳岩体的变形有连续和不连续两种形式。连续变形以应变形式显示出来；不连续变形则以不连续面(断裂面)的蠕动或相对位移的形式显示出来，这类变形是与断层成一定交角的应力作用的结果。采用高精度基线和水准测量，可以获得反映断层蠕动或相对位错轨迹的位移矢量，按岩石力

学理论即可推求断裂活动时的受力方向。

跨断层位移矢量测量及计算方法，主要有两种：

a．跨断层三边测量：

平行断层设置固定边s，以A、B两点位参照点（下图），根据a、b两边长度的变化，计算断层另一盘P点的相对位移，即P点的位移坐标增量：

=(aq/hs) da＋(br/hs)db dx

P

=(a/s)da＋(b/s)db dy

P

式中da、db分别为两期a、b的差值。

跨断层三边测量示意图

b．跨断层两边测量：

垂直及斜交于断层走向设置两条基线。以垂直于断层的基线长度的变化及断层水平扭动量为直角坐标，确定断层两盘相对位移矢量。

大量的试验、实测及理论研究证实，断裂两侧质点受力后的位移特征，概括起来有三种情况：当总体位移矢量趋向断层面时，主压应力作用方向基本基本与质点位移方向一致；当总体位移矢量背离断层面时，主压应力作用方向与断层面成0o～20o夹角，若质点背离断层面成90o角位移，主压应力作用方向与断层面平行（0o）；当总体位移矢量与断层面平行时，主压应力作用方向与断层面成45o-υ/2夹角（υ为断层面的内摩擦角）。

③地应变测量：

空间点的位移有三个分量：反映垂向升降的垂直分量，通常用水准测量求得；两个水平分量，通常用三角测量获得。根据水平面上的变形可推算出水平应力的量值及方向。水平变形测量首先是将地壳应变积累近似地作为平面问题考虑，并假定地壳介质是向同性和均质连续，然后用应变摩尔圆图解水平形变参数。

④震源机制解:

通过对震源破裂形式及信息的分析解译，能够较准确地获得地壳应力-应变资料是分析讨论现今地壳构造应力问题的重要依据之一。尤其是震源深度较大的强震活动的震源机制解参数，能较客观的反映地壳应力场的基本特征。

⑤原位地应力测量:

地应力的6原位测试包括应力解除法、水力压裂法、波速测定法、声发射测定法，重力法等多种方法，其中最为常用的是应力解除法和水力压裂法。

a．应力解除法：

目前应用最为广泛的地应力测量方法。具体方法是在测点岩体中钻一个直径36mm的小孔，放入应力计（测量元件），同时施加一定的预应力，并记录下仪器的读数。然后再套钻一个与小孔同轴的大孔（释放槽）。此时，测试点岩石周围应力已解除，岩芯发生弹性恢复。随着应力计负荷的变化，仪器的读数也发生相应的变化。应力释放槽形成前后仪器的读数差即为“记录应力值”。只要在钻孔的三个不同的直径方向上（通常为互成60o或45o）放置三个应力测量元件，即可得到三个读数，据此计算出该测点的平面主应力的大小和方向。

为获得可靠的测量结果，一般在一个测点上作多次测量并进行统计分析。大量的试验、实测证实，该方法的量值误差一般不超过10%，方向误差约为±5o。

图9-9 应力解除法示意图

a-测量孔；b-应力解除槽；c-测量元件；d-解除应力的岩芯；e-受力围岩；

b.应力恢复法：

c．水力压裂法：

水力压裂法是随着石油开采技术的发展而出现的一种新的深部应力绝对值测量方法。具体做法是：选择有代表性的基岩井孔段，用膨胀橡胶封隔器将某一段封闭，用液压装置加压，逐渐升高压力直至钻孔围岩破裂，造成液压突然降低。随后继续加压，使破裂进一步扩展。根据记录到的液压-时间关系曲线、岩石的有关参数及破裂方位，即可求得主应力量值和方位。

该方法能直接测量深部绝对应力状态，与应力解除法相比，测量得空间范围较大，受局部因素影响较小，可直接利用各类工程钻探孔进行测量。但在理

论和技术上还不够完善，测量成本较高，σ

Hmax 值误差约25%，σ

Hmin

值误差约在

10% 以内。

(3)区域构造应力场的数值模拟分析：

一般说来，数值模拟研究是一个反演问题。其要点是根据区域地球动力学环境条件、断裂活动性特征和地震活动等研究资料，确定边界条件、力学参数及外力作用方式，建立能够合理反映客观实际的力学-数学模型。采用有限元数值计算方法，通过适当的调整边界条件和力学参数，直至模型内实测点的应力计算值与实测值达到最佳拟合。根据这样确定的条件、参数和内部应力-应变特点建立定量化模式。然后以此为基础，进行反映时间效应的流变有限元数值分析，推演区域地应力场随时间发展演变的总体趋势。

这类研究有着验证研究和深化研究的双重效果。一方面，可以通过区域应力场现今情况的反演模拟，分析验证地质原型研究资料的客观性；另一方面，通过调整边界条件的反复模拟和流变的系统分析，深化对地壳岩体应力-形变作用、演化机制和区域规律的认识。

①河谷剖面应力场及构造应力量级的反演分析：（图示）

②区域应力场的平面反演分析：

龙羊峡电站区域地应力场数值模拟图

（左图为σ1方向；右图为σ1量值等值线。）