地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)

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1、地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)本章學習內(nèi)容及要求掌握巖體應(yīng)力等基本概念；理解地表巖體應(yīng)力狀態(tài)的復雜性，了解大地應(yīng)力場的特征及分布規(guī)律；理解地殼巖體的應(yīng)力—應(yīng)變特征與應(yīng)變速率的關(guān)系，臨界應(yīng)變速率的概念；地應(yīng)力隨時間變化的一般規(guī)律；掌握利用大地應(yīng)力場特征判定一個地區(qū)可能產(chǎn)生的最新活動斷裂的運動方向和錯動方式；掌握巖體天然應(yīng)力狀態(tài)與地區(qū)地質(zhì)條件和巖體的地質(zhì)歷史的關(guān)系，天然應(yīng)力比值系數(shù)N的概念，河谷附近應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中的一般規(guī)律，不連續(xù)面附近應(yīng)力集中的一般規(guī)律，地表高應(yīng)力場的判別標志；理解巖體切割面附近的殘余應(yīng)力的成因及

2、其效應(yīng)；了解巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的研究和評價方法。本章學習內(nèi)容及要求學習重點：（1）地表巖體應(yīng)力狀態(tài)的復雜性；（2）殘余應(yīng)力的成因及其效應(yīng)；（3）巖體應(yīng)力-應(yīng)變性狀與應(yīng)變速率的關(guān)系。本章重點及難點學習難點：（1）地表巖體應(yīng)力狀態(tài)的復雜性，不僅表現(xiàn)在其大小、方向不同，還表現(xiàn)在其空間變化和隨時間的變化。（2）殘余應(yīng)力效應(yīng)，特別是在自由臨空面附近，差異性巖體卸荷是造成殘余應(yīng)力的主要原因，并造成了臨空面附近復雜的淺生和表生時效變形現(xiàn)象。本章重點及難點2.1基本概念及研究意義主要介紹以下三方面內(nèi)容:2.1.1巖體應(yīng)力的一些

3、基本概念2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的類型2.1.3研究巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的意義地殼巖體內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)，是指未經(jīng)人為擾動的，主要是在重力場和構(gòu)造應(yīng)力場的綜合作用下，有時也在巖體的物理、化學變化及巖漿侵入等的作用下所形成的應(yīng)力狀態(tài)，常稱為天然應(yīng)力或初始應(yīng)力。人類從事工程活動，在巖體天然應(yīng)力場內(nèi)，因挖除部分巖體或增加結(jié)構(gòu)物而引起的應(yīng)力，稱為感生應(yīng)力。2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念按成因，對構(gòu)成巖體應(yīng)力的各組分作如下分類：天然應(yīng)力或初始應(yīng)力（virginalstress）自重應(yīng)力（gravitationalstre

4、ss）構(gòu)造應(yīng)力（tectonicstress）活動的（activetectonicstress）剩余的（residualtectonicstress）變異及殘余應(yīng)力（alteredandresidualstress）感生應(yīng)力（inducedstress）2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念自重應(yīng)力在重力場作用下生成的應(yīng)力為自重應(yīng)力。地表近水平時，重力場在巖體內(nèi)的某一任意點形成相當于上覆巖層重量的垂直正應(yīng)力σv：σhhσv地面σv=γh式中：γ為巖石的容重；h為該點的埋深；σv相當于該點三向應(yīng)力中的最大主應(yīng)力。2.

5、1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念另外，由于泊松效應(yīng)（即側(cè)向膨脹）造成水平正應(yīng)力σh，相當于三向應(yīng)力中的最小應(yīng)力：式中：μ為泊松比，N0稱為側(cè)壓力系數(shù)。對大多數(shù)堅硬巖體：μ為0.2～0.3，即N0為0.25～0.43。對于半堅硬巖體:N0大于0.43，且當上覆荷載大，下伏巖體呈塑流時，μ接近0.5，N0近于1，及近似于靜水應(yīng)力狀態(tài)。2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念構(gòu)造應(yīng)力地殼運動在巖體內(nèi)形成的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力?？煞譃榛顒拥臉?gòu)造應(yīng)力和剩余的構(gòu)造應(yīng)力兩類。活動的構(gòu)造應(yīng)力，即狹義的地應(yīng)力：地殼內(nèi)現(xiàn)在正在積累的能夠?qū)е聨r石

6、變形和破裂的應(yīng)力。（與區(qū)域穩(wěn)定與巖體穩(wěn)定密切相關(guān)）剩余的構(gòu)造應(yīng)力：是古構(gòu)造運動殘留下來的應(yīng)力。對于這種應(yīng)力是否存在有不同的認識。根據(jù)應(yīng)力松弛觀點，認為在一次構(gòu)造運動的數(shù)萬年后，該次構(gòu)造應(yīng)力因松弛效應(yīng)而不復存在。但在加拿大地盾蘇必湖地區(qū)的應(yīng)力實測資料顯示，剩余構(gòu)造應(yīng)力仍然十分明顯。2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念變異及殘余應(yīng)力變異應(yīng)力：巖體的物理、化學變化及巖漿的侵入等引起的應(yīng)力。具體來說是巖體的物理狀態(tài)、化學性質(zhì)或賦存條件的變化引起的，通常只具有局部意義，可統(tǒng)稱為變異應(yīng)力。這類應(yīng)力均是由巖體的物理狀態(tài)、化學性

7、質(zhì)或賦存條件等方面發(fā)生變化應(yīng)起的，通常只具有局部意義。殘余應(yīng)力：承載巖體遭受卸荷或部分卸荷時，巖體中某些組分的膨脹回彈趨勢部分地受到其它組分的約束，于是就在巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成殘余的拉、壓應(yīng)力自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，此即殘余應(yīng)力。2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念地殼巖體的應(yīng)力狀態(tài)取決于該地區(qū)的地質(zhì)條件和巖體所經(jīng)歷的地質(zhì)歷史。對此問題的看法，目前主要有三種觀點：（1）“靜水應(yīng)力式”分布的觀點由瑞士地質(zhì)學家海姆于1905-1912年提出，他以巖體具有蠕變的性能為依據(jù)，認為地殼巖體內(nèi)任一點的應(yīng)力都是各向相等的，均等于上覆巖層

8、的自重，即：σx=σy=σv=γh這一假說適用于某些局部條件，如中歐地區(qū)強烈構(gòu)造變形的沉積巖、阿爾卑斯山深埋隧道巖體中的應(yīng)力狀態(tài)。2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的類型（2）垂直應(yīng)力為主的觀點基于彈性理論提出的，認為巖體內(nèi)的應(yīng)力主要是重力場作用下形成的自重應(yīng)力。垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力可按下式確定。σv=γh這一假說由于缺乏對地質(zhì)條件的復雜性和多樣性的了解，僅適用于某些局部條件，2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的類型