第2章 地壳岩体的天然应力状态

2.1.2 岩体天然应力状态的类型
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，均等于上覆岩层的自重，即： σx=σy=σv= γh
2.1.2 岩体天然应力状态的类型

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 渡类型。 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。这就 足以证明，构造因素在地壳岩体的天然应力状 态的形成中起着主导作用。

2.1.3 研究岩体天然应力状态的意义
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：
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。 h
地面
σv σh
2.1.1 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：
h v N 0 V 1
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。
2.2.1 岩体天然应力状态与地区地质 条件及岩体所经历的地质历史的关系
（3）区域卸荷作用对地壳表层岩体应力状态形成的影响 区域性的地表剥蚀卸荷作用在增大岩内的水平 应力方面有着重要的作用。 例如，对于未受明显构造扰动的侵入体内应力状态 的形成，一般经历了两个阶段： 首先是侵入阶段，由于岩体呈熔融状态侵入地下一 定深处，故岩体中的应力呈静水应力式分布。 假定图中AB为原始地面， 则岩体内任一深度h0+h处P点 的应为： σh= σv=γ(h0+h)
2.2 影响岩体天然应力状态的 主要因素及其作用
主要从以下三方面进行讨论:

2.2.1 2.2.2 2.2.3
与地区地质条件及岩体所经历的地质
历史的关系

岩体内自由临空面附近的应力重分布及 应力集中作用 岩体切割面附近的残余应力效应

2.2.1 岩体天然应力状态与地区地质 条件及岩体所经历的地质历史的关系
地表开挖导致的岩体变形和破坏主要有以下几种类型：
2.1.3 研究岩体天然应力状态的意义
（1）基坑底部的隆起、爆裂和沿已有结构面的逆冲错动。
2.1.3 研究岩体天然应力状态的意义
（ 2 ）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。
°
大1
（1970.12.11） 原地面线 （1977.3.9）
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 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。
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， 主要包括以下三种典型情况：
2.1.2 岩体天然应力状态的类型

中间主应力σ2近于垂直，最大主应力σ1和最小主应力 σ3 近于水平。 在这种应力状态下，地壳岩体 的破坏形式必然是沿走向与最 大主压应力成约30°～40°左右
°
基岩面线 大17
（1973.4.7） （1977.5.6） 大35 （1977.6.19） （1977.5.6） 大14 （1977.3.20） （1977.3.27）
大29 大28
（1973.5.7） （1977.5.21）
（1973.5.15） （1977.7.4）
1975年8月完成的开挖线
开挖线
月完成的 1976年6
大29
图3-35 长江葛洲坝机窠开挖剖面
（据长江流域规划办公室，1978） 1-地层代号（白垩纪）； 2-粉沙岩； 3-粘土质粉沙岩； 4-粘土岩团块； 5-粘土岩； 6-软弱层编号； 7-岩体错动方向及错距（mm）； 8-错动部位； 9-观测代号、错距及观测时间；
2.1.3 研究岩体天然应力状态的意义
v N 0 V
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
（3）水平应力为主的观点
早在上世纪二十年代，我国著名地质学家李四光 教授就指出，地壳运动以水平运动为主，地应力场是以 水平应力为主导的。到五十年代，瑞典学者N.哈斯特通 过在芬-斯地块的矿山岩体应力测量工作，证实该地区应 力场以水平应力为主。

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
h

1
2.2.1 岩体天然应力状态与地区地质 条件及岩体所经历的地质历史的关系
假定图中AB为原始地面， 则岩体内任一深度h0+h处P点 的应为： σh= σv=γ(h0+h)
2.2.1 岩体天然应力状态与地区地质 条件及岩体所经历的地质历史的关系
此后，岩体经剥蚀而出露地表。随着岩体剥蚀卸 荷，岩体内的应力发生变化，但垂直应力σv与水平应 力 σh 的变化幅度不同。假定剥蚀厚度为 h0，则上述 P 点处的 σv和σh 分别变为： σv=γ(h0+h)-γh0=γh σh=γ(h0+h)-μ/(1-μ) × γh0 =γh-((1-2μ)/(1-μ))×γh0 可见地表卸荷在增大侵入岩体内水平应力方面 起了重要作用。但卸荷作用在岩体内造成的高水平应 力不具方向，即σx=σy。所以和构造作用造成的各向 不等的水平应力相区别。
（1）岩体的岩性及结构特征对天然岩体应力状态形成的影 响

岩体的岩性及结构特征决定着岩体的容重（γ）和泊松 比（μ）等物理力学性质指标的大小，从而影响自重应 力场特征（ σv=γh ）。
在统一区域构造应力作用下，岩体内应力分布的特征主 要取决于岩性、结构特征及其非均一性。 岩体的岩性和结构特征决定着岩体的强度及其蠕变特征， 因而决定了岩体承受及传递应力的能力。
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（virginal stress） 自重应力（gravitational stress） 构造应力 （tectonic stress） 活动的（active tectonic stress） 剩余的（residual tectonic stress） 变异及残余应力（ altered and residual stress） 感生应力（induced stress）
地壳岩体的
天然应力状态
环境与土木工程学院地质工程系 2007年9月
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；
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。
2.1.2 岩体天然应力状态的类型

最小主应力轴σ3近于垂直，最大主应力σ1与中间主应力 σ2轴近于水平。 在此种应力状态下，地壳岩体的破坏形式必然是逆 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。
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。越来越多的研究资料 表明，在高岩体应力区，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。
（3）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：
拱顶裂缝掉块 边墙内鼓张裂


底鼓及中心线偏移
施工导坑缩径
2.1.3 研究岩体天然应力状态的意义
都汶路 龙溪隧道
洞壁内鼓
拱顶塌落
洞顶及洞壁垮塌
2.1.3 研究岩体天然应力状态的意义
此外，修建高坝、大型水库
和深大的地下硐室等，常能在更 大范围内破坏岩体内天然应力的 平衡，引起一系列诸如断层复活、 水库地震以及大型岩爆等严重危 害建筑物和人民生命财产的工程 地质作用。所以，对于天然岩体 应力状态的研究，是工程地质工 作者的一项重要任务。

本章学习内容及要求

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