第二章 地壳岩体的天然应力状态
地壳岩体的天然应力状态分析课件
天然应力研究的方法
01
实验岩石力学法
02
应力解除法
03
应力恢复法
04
地震法
地壳岩体的应力分布
水平应力分布
水平应力分布在地壳岩体中起着重要的作用，它受到地壳运动、重力、温度和构造 应力的影响。
水平应力通常表现为最大和最小主应力的形式，它们在岩体中以不同的方式分布， 并影响着岩体的变形和破坏。
水平应力的分布规律可以通过地质调查、钻孔和地应力测量等方法进行研究和评估。
地壳岩体的天然应力状态分析课件
目录
• 地壳岩体的应力分布 • 岩体的应力状态与工程稳定性 • 天然应力的测量与监测 • 地壳岩体的天然应力状态分析实例 • 天然应力状态对工程的影响与应对策略
引言
天然应力的概念 01 02
天然应力研究的重要性
天然应力研究有助于预测和防治地质 灾害，保护人民生命财产安全。
天然应力状态对工程的影响 与应对策略
天然应力状态对工程的影响
结构稳定性 施工难度 工程安全性
工程应对天然应力状态的策略
勘察与监测
01
加固与防护
02
优化施工方法
03
未来研究方向与展望
智能化监测技术
利用物联网、大数据等先进技术，实现岩体应力状态的实时监测 和预警。
数值模拟与预测
发展更精确的数值模拟方法，预测岩体应力的变化趋势，为工程 设计和安全评估提供依据。
跨学科合作
加强地质工程、岩石力学、计算机科学等跨学科的合作，共同推 进地壳岩体天然应力状态的研究和应用。
高应力状态下岩体容易发生失稳和破坏，对工程安全构成威胁。
工程破坏的预测和预防
通过监测和分析岩体的应力状态，可以预测工程破坏的可能性，并采取相应的预 防措施。
《岩体力学》第二章岩块和岩体的地质特征
第二章岩块和岩体的地质特征第一节概述岩体与岩块本质的区别：①岩体中存在有各种各样的结构面；②不同于自重应力（场）的天然应力场和地下水。
第二节岩块一、岩块的物质组成（substance composition）1．岩块（rock or rock block）指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元。
国内外，有些学者又称为结构体（structural element）、岩石材料（rock material）及完整岩石（intact rock）等等。
2．岩石（rock）具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体。
3．岩块的力学性质一般取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。
造岩矿物五大类：含氧盐、氧化物及氢氧化物、卤化物、硫化物、自然元素。
其中，含氧盐中的硅酸盐、碳酸盐及氧化物类矿物最常见，构成99.9%的岩石。
（1）硅酸盐类矿物：长石、辉石、角闪石、橄榄石及云母和粘土矿物等。
①长石、辉石、角闪石和橄榄石，硬度大，呈粒、柱状晶形，如含此类矿物多的岩石：花岗岩、闪长岩及玄武岩等，强度高，抗变形性能好。
多生成于高温环境，易风化成高岭石、水云母等，无以橄榄石的基性斜长石等抗风化能力最差，长石、角闪石次之。
②粘土矿物：属层状硅酸盐类矿物，主要有高岭石、水云母（伊利石）和蒙脱石三类，具薄片状或鳞片状构造，硬度小。
含此类矿物多的岩石如粘土岩、粘土质岩，物理力学性质差，并具有不同程度的胀缩性。
（2）碳酸盐类矿物是石灰岩和白云岩类的主要造岩矿物。
岩石的物理力学性质取决于岩石中CaCO及酸不3溶物的含量。
CaCO含量↑，如纯灰岩、白云岩等强度高，抗变形和抗风化性能比较好；3泥质含量↑，如泥质灰岩、泥灰岩等，力学性质较差；硅质含量↑，岩石性质将娈好。
碳酸盐类岩体中，常发育岩溶现象。
（3）氧化物类矿物以石英最常见，是地壳岩石的主要造岩矿物。
硬度大，化学性质稳定。
石英↑，岩块的强度和抗变形性能明显增强。
4．岩块的矿物组成与岩石的成因及类型密切相关（1）岩浆岩：多以硬度大的粒柱状硅酸盐、石英等矿物为主，物理力学性质一般很好。
原岩应力及其分布
③
岩体中的构造应力具有明显的方向性，最大
水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大。
④ 构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍，
在软岩中贮存构造应力很少。
正断层
逆断层
平推断层
岩脉
褶皱
由地质特征推断构造应力方向的平面图
2 1 1 2 2 2 H 2 3E 1
由以上两式可知，岩体中积聚的弹性能与应力 状态有关，并随着开采深度的增加，与开采深度的 平方成正比关系增长。
应当指出，采矿活动破坏原岩应力状态，在岩
硐周围岩体内形成应力集中，应力集中系数k=3～5，
高应力导致岩体内积聚的弹性能增长数倍。这种大 量能量的突然释放，将产生矿山动压现象。
（四）讨论
由上述关系式可得以下几个主要结论：
①在双向等压应力场中，圆孔周边全处于压缩应力状态。
②应力大小与弹性常数E、μ 无关。
③ σ t、σ r的分布和角度无关，皆为主应力，即切向和径向平 面均为主平面。 ④双向等压应力场中孔周边的切向应力为最大应力，其最大应 力集中系数K=2，且与孔径的大小无关。当σt=2γH超过孔周 边围岩的弹性限时，围岩将进入塑性状态。
岩石的泊松比为0.2～0.3， ＝0.25～0.43。 1 2、静水应力状态假说：在埋藏较深条件下，垂直压 应力相当大，岩石呈现明显的塑性 ＝ 1.0 H
1
1
z
x
y
二.构造应力
构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引 起的应力，岩体构造应力可以分为现代构造应 力和地质构造残余应力。前者是指正在经受地
第2章 地壳岩体的天然应力状态
河谷下切所引起的应力变 化有以下几条规律： ⑴主应力方向在河谷临空 面附近发生明显的变化：最大 主应力与临空面近于平行，而 最小主应力则与之近于垂直。 ⑵最大主应力由内向外逐 渐增大，至临空面达到最大 值，而最小主应力则恰好相 反，即由内向外逐渐减少，至 临空面处变为零，有时甚至出 现拉应力。与此相联系，剪应 力在临空面附近，特别是在下 部坡脚处，分布于 喜马拉雅 山前缘一 带，其主 要特点是 两个水平 主应力均 大于垂直 主应力。
（σ3垂直， σ1和σ2水平）
②潜在走 滑型应力状态 区主要分布于 我国中西部广 大地区，其主 要特点是只有 一个水平主应 力大于垂直主 应力，具中等 挤压区的特征。 。
（σ2垂直， σ1和σ3水平）
2.3 我国地应力场的空间分布及随时间变化 的规律
2.3.1 地应力场的空间分布及其与板块运动的关系
2.3.1.1我国地应力场的空间分布特点 （1）各地最大主应力的发育呈明显的规律性 各地的 σ1 方向均与由各该点向我国的察隅和巴基 斯坦的伊斯兰堡联线所构成的夹角等分线方向相吻合或 相近似，仅在两侧边缘地带略有偏转，即东侧向顺时针 偏转，西侧向逆时针偏转。 （2） 三向应力状态及其所决定的 现代构造活动类 型呈有规律的空间分布：
第二章 地壳岩体的天然应力状态
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。
(a)
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 性，即σx=σy，所以与构造作用造成的各向不等的高水平 应力区区别明显。
岩体天然应力状态
地壳表层地应力状态
二、河谷侵蚀侧向卸荷
河谷下切或边坡开挖过程中，随着 边坡侧向应力的解除（卸荷），边坡产 生回弹变形，边坡应力产生相应的调整， 其结果是在边坡一定深度范围内形成二 次应力场。
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
1.隆爆现象 隆爆（POP-UP） 地表岩体中的一种“类 构造”现象。表现为长的隆褶或类似于 低角度逆断层的断隆。 一般认为，这类隆爆是该区地表岩体中 的一种与高水平应力释放有关的表生时 效变形现象。
2.地质构造运动
地质构造运动是指地壳结构改变和地壳物质变位的运动。又称地壳运动或 大地构造运动。人类对固体地球研究范围仅限地壳，所以地质构造运动是指地 壳运动，如板块俯冲、界面弯曲、层面滑移、物质上涌和物质对流等。
天然应力状态的形成
3.岩浆侵入
岩浆侵人挤压、冷凝收缩和成岩等过程，均会在周围岩体中产生相应的应 力场；其过程也是相当复杂的。熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围 施加各向相等的均匀压力。但是，炽热的岩浆侵入后即逐渐冷凝收缩，并从接 触界面处逐渐向内部发展。不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身 及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。
3.应力释放型的深大拉张变形带 近年来，在雅砻江锦屏、金沙江向家坝等多个水电建设工程地质勘察过程 中，发现在一些河谷岸坡中向坡内数百米深处还发现有深大的拉裂缝和拉张 陷落带。这类拉张变形带以其规模大、延伸方向稳定及发育深而区别于通常 的卸荷裂隙。 这种拉张变形的成因之一是特殊地质、地貌环境条件下，由河谷下切水平 卸荷导致的“应力释放型”时效变形现象。
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
一、天然条件下
地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
岩体力学第二章 岩块、结构面及岩体的地质特征
第二章 岩块和岩体的地质特征
二、岩块的结构、构造特征
胶结方式：是指胶结物与碎屑颗粒之间的联结 方式，胶结方式主要有： 基底式胶结－在岩石中胶结物的数量多，颗粒 与颗粒之间互不接触，颗粒散布在胶结物之中。 孔隙式胶结－当胶结物不多时，碎屑颗粒相互 接触，胶结物充填在颗粒之间的孔隙中。 接触式胶结－胶结物不多，只在颗粒之间的接 触处才有，颗粒之间的孔隙仍是空洞。
2 断续充填（不连续，厚度小于h）.结构面的力学性质与充 填物性质、壁岩性质及结构面的形态有关。 3 连续充填(连续,厚度大于h)结构面力学性质取决充填物性质。 4 厚层充填（充填物厚度远大于h）结构面的力学性质很差，主
要取决于充填物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。
五 密度
•结构面的密度反映结构面发育的密集程度。 •1、线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长 度上交切结构面的条数(条／m)。 •2、间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相 邻结构面的平均距离。 Kd与d互为倒数关系 •如果测线是水平布置的，且与结构面法线的夹角 为α ，结构面的倾角为β 时:
RQD 100e
0.1kd
(0.1k d 1)
岩体质量指标RQD：长度大于10cm的岩心
长度之和与钻孔总进尺的百分比。
长度大于 cm的岩心长度之和 10 RQD 100% 钻孔总进尺
第二章 岩块、结构面和岩体的地质特征
六 张开度
结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。 结构面两壁面一般不是紧密接触，这就使结构面实际接触 面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。
Ⅲ级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好 的层面及层间错动等。控制工程岩体稳定
工程地质分析原理
工程地质分析原理第一章地壳岩体结构特征的工程地质分析岩体（rockmass）：通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的地质环境、被各种结构面所分割。
结构面：是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（或带）。
如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。
工程地质之所以要将岩体的结构特征作为重要研究对象，意义如下：⑴岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。
只有掌握岩体的结构特征，才有可能阐明岩体不同荷载下内部的应力分布和应力状况。
⑵岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用。
岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面，各结构面分别为确定坝肩岩体抗滑稳定的分割面和滑移控制面。
⑶靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程。
这是由于结构面往往是风化、地下水等各种外营力较活动的部位，也常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要通道，往往发展为重要的控制面。
总之，对岩体的结构特征的研究，是分析评价区域稳定性和岩体稳定性的重要依据。
结构面的成因分类：原生结构面、构造结构面及浅表生结构面结构面的工程地质分级：断层型或充填型结构面、裂隙型或非充填型结构面、断续延伸的非贯通型岩体结构面，它们分别对应于I级、U级、川级结构面岩体结构分类: 按建造特征可将岩体划分为块体状（或整体状）结构、块状结构、层状结构、碎块状结构和散体状结构等类型。
按岩体的改变程度可划分为完整的、块裂化或板裂化，碎裂化、散体化的等四个等级。
第二章地壳岩体的天然应力状态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。
研究岩体天然应力状态的意义：（1）岩体天然应力状态或地应力场是工程岩体存在的基本环境条件之一。
岩体中的天然应力概述
第一节概述一、定义（1）天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
又称地应力、初始应力等。
（2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。
又称二次分布应力、附加应力等。
天然应力，没有工程活动开挖洞室后的应立场，为重分布应力，与天然应力有所改变在附近开挖第二个洞室，则视前一个洞室开挖后的应立场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力二、天然应力的组成天然应力一般由以下几部分组成：•由岩体自重引起的自重应力•由构造运动引起的构造应力•由流体作用引起的渗流应力•其它（如，地温引起的温差应力、地球化学作用引起的化学应力等）三、天然应力的研究历史与研究意义1、研究历史（1）世界上•1878年海姆提出天然应力；•l932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力；•到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。
大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致裂法）。
（2）中国•20世纪50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米（天津大港）。
2、研究意义（1）区域稳定任何地区现代构造运动的性质和强度，均取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。
从工程地质观点看，地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害。
从岩体力学观点出发，地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。
在一定的天然应力场基础上，常因修建大型水库改变了地区的天然应力场而引起水库诱发地震。
（2）地下洞室稳定对于地下洞室而言，岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源。
如果天然应力分布不均匀，可能在洞顶拉裂掉块，洞侧壁内鼓张裂和倒塌。
（3）边坡稳定天然应力状态与岩体稳定性关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。
越来越多的资料表明，在岩体高应力区，地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖，常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，使工程岩体失稳。
岩体中的天然应力
第一节概述地应力（天然应力）：自然状态下在原岩体中存在的由于岩体自重和构造应力形成的分布应力。
（1）天然应力（地应力）（Stress in the earth’s crust & Initial stress）：—指岩体在天然状态下所存在内在应力。
—人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
存在于地层中的未受工程扰动的天然应力—地应力（2）天然应力主要是由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。
（3）①1912年，瑞士地质学家海姆（A.Heim）在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念。
是静水应力状态σn=σv=γH②1926年，苏联学者金尼克（A.H.пNHHиK）修正了海姆的静水压力假设：③1951年，瑞典的哈斯特（N.Hast）首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力的量测工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接受水平的，而且。
这从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。
后来的进一步研究表明：重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的影响最大。
（4）地应力（天然应力）的形成：（6）自重应力：由岩体自重所引起的应力。
自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态。
构造应力：由于地质构造作用在岩体内积存的应力。
活动构造应力：狭义地应力，是地壳内现在正在积累的能够导致岩体变形和破裂，形成地震和活动构造的应力。
残余构造应力：古构造运动残留下来的应力。
它的基本特征：具有较高的水平压应力，一般情况下，，并具有明显的各向异性。
到目前为止，岩体的天然应力状态主要还是靠实测方法确定。
求岩体中一点的自重应力？在地表近水平的情况下，假设岩体均质各向同性连续性，则：在地表以下较深部位，岩体近于塑性状态，其→1，即处于静水压力状态。
（1）水平层状岩体：（2）铅直层状岩体：（5）岩体中天然应力状态对研究区域稳定、岩体稳定性以及原位岩体测试中均具有重要的实际意义。
第二章 矿山岩体的原岩应力及其重新分布
第二章 矿山岩体的原岩应力及其重新分布第一节 岩体中的原岩应力地壳中没有受到人类工程活动（如矿井中开掘巷道等）影响的岩体称为原岩体，简称原岩。
存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称为岩体初始应力、绝对应力或地应力。
天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场称为原岩应力场。
一、自重应力设岩体为半无限体，地面为水平面，在距地表深度为H 处，任意取一单元体（图2-1），其上作用的应力为σz ，σy ，σx ，形成岩体单元的自重应力状态。
图2-1 岩体单元体所在位置及其应力状态单元体上所受的垂直应力σz 等于单元体上覆岩层的重量，（2-1）式中 γ——上覆岩层的平均重力密度（Kn/m 3）；H ——单元体距离地表的深度（m ）。
在均匀岩体内，岩体的自重应力状态为(2-2)式中λ为常数，称为侧压系数。
在岩体自重应力场内，垂直应力σz 和水平应力σx 、σy 都是主应力。
假设岩体为各向同性的弹性体，据广义虎克定律，单元体各方向的应变为（2-3）由于εx =0，εy =0，σx =σy ，σz 与σx 、σy 之间的关系为（2-4）H z γσ=⎪⎭⎪⎬⎫====0xy z y x z H τλσσσγσ()[]()[]()[]⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫+-=+-=+-=z x y y z y x x y x z z E E Eσσμσεσσμσεσσμσε111Hz y x γμμσμμσσ-=-==11（2-5）岩体初始应力状态的静水压力理论认为，在埋藏较深条件下，垂直压应力相当大，岩石呈现明显的塑性。
泊松比μ近似等于0.5，侧压系数λ为1.0，此时（2-6）深部的岩体自重应力场达到静水应力状态。
二、构造应力构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力，岩体构造应力可以分为现代构造应力和地质构造残余应力。
① 一般情况下地壳运动以水平运动为主，构造应力主要是水平应力；② 构造应力分布不均匀，在地质构造变化比较剧烈的地区，最大主应力的大小和方向往往有很大变化。
2005-工程地质分析原理- 张倬元
工程地质分析原理作者：张倬元屠湧泉著出版社：地质出版社出版日期：2005-01目录：绪论第一篇区域稳定及岩体稳定分析的几个基本问题第一章地壳岩体结构特征的工程地质分析1.1基本概念及研究意义1.2岩体结构特征及主要类型1.3岩体原生结构特征的岩相分析1.4岩体构造结构特征的地质力学分析1.5岩体结构特征的统计分析第二章地壳岩体的天然应力状态2.1基本概念及研究意义2.2影响岩体天然应力状态的主要因素及其作用2.3我国地应力场的空间分布及随时间变化的一般规律2.4地壳表层岩体应力状态的复杂性2.5岩体应力及区域地应力场的研究第三章岩体的变形与破坏3.1基本概念及研究意义3.2岩体在加荷过程中的变形与破坏3.3岩体在卸荷过程中的变形与破坏3.4岩体在动荷载条件下的变形与破坏3.5岩体变形破坏过程中的时间效应3.6空隙水压力在岩体变形破坏中的作用3.7岩体变形破坏的地质力学模式第二篇与区域稳定性有关的工程地质问题第四章活断层的工程地质研究4.l基本概念及研究意义4.2活断层的特性4.3活断层活动的时空不均匀性4.4活断层区规划设计建筑物的原则4.5活断层的调查监测与研究第五章地震的工程地质研究5.l基本概念及研究意义5.2地震及地震波的基础知识5.3我国地震地质的基本特征5.4地震区划及地震危险性分析5.5场地地震反应及地震小区划5.6地震区抗震设计原则第六章水库诱发地震活动的工程地质分析6.1基本概念及研究意义6.2水库诱发地震活动性变化的几种典型情况6.3水库诱发地震的共同特点6.4水库诱发地震的诱发机制6.5产生水库诱发地震的地质条件6.6水库诱发地震工程地质研究的基本原则第七章地震导致的区域性砂土液化7.1基本概念及研究意义7.2地震时砂土液化机制7.3区域性砂土地震液化的形成条件7.4砂土地震液化的判别7.5砂土地震液化的防护措施}第八章地面沉降问题的工程地质分析8.1基本概念及研究意义8.2地面沉降的形成机制8.3地面沉降的产生条件8.4地面沉降的研究、预测及防治第三篇与岩(土)体稳定性有关的士程地质问题第九章斜坡岩(土)体稳定性的工程地质分析9.1基本概念及研究意义9.2斜坡岩体应力分布特征9.3斜坡的变形与破坏9.4斜坡变形破坏机制与演化9.5斜坡破坏后的运动学9.6斜坡变形破坏与内外营力的关系9.7斜坡稳定性评价与预测9.8 防治斜坡变形破坏的原则及主要措施第十章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析10.1基本概念及研究意义10.2地下开挖后围岩应力的重分布10.3地下洞室围岩的变形破坏及山岩压力问题10.4地下洞室围岩稳定性的分析与评价10.5地下洞室围岩变形量测的方法及应用……第十一章地基岩体稳定性的工程地质分析第四篇与地下水渗流有关的工程地质问题第十二章岩溶及岩溶渗漏的工程地质分析第十三章渗透变形的工程地质分析第五篇与侵蚀淤积有关的工程地质问题第十四章河流侵蚀、淤积规律的工程地质分析第十五章海（湖）边岸磨蚀与堆积的工程的工程地质分析主要参考文献目录。
工程地质名词解释
工程地质绪论1.工程地质学为地质学的一个应用分支，是研究人类工程活动与地质环境相互作用的一门学科。
2.工程地质条件工程活动的地质环境，亦称为工程地质条件，它包括岩土的类型与工程性质、地形地貌、地质构造、水文地质条件、物理地质现象和天然建筑材料等六个要素。
3.工程地质问题工程建筑与地质环境相互作用和相互矛盾而产生的对工程建筑的建立、施工、运营带来重大影响的地质问题。
4.工程地质学的任务研究人类工程活动与地质环境之间的相互制约关系，做到既使工程建筑经济、平安，又能合理开发与保护地质环境，是工程地质学的根本任务。
(1)查明对工程建立场地的工程地质条件；(2)解决与工程建筑有关的工程地质问题；(3)预测并论证工程地质环境的开展变化趋势，提出改善与防治措施；(4)为工程建筑的规划、设计、施工、使用和维护提供所需地质资料和数据。
5.地质工程：〔Geoengineering〕指以地质体为工程构造和工程的建筑材料，以地质环境为工程的建筑环境修建的一种工程。
具体地说，如开挖的边坡、矿坑、地下洞室、地基等，实际上都是地质工程。
6.工程地质学的研究对象：工程活动的地质环境。
第1篇地质学根底第1章地质作用1.地质作用概念:—由自然动力引起地球和地壳物质组成、部构造和地壳形态不断变化和开展的作用。
2.风化作用:地壳表层的岩，在太阳辐射、大气、水和生物等风化营力的作用下，发生物理和化学变化，使岩崩解破碎以至逐渐分解而在原地形成松散堆积物的过程，称为风化作用。
第2章矿物和岩1.矿物：由地质作用形成的具有一定物理性质与化学成分的自然单质或化合物。
2.岩：由一种矿物或多种矿物或岩屑组成的自然集合体。
3.岩: (1)岩浆岩(火成岩) (2)沉积岩(3)变质岩4.硬度：矿物抵抗机械刻划及摩擦的能力。
5.断口：矿物受敲击后，形成各种凹凸不平的裂开面的性质。
如锯齿状、贝壳状等。
6.岩浆岩—由岩浆侵入地壳上部或喷出地表后冷凝而形成的岩〔1〕岩浆岩的构造—指岩中矿物的结晶程度、晶粒大小、形状以及彼此间相互组合关系。
地壳岩体天然应力状态
地壳岩体天然应力状态1 基本概念及研究意义天然应力：指未经人为扰动，主要是在重力场、构造应力场综合作用下，所形成的应力状态，亦称初始应力（物理、化学、变化，岩浆侵入等）由人为活动而引起的应力场变化原生应力。
a. 自重应力场v N v h σσμμσ01=⋅-=亦有 V n σσ=b. 构造应力场由地壳的构造运动所引起，活动的、剩余的。
c. 变异应力与残余应力变异应力：为物理、化学变化及岩浆侵入形成的应力场。
残余应力：岩体卸荷或部分卸荷所形成的拉压应力自相平衡的应力场。
2 影响岩体天然应力状态的主要因素一、主要因素天然应力场的形成取决于地质条件和岩体所经历的地质历史。
地质条件：岩性 R 、E 、μ岩体结构 不连续性、各向异性、应力集中地质历史：构造作用及其演变历史（主要因素）区域卸荷作用a. 构造作用分活动构造应力，即现今还在形成，累积的应力场。
剩余构造应力，即地质历史时期构造作用形成的应力至今尚未完全卸除。
活动构造应力所形成的应力场，其最大主应力比较一致或呈规律变化而剩余应力则各地不一，比较杂乱。
b. 区域卸荷作用指区域性的面剥蚀。
例：岩体内 h h +0深度处的侵入岩应力场（静水应力状态）)(0h h r v h +==σσ经地面剥蚀后，剥蚀厚度为h 。
则 rh rh h h r v ==+=00)(σ001)(rh h h r v ⋅--+=μμσ)121(μμ--+=rh 水平应力与垂直应力的减小幅有很大不同。
思考题：岩体卸荷过程中能否造成岩体破坏（设h σ>γσ）二、自由临空面附近的应力重分布以河谷为例：河谷下切，形成地表的自由临空面，由此引起临空面附近岩体卸荷回弹，形成临空面附近岩体内应力重分布。
重分布应力大小和特点受原始地应力水平、岩性特征、临空面形态特征的影响。
重分布应力的主要特征：①主应力方向在临空面附近发生明显变化最大重应力与临空面近于平行，而最小主应力与临空面近于垂直。
工程地质分析原理(教案电子版)
绪论一、工程地质的基本任务人类工程活动地质环境的相互作用研究对象：工程地质条件工程活动的地质环境工程地质学的基本任务：研究人类工程活动与地质环境（工程地质条件）之间的相互作用，以便正确评价、合理利用、有效改造和完善保护地质环境。
二、工程地质分析的基本方法研究对象：工程地质问题：即：人类工程活动与地质环境相互制约的主要形式。
例：区域稳定问题岩土体稳定问题围岩稳定问题地基稳定问题边坡稳定问题变形程度时间效应研究内容：工程地质问题产生的地质条件、形成机制、发展演化趋势研究方法：地质分析、地质模拟分析、试验分析、力学分析第一章地壳岩体结构的工程地质分析1.1 基本概念岩体：指与工程建设有关的那一部分地质体。
它处于一定的地质环境中，被各种结构面所分割。
注意：与岩石、岩块的区别。
结构面：岩体中具有一定方向、力学强度相对（上下岩层）相对较低而延伸（或具一定厚度）的地质界面。
结构体：由结构面分割、围成的岩石块体（相对完整）。
岩体结构：由岩体中含有的不同结构面和结构体在空间的排列分布和组合状态所决定。
（8类）。
为什么要研究岩体结构。
a. 结构面是岩体中力学强度相对较薄弱的部位，导致岩体的不连续性、不均一性和各面异性。
b. 岩体结构特征对岩体的变形、破坏方式和强度特征起重要的控制作用。
c. 在地表的岩体，其结构特征在很大程度上决定了外营力对岩体的改造程程。
风化、地下水等。
1.2 岩体结构的主要类型与特征1.2.1 结构面的主要类型及其特征从成因角度：原生结构面构造结构面表生结构面：层向错动、泥化夹层、表生夹泥1.2.2 岩体结构类型一、岩体分类a. 分类目的和原则目的：对工程地质条件优劣不同的岩体进行分类，便于深入评价岩体的工程地质性质和特征，以达到合理利用和有效治理的目的。
b. 原则①差异性原则：不同类别的岩体的工程地质性质有明显的差异。
②适用性原则：分类体系便于（工程）应用。
③分类指标便于测定原则二、岩体结构类型划分以中科院地质所方案为代表，重点考虑岩体的改造，并应用地质力学观点对岩体结构类型进行详细划分。
岩体中的天然应力
第一节概述地应力（天然应力）：自然状态下在原岩体中存在的由于岩体自重和构造应力形成的分布应力。
（1）天然应力（地应力）（Stress in the earth’s crust & Initial stress）：—指岩体在天然状态下所存在内在应力。
—人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
存在于地层中的未受工程扰动的天然应力—地应力（2）天然应力主要是由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。
（3）①1912年，瑞士地质学家海姆（A.Heim）在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念。
是静水应力状态σn=σv=γH②1926年，苏联学者金尼克（A.H.пNHHиK）修正了海姆的静水压力假设：③1951年，瑞典的哈斯特（N.Hast）首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力的量测工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接受水平的，而且。
这从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。
后来的进一步研究表明：重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的影响最大。
（4）地应力（天然应力）的形成：（6）自重应力：由岩体自重所引起的应力。
自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态。
构造应力：由于地质构造作用在岩体内积存的应力。
活动构造应力：狭义地应力，是地壳内现在正在积累的能够导致岩体变形和破裂，形成地震和活动构造的应力。
残余构造应力：古构造运动残留下来的应力。
它的基本特征：具有较高的水平压应力，一般情况下，，并具有明显的各向异性。
到目前为止，岩体的天然应力状态主要还是靠实测方法确定。
求岩体中一点的自重应力？在地表近水平的情况下，假设岩体均质各向同性连续性，则：在地表以下较深部位，岩体近于塑性状态，其→1，即处于静水压力状态。
（1）水平层状岩体：（2）铅直层状岩体：（5）岩体中天然应力状态对研究区域稳定、岩体稳定性以及原位岩体测试中均具有重要的实际意义。
岩石力学第2章 岩石的应力状态
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(3)节理滑动时的应力状态
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（1）弹性岩体模型 假设岩体的应力状态为弹性状态，则岩体单元在x， y方向的应变应为零，即
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（2）散体模型 若岩体是被多组密集的节理分割为块状体的集合， 则可以将岩体看做是完全无粘结力的松散体。松散体的 受力特征是任一平面上作用的正应力与剪应力之间成比 例，在极限平衡时满足库仑摩擦定律，则
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2.3.2 构造应力 岩体是一种地质体。由于地质构造运动使得岩体成 长的过程中经历了很大的外力作用，使得岩体的赋存形 态发生变化。地壳运动使板块拉、压、剪切，产生各种 断裂、褶皱、起伏，剧烈时形成造山运动，产生向斜、 背斜、褶皱等构造。例如，1970年云南通海地震产生水 平错动达2.20m的断层。地壳的垂直运动是长期的升降 过程，引起大地的隆起、陷落，甚至引起海陆变迁，昔 日沧海变桑田，形成造陆运动，据考察，喜马拉雅山在 2.5万年以前才从海底升起，现在还在以18.2mm／年的 速度上升。
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在连续介质力学中，“力”的概念严格地限制在牛 顿的定义范畴内。牛顿提出力的定义百多年后，才提出 应力的概念。应力指单位面积上所受力的大小，是研究 材料强度时引入的。在岩石工程中，也是由岩体表面的 运动才能直接观察到力与应力。例如，地面上的滑坡、 地下洞室周边的挤压变形、地下采矿中的岩爆现象等。
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(1)地震 岩体应力产生的最直接的效应就是地震。地震是由 地壳内沿断层裂缝面的粘滑型剪切位移而引起的。这种 粘滑型的剪切位移具有连续积累的特征和突变特征。 (2)岩爆 岩爆与地震相似，但主要是由人类的采矿或地下洞 室工程活动引起岩体应力的释放而引起的。岩爆发生时， 岩石突出伴随发生，在采矿工程中常有岩爆或瓦斯突出 造成严重灾难，岩爆可以像地震一样进行监测。
4.3岩体的天然应力状态-华电
岩体的天然应力状态
地应力，也叫初始应力，指工程施工前存在于岩 体中的应力。 一、天然应力的组成 １.自重应力; ２.构造应力：由构造运动产生的地应力; 3.剩余应力（风化剥蚀后）及变异应力等。 二、天然应力的分布规律 1.三向不等空间应力场； 2.水平应力与垂直应力的关系； 3.水平应力的方向性； 4.河谷地区应力场。
2 水 压 致 裂 法 测 量 地 应 力
水压致裂法地应力测量破裂过程曲线
四、地应力研究的工程意义
1.基坑底部的隆起、剥离破坏； 2.基坑边坡的剪切滑移；坡的倾倒变形； 6.对坝型选择的影响
2)孔径变形法 是通过测试安装在钻孔内的孔径变形计，量测套钻 解除前后所得的钻孔孔径变化，来计算岩体内某一 点应力的方法。测求岩体某一点的空间应力，应采 用三个钻孔作交会测试。 3)孔底应变法 是通过测试在铅直孔孔底粘贴应变片，量测套钻解 除前后所得的岩心应变，来计算岩体内某一点应力 的方法。测求岩体某一点的空间应力，应采用三个 钻孔作交会测试。
水平 应力 与垂 直应 力的 平均 关系
河谷地区地应力场（二滩水电站附近）
三、地应力的测量方法 1.应力解除法和应力恢复法测地应力布置图
(1)应力恢复法
是在岩体表面或地下洞室围岩表面预先布置好测量元件， 当其旁边开槽解除岩体中的应力时，测量元件读数便发 生变化。再把平面扁千斤顶放人槽内加压，使测量元件 恢复到原来状态，此时千斤顶的应力就是垂直槽壁方向 的应力。 (2)应力解除法 1)孔壁应变法。 是借助粘贴在钻孔孔壁上的电阻应变片，测量套孔应力 解除前后所得的孔壁表面应变变化，据弹性理论计算岩 体中某一点的三向应力的方法。所谓套孔，是指同心而 不同直径的两个钻孔。先钻较小直径的内孔，将岩心取 出，后钻较大直径的外孔，环切一圈形成环形槽，从而 使岩心(中间为内孔)与周围岩体分离。
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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σv=γh水平应力σh=(μ/1-μ)γh②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-σh =σv(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 =γh②垂直应力为主的观点σv =γhσh=(μ/1-μ)γh③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. σh >σv,水平应力随深度线性增加。
b.水平应力具有明显的方向性，σh1 >σh2= 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σ1c.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σ1b.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σ2b.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σ3⑤东南地区：作用方向NW～NWW；最大主应力σ1三向应力状态：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>Ｃ０a.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）σＶb.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＝σＶc.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＝0②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：σh =σv=γ(h+h)剥蚀：σv =γ(h+h)- γh=γhσh =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；σ1∥坡面，σ3⊥坡面；应力分异现象：σ1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 dxP=(a/s)da＋(b/s)db dyP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。