工程地质学第五章地壳岩体的天然应力状态1地应力组成课件.ppt

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1、第五章 地壳岩体的天然应力状态,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；,第五章 地壳岩体的天然应力状态掌握岩体应力等基本概念；,5.1 基本概念及研究意义,主要介绍以下三方面内容:5.1.1 岩体应力的基本概念5.1.2 岩体天然应力状态的类型5.1.3 研究岩体天然应力状态的意义,5.1 基本概念及研究意义主要介绍以下三方面内容:,5.1.1岩体地应力的基本概念 地壳岩体内的

2、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物而引起的应力，称为感生应力。,5.1 基本概念及研究意义,5.1.1岩体地应力的基本概念5.1 基本概念及研究意,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）

3、剩余的（residual tectonic stress） 变异及残余应力（altered and residual stress） 感生应力（induced stress）,5.1 基本概念及研究意义,按成因，对构成岩体应力的各组分作如下分类：5.1 基,5.1.2 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。它对工程岩体（或是地质体）的变形和破坏起重要控制作用。因此，它是区域稳定性和岩体稳定性评价和岩体工程设计的重要因素或参量。 （2）岩体地应力场是决定各类地下建筑物稳定性的主要因素，特别是在高地应力区。 （3）修建大坝、大型水库和深大地下

4、洞室等，在更大范围内破坏天然地应力的原有平衡状态，引起一系列诸如断层复活、水库地震以及大规模岩爆等严重危害人民财产及施工人员安全的工程地质作用。,5.1 基本概念及研究意义,5.1.2 研究岩体天然应力状态的意义5.1,天然地应力的形成 产生地应力的原因十分复杂，至今尚不完全清楚。 岩体中的天然应力一般都是有多种力联合作用的结果。在不同的地区，地应力场中几种应力所占的比例很不相同，但通常是岩体重力(即自重应力)和地壳运动产生的应力(即构造应力)占优势。 一般来讲，可将地应力分为区域因素产生的应力和局部因素产生的应力。区域因素作为控制性因素，形成一个地区应力场的基本格架；而局部因素仅作为影响因素

5、，使地应力发生局部变化。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,天然地应力的形成 5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,重力作用 岩体在重力场作用下形成自重应力，重力应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。 在地表近于水平的情况下，重力场在岩体内某一任意点上产生相当于上覆岩体重量的垂直应力v：,v =h 相当于该点三向应力中的最大主应力。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,重力作用 v =h 5.2 岩体天,另外，由于泊松效应（即侧向膨胀）造成水平正应力h，相当于三向应力中的最小应力：,式中：为泊松比，N0称为侧压力系数。 对大多数坚硬岩体：为0.20.3，即N0为0.250

6、.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，接近0.5，N0近于1，及近似于静水应力状态。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,另外，由于泊松效应（即侧向膨胀）造成水平正应力,地质构造运动 在地壳表层一定深度范围内存在较强的构造应力场 地壳运动在岩体内形成的应力称为构造应力。可分为活动的构造应力和剩余的构造应力两类。 活动的构造应力，即狭义的地应力：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。对于这种应力是否存在有不同的认识。根据应力松弛观点，认为在一次构造运动的数万年后，该次构造应力因松弛效应而不复存

7、在。但加拿大地盾苏必湖地区的应力实测资料显示，剩余构造应力仍然十分明显。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,地质构造运动 5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,岩浆侵入 岩浆侵入挤压、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岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化。 与上述两种应力场不同，由岩浆侵入引起的应力场从宏观上仅属于一种局部应力场 - 变异应力。 即岩体的物理、化学变化及岩浆

8、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。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,岩浆侵入 5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,天然地应力的类型 地壳岩体的天然应力状态是上述诸力在一个具体地区以特定方式联合作用的结果。它取决于地区的地质条件和岩体所经历的地质历史。地壳岩体天然应力主要包括以下三种典型类型： 5.2.5.1 三向相等的静水应力式 地壳岩体内某一点处各方向地应力量值基本相等，均等于上覆岩层的自重，即： x=y=v= h 静水应力式地应力状态仅在某些特殊条件存在。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

9、的应力状态。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,天然地应力的类型 地壳岩体的天然应力状态是上,竖直应力为主 地壳岩体内的应力主要是重力场作用下形成的自重应力，其竖直和水平主应力可按下式确定。 v =h 以竖直应力为主的应力状态，也主要存在于某些特殊地质条件和局部地区，主要出现在以下几种情况和地区。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,竖直应力为主 5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,(1) 构造活动较弱或受构造运动影响较小的区域及新近沉积地区，岩体中的地应力主要由岩体自重产生。 (2) 以拉张应力为主的局部地区（大洋中脊轴部地带、活动正断层地带、拉张断陷盆地）地壳浅表层岩体

10、中的应力往往呈现出最大主应力1竖直，其余两个主应力水平的三向应力状态。 (3)构造运动作用的深度是有限的，到地球内一定深度后岩体的应力状态可能会从以水平应力为主转为以垂直应力为主。目前最深的应力测量已达5000余米，这些测量资料反映了构造应力作用的深度及应力状态随深度发生变化的情况。如：南非金矿-600m深度范围内水平应力超过垂直应力，在600m以下水平应力则小于垂直应力。冰岛-大约在200余米深度上水平应力与垂直应力的关系发生了变化；日本-获得的结果与南非的结果相似。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,(1) 构造活动较弱或受构造运动影响,水平应力为主 地壳岩体内的应力主要受构造运动

11、影响，其最大主应力近于水平。近些年来，大量的震源机制资料和地应力实测资料表明，在绝大多数地区，最大水平主应力普遍大于竖直应力， 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。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,水平应力为主 5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,近年来，大量的震源机制资料和应力实测资料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： （1）中间主应力2近于垂直， 最大主应力1和最小主

12、应力3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3040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”。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,近年来，大量的震源机制资料和应力,（2）最小主应力轴3近于垂直，最大主应力1与中间主应力2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”。 喜马拉雅山的前缘地区属 于这种类型。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,（2）最小主应力轴3近于垂直，最大,（3）最大主应

13、力轴1垂直，其余两主应力水平分布。 此应力状态下，地壳岩体的破 坏形式必然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”。 我国青藏高原中部存在这种类 型。地处大洋中脊轴部地带的冰岛 地区测得的应力状态就是这种类型。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,（3）最大主应力轴1垂直，其余两主应,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。,5.2 岩体天然地应力状态的形

14、成及其类型,上述为三种典型情况，大多数地区接近,5.5.3天然地应力分布的一般规律 地应力 - 具有相对稳定性的非稳定应力场，是时间和空间的函数。 不同地区天然应力状态的类型往往不同，同一地点不同深度范围内的天然应力状态类型也可能会有所差别。在绝大多数地区，某一处地应力随深度变化可能会从以水平应力为主的应力状态转化为以竖直应力为主的状态，两者转化的临界点可能为静水应力式状态。 地应力在空间上的变化，受各种因素(如地层岩性、地形地貌等)的影响，从小范围来看，其变化往往非常显著，但就某个地区整体而言，地应力的变化不会太大，其量值和方向一般均具有宏观的规律性。 某些地震活动活跃区，地应力的大小和方向

15、随时间的变化非常明显。在地震前，处于应力积累阶段，应力值不断升高，而地震时使集中的应力得到释放，应力值突然大幅度下降。,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,5.5.3天然地应力分布的一般规律 5.,实测竖直应力基本接近于上覆岩层的重量 实测竖直应力v 统计分析表明，深度为252700m的范围内，v呈线性增长，大致相当于按平均重度 =27kN/m3计算出来的重力H。 我国大陆地区450组地应力测试资料的统计分析发现，我国竖直应力总体上等于上覆岩体自重(见图2-4)，竖直应力可表示为v0.0271H。可见在埋深约500 m 范围内，实测v总体上稍大于岩体自重。 值得注意的是，世界上多数地区的

16、地应力并不完全与水平面垂直或平行，但大多数测点都发现确有一个主应力 接近于竖直方向。说明地应力的竖直分量主 要受重力控制，但也受到其它因素的影响。,世界范围内竖直应力随深度的变化,5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,实测竖直应力基本接近于上覆岩层的重量世界范围内,水平应力普遍大于竖直应力 绝大多数地区具有两个主应力位于水平或接近水平的平面内。最大水平主应力H普遍大于竖直应力v。 H /v一般为0.55.5，在很多情况下大于2。 地壳浅层岩体平均水平应力也普遍大于竖直应力。竖直应力在多数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力，只有在个别情况下为最大主应力。,5.2 岩体天然地应力状态

17、的形成及其类型,水平应力普遍大于竖直应力H,h/vH,h/,最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长 大量的实测资料表明，与竖直应力类似，世界各地的水平主应力也随深度呈线性增长关系。 我国最大水平主应力和最小水平主应力随埋深的分布情况，其线性关系非常明显。H 和h 两者量值上具有一定的差异，尤其是越接近地表，差异就越大。,图2-7 我国最大和最小水平主应力之比随埋深分布图(景锋等,2007),5.2 岩体天然地应力状态的形成及其类型,最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线,5.3.1地应力场空间分布及其 与板块构造关系 5.3.1.1 我国地应力场的空间 分布特点 活动构造、震源机

18、制解、 地应力实测 我国现代的构造应力场格局 具有以下特点：,5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,A,中国及邻区现代构造应力场 (马杏垣，1987),5.3.1地应力场空间分布及其5.3,1.最大主应力轴空间展布的规律性 （1）最大主应力轴近于水平，并由西部内陆中心向沿海呈放射状分布；最小主应力也近于水平， 并沿向东凸出的弧形呈环状分布。 （2）大致以东经105的南北 地震带为界，西部为近南北向， 东部则为近东西向。 西部地区的南部为接近南北向 ，向北逐渐转为NNENE向; 东部地区的北部（东北地区） 为NE向，向南逐渐由华北的近 东西向转为华南的南东向。,5.3 我国地应力场空间分布的一

19、般规律,1.最大主应力轴空间展布的规律性5.3,2.三向应力状态空间分布的规律性 :,（1）”潜在逆断型”应力状态区 主要分布于喜马拉雅山前缘一带。特点： *两个水平主应力均大于垂直主应力，强烈水平挤压区。 *最大主应力的方向总体近南北向，垂直于主要山脉走向。 *地震 - 平行于山脉走向的断层逆冲活动。,3垂直，1和2水平,5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,2.三向应力状态空间分布的规律性 :,（2）“潜在走滑型”应力状态区 主要分布在中西部广大地区，特点： 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。 地震 - 断层的走向滑动性质的再活动，且左旋型活断层较为发育。,2垂直，1

20、和3水平,5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,（2）“潜在走滑型”应力状态区2垂直，1,（3）“潜在正断型”和“张剪性走滑型”应力状态区 东部和东北部 - 华北平原、松辽平原及汾渭地堑等地区。主要特点： 新生代以来正断层和地堑式断陷盆地十分发育，发育方向北东-北北东向。 此外，在西藏高原最高顶面分布范围内，存在着一个局部潜在正断型应力分布区，广泛地发育着可能是新生代晚期形成的近南北向的正断层和地堑式的断陷谷地。天然地震的震源机制 -正断型，主拉应力轴为近东西向。,5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,（3）“潜在正断型”和“张剪性走滑型”应力状态,5.3.1.2 地应力场的形成与板块运动

21、的关系 内在原因 - 地壳运动方式和区域构造力来源问题。 现代地应力场主要是在周围板块的联合作用下形成的。 一般认为，白垩纪末印度板块向NNE方向推移，并在始新世和渐新世之间，即大约3800万年前与欧亚板块相碰撞。此后，印度板块仍以每年约50mm的速率向NNE方向推进。但由于在帕米尔受阻较强而偏向东运动。 *印度板块与欧亚板块之间 巨大而持续的相互作用是控制我 国西部地区地应力场的主导因素。 *太平洋板块和菲律宾海板块 则分别从北东东和南东方向向欧亚 大陆之下俯冲，分别对华北和华南 地区地应力场的形成产生重大影响。,5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,5.3.1.2 地应力场的形成与板块运

22、动的关,*华北地区处于太平洋板块俯冲带的内侧，大洋板块俯冲引起地幔内高温、低波速的熔融或半熔融物质上涌并挤入地壳，使地壳受拉而变薄，表面发生裂谷型断裂作用。 这样形成的 NW-SE向拉张和 太平洋板块于上地幔深处对欧亚板 块的SWW向挤压相结合，决定了 华北地区现代地应力场和新构造活 动特征。,5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,*华北地区处于太平洋板块俯冲带的内侧，,中国境内现代形变场 (资料来源：中国地震局),上述板块运动特征在近年来通过GPS测量到的我国形变场分布规律中得到验证。,5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,中国境内现代形变场 (资料来源：中国地震局)上述板块运动特征,5

23、.3.2活断层活动与局部应力集中 5.3.2.l 一般规律 各类断裂的发育往往使岩体内的应力状态变得极为复杂。 岩体受力变形时，不同方位的断裂应力的集中程度不同。通常那些与最大主应力成3040左右交角的断裂，尤其是呈雁行式或断续直线式排列的断裂组，其应力集中程度最高。 这类断裂最易于发展成为活动性断裂; 在此类断裂的不同部位，其应力集中情况又有明显的差别。通常在其端点、首尾错列段、局部拐点、分枝点或与其它方向断裂的交汇点，总之一切能对其继续活动起阻碍作用的地段，都将是应力高度集中的部位，这些地段常成为强震发生的特殊部位。,5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,5.3.2活断层活动与局部应力集

24、中5.3 我国,5.3.5.2 局部构造应力集中区的发育与活断层的关系 活断层 - 现今地应力场中应力集中程度相对较高的断裂带，同时它的持续活动又将导致其附近地区应力进一步重新分布。 在活断层或活动断块的特定部位，往往形成很高的局部构造应力集中区。 *局部压应力集中区 - 近代的隆起和推挤型构造的形成地带，往往伴有逆断型的强震活动； *局部拉应力集中区 - 近代的拗陷 和拉分型构造的形成地带，有时伴有正 断机制的地震。,5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,5.3.5.2 局部构造应力集中区的发育与活断,例：圣安德烈斯断层 “反向和顺向梯坎”在同一条断层上的特定 组合，形成一种特殊的构造-应

25、力环境。 反向梯坎段，由于法向压应力的增大， 其锁固能力显著增强，故这类区段通常能 储聚大量应变能，是强震的孕震区。 在地壳受力变形过程中，反向梯坎的存 在往往使相邻的平直段或顺向梯坎发育段 遭受一定的侧向拉伸作用，从而使作用在这类区段断层面上的法向压应力有所降低。因法向压应力降低而导致的锁固能力的减弱，往往就使与反向梯坎相邻接的平直段或顺向梯坎段成为无震或伴有弱震的蠕滑段。,5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,例：圣安德烈斯断层5.3 我国地应力场空间分布,例：云南丽江地区 复合断裂构造对局部地应力场的影响。 在NNWSSE向现今应力场的作用下，各单一断裂表现为： NE走向的丽江小金河断

26、裂左旋走滑兼逆断；NW向的中甸永胜断裂发生右旋走滑。 断裂的复合作用，使由断裂所夹持的 三角形九子海断块的主体部分向西移动， 断块尖端附近形成了局部的近EW向拉 张应力集中环境。 处于该部位的南北向玉龙雪山东麓断 裂于1996 年2月3日发生了正断错动，并导 致7.0级丽江地震的发生。,5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,例：云南丽江地区5.3 我国地应力场空间分布的,例：川西北地区 印度板块向北强烈推挤欧亚板块，致使川西北断块在近EW向区域构造力的驱动下，以510mm/a的速率向东强力楔入。 该断块的向东推移过程，在两边界断裂相向凸出形成的“构造剧烈收口部位”受阻，致使构造应力和地壳形变在其西侧岷山地区高度集中，形成了一个近SN向展布的强烈褶断隆起带。 这种机制导致在东经104附近形成了一个近SN向地跨岷山隆起区及其两侧边界断裂带的强震活动带。,5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,例：川西北地区5.3 我国地应力场空间分布的一般规律,