第二章地壳岩体的天然应力状态优秀课件.ppt

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1、第二章地壳岩体的天然应力状态第1页，本讲稿共77页n n 2.1 基本概念及研究定义n n 2.1.1 2.1.1 岩体应力的一些基本概念 岩体应力的一些基本概念n n 地壳岩体内的天然应力状态，是指未经人为扰动的，主 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 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，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 常称为天然应力或初始应力。始应力。n n 人 人类 类从 从事 事工 工程 程活 活动 动，在 在岩

2、岩体 体天 天然 然应 应力 力场 场内 内，因 因挖 挖除 除部 部分 分岩 岩体或增加结构面而引起的应力，称为感生应力。体或增加结构面而引起的应力，称为感生应力。第2页，本讲稿共77页n n 按成因，可对构成岩体应力的各组分作如下分类：按成因，可对构成岩体应力的各组分作如下分类：n n 岩体应力：岩体应力：n n 天然应力和初始应力（天然应力和初始应力（virginal stress virginal stress）n n 自重应力（自重应力（gravitational stress gravitational stress）n n 构造应力 构造应力（tectonic stress te

3、ctonic stress）n n 活动的（活动的（active tectonic stress active tectonic stress）n n 剩余的（剩余的（residual tectonic stress residual tectonic stress）n n 变异及残余应力（变异及残余应力（altered and residual stress altered and residual stress）n n 感生应力（感生应力（induced stress induced stress）第3页，本讲稿共77页n n.自重应力：自重应力：n n 在 在重 重力 力场 场作 作用

4、用下 下生 生成 成的 的应 应力 力为 为自 自重 重应 应力 力。在 在地 地表 表近 近水 水平 平的 的情 情况 况下 下，重 重力 力场 场在 在岩 岩体 体内 内的 的某 某一 一任 任意 意类 类形 形成 成相 相当 当于 于上 上覆 覆岩 岩层 层重 重量 量的 的垂 垂直 直正 正应 应力 力 v v。n n v v=h=h（r r为 为岩 岩石 石的 的容 容重 重；h h为 为该 该点 点的 的埋 埋深 深；v v相 相当 当于 于该 该点 点三 三向 向应 应力 力中 中的最大主应力。）的最大主应力。）n n 由 由于 于泊 泊松 松效 效应 应（即 即侧 侧向 向膨

5、膨胀 胀）造 造成 成水 水平 平正 正应 应力 力 h h，相 相当 当于三向应力中的最小应力：于三向应力中的最小应力：n n n n（为岩体的泊松比，为岩体的泊松比，N N。称为岩体的侧压力系数。）称为岩体的侧压力系数。）第4页，本讲稿共77页n n 对于大多数坚硬岩体：对于大多数坚硬岩体：为 为0.2 0.2 0.3 0.3，即，即N N。为 为0.25 0.25 0.43 0.43。对于半坚硬岩体 对于半坚硬岩体:N:N。大于 大于0.43 0.43；而且当上覆荷载大，下伏岩体呈；而且当上覆荷载大，下伏岩体呈塑流时，塑流时，接近 接近0.5 0.5，N N。近于 近于1 1，也就是说该

6、点近于静水平应力状态。，也就是说该点近于静水平应力状态。n n 构造应力 构造应力n n 岩 岩石 石圈 圈运 运动 动在 在岩 岩体 体内 内形 形成 成的 的应 应力 力称 称为 为构 构造 造应 应力 力。构 构造 造应 应力又可称为活动构造应力和剩余构造应力。力又可称为活动构造应力和剩余构造应力。n n 活 活动 动构 构造 造应 应力 力，即 即狭 狭义 义的 的地 地应 应力 力，是 是地 地壳 壳内 内现 现在 在正 正在 在积 积累 累的能够导致岩石变形和破裂的应力。的能够导致岩石变形和破裂的应力。n n 剩余的构造应力是古构造运动残留下来的应力。剩余的构造应力是古构造运动残留

7、下来的应力。第5页，本讲稿共77页n n 变异及残余应力 变异及残余应力n n 变 变异 异应 应力 力：岩 岩体 体的 的物 物理 理、化 化学 学变 变化 化及 及岩 岩浆 浆的 的侵 侵入 入等 等引 引起 起的 的应 应力 力。具 具体 体来 来说 说是 是岩 岩体 体的 的物 物理 理状 状态 态、化 化学 学性 性质 质或 或赋 赋存 存条 条件 件的 的变 变化 化引 引起的，通常只具有局部意义，可统称为变异应力。起的，通常只具有局部意义，可统称为变异应力。n n 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 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

8、胀回弹趋势部分地受到其他组分的约束，于是就在岩体结构内形成 膨胀回弹趋势部分地受到其他组分的约束，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。残余的拉、压应力自相平衡的应力系统，此即残余应力。2.1.2 2.1.2 岩体天然应力状态类型 岩体天然应力状态类型n n 目 目前 前有 有三 三种 种观 观点 点：由 由瑞 瑞士 士地 地质 质学 学家 家海 海姆 姆于 于1905-1912 1905-1912年 年提 提出 出的 的，他 他以 以岩 岩体 体具 具有 有蠕 蠕变 变的 的性 性能 能为 为依 依据 据，认 认为 为地 地壳 壳岩 岩体 体任 任一 一类

9、类的 的应 应力 力都 都是 是各 各向 向相 相等 等的 的，均 均等 等于 于上 上覆 覆岩 岩层 层的 的自 自重 重，即 即：x x=y y=v v=rh=rh第6页，本讲稿共77页n n 垂直应力为主的观点 垂直应力为主的观点n n 基 基于 于弹 弹性 性理 理论 论提 提出 出的 的，认 认为 为岩 岩体 体内 内的 的应 应力 力主 主要 要是 是重 重力 力场 场作用下形成的自重应力。作用下形成的自重应力。n n 水平应力为主的观点 水平应力为主的观点n n 近 近年 年来 来，大 大量 量的 的震 震源 源机 机制 制资 资料 料和 和应 应力 力实 实测 测资 资料 料清

10、 清楚 楚地 地揭 揭示 示出 出地 地壳 壳岩 岩体 体内 内的 的应 应力 力状 状态 态存 存在 在着 着不 不同 同的 的类 类型 型，其 其中 中包 包括 括以 以下 下三 三种 种典 典型情况：型情况：n n.中 中间 间主 主应 应力 力近 近于 于垂 垂直 直，最 最大 大主 主应 应力 力 1 1和 和最 最小 小主 主应 应力 力 3 3近 近于 于水 水平 平，我 我国 国的 的大 大多 多数 数地 地区 区如 如邢 邢台 台、新 新丰 丰江 江、丹 丹江 江口 口以 以及 及西 西南 南南 南北 北向 向构 构造 造均 均属 属这 这种 种类 类型 型。在 在这 这种

11、种应 应力 力状 状态 态下 下，如 如果 果发 发生 生破 破坏 坏（或 或再 再活 活动 动）是 是沿 沿走 走向 向与 与最 最大 大主 主压 压应 应力 力成 成约 约30 30 40 40 左 左右 右交 交角 角的 的陡 陡立 立面 面产 产生 生走 走向 向滑 滑动 动性 性的 的断 断裂 裂活 活动 动，此 此类 类三 三向 向应 应力 力状 状态称为 态称为潜在走向滑动型。潜在走向滑动型。第7页，本讲稿共77页.最 最小 小主 主应 应力 力轴 轴 3 3近 近于 于垂 垂直 直，最 最大 大主 主应 应力 力与 与中 中间 间主 主应 应力 力轴 轴近 近于 于水 水平 平

12、。喜 喜妈 妈拉 拉雅 雅的 的前 前缘 缘地 地区 区属 属于 于这 这种 种类 类型 型。在 在此 此种 种应 应力 力状 状态 态下 下发 发生 生的 的破 破坏 坏，是 是逆 逆断 断型 型的 的，即 即沿 沿走 走向 向与 与最 最大 大主 主应 应力 力垂 垂直 直的 的剖面 剖面X X裂面产生逆断活动，故可称为 裂面产生逆断活动，故可称为潜在逆断型。潜在逆断型。n n 应力场中的最大主应力轴 应力场中的最大主应力轴 1 1垂直，其余两主应力水平分布。垂直，其余两主应力水平分布。在地处大洋中脊轴部地带的冰岛地区测得的三向应力状态就是这种类 在地处大洋中脊轴部地带的冰岛地区测得的三向

13、应力状态就是这种类型。此应力状态下发生的破坏（或再活动），是沿走向与最小主应力 型。此应力状态下发生的破坏（或再活动），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 轴相垂直的面，发生正断性质的活动，故可称为潜在正断型。潜在正断型。n n 上述为三种典型情况，大多数地区接近其中某一种，有些地 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度类型。总之大量实测资料表明，区应力状态属主应力轴倾斜的过度类型。总之大量实测资料表明，世 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。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。第8页，本

14、讲稿共77页n n2.1.3 2.1.3 研究意义研究意义n n 地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极大，它 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 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。实践表明，在高应力区，地表、设计和施工造成直接的影响。实践表明，在高应力区，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 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 起一系列与卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现

15、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 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。的本身有时也会对建筑物造成直接的危害。n n 地壳开挖导致的岩体变形和破坏主要有以下几种类型：地壳开挖导致的岩体变形和破坏主要有以下几种类型：n n 基坑底部的隆起、爆裂和沿已有结构面的逆冲错动。基坑底部的隆起、爆裂和沿已有结构面的逆冲错动。第9页，本讲稿共77页第10页，本讲稿共77页 边 边墙 墙向 向临 临空 空方 方向 向的 的水 水平 平位 位移 移和 和沿 沿已 已有 有的 的近 近水 水平 平的 的结 结构 构面发生剪切错动。面

16、发生剪切错动。边墙或边坡岩体的倾斜。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：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；拱顶裂缝掉块；边墙内鼓张裂；边墙内鼓张裂；底鼓及中心线偏移；底鼓及中心线偏移；施工导坑缩径。施工导坑缩径。此 此外 外，修 修建 建高 高坝 坝、大 大型 型水 水库 库和 和深 深大 大的 的地 地下 下硐 硐室 室等 等，常 常能 能在 在更 更大 大范 范围 围内 内天 天然 然应 应力 力的 的平 平衡 衡，引 引起 起一 一系 系列 列诸 诸如 如断 断层 层复 复活 活、水 水库 库地 地震 震以 以及 及大 大型 型岩 岩

17、爆 爆等 等严 严重 重危 危害 害建 建筑 筑物 物和 和人 人民 民生 生命 命财 财产 产的 的工 工程 程地 地质 质作 作用 用。对 对于 于天 天然 然岩 岩体 体应 应力 力状 状态 态的 的研 研究 究，是 是工 工程 程地 地质 质工 工作 作者 者的 的一项重要任务。一项重要任务。第1 1页，本讲稿共77页第12页，本讲稿共77页第13页，本讲稿共77页2.2 影响岩体天然应力状态的主要因素及其作用2.2.12.2.1地地区区地地质质条条件件及及岩岩体体所所经经历历的的地地质质历历史史对对岩岩天天然然 状态状态 的影响的影响n n 岩体的岩性及结构特征对天然岩体应力状态形成

18、的影响。岩体的岩性及结构特征对天然岩体应力状态形成的影响。n n a a：岩 岩体 体的 的岩 岩性 性及 及结 结构 构特 特征 征决 决定 定着 着岩 岩体 体的 的容 容重 重（）和 和泊 泊松 松比 比（）等 等物 物理 理力 力学 学性 性质 质指 指标 标的 的大 大小 小，从 从而 而影 影响 响自 自重 重应 应力 力场 场特 特征 征（v v=h=h）。）。n n b b：在 在统 统一 一区 区域 域构 构造 造应 应力 力作 作用 用下 下，岩 岩体 体内 内应 应力 力分 分布 布的 的特 特征 征主 主要 要取 取决 决于岩性、结构特征及其非均一性。于岩性、结构特征及

19、其非均一性。n n c:c:岩 岩体 体的 的岩 岩性 性和 和结 结构 构特 特征 征决 决定 定着 着岩 岩体 体的 的强 强度 度及 及其 其蠕 蠕变 变特 特征 征，因 因而 而决定了岩体承受及传递应力的能力。决定了岩体承受及传递应力的能力。第14页，本讲稿共77页 构 构造 造作 作用 用及 及其 其演 演变 变历 历史 史对 对岩 岩体 体天 天然 然应 应力 力状 状态 态形 形成 成的 的影 影响 响。统 统计 计表 表明 明活 活动 动的 的构 构造 造应 应力 力对 对世 世界 界上 上大 大部 部分 分地 地区 区岩 岩体 体的 的天 天然 然应 应力 力状 状态 态起着

20、决定性的 起着决定性的作用，而剩余构造应力作用仅局限于一些地区。作用，而剩余构造应力作用仅局限于一些地区。区域卸荷作用对地壳表层岩体应力状态形成的影响。区域卸荷作用对地壳表层岩体应力状态形成的影响。区 区域 域性 性的 的地 地表 表剥 剥蚀 蚀卸 卸荷 荷作 作用 用在 在增 增大 大某 某些 些岩 岩体 体内 内的 的水 水平 平应 应力 力方 方面 面有 有着重要的作用。着重要的作用。对 对于 于侵 侵入 入体 体，当 当岩 岩体 体侵 侵入 入时 时，由 由于 于岩 岩体 体呈 呈熔 熔融 融状 状态 态侵 侵入 入地 地下 下一 一定 定深处，其中的应力呈静水应力式分布。深处，其中的

21、应力呈静水应力式分布。如 如下 下图 图所 所示 示：AB AB为 为原 原始 始地 地面 面，则 则岩 岩体 体内 内任 任一 一深 深度 度h h0 0+h+h处 处 的 的P P点 点的应力为：的应力为：h h=v v=(h=(h0 0+h)+h)第15页，本讲稿共77页 此后，岩体经剥蚀而出露地表。随着岩体剥蚀卸荷，岩体内的应力随之而变化，但垂直应力v与水平应力h的变化幅度不同。假定剥蚀厚度为h0，则上述P点处的 v和h 分别变为：v=(h0+h)-h0=h h=(h0+h)-/(1-)h0=h-(1-2)/(1-)h0(a)第16页，本讲稿共77页第17页，本讲稿共77页 可见地表卸

22、荷在增大侵入岩体内水平应力方面起了重要作用。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 但卸荷作用在岩体内造成的高水平应力不具方向性 高水平应力不具方向性，即，即 x x=y y，所，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。以与构造作用造成的各向不等的高水平应力区区别明显。2.2.22.2.2岩体内自由临空面附近的应力重分布及应力岩体内自由临空面附近的应力重分布及应力 集中作用集中作用 岩 岩体 体内 内自 自由 由临 临空 空面 面附 附近 近的 的应 应力 力重 重分 分布 布及 及应 应力 力集 集中 中作 作用 用是 是促 促使 使岩 岩

23、体 体内应力状态复杂化的另一个重要因素 内应力状态复杂化的另一个重要因素。岩 岩体 体内 内的 的自 自由 由临 临空 空面 面包 包括 括地 地表 表的 的和 和地 地下 下的 的两 两类 类，前 前者 者主 主要 要是 是地 地表 表水 水流 流的 的切 切割 割造 造成 成的 的；而 而后 后者 者则 则与 与各 各种 种成 成因 因的 的地 地下 下洞 洞穴 穴的 的形 形成 成有关。有关。第18页，本讲稿共77页n n 河 河谷 谷下 下切 切所 所引 引起 起的 的应 应力 力变 变化 化有 有以下几条规律：以下几条规律：n n 主 主应 应力 力方 方向 向在 在河 河谷 谷临

24、临空 空面 面附 附近 近发 发生 生明 明显 显的 的变 变化 化：最 最大 大主 主应 应力 力与 与临 临空 空面 面近 近于 于平 平行 行，而 而最 最小 小主 主应 应力则与之近于垂直。力则与之近于垂直。n n 最 最大 大主 主应 应力 力由 由内 内向 向外 外逐 逐渐 渐增 增大 大，至 至临 临空 空面 面达 达到 到最 最大 大值 值，而 而最 最小 小主 主应 应力 力则 则恰 恰好 好相 相反 反，即 即由 由内 内向 向外 外逐 逐渐 渐减 减少 少，至 至临 临空 空面 面处 处变 变为 为零 零，有 有时 时甚 甚至 至出 出现 现拉 拉应 应力 力。与 与此

25、此相 相联 联系 系，剪 剪应 应力 力在 在临 临空 空面 面附 附近 近，特 特别 别是 是在 在下 下部坡脚处，显著增大 部坡脚处，显著增大。第19页，本讲稿共77页锦屏河谷下切后最大主应力分布第20页，本讲稿共77页锦屏河谷下切后剪应力分布图第21页，本讲稿共77页n n 通 通常 常将 将最 最大 大主 主应 应力 力（或 或剪 剪应 应力 力）在 在临 临空 空面 面附 附近 近增 增大 大（或 或减 减少 少）的 的现 现象 象称 称为 为应 应力 力集 集中 中，而 而将 将变 变化 化后 后的 的主 主应 应力 力与 与初 初始 始应 应力 力之 之比 比称 称为 为应 应力

26、 力集 集中 中系 系数 数。临 临空 空面 面附 附近 近的 的应 应力 力集 集中 中现 现象 象通 通常 常在 在坡 坡脚 脚处 处及 及河 河谷 谷底 底部 部表 表现 现得 得最 最为 为强 强烈 烈，可 可达 达原 原始 始应力场中水平应力的三倍。应力场中水平应力的三倍。第22页，本讲稿共77页n n n n 因 因此 此，在 在高 高应 应力 力区 区，河 河谷 谷临 临空 空面 面附 附近 近的 的应 应力 力集 集中 中，往 往往 往使 使周 周围 围岩 岩体 体内 内的 的应 应力 力（特 特别 别是 是坡 坡脚 脚和 和谷 谷底 底）超 超过 过其 其强 强度 度，使 使

27、岩 岩体 体发 发生 生破 破裂 裂变 变形 形，生 生成 成各 各类 类表 表生 生结 结构 构面 面。而 而表 表层 层岩 岩体 体内 内的 的应 应力 力又 又因 因释 释放 放而 而降 降低 低，围 围绕 绕河 河谷 谷临 临空 空面 面形 形成 成一 一个 个应 应力 力降 降低 低带 带，高 高应 应力集中区则向岩体内部转移。力集中区则向岩体内部转移。n n 值 值得 得一 一提 提的 的是 是，垂 垂直 直于 于最 最大 大主 主应 应力 力的 的河 河谷 谷段 段，临 临空 空面 面附 附近 近的应力集中程度要比平行于最大主应力的河谷段 的应力集中程度要比平行于最大主应力的河谷

28、段高得多。高得多。n n 第23页，本讲稿共77页 模型 模型 表示的是两长一短的弹簧被 表示的是两长一短的弹簧被同时固定在两端的夹具之间。这样 同时固定在两端的夹具之间。这样A A、B B两类弹簧因发生了弹性变形而处于不同 两类弹簧因发生了弹性变形而处于不同的受力状态。但是 的受力状态。但是A A类弹簧受到的是压 类弹簧受到的是压缩变形，内部产生压应力；而 缩变形，内部产生压应力；而B B弹簧则 弹簧则因处于引张状态而产生拉应力。体系内 因处于引张状态而产生拉应力。体系内上述两类应力的总和彼此相等，故而整 上述两类应力的总和彼此相等，故而整个体系在外荷载为零的情况下处于内力 个体系在外荷载为

29、零的情况下处于内力平衡状态。平衡状态。2.2.3 岩体切割面附近的残余应力效应 非均质的承载岩体，卸荷后，天然岩体内形成自我平衡的残余应力体系，可用图及图所示的力学模型来表示。模型I第24页，本讲稿共77页n n 然而，天然岩体大多是一种 然而，天然岩体大多是一种粘 粘-弹性介质，更符合于 弹性介质，更符合于 图所 图所示的沃依特流变模型。与模型 示的沃依特流变模型。与模型 不同的是，以阻尼器（粘滞性约 不同的是，以阻尼器（粘滞性约束元件）代替弹性约束元件 束元件）代替弹性约束元件B B弹 弹簧。因粘滞元件具有流变性，故 簧。因粘滞元件具有流变性，故随着时间的推移，其内部的拉应 随着时间的推移

30、，其内部的拉应力将不断降低，从而导致整个应 力将不断降低，从而导致整个应力体系的松弛。所以，力体系的松弛。所以，从整体 从整体来看，这类残余应力体系始终 来看，这类残余应力体系始终处于内力缓慢降低的动平衡之 处于内力缓慢降低的动平衡之中。中。力学模型II第25页，本讲稿共77页n n 在 在自 自我 我平 平衡 衡的 的残 残余 余应 应力 力体 体系 系中 中，起 起主 主导 导作 作用 用的 的是 是约 约束 束元 元件 件，正 正是 是由 由于 于它 它的 的存 存在 在，残 残余 余应 应力 力的 的形 形成 成才 才成 成为 为可 可能 能。“约 约束 束元 元件 件”一 一旦 旦丧

31、 丧失 失其 其约 约束 束能 能力 力（例 例如 如当 当拉 拉应 应力 力超 超过 过其 其抗 抗拉 拉强 强度 度时 时），束 束缚 缚于 于体 体系 系内 内的 的残 残余 余应 应变 变能 能就 就会 会突 突然 然而 而猛 猛烈 烈地 地以 以膨 膨胀 胀回 回弹 弹和 和生 生成 成垂 垂直 直于 于卸 卸荷 荷方 方向 向的 的引 引张 张裂 裂面 面的 的方 方式 式释 释放 放出 出来 来，对 对以 以该 该岩 岩体 体为 为地 地基 基或环境的结构物发生影响或危害。或环境的结构物发生影响或危害。第26页，本讲稿共77页2.3 我国地应力场的空间分布及随时间变化 的规律2.

32、3.1 2.3.1 地应力场的空间分布及其与板块运动的关系地应力场的空间分布及其与板块运动的关系2.3.1.1 2.3.1.1我国地应力场的空间分布特点 我国地应力场的空间分布特点（1 1）各地最大主应力的发育呈明显的规律性）各地最大主应力的发育呈明显的规律性 各 各地 地的 的 1 1方 方向 向均 均与 与由 由各 各该 该点 点向 向我 我国 国的 的察 察隅 隅和 和巴 巴基 基斯 斯坦 坦的 的伊 伊斯 斯兰 兰堡 堡联 联线 线所 所构 构成 成的 的夹 夹角 角等 等分 分线 线方 方向 向相 相吻 吻合 合或 或相 相近 近似 似，仅 仅在 在两 两侧 侧边 边缘 缘地 地带

33、带略 略有 有偏 偏转 转，即 即东 东侧 侧向 向顺 顺时 时针 针偏 偏转 转，西 西侧 侧向逆时针偏转。向逆时针偏转。（2 2）三 三向 向应 应力 力状 状态 态及 及其 其所 所决 决定 定的 的现 现代 代构 构造 造活 活动 动类 类型 型呈 呈有 有规 规律的空间分布：律的空间分布：第27页，本讲稿共77页潜在逆断型应力状态区主要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。（3垂直，1和2水平）第28页，本讲稿共77页n n 潜 潜在 在走 走滑 滑型 型应 应力 力状 状态 态区 区主 主要 要分 分布 布于 于我 我国 国中 中西 西部 部广 广大

34、 大地 地区 区，其 其主 主要 要特 特点 点是 是只 只有 有一 一个 个水 水平 平主 主应 应力 力大 大于 于垂 垂直 直主 主应 应力 力，具 具中 中等 等挤压区的特征。挤压区的特征。n n。（2垂直，1和3水平）第29页，本讲稿共77页n n 潜 潜在 在正 正断 断型 型和 和张 张剪 剪性 性走 走滑 滑应 应力 力状 状态 态区 区主 主要 要分 分布 布于 于我 我国 国的 的东 东部 部和 和东 东北 北部 部，其 其主 主要 要特 特点 点是 是：区 区内 内新 新生 生代 代以 以来 来正 正断 断层 层与 与地 地堑 堑或 或断 断陷 陷盆 盆地 地十 十分 分

35、发 发育 育，发 发育 育方 方向 向NE NE、NEE NEE，推 推积 积厚 厚度 度数 数千 千米 米；区 区内 内KZ KZ堆 堆积 积具 具双 双层 层结 结构 构(图 图2-20)2-20)，E E充 充填 填断 断陷 陷盆 盆地 地，N-Q N-Q掩 掩埋 埋了 了E E时 时期 期的 的地 地堑 堑和 和地 地垒 垒，形 形成 成了 了现 现代 代的 的低 低平 平的 的平 平原 原地 地形 形，横 横向 向差 差异 异小 小；区 区内 内地 地震 震由 由两 两个 个方 方向 向断 断裂 裂引 引起 起，即 即NNE NNE向 向断 断裂 裂的 的右 右旋 旋兼 兼张 张性

36、性活 活动 动和 和NNW NNW向断裂的左旋兼张性活动。向断裂的左旋兼张性活动。第30页，本讲稿共77页n n 卫星影象及天然地震 卫星影象及天然地震的震源机制资料还揭示，的震源机制资料还揭示，在西藏高原内腹，还存在 在西藏高原内腹，还存在着一个局部潜在正断型应 着一个局部潜在正断型应力分布区 力分布区(图 图219)219)。该。该区内广泛地发育着可能是 区内广泛地发育着可能是新生代形成的近南北向的 新生代形成的近南北向的正断层和地堑式的断陷谷 正断层和地堑式的断陷谷地。该区天然地震的震源 地。该区天然地震的震源机制也大多属正断层，且 机制也大多属正断层，且主拉应力轴为近东西 主拉应力轴为

37、近东西(图 图221)221)。第31页，本讲稿共77页2.3.1.2 2.3.1.2 地应力场的形成与板块运动的关系 地应力场的形成与板块运动的关系 我 我国 国大 大部 部分 分地 地区 区最 最大 大主 主应 应力 力方 方向 向和 和量 量值 值的 的上 上述 述变 变化 化规 规律 律，完 完全 全是 是由 由印 印度 度板 板块 块与 与欧 欧亚 亚板 板块 块的 的碰 碰撞 撞、挤 挤压 压所 所导 导致 致的 的。一 一般 般认 认为 为，白 白垩 垩纪 纪末 末印 印度 度板 板块 块从 从西 西南 南向 向北 北北 北东 东方 方向 向推 推移 移，并 并在 在始 始新 新

38、世 世中 中期 期末 末，即 即大 大约 约距 距今 今3800 3800万 万年 年前 前与 与欧 欧亚 亚板 板块 块相 相碰 碰撞 撞（对 对接 接）。此 此后 后印 印度 度板 板块 块仍 仍以 以每 每年 年约 约5cm 5cm的 的速 速度 度向 向北 北北 北东 东方 方向 向推 推进 进，这 这样 样一 一种 种巨 巨大 大而 而持 持续 续的 的板 板块 块间 间的 的相 相互 互作 作用 用是 是控 控制 制我 我国 国西 西部地区地应力场的决定性因素；部地区地应力场的决定性因素；n n 在 在同 同一 一时 时期 期，东 东部 部太 太平 平洋 洋板 板块 块和 和菲 菲

39、律 律宾 宾海 海板 板块 块则 则分 分别 别从 从北 北东 东东 东和 和南 南东 东方 方向 向向 向欧 欧亚 亚大 大陆 陆之 之下 下俯 俯冲 冲，从 从而 而分 分别 别对 对我 我国 国华 华北 北和 和华 华南 南地 地区 区地 地应 应力 力场 场的 的形 形成 成产 产生 生重 重大 大影 影响 响；并 并认 认为 为华 华北 北地 地区 区目 目前 前处 处于 于太 太平 平洋 洋板 板块 块俯 俯冲 冲带 带的 的内 内侧 侧，大 大洋 洋扳 扳块 块俯 俯冲 冲引 引起 起地 地幔 幔内 内高 高温 温、低 低波 波速 速的 的熔 熔融 融或 或半 半熔 熔融 融物

40、物质 质上 上涌 涌并 并挤 挤入 入地 地壳 壳，使 使地壳受拉而变簿，表面发生裂谷型断裂作用，地壳受拉而变簿，表面发生裂谷型断裂作用，第32页，本讲稿共77页n n 这样形成的北西一南东向拉张和太平洋板块于上地幔深处对 这样形成的北西一南东向拉张和太平洋板块于上地幔深处对欧亚板块所造成的南西西向的挤压相结合，就决定了华北地 欧亚板块所造成的南西西向的挤压相结合，就决定了华北地区现代地应力场和最新构造活动的特征。区现代地应力场和最新构造活动的特征。第33页，本讲稿共77页2.3.2 2.3.2 断裂带附近的局部构造应力集中作用断裂带附近的局部构造应力集中作用n n 一般规律 一般规律n n

41、对 对于 于一 一个 个三 三向 向受 受力 力的 的岩 岩体 体，那 那些 些与 与最 最大 大主 主应 应力 力成 成30 30 40 40 左 左右 右交 交角 角的 的断 断裂 裂，特 特别 别是 是这 这类 类方 方向 向的 的雁 雁行 行式 式或 或断 断续 续直 直线 线式 式排 排列 列的 的断 断裂 裂组 组，应 应力 力集 集中 中程 程度 度最 最高 高。特 特别 别是 是在 在断 断裂 裂端 端点 点、首 首尾 尾错 错列 列段 段、局 局部 部拐 拐点 点、分 分枝 枝点 点或 或与 与其 其它 它断 断裂 裂的 的交 交汇 汇点 点，总 总之 之一 一切 切能 能对

42、 对继 继续 续活 活动 动起 起阻 阻碍 碍作 作用 用的 的地 地方 方，都 都是 是应 应力 力高 高度 度集 集中 中的 的部 部位 位，所 所以 以这 这些 些地 地方 方常 常成 成为强震发生的特殊部位。为强震发生的特殊部位。n n n n 局部构造应力集中区的发育与活断层的关系 局部构造应力集中区的发育与活断层的关系n n 活 活断 断层 层或 或活 活动 动断 断块 块的 的特 特定 定部 部位 位，往 往往 往形 形成 成很 很高 高的 的局 局部 部构 构造 造应 应力 力集 集中地区。中地区。(对照图 对照图2-23 2-23讲解 讲解)第34页，本讲稿共77页第35页，

43、本讲稿共77页第36页，本讲稿共77页n n2.3.3 2.3.3 地应力随时间变化与地壳岩应变速率的关系地应力随时间变化与地壳岩应变速率的关系n n 地壳岩体的应力 地壳岩体的应力-应变性状与应变速率间的关系 应变性状与应变速率间的关系。n n 伊藤、熊谷等人的研究表明：岩体的应变速率是决定粘弹 伊藤、熊谷等人的研究表明：岩体的应变速率是决定粘弹性介质力学性状的主要因素。性介质力学性状的主要因素。n n 当应变速率 当应变速率C C小于某临界值 小于某临界值C C0 0时 时(对于实验的花岗岩 对于实验的花岗岩C C0 0=10=10-13-13 10 10-14-14/S)/S)，岩体在受

44、力初期随应变的增大而发生应力积累，但当应，岩体在受力初期随应变的增大而发生应力积累，但当应力增大到一定程度时，应力就不再增大，而变形则不断增大，即 力增大到一定程度时，应力就不再增大，而变形则不断增大，即进入粘性流动阶段，但不发生破坏。进入粘性流动阶段，但不发生破坏。n n 但当 但当C C大于 大于C C0 0时，则岩体的性状近于弹性，即随着应变的发展，岩 时，则岩体的性状近于弹性，即随着应变的发展，岩体内的应力不断增大，最终导致突然的破坏。体内的应力不断增大，最终导致突然的破坏。n n 第37页，本讲稿共77页 在 在统 统一 一的 的区 区域 域构 构造 造力 力的 的作 作用 用下 下

45、，岩岩体体内内部部的 的应 应变 变速 速率 率和 和沿 沿断 断裂 裂带 带的 的应 应变 变速 速率 率通 通常 常是 是不 不同 同的 的，一 一般 般是 是前 前者 者小 小于 于后 后者 者。在天然条件下就可能出现三种不同的组合情况。在天然条件下就可能出现三种不同的组合情况。当 当区 区域 域构 构造 造力 力的 的作 作用 用使 使岩 岩体 体的 的应 应变 变速 速率 率C CR R大 大于 于临 临界 界应 应变 变速 速率 率C C0 0时 时（此 此时 时C CF F必 必然 然大 大于 于C C0 0），地 地壳 壳岩 岩体 体整 整个 个处 处于 于弹 弹性 性状 状态

46、 态，随 随着 着变 变形 形的 的发 发展 展，岩 岩体 体内 内部 部及 及沿 沿断 断裂 裂带 带的 的应 应力 力不 不断 断增 增高 高，达 达到 到一 一定 定程 程度 度发 发生 生破 破坏 坏。破 破坏 坏即 即可 可沿 沿已 已有 有的 的断 断裂 裂发 发生 生，也 也可 可在 在岩 岩体 体内 内部 部发 发生 生，历 历史 史上 上岩 岩石 石圈 圈遭 遭受 受强 强烈 烈运 运动 动时 时会 会出 出现 现这 这种 种情 情况 况。据 据计 计算 算，在 在30km 30km深 深度 度C=10 C=1013 13/s/s的 的应 应变 变速 速率 率，大体相当于地表

47、隆起速度为 大体相当于地表隆起速度为5cm/a 5cm/a。第38页，本讲稿共77页n n(2)(2)当区域构造力的作用使岩体的应变速率 当区域构造力的作用使岩体的应变速率C CR R介于 介于C C0 0和某一临界 和某一临界值 值C Ca a(相当于使岩体内方向有利的断裂带的 相当于使岩体内方向有利的断裂带的C CF F=C=C0 0时（此时 时（此时C CR R C C CR RCa Ca。(如图 如图228(a)228(a)中的 中的 区 区)时，则岩体本身的力学性状与断裂带不 时，则岩体本身的力学性状与断裂带不同：同：n n 岩体本身 岩体本身，因其应变速率，因其应变速率C CR R

48、C C C0 0，而具弹性性状，应力随形变，而具弹性性状，应力随形变的发展不断增高，最终发生破裂，导致再活动，引起地震。日 的发展不断增高，最终发生破裂，导致再活动，引起地震。日本列岛地区地形变和断裂新活动性的发展就是在这样的背景条 本列岛地区地形变和断裂新活动性的发展就是在这样的背景条件下发生的。件下发生的。第39页，本讲稿共77页n n 这也是所有构造新活动区所具有的共同特征。一些地震活动强烈 这也是所有构造新活动区所具有的共同特征。一些地震活动强烈地区的地表隆升速度的资料表明，地壳隆升速率大于或等于 地区的地表隆升速度的资料表明，地壳隆升速率大于或等于2mm/a 2mm/a的可能属于这类

49、地区。的可能属于这类地区。n n（3 3）区域构造力的作用微弱，致使岩体的应变速率）区域构造力的作用微弱，致使岩体的应变速率C CR RCa Ca。在这。在这样的条件下，由于岩体本身及断裂带的应变速率均低于临界 样的条件下，由于岩体本身及断裂带的应变速率均低于临界应变速率 应变速率C C0 0(如图 如图228(a)228(a)中的 中的 区 区)，故这类地区的特点应是，故这类地区的特点应是以地壳隆升或沉降为标志的地形变微弱，无活断层发育，故代 以地壳隆升或沉降为标志的地形变微弱，无活断层发育，故代表着现代构造稳定区的情况。表着现代构造稳定区的情况。第40页，本讲稿共77页第41页，本讲稿共7

50、7页n n 2.4 地壳表层岩体应力状态的复杂性n n 2.4.1 2.4.1 地壳表层岩体应力分布的规律 地壳表层岩体应力分布的规律n n 2.4.1.1 2.4.1.1 垂直应力的分布 垂直应力的分布n n 世界各地实测应力资料的统计表明，不同地区地壳表 世界各地实测应力资料的统计表明，不同地区地壳表层岩体 层岩体垂直应力 垂直应力随深度的分布，通常有如下关系：随深度的分布，通常有如下关系：n n v v=A+h=A+hn n（大体相当于岩体的平均容重，大体相当于岩体的平均容重，A A为常数）为常数）n n 我国地壳表层岩体内垂直应力随深度的分布也大体上与国外 我国地壳表层岩体内垂直应力随