工程地質(zhì)分析原理

0.緒論緒論0.1人類活動與地質(zhì)環(huán)境人類生活在地球上，各種工程活動天天在地質(zhì)環(huán)境中進行，二者之間相互制約，始終是客觀存在的。地質(zhì)環(huán)境對人類工程活動的制約：①人類在從事工程活動中影響工程活動的平安：如采煤過程中的瓦斯爆炸、涌水，隧道掘進過程中出現(xiàn)塌頂、巖爆或涌水等；②影響工程建筑物的穩(wěn)定和正常使用：如瓦伊昂事件，水庫滲漏、滑坡、泥石流破壞公路與鐵路；③地質(zhì)條件不具備而使工程造價提高：如沿海三角洲地區(qū)城市修建高層建筑，往往由于軟基需要深基坑或樁基或筏式地基而增加造價，高烈度地區(qū)建造巨型電站因考慮高烈度而使造價大幅度提高。

人類工程活動又會以各種方式影響地質(zhì)環(huán)境，即人類工程活動對地質(zhì)環(huán)境的制約：人類工程活動對地表的改造已到達不可無視的程度，到目前為止人類活動已涉及到地表80％的地區(qū)。如在上游修建梯級電站，改變河流的地質(zhì)作用，大規(guī)模的砍伐森林造成荒漠化，道路修建中不合理削坡使坡體穩(wěn)定性降低，水庫蓄水導(dǎo)致水庫誘發(fā)地震等等。

工程活動與地質(zhì)環(huán)境之間的相互制約：

如在巖土體穩(wěn)定差的地區(qū)修建水庫，造價高，另一方面水庫的修建使近壩、庫岸的岸坡的穩(wěn)定性降低，尤其是水位驟然升降經(jīng)常引起岸坡失穩(wěn)，蓄水引起水庫誘發(fā)地震等等。

研究人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境之間的相互制約并保證這種制約關(guān)系向良性方向開展的科學(xué)稱之為工程地質(zhì)學(xué)工程地質(zhì)學(xué)的學(xué)科性質(zhì)和根本任務(wù)工程地質(zhì)學(xué)是研究人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境之間的相互制約關(guān)系，以便科學(xué)評價、合理利用、有效改造和妥善保護地質(zhì)環(huán)境的科學(xué)；是地質(zhì)學(xué)與工程學(xué)的邊緣學(xué)科，是地質(zhì)學(xué)的一個分支。工程地質(zhì)學(xué)的特點是始終與工程實踐緊密聯(lián)系0.2工程地質(zhì)學(xué)的研究對象工程地質(zhì)學(xué)的上述任務(wù)，必須要求對工程活動的地質(zhì)環(huán)境——或稱工程地質(zhì)條件，進行深入研究.工程地質(zhì)條件包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地貌、水文地質(zhì)條件、巖土體的工程性質(zhì)、物理地質(zhì)現(xiàn)象和天然建筑材料等方面。研究巖土體的工程性質(zhì)及其在自然或人類活動影響下的變化是工程巖土學(xué)的根本任務(wù)研究工程活動與地質(zhì)環(huán)境相互制約的主要形式—即工程地質(zhì)問題。分析這些問題產(chǎn)生的地質(zhì)條件、力學(xué)機制及其開展演化規(guī)律，以便正確評價和有效防治其不良影響是工程地質(zhì)學(xué)另一專門分支工程地質(zhì)分析的根本任務(wù)。查明工程地質(zhì)條件并研究查明工程地質(zhì)條件的方法和手段是工程地質(zhì)勘查的根本任務(wù)上述三個專門分支學(xué)科是工程地質(zhì)學(xué)的理論根底。本課程重點介紹工程地質(zhì)分析的根本原理和方法。0.3工程地質(zhì)分析的根本方法①定性研究：通過實驗、詳細(xì)的實地研究，對地質(zhì)過程的形成機制進行分析，得出定性評價。②定量評價：定性分析根底上，通過定量計算，進行定性與定量評價相結(jié)合的地質(zhì)過程機制分析—定量評價。0.4工程地質(zhì)分析原理的內(nèi)容及學(xué)習(xí)方法主要的工程地質(zhì)問題有：區(qū)域穩(wěn)定性問題、巖體穩(wěn)定問題、與地下滲流相關(guān)的問題以及與侵蝕淤積有關(guān)的工程地質(zhì)問題等4個方面。區(qū)域穩(wěn)定問題：活斷層、地震、水庫誘發(fā)地震、砂土液化和地面沉降。掌握這些問題的規(guī)律性，對于選場或?qū)Φ刭|(zhì)環(huán)境的合理開發(fā)與妥善保護，具有重要意義；巖〔土〕體穩(wěn)定：斜坡穩(wěn)定、洞室穩(wěn)定、地基巖土體穩(wěn)定的成因，開展歷史分析和力學(xué)機制分析，用于具體場地穩(wěn)定性評價具有重要意義，線上及面上巖、土體穩(wěn)定的大調(diào)查對保護地質(zhì)環(huán)境有重要意義。與地下滲流有關(guān)的工程地質(zhì)問題包括巖溶滲漏分析和滲透變形分析兩局部，前者以保證水工建筑正常工作為目的，后者主要討論滲流作用下土體的穩(wěn)定性。與侵蝕淤積有關(guān)的工程地質(zhì)問題，包括河流侵蝕淤積和海湖邊岸磨蝕堆積規(guī)律及人為工程活動對它們的影響兩章，前者對改造河流，后者對開發(fā)海洋都有重要意義。第一章地殼巖體結(jié)構(gòu)特征的工程地質(zhì)分析1.1根本概念及研究意義巖體〔rockmass〕通常指地質(zhì)體中與工程建設(shè)有關(guān)的那一局部巖石，它處于一定的地質(zhì)環(huán)境、被各種結(jié)構(gòu)面所分割。巖體具有一定的結(jié)構(gòu)特征，它由巖體中含有的不同類型的結(jié)構(gòu)面及其在空間的分布和組合狀況所確定。結(jié)構(gòu)面是指巖體中具有一定方向、力學(xué)強度相對較低、兩向延伸〔或具有一定厚度〕的地質(zhì)界面〔或帶〕。如巖層層面、軟弱夾層、各種成因的斷裂、裂隙等。由于這種界面中斷了巖體的連續(xù)性，故又稱不連續(xù)面。結(jié)構(gòu)體：結(jié)構(gòu)面在空間的分布和組合可將巖體切割成形狀、大小不同的塊體，稱結(jié)構(gòu)體。工程地質(zhì)之所以要將巖體的結(jié)構(gòu)特征作為重要研究對象，意義如下：⑴巖體中的結(jié)構(gòu)面是巖體力學(xué)強度相對薄弱的部位，它導(dǎo)致巖體力學(xué)性能的不連續(xù)性、不均一性和各向異性。只有掌握巖體的結(jié)構(gòu)特征，才有可能說明巖體不同荷載下內(nèi)部的應(yīng)力分布和應(yīng)力狀況。⑵巖體的結(jié)構(gòu)特征對巖體在一定荷載條件下的變形破壞方式和強度特征起著重要的控制作用。巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面，常常成為決定巖體穩(wěn)定性的控制面，各結(jié)構(gòu)面分別為確定壩肩巖體抗滑穩(wěn)定的分割面和滑移控制面。⑶靠近地表的巖體，其結(jié)構(gòu)特征在很大程度上確定了外營力對巖體的改造進程。這是由于結(jié)構(gòu)面往往是風(fēng)化、地下水等各種外營力較活動的部位，也常常是這些營力的改造作用能深入巖體內(nèi)部的重要通道，往往開展為重要的控制面?？傊?，對巖體的結(jié)構(gòu)特征的研究，是分析評價區(qū)域穩(wěn)定性和巖體穩(wěn)定性的重要依據(jù)。研究結(jié)構(gòu)面最關(guān)鍵的是研究各類結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律、發(fā)育密度、外表特征、連續(xù)特征以及它們的空間組合形式等。1.2巖體結(jié)構(gòu)特征及主要類型1.2.1結(jié)構(gòu)面的主要類型及特征

結(jié)構(gòu)面的成因分類：原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面及淺表生結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面：層理，層面，軟弱夾層，不整合面，原假整合面，古沖刷面等。生火成結(jié)構(gòu)面：侵入體與圍巖接結(jié)觸面，巖脈、巖墻接觸面，噴出巖構(gòu)的流線、流面，冷凝節(jié)理面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：片理，片麻理，板劈理，片巖軟弱夾層。構(gòu)節(jié)理〔X型節(jié)理，張節(jié)理〕造結(jié)斷層〔正斷層，逆斷層，走滑斷層〕構(gòu)面層間錯動帶，羽狀裂隙，破劈理。

淺部卸荷斷裂淺結(jié)、構(gòu)重力擴展變形破裂表面生結(jié)表卸荷裂隙構(gòu)部風(fēng)化裂隙面結(jié)風(fēng)化夾層構(gòu)泥化夾層面次生夾泥

結(jié)構(gòu)面規(guī)模等級劃分：按其對巖體力學(xué)行為所起控制作用，可劃分為三個等級，即貫穿性宏觀軟弱面〔A類〕；顯現(xiàn)結(jié)構(gòu)面〔B類〕；和隱微結(jié)構(gòu)面〔C類〕。

類型主要特征力學(xué)性質(zhì)代表性結(jié)構(gòu)面A.貫通性宏觀結(jié)構(gòu)面連續(xù)性好，延伸方向確定，通常具一定厚度與方向破壞巖體的連續(xù)性，構(gòu)成巖體力學(xué)性質(zhì)作用邊界，控制巖體變形破壞方向，穩(wěn)定性計算的邊界層面，軟弱夾層，斷層面或斷層破碎帶B.顯現(xiàn)結(jié)構(gòu)面硬性結(jié)構(gòu)面，隨機斷續(xù)分布，延伸長度米級-數(shù)十米，具有統(tǒng)計優(yōu)勢方位破壞巖體的完整性，使巖體力學(xué)性質(zhì)具各向異性特征，影響巖體變形破壞方式各類原生和構(gòu)造裂隙，表生破裂結(jié)構(gòu)面C.隱微結(jié)構(gòu)面短小閉合，長度從毫米級至厘米級，隨機分布可有統(tǒng)計優(yōu)勢方位影響巖塊的強度和變形破壞特征巖石的隱微裂隙1.2.2巖體分類1.2.2.1巖體結(jié)構(gòu)分類按建造特征可將巖體劃分為塊體狀〔或整體狀〕結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎塊狀結(jié)構(gòu)和散體狀結(jié)構(gòu)等類型。塊體狀結(jié)構(gòu)：代表巖性均一，無軟弱面的巖體，含有的原生結(jié)構(gòu)面具有較強的結(jié)合力，間距大于1m。通常出現(xiàn)在厚層的碳酸鹽巖、碎屑巖；花崗巖、閃長巖；原生節(jié)理不太發(fā)育的流紋巖、安山巖、玄武巖、凝灰角礫巖中等。

塊體結(jié)構(gòu)：代表巖性較均一，含有2-3組較發(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體，結(jié)構(gòu)面間距1～0.5m。成巖裂隙較發(fā)育的厚層砂巖或泥巖，槽狀沖刷面發(fā)育的河流相砂巖體等沉積巖，原生節(jié)理發(fā)育的火山巖體等。層狀結(jié)構(gòu)：代表一組連續(xù)性好，抗剪性能顯著較低的軟弱面的巖體，一般巖性不均一?？蛇M一步分為層狀〔軟弱面間距50～30cm〕，薄層狀〔間距小于30cm〕。還可以據(jù)不均一程度劃分出軟硬相間的互層狀結(jié)構(gòu)。碎塊狀結(jié)構(gòu)：代表含有多組密集結(jié)構(gòu)面的巖體，巖體被分割成碎塊狀，以某些動力變質(zhì)巖為典型，如溪洛渡泡灰?guī)r。另外按巖體的改變程度可劃分為完整的、塊裂化或板裂化，碎裂化、散體化的等四個等級。1.2.2.2巖體的工程分類工程應(yīng)用分類是以巖體穩(wěn)定性或巖體質(zhì)量評價為根底的分類。為綜合性分類，目前主要考慮三方面因素的指標(biāo)：即與巖石工程性質(zhì)有關(guān)的指標(biāo)〔力學(xué)性質(zhì)〕、巖體后期改造有關(guān)的指標(biāo)(巖體結(jié)構(gòu))和巖體賦存條件方面的指標(biāo)〔地下水或地應(yīng)力〕。通常有:RMR(賓尼亞斯基分類，Bieniawski);

巴頓的Q分類;谷德振的巖體質(zhì)量指標(biāo)Z系統(tǒng)分類〔1979〕。(見表1-3。)

分類方案巖體質(zhì)量指標(biāo)計算公式及方法參數(shù)RMR系統(tǒng)RMR=A+B+C+D+E+F和差綜合法〔并聯(lián)系統(tǒng)〕〔T.Bieniawski,1973)A—巖石強度〔點荷載.單軸壓)分?jǐn)?shù)15—0B—RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo)〕分?jǐn)?shù)20—3D—不連續(xù)面性狀〔粗糙—夾泥〕分?jǐn)?shù)30—0C—不連續(xù)面間距〔>2m—<3m)分?jǐn)?shù)20—5E—地下水〔枯燥—流動〕分?jǐn)?shù)15—0F—不連續(xù)面產(chǎn)狀條件〔很好—很差〕分?jǐn)?shù)0—-12等級劃分I很好RMR100—81II好RMR80—61III中等RMR60—41IV差RMR40—21V很差RMR<=20RSR系統(tǒng)RSR=A+B+C和差綜合法〔并聯(lián)系統(tǒng)〕〔G.Wickham,1974)A—地質(zhì)〔巖石類型：按三大巖類由硬質(zhì)至破碎劃分四個等級。構(gòu)造由整體—強烈斷裂褶皺分為四等〕，分?jǐn)?shù)30—6B—節(jié)理裂隙特征〔按整體至極密集分為6個等級，按走向傾角與掘進方向關(guān)系折減〕分?jǐn)?shù)45—7C—地下水〔無至大量〕分?jǐn)?shù)25—6RSR的變化范圍25—100Q系統(tǒng)Q=RQD/Jn

.Jr/Ja

.Jw/SRF乘積法串聯(lián)系統(tǒng)〔Baton,1974)RQD—巖石質(zhì)量指標(biāo)0—100Jn—裂隙組數(shù)，無裂—破裂，0.5—20Jr—裂隙粗糙度，粗糙—鏡面，4—0.5Ja—裂隙蝕變程度，新鮮—蝕變夾泥，0.75—20Jw—裂隙水折減系數(shù)，枯燥—特大水流，1—0.05SRF—應(yīng)力折減系數(shù)，表示洞室開挖中巖性和地應(yīng)力對圍巖抗變形能力的折減，高者可達20〔高應(yīng)力狀態(tài)巖石趨于流動〕，低者2.5〔接近地表的堅硬巖石〕

很好Q400—1000極好Q100—400

很好Q40—100好Q10—40一般Q4—10壞Q1—4很壞Q0.1—1壞Q0.01—0.1特壞Q0.001—0.01Z系統(tǒng)Z=I.f.R乘積法〔串聯(lián)系統(tǒng)〕谷德振，1979I—完整性系數(shù)，I=V2m/V2rVm—巖體中縱波速Vr—巖石中縱波速f—結(jié)構(gòu)面抗剪強度系數(shù)R—巖石鞏固系數(shù)〔為巖石濕單軸抗壓強度的百分之一〕Z的變化范圍為0.01—20表1—3巖體質(zhì)量分類代表性方案1.2.2.3分類標(biāo)準(zhǔn)的定量化—巖體質(zhì)量指標(biāo)70年代以來巖體分類中采用了“巖體質(zhì)量指標(biāo)〞或“綜合特征指標(biāo)〞來判別巖體性能的優(yōu)劣，因而含有這類指標(biāo)的分類又被稱為巖體質(zhì)量分級，如上所述的RMR、Q和Z系統(tǒng)。分類中有了定量指標(biāo)作為依據(jù)，更便于將作過詳細(xì)勘探測試研究的場地的經(jīng)驗和成果應(yīng)用于研究程度較差或處于勘探初級階段的工地，從而到達簡化或減少勘探程序和工作量的目的。

分類中，為了探討不同分類方案之間的相關(guān)性，魯弗里奇等根據(jù)新西蘭多個工程的經(jīng)驗，對RMR、RSR和Q系統(tǒng)三者得出的如下關(guān)系式：RMR=1.35lgQ+43RSR=0.77RMR+12.4RSR=13.3lgQ+46.5

1.3巖體原生結(jié)構(gòu)特征的巖相分析巖相的橫向變化引起巖性及厚度的變化，從而引起巖體的力學(xué)性質(zhì)在橫向上的差異性。充分了解巖相變化可以更好地提供面上資料，為工程建設(shè)效勞。1.3.1河流相沉積巖巖體結(jié)構(gòu)特征的巖相分析⑴：主要相模式及其工程地質(zhì)特征①高彎度河流沉積相模式及該相巖體的主要工程地質(zhì)特征坡降緩，彎度大，流態(tài)穩(wěn)定，水流較深，單向環(huán)流為主。其主要工程特征有：a.巖體具層狀或軟硬相間互層狀結(jié)構(gòu)特征；b.砂巖體抗風(fēng)化性能弱，強度具明顯自下而上的遞變規(guī)律如四川白堊系紅層的砂巖。②辮狀〔游蕩型〕河流沉積相模式特點：坡降陡，河床不穩(wěn)定，彎度小，水淺，流態(tài)不穩(wěn)定，具復(fù)雜環(huán)境的河流沉積模式。巖體主要工程地質(zhì)特征：a.巖體具層狀或塊狀結(jié)構(gòu)特征：巖體中以含泥砂礫的滯留礫石層為其主要軟弱層，斷續(xù)分布，起伏差大，多呈槽狀；b.砂巖體具較高的抗風(fēng)化能力和強度。⑵.巖體原生結(jié)構(gòu)特征的亞相、微相分析a.軟弱夾層的亞相、微相分析b.砂巖體中原生結(jié)構(gòu)面的微相分析。1.3.2變質(zhì)巖巖體結(jié)構(gòu)特征的巖相分析1.3.2.1葉理發(fā)育程度的巖相分析及其應(yīng)用變質(zhì)巖葉理質(zhì)量分級可以為評價變質(zhì)巖巖體工程地質(zhì)特性提供了重要依據(jù)。具體來說，葉理指標(biāo)可對同一地區(qū)或不同地區(qū)類型巖石的葉理發(fā)育程度〔表1-5〕作出比照評價，還可用于定量評價巖石〔體〕的各向異性特征，通過相關(guān)分析，作為確定巖石〔體〕某些重要力學(xué)參數(shù)的依據(jù)。葉理指標(biāo)還可作為巖體潛在剪動〔滑動〕帶演變程度的判據(jù)。1.3.2.2變質(zhì)軟弱巖帶的巖相分析及其應(yīng)用：

①.

軟弱巖帶工程地質(zhì)特征的演化分析a.

空間展布特征受氣—液通道斷裂控制b.

斷裂的演化經(jīng)歷確定了變質(zhì)巖帶的力學(xué)特征c.

表生改造確定了變質(zhì)巖性能的近期變化②.

軟弱巖帶巖體質(zhì)量分級中的巖相分析對巖石展開薄片巖相鑒定、X射線衍射分析、有效空隙率、彈性波速、磁化率、傳導(dǎo)率和有關(guān)力學(xué)實驗，證明變質(zhì)巖的蝕變程度可以作為巖體分級的一個重要依據(jù)。1.4巖體構(gòu)造結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)力學(xué)分析1.4.1構(gòu)造斷裂的根本組合模式⑴.根據(jù)構(gòu)造斷裂組合規(guī)律去分析評價區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性或巖體穩(wěn)定性具有重大影響的構(gòu)造結(jié)構(gòu)特征。⑵.通過追溯應(yīng)力場演變史來說明具有復(fù)雜歷史的構(gòu)造斷裂的工程地質(zhì)性質(zhì)。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的現(xiàn)代研究，提出按變形(破壞)力學(xué)機制對構(gòu)造斷裂進行分類(Mattauer等，1980)，將其劃分為剪切(shearing)，代表斷層和與斷層相伴的張性拉裂(fracturiug)；彎曲(bending)，代表柔性“同心〞或“平行〞褶皺；壓扁(flattening)，代表強烈擠壓條件下劈理、葉理等韌性變形；流動〔flowing)代表高溫條件下巖石呈固熔狀態(tài)的粘滯流動變形。構(gòu)造斷裂的形成過程，表現(xiàn)為兩種機制類型的組合。通常隨深度加深和溫度增高，呈如下序列：剪切或拉裂拉裂與彎曲彎曲彎曲與壓扁壓扁壓扁與流動流動。

1.4.2大型推覆構(gòu)造巖體結(jié)構(gòu)特征分析龍門山中北段推覆構(gòu)造發(fā)育，按構(gòu)造分區(qū)，可將巖體劃分成厚皮構(gòu)造、薄皮構(gòu)造和接觸擾動帶。2.4.2.1厚皮構(gòu)造結(jié)構(gòu)特征這一帶巖體主要由高角度的逆斷層推至接近地表的中下構(gòu)造層物質(zhì)組成。以塑性、韌性變形破裂為主，疊加接近地表處所產(chǎn)生的脆性破裂。具體特征為〔1〕系列陡傾逆沖斷裂構(gòu)成巖體個宏觀格架。〔2〕變質(zhì)巖以壓扁流動形成的密集片理化為其主要特征?！?〕巖漿巖以S型花崗巖為典型代表，屬地殼重溶型〔與逆沖斷層摩擦熱有關(guān)〕巖漿巖中韌性斷裂和其他類型類型動力變質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。上述特征也是這一帶巖體遭受風(fēng)化，并在重力作用下容易發(fā)生變形破壞的重要原因。較完整的巖漿巖可儲藏很高的彈性應(yīng)變能，在區(qū)域剝蝕和現(xiàn)代地貌形成過程中，容易產(chǎn)生應(yīng)變能釋放而造成的淺表生變形破裂結(jié)構(gòu)。1.4.2.2薄皮構(gòu)造巖體結(jié)構(gòu)特征這一帶以彎曲和剪切造成的淺部褶皺斷裂為其主要特征，伴有表部重力滑動構(gòu)造。具體特征為：〔1〕系列上疊式弧型斷裂構(gòu)成巖體的宏觀格架?！?〕淺部巖層強烈彎曲褶皺，層間錯動發(fā)育。錯動在硬軟接觸面尤為明顯，削弱了層間聯(lián)結(jié)能力和抗剪強度，成為巖體在重力場條件下變形破壞的重要控制面。1.4.3伸展帶巖體結(jié)構(gòu)特征分析裂谷是區(qū)域隆起背景上以斷陷谷為特征的大型復(fù)雜地塹系；如大洋裂谷、大陸裂谷和陸間裂谷?！?〕裂谷深部斷裂的根本形式斷裂根本模式〔見圖〕〔2〕裂谷區(qū)覆蓋巖體結(jié)構(gòu)特征上述不同模式斷裂系統(tǒng)的近期活動，在區(qū)域穩(wěn)定性分析中具有重要的意義。如它對淺表層巖體構(gòu)造結(jié)構(gòu)的形成和演化的控制作用。第一類斷裂模式，蓋層結(jié)構(gòu)以垂向或陡傾大斷裂為分割邊界，呈明顯分帶或分塊特征，裂網(wǎng)絡(luò)受深部斷裂格架控制，拉張最強烈的部位往往出現(xiàn)在地幔隆起軸附近。第二類斷裂模式，蓋層隨裂谷擴展而出現(xiàn)拉張破裂，但斷裂網(wǎng)絡(luò)并不一定與深部斷裂相吻合。拉張最強烈的部位往往出現(xiàn)在裂谷的一側(cè)(如圖1一17模式b的東側(cè))，或兩側(cè)〔如模式C〕1.4.4走滑斷裂區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征分析〔1〕走滑斷裂的根本組合模式典型的走滑斷裂系統(tǒng)發(fā)育在相對穩(wěn)定的地塊中，也可于板塊轉(zhuǎn)換斷層接觸帶，它是最大、最小主應(yīng)力近于水平的地應(yīng)力環(huán)境下的產(chǎn)物，大多屬于脆性剪切破裂。按地質(zhì)力學(xué)觀點，斷裂組合可有多種形式，但某一主干斷層與其伴生的不同次序的斷裂的組合形式，可視為根本模式。巴杰利〔1959〕曾提出一對共額走滑斷層與各序次斷裂共生組合的理想模式〔圖1-19〕。80年代以來大量調(diào)查證明，實際情況要復(fù)雜一些〔圖1-20〕1.5巖體結(jié)構(gòu)特征的統(tǒng)計分析結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計主要統(tǒng)計優(yōu)勢方位，間距，長度，連續(xù)率等。結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計中由于А類規(guī)模大，一般都有專題研究，C類結(jié)構(gòu)面規(guī)模小，具體反映在巖塊或大試件試驗成果中。而B類結(jié)構(gòu)面適合野外實測，即在巖體中目測的裂隙系統(tǒng)。有多種測量方法，如巖心裂隙測量法〔RQD〕，取樣狀窗法〔samplingwindow〕，又可稱為面積測量方法和路線精測法〔linescaning〕。實踐說明，路線精測法較為完整。為了客觀反映統(tǒng)計數(shù)據(jù)的正確性，需要進行資料校正〔P34、35〕通常要進行兩方面的校正：①.長度校正N'校正后的數(shù)目，N實測數(shù)，Ls長線段，Ln實測長度。②.方位校正〔圖中符號見圖1-29〕2.5.2巖體結(jié)構(gòu)特征量化模式程序 以校正后的資料為根底，建立巖體的定量化模式，其程序見圖1-30。1.5.3巖體結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢方位統(tǒng)計分析通常采用系統(tǒng)測量節(jié)理數(shù)據(jù)，然后用DIPS程序進行處理，求出結(jié)構(gòu)面相關(guān)等密度。2.5.4結(jié)構(gòu)面的平均間距、長度和連續(xù)率的統(tǒng)計分析①.平均間距綜合各測線，即得平均間距為：其倒數(shù)定義為結(jié)構(gòu)面的密度：②.結(jié)構(gòu)面平均長度③.結(jié)構(gòu)面的平均間斷長和連續(xù)率現(xiàn)場實測結(jié)構(gòu)面的平均長度和平均間斷長i，那么可判斷結(jié)構(gòu)面的平均連續(xù)率： 結(jié)構(gòu)面的連續(xù)率為：第二章地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)2.1根本概念及研究定義2.1.1巖體應(yīng)力的一些根本概念地殼巖體內(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(xué)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)，因挖除局部巖體或增加結(jié)構(gòu)面而引起的應(yīng)力，稱為感生應(yīng)力。

按成因，可對構(gòu)成巖體應(yīng)力的各組分作如下分類：巖體應(yīng)力：天然應(yīng)力和初始應(yīng)力〔virginalstress〕自重應(yīng)力〔gravitationalstress〕構(gòu)造應(yīng)力〔tectonicstress〕活動的〔activetectonicstress〕剩余的〔residualtectonicstress〕變異及剩余應(yīng)力〔alteredandresidualstress〕感生應(yīng)力〔inducedstress〕

⑴.自重應(yīng)力：在重力場作用下生成的應(yīng)力為自重應(yīng)力。在地表近水平的情況下，重力場在巖體內(nèi)的某一任意類形成相當(dāng)于上覆巖層重量的垂直正應(yīng)力σv。σv=γh〔r為巖石的容重；h為該點的埋深；σv相當(dāng)于該點三向應(yīng)力中的最大主應(yīng)力。〕由于泊松效應(yīng)〔即側(cè)向膨脹〕造成水平正應(yīng)力σh，相當(dāng)于三向應(yīng)力中的最小應(yīng)力：

〔μ為巖體的泊松比，N。稱為巖體的側(cè)壓力系數(shù)?！?/p>

對于大多數(shù)堅硬巖體：μ為0.2～0.3，即N。為0.25～0.43。對于半堅硬巖體:N。大于0.43；而且當(dāng)上覆荷載大，下伏巖體呈塑流時，μ接近0.5，N。近于1，也就是說該點近于靜水平應(yīng)力狀態(tài)。⑵構(gòu)造應(yīng)力巖石圈運動在巖體內(nèi)形成的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力又可稱為活動構(gòu)造應(yīng)力和剩余構(gòu)造應(yīng)力?；顒訕?gòu)造應(yīng)力，即狹義的地應(yīng)力，是地殼內(nèi)現(xiàn)在正在積累的能夠?qū)е聨r石變形和破裂的應(yīng)力。剩余的構(gòu)造應(yīng)力是古構(gòu)造運動殘留下來的應(yīng)力。⑶變異及剩余應(yīng)力變異應(yīng)力：巖體的物理、化學(xué)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(xué)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。剩余應(yīng)力：承載巖體遭受卸荷或局部卸荷時，巖體中某些組分的膨脹回彈趨勢局部地受到其他組分的約束，于是就在巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成剩余的拉、壓應(yīng)力自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，此即剩余應(yīng)力。2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)類型目前有三種觀點：⑴由瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆于1905-1912年提出的，他以巖體具有蠕變的性能為依據(jù)，認(rèn)為地殼巖體任一類的應(yīng)力都是各向相等的，均等于上覆巖層的自重，即：σx=σy=σv=rh⑵垂直應(yīng)力為主的觀點基于彈性理論提出的，認(rèn)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。⑶水平應(yīng)力為主的觀點近年來，大量的震源機制資料和應(yīng)力實測資料清楚地揭示出地殼巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)存在著不同的類型，其中包括以下三種典型情況：①.中間主應(yīng)力近于垂直，最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3近于水平，我國的大多數(shù)地區(qū)如邢臺、新豐江、丹江口以及西南南北向構(gòu)造均屬這種類型。在這種應(yīng)力狀態(tài)下，如果發(fā)生破壞〔或再活動〕是沿走向與最大主壓應(yīng)力成約30°～40°左右交角的陡立面產(chǎn)生走向滑動性的斷裂活動，此類三向應(yīng)力狀態(tài)稱為潛在走向滑動型。②.最小主應(yīng)力軸σ3近于垂直，最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力軸近于水平。喜媽拉雅的前緣地區(qū)屬于這種類型。在此種應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的破壞，是逆斷型的，即沿走向與最大主應(yīng)力垂直的剖面X裂面產(chǎn)生逆斷活動，故可稱為潛在逆斷型。③應(yīng)力場中的最大主應(yīng)力軸σ1垂直，其余兩主應(yīng)力水平分布。在地處大洋中脊軸部地帶的冰島地區(qū)測得的三向應(yīng)力狀態(tài)就是這種類型。此應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的破壞〔或再活動〕，是沿走向與最小主應(yīng)力軸相垂直的面，發(fā)生正斷性質(zhì)的活動，故可稱為潛在正斷型。上述為三種典型情況，大多數(shù)地區(qū)接近其中某一種，有些地區(qū)應(yīng)力狀態(tài)屬主應(yīng)力軸傾斜的過度類型?？傊罅繉崪y資料說明，世界上大多數(shù)地區(qū)巖體內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)是以水平應(yīng)力為主。2.1.3研究意義地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)與人類的工程活動關(guān)系極大，它不僅是決定區(qū)域穩(wěn)定性的重要因素，而且往往對各類建筑物的設(shè)計和施工造成直接的影響。實踐說明，在高應(yīng)力區(qū)，地表、地下工程施工期間所進行的巖體開挖工作，往往能在巖體內(nèi)引起一系列與卸荷回彈和應(yīng)力釋放相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象，其結(jié)果是不僅會惡化地基或邊坡巖體的工程地質(zhì)條件，而且作用的本身有時也會對建筑物造成直接的危害。地殼開挖導(dǎo)致的巖體變形和破壞主要有以下幾種類型：⑴基坑底部的隆起、爆裂和沿已有結(jié)構(gòu)面的逆沖錯動。

⑵邊墻向臨空方向的水平位移和沿已有的近水平的結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯動。⑶邊墻或邊坡巖體的傾斜。地下開挖產(chǎn)生的巖體變形和破壞也有不同的類型：⑴拱頂裂縫掉塊； ⑵邊墻內(nèi)鼓張裂；⑶底鼓及中心線偏移； ⑷施工導(dǎo)坑縮徑。此外，修建高壩、大型水庫和深大的地下硐室等，常能在更大范圍內(nèi)天然應(yīng)力的平衡，引起一系列諸如斷層復(fù)活、水庫地震以及大型巖爆等嚴(yán)重危害建筑物和人民生命財產(chǎn)的工程地質(zhì)作用。對于天然巖體應(yīng)力狀態(tài)的研究，是工程地質(zhì)工作者的一項重要任務(wù)。

2.2影響巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的主要因素及其作用2.2.1地區(qū)地質(zhì)條件及巖體所經(jīng)歷的地質(zhì)歷史對巖天然狀態(tài)的影響⑴巖體的巖性及結(jié)構(gòu)特征對天然巖體應(yīng)力狀態(tài)形成的影響。a：巖體的巖性及結(jié)構(gòu)特征決定著巖體的容重〔γ〕和泊松比〔μ〕等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的大小，從而影響自重應(yīng)力場特征〔σv=γh〕。b：在統(tǒng)一區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖體內(nèi)應(yīng)力分布的特征主要取決于巖性、結(jié)構(gòu)特征及其非均一性。c:巖體的巖性和結(jié)構(gòu)特征決定著巖體的強度及其蠕變特征，因而決定了巖體承受及傳遞應(yīng)力的能力。⑵構(gòu)造作用及其演變歷史對巖體天然應(yīng)力狀態(tài)形成的影響。統(tǒng)計說明活動的構(gòu)造應(yīng)力對世界上大局部地區(qū)巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)起著決定性的作用，而剩余構(gòu)造應(yīng)力作用僅局限于一些地區(qū)。⑶區(qū)域卸荷作用對地殼表層巖體應(yīng)力狀態(tài)形成的影響。區(qū)域性的地表剝蝕卸荷作用在增大某些巖體內(nèi)的水平應(yīng)力方面有著重要的作用。對于侵入體，當(dāng)巖體侵入時，由于巖體呈熔融狀態(tài)侵入地下一定深處，其中的應(yīng)力呈靜水應(yīng)力式分布。如以下圖所示：AB為原始地面，那么巖體內(nèi)任一深度h0+h處的P點的應(yīng)力為：σh=σv=γ(h0+h)此后，巖體經(jīng)剝蝕而出露地表。隨著巖體剝蝕卸荷，巖體內(nèi)的應(yīng)力隨之而變化，但垂直應(yīng)力σv與水平應(yīng)力σh的變化幅度不同。假定剝蝕厚度為h0，那么上述P點處的σv和σh分別變?yōu)椋害襳=γ(h0+h)-γh0=γhσh=γ(h0+h)-μ/(1-μ)×γh0=γh-((1-2μ)/(1-μ))×γh0(a)可見地表卸荷在增大侵入巖體內(nèi)水平應(yīng)力方面起了重要作用。但卸荷作用在巖體內(nèi)造成的高水平應(yīng)力不具方向性，即σx=σy，所以與構(gòu)造作用造成的各向不等的高水平應(yīng)力區(qū)區(qū)別明顯。

巖體內(nèi)自由臨空面附近的應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用巖體內(nèi)自由臨空面附近的應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用是促使巖體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜化的另一個重要因素。巖體內(nèi)的自由臨空面包括地表的和地下的兩類，前者主要是地表水流的切割造成的；而后者那么與各種成因的地下洞穴的形成有關(guān)。河谷下切所引起的應(yīng)力變化有以下幾條規(guī)律：⑴主應(yīng)力方向在河谷臨空面附近發(fā)生明顯的變化：最大主應(yīng)力與臨空面近于平行，而最小主應(yīng)力那么與之近于垂直。⑵最大主應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸增大，至臨空面到達最大值，而最小主應(yīng)力那么恰好相反，即由內(nèi)向外逐漸減少，至臨空面處變?yōu)榱?，有時甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力。與此相聯(lián)系，剪應(yīng)力在臨空面附近，特別是在下部坡腳處，顯著增大。錦屏河谷下切后最大主應(yīng)力分布錦屏河谷下切后剪應(yīng)力分布圖⑶通常將最大主應(yīng)力〔或剪應(yīng)力〕在臨空面附近增大〔或減少〕的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中，而將變化后的主應(yīng)力與初始應(yīng)力之比稱為應(yīng)力集中系數(shù)。臨空面附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象通常在坡腳處及河谷底部表現(xiàn)得最為強烈，可達原始應(yīng)力場中水平應(yīng)力的三倍。

因此，在高應(yīng)力區(qū)，河谷臨空面附近的應(yīng)力集中，往往使周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力〔特別是坡腳和谷底〕超過其強度，使巖體發(fā)生破裂變形，生成各類表生結(jié)構(gòu)面。而表層巖體內(nèi)的應(yīng)力又因釋放而降低，圍繞河谷臨空面形成一個應(yīng)力降低帶，高應(yīng)力集中區(qū)那么向巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移。值得一提的是，垂直于最大主應(yīng)力的河谷段，臨空面附近的應(yīng)力集中程度要比平行于最大主應(yīng)力的河谷段高得多。

模型Ⅰ表示的是兩長一短的彈簧被同時固定在兩端的夾具之間。這樣A、B兩類彈簧因發(fā)生了彈性變形而處于不同的受力狀態(tài)。但是A類彈簧受到的是壓縮變形，內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力；而B彈簧那么因處于引張狀態(tài)而產(chǎn)生拉應(yīng)力。體系內(nèi)上述兩類應(yīng)力的總和彼此相等，故而整個體系在外荷載為零的情況下處于內(nèi)力平衡狀態(tài)。2.2.3巖體切割面附近的剩余應(yīng)力效應(yīng)非均質(zhì)的承載巖體，卸荷后，天然巖體內(nèi)形成自我平衡的剩余應(yīng)力體系，可用圖Ⅰ及圖Ⅱ所示的力學(xué)模型來表示。模型I然而，天然巖體大多是一種粘-彈性介質(zhì)，更符合于Ⅱ圖所示的沃依特流變模型。與模型Ⅰ不同的是，以阻尼器〔粘滯性約束元件〕代替彈性約束元件B彈簧。因粘滯元件具有流變性，故隨著時間的推移，其內(nèi)部的拉應(yīng)力將不斷降低，從而導(dǎo)致整個應(yīng)力體系的松弛。所以，從整體來看，這類剩余應(yīng)力體系始終處于內(nèi)力緩慢降低的動平衡之中。力學(xué)模型II在自我平衡的剩余應(yīng)力體系中，起主導(dǎo)作用的是約束元件，正是由于它的存在，剩余應(yīng)力的形成才成為可能。“約束元件〞一旦喪失其約束能力〔例如當(dāng)拉應(yīng)力超過其抗拉強度時〕，束縛于體系內(nèi)的剩余應(yīng)變能就會突然而猛烈地以膨脹回彈和生成垂直于卸荷方向的引張裂面的方式釋放出來，對以該巖體為地基或環(huán)境的結(jié)構(gòu)物發(fā)生影響或危害。2.3我國地應(yīng)力場的空間分布及隨時間變化的規(guī)律2.3.1地應(yīng)力場的空間分布及其與板塊運動的關(guān)系2.3.1.1我國地應(yīng)力場的空間分布特點〔1〕各地最大主應(yīng)力的發(fā)育呈明顯的規(guī)律性各地的σ1方向均與由各該點向我國的察隅和巴基斯坦的伊斯蘭堡聯(lián)線所構(gòu)成的夾角等分線方向相吻合或相近似，僅在兩側(cè)邊緣地帶略有偏轉(zhuǎn)，即東側(cè)向順時針偏轉(zhuǎn)，西側(cè)向逆時針偏轉(zhuǎn)?！?〕三向應(yīng)力狀態(tài)及其所決定的現(xiàn)代構(gòu)造活動類型呈有規(guī)律的空間分布：①潛在逆斷型應(yīng)力狀態(tài)區(qū)主要分布于喜馬拉雅山前緣一帶，其主要特點是兩個水平主應(yīng)力均大于垂直主應(yīng)力?！拨?垂直，σ1和σ2水平〕②潛在走滑型應(yīng)力狀態(tài)區(qū)主要分布于我國中西部廣闊地區(qū)，其主要特點是只有一個水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力，具中等擠壓區(qū)的特征。。〔σ2垂直，σ1和σ3水平〕③潛在正斷型和張剪性走滑應(yīng)力狀態(tài)區(qū)主要分布于我國的東部和東北部，其主要特點是：區(qū)內(nèi)新生代以來正斷層與地塹或斷陷盆地十分發(fā)育，發(fā)育方向NE、NEE，推積厚度數(shù)千米；區(qū)內(nèi)KZ堆積具雙層結(jié)構(gòu)(圖2-20)，E充填斷陷盆地，N-Q掩埋了E時期的地塹和地壘，形成了現(xiàn)代的低平的平原地形，橫向差異??；區(qū)內(nèi)地震由兩個方向斷裂引起，即NNE向斷裂的右旋兼張性活動和NNW向斷裂的左旋兼張性活動。

衛(wèi)星影象及天然地震的震源機制資料還揭示，在西藏高原內(nèi)腹，還存在著一個局部潛在正斷型應(yīng)力分布區(qū)(圖2—19)。該區(qū)內(nèi)廣泛地發(fā)育著可能是新生代形成的近南北向的正斷層和地塹式的斷陷谷地。該區(qū)天然地震的震源機制也大多屬正斷層，且主拉應(yīng)力軸為近東西(圖2—21)。2.3.1.2地應(yīng)力場的形成與板塊運動的關(guān)系我國大局部地區(qū)最大主應(yīng)力方向和量值的上述變化規(guī)律，完全是由印度板塊與歐亞板塊的碰撞、擠壓所導(dǎo)致的。一般認(rèn)為，白堊紀(jì)末印度板塊從西南向北北東方向推移，并在始新世中期末，即大約距今3800萬年前與歐亞板塊相碰撞〔對接〕。此后印度板塊仍以每年約5cm的速度向北北東方向推進，這樣一種巨大而持續(xù)的板塊間的相互作用是控制我國西部地區(qū)地應(yīng)力場的決定性因素；在同一時期，東部太平洋板塊和菲律賓海板塊那么分別從北東東和南東方向向歐亞大陸之下俯沖，從而分別對我國華北和華南地區(qū)地應(yīng)力場的形成產(chǎn)生重大影響；并認(rèn)為華北地區(qū)目前處于太平洋板塊俯沖帶的內(nèi)側(cè)，大洋扳塊俯沖引起地幔內(nèi)高溫、低波速的熔融或半熔融物質(zhì)上涌并擠入地殼，使地殼受拉而變簿，外表發(fā)生裂谷型斷裂作用，這樣形成的北西一南東向拉張和太平洋板塊于上地幔深處對歐亞板塊所造成的南西西向的擠壓相結(jié)合，就決定了華北地區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力場和最新構(gòu)造活動的特征。2.3.2斷裂帶附近的局部構(gòu)造應(yīng)力集中作用

⑴一般規(guī)律對于一個三向受力的巖體，那些與最大主應(yīng)力成30°～40°左右交角的斷裂，特別是這類方向的雁行式或斷續(xù)直線式排列的斷裂組，應(yīng)力集中程度最高。特別是在斷裂端點、首尾錯列段、局部拐點、分枝點或與其它斷裂的交匯點，總之一切能對繼續(xù)活動起阻礙作用的地方，都是應(yīng)力高度集中的部位，所以這些地方常成為強震發(fā)生的特殊部位。

⑵局部構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)的發(fā)育與活斷層的關(guān)系活斷層或活動斷塊的特定部位，往往形成很高的局部構(gòu)造應(yīng)力集中地區(qū)。(對照圖2-23講解)2.3.3地應(yīng)力隨時間變化與地殼巖應(yīng)變速率的關(guān)系⑴地殼巖體的應(yīng)力-應(yīng)變性狀與應(yīng)變速率間的關(guān)系。伊藤、熊谷等人的研究說明：巖體的應(yīng)變速率是決定粘彈性介質(zhì)力學(xué)性狀的主要因素。當(dāng)應(yīng)變速率C小于某臨界值C0時(對于實驗的花崗巖C0=10-13—10-14/S)，巖體在受力初期隨應(yīng)變的增大而發(fā)生應(yīng)力積累，但當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度時，應(yīng)力就不再增大，而變形那么不斷增大，即進入粘性流動階段，但不發(fā)生破壞。但當(dāng)C大于C0時，那么巖體的性狀近于彈性，即隨著應(yīng)變的開展，巖體內(nèi)的應(yīng)力不斷增大，最終導(dǎo)致突然的破壞。

在統(tǒng)一的區(qū)域構(gòu)造力的作用下，巖體內(nèi)部的應(yīng)變速率和沿斷裂帶的應(yīng)變速率通常是不同的，一般是前者小于后者。在天然條件下就可能出現(xiàn)三種不同的組合情況。

①當(dāng)區(qū)域構(gòu)造力的作用使巖體的應(yīng)變速率CR大于臨界應(yīng)變速率C0時〔此時CF必然大于C0〕，地殼巖體整個處于彈性狀態(tài)，隨著變形的開展，巖體內(nèi)部及沿斷裂帶的應(yīng)力不斷增高，到達一定程度發(fā)生破壞。破壞即可沿已有的斷裂發(fā)生，也可在巖體內(nèi)部發(fā)生，歷史上巖石圈遭受強烈運動時會出現(xiàn)這種情況。據(jù)計算，在30km深度C=10ˉ13/s的應(yīng)變速率，大體相當(dāng)于地表隆起速度為5cm/a。(2)當(dāng)區(qū)域構(gòu)造力的作用使巖體的應(yīng)變速率CR介于C0和某一臨界值Ca(相當(dāng)于使巖體內(nèi)方向有利的斷裂帶的CF=C0時〔此時CR<C0〕的巖體應(yīng)變速率，見圖2—28(a))之間，即C0>CR>Ca。(如圖2—28(a)中的②區(qū))時，那么巖體本身的力學(xué)性狀與斷裂帶不同：巖體本身，因其應(yīng)變速率CR<C0，故隨應(yīng)變、應(yīng)力的開展很快進入粘性變形階段，沿最大受力方向產(chǎn)生粘性的壓縮變形，垂直于最大主應(yīng)力方向那么產(chǎn)生伸長和隆起，而不發(fā)生破壞；方向有利的斷裂帶內(nèi)，因其應(yīng)變速率CF>C0，而具彈性性狀，應(yīng)力隨形變的開展不斷增高，最終發(fā)生破裂，導(dǎo)致再活動，引起地震。日本列島地區(qū)地形變和斷裂新活動性的開展就是在這樣的背景條件下發(fā)生的。這也是所有構(gòu)造新活動區(qū)所具有的共同特征。一些地震活動強烈地區(qū)的地表隆升速度的資料說明，地殼隆升速率大于或等于2mm/a的可能屬于這類地區(qū)?！?〕區(qū)域構(gòu)造力的作用微弱，致使巖體的應(yīng)變速率CR<Ca。在這樣的條件下，由于巖體本身及斷裂帶的應(yīng)變速率均低于臨界應(yīng)變速率C0(如圖2—28(a)中的③區(qū))，故這類地區(qū)的特點應(yīng)是以地殼隆升或沉降為標(biāo)志的地形變微弱，無活斷層發(fā)育，故代表著現(xiàn)代構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的情況。2.4地殼表層巖體應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性2.4.1地殼表層巖體應(yīng)力分布的規(guī)律2.4.1.1垂直應(yīng)力的分布世界各地實測應(yīng)力資料的統(tǒng)計說明，不同地區(qū)地殼表層巖體垂直應(yīng)力隨深度的分布，通常有如下關(guān)系：σv=A+γh〔γ大體相當(dāng)于巖體的平均容重，A為常數(shù)〕我國地殼表層巖體內(nèi)垂直應(yīng)力隨深度的分布也大體上與國外統(tǒng)計結(jié)果相一致。表2-3我國σv/γh比值統(tǒng)計資料σv

/γh<0.80.8-1.2>1.2所占百分比13.717.360從統(tǒng)計關(guān)系可以看出：地表表層巖體內(nèi)的垂直應(yīng)力成分主要由上覆巖層自重所引起，即隨深度而線性增大，且其增長率相當(dāng)于巖體的平均容重；大多數(shù)地區(qū)，在遭受區(qū)域性剝蝕的過程中，由于垂向卸荷不徹底而保存一局部剩余自重應(yīng)力，公式中常數(shù)項的存在就說明了這一點。2.4.1.2水平應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài)的類型 從已有的實測資料分析，有如下規(guī)律： 水平應(yīng)力分量的各向異性，即σh2/σh1不等于1，其比值介于0.5-0.75之間。平均水平應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài)的的類型：平均水平應(yīng)力隨深度而增大，并可區(qū)分三種情況：a.σh<σv沉積物沉積后未受構(gòu)造擾動或僅受輕微構(gòu)造作用或明顯遭受側(cè)向卸荷影響的巖體具有這種應(yīng)力狀態(tài)?！拨?垂直,重力場〕；b.σh=σv近期未受構(gòu)造擠壓的深部塑性變形區(qū)或某些具有高塑性的沉積巖層，N=1，靜水應(yīng)力分布；c.σh>σv分布較為普遍，σ1、σ3水平或垂直，N>1或<1。〔σ2垂直，水平應(yīng)力場〕2.4.1.3局部地帶的應(yīng)力異常分布在斷層及一些剪切帶附近垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力隨深度的分布明顯高于同深度的其它地帶，正是這種異常往往導(dǎo)致誘發(fā)地震的產(chǎn)生。2.4.1.4淺部與深部應(yīng)力狀態(tài)的差異已有的資料說明，近地表的淺部和較深部的應(yīng)力狀態(tài)有時明顯不同。導(dǎo)致這種差異的原因有：a.地表切割所引起的側(cè)向卸荷和河谷臨空面附近的應(yīng)力重分布作用往往會使地表附近巖體的應(yīng)力在量值和方向上變化很大，從而導(dǎo)致深淺部的不同；b.各應(yīng)力分量隨深度的變化梯度不同，從而導(dǎo)致深淺部應(yīng)力狀態(tài)的差異.2.4.2地表高應(yīng)力區(qū)及其地質(zhì)地貌標(biāo)志研究說明，高應(yīng)力區(qū)在地表地質(zhì)地貌上有明顯的表現(xiàn)。因此，通過地質(zhì)地貌研究可以揭示是否高應(yīng)力區(qū)的存在。2.4.2.1天然條件下高水平應(yīng)力釋放有關(guān)的淺表生時效變形現(xiàn)象〔1〕隱爆 最早發(fā)現(xiàn)于美國南安大概省，其表現(xiàn)為近地表出現(xiàn)細(xì)長的隆褶或類似低角度逆斷層的斷隆，一般高度較小，而延伸長度較大。最早稱之為隆爆〔POP-UP〕現(xiàn)象。其發(fā)育特征有：a.發(fā)育在強度和厚度都不太大的近水平層狀巖層中；b.隆爆軸與實測最大主應(yīng)力根本垂直C.絕大多數(shù)隆爆都是該區(qū)大陸冰川消退不久的產(chǎn)物。分析認(rèn)為這種現(xiàn)象乃是該區(qū)地表巖體中的一種與高水平應(yīng)力釋放有關(guān)的表生時效變形現(xiàn)象。導(dǎo)致這種高水平應(yīng)力那么是由構(gòu)造應(yīng)力及大陸冰川加載后的卸荷作用共同導(dǎo)致的?！?〕蓆狀裂隙在出露于地表的侵入巖體中，廣泛見于一種近地表平行分布的區(qū)域性裂隙發(fā)育，通常上部較密，向下逐漸變稀疏，即蓆狀裂隙。這是區(qū)域性卸荷剝蝕的結(jié)果。〔解釋：初始為深部靜水應(yīng)力狀態(tài)，隨著侵蝕，垂直應(yīng)力減少，應(yīng)力差逐漸增大，當(dāng)超過巖體極限事，形成水平破裂?！?〕谷下水平卸荷裂隙及谷坡內(nèi)水平剪切蠕動變形帶 大量的勘察資料說明，在高地應(yīng)力區(qū)內(nèi)的較開闊的河谷經(jīng)常有一系列開口良好，透水性很強的卸荷裂隙，特別是當(dāng)最大主應(yīng)力與河段走向垂直時，這種卸荷裂隙尤為發(fā)育。它們多沿已有的層面或斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)育而成。因此，這種裂隙最易產(chǎn)生于近水平產(chǎn)出的沉積巖分布區(qū)或緩傾角裂隙發(fā)育的巖漿巖分布區(qū)。發(fā)育在谷坡內(nèi)的水平剪切蠕動變形帶是高地應(yīng)力區(qū)常見的；另一種應(yīng)力釋放類型產(chǎn)生時效變形現(xiàn)象是河谷形成的不同階段，由差異回彈導(dǎo)致的沿坡角附近已有平緩結(jié)構(gòu)面發(fā)生的減速型剪切蠕動變形的產(chǎn)物?！?〕應(yīng)力釋放型的深大拉張變形帶一些地段的谷坡后緣發(fā)育有深大的拉裂縫及拉張斷陷帶。這類拉張變形帶以其規(guī)模大，延伸方向穩(wěn)定和發(fā)育面深區(qū)別于通常的卸荷裂隙。2.4.2.2與鉆進有關(guān)的巖體應(yīng)力釋放及伴生現(xiàn)象〔1〕巖心餅化現(xiàn)象鉆進過程中巖心裂成餅狀的現(xiàn)象是高地應(yīng)力區(qū)所特有的巖體力學(xué)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象有幾個方面的共性：a.所有的餅狀巖心在形態(tài)上均有其共同特征：巖餅的厚度與巖心的直徑有一定的關(guān)系，一般約為直徑的1/4到1/5，所以不同的鉆孔，只要孔徑相同，巖餅的厚度就大致相近；所有巖餅的外表均為新鮮破裂面，而且邊緣局部粗糙，多數(shù)內(nèi)部隱約見有順槽，或沿一個方向的擦痕與之正常的拉裂坎。b.餅狀巖心是鉆進過程中差異卸荷回彈的產(chǎn)物，破裂主要發(fā)生在一定高度的巖心根部，是由拉張和復(fù)合機制導(dǎo)致的。c.餅狀巖心的產(chǎn)生需具備特定的巖體力學(xué)條件：彈性高，儲能條件好的巖性條件，如火成巖；整體塊狀的巖體結(jié)構(gòu)條件；高地應(yīng)力條件，最大主應(yīng)力在30MPa以上。(2)鉆孔崩落現(xiàn)象：研究發(fā)現(xiàn)，一些鉆孔的孔徑不是園的，而呈橢圓型，長短軸之差可達3-18cm。觀察說明，這種孔徑的增大是由于孔壁局部破損崩落所致，即鉆孔崩落。進一步研究發(fā)現(xiàn)：破裂首先出現(xiàn)于孔壁應(yīng)力集中程度最高的部位；破壞域側(cè)向角的大小主要受巖石的強度參數(shù)及水平應(yīng)力的控制。2.4.2.3與開挖卸荷及應(yīng)力釋放相聯(lián)系的巖體變形破壞現(xiàn)象及研究意義開挖往往引起巖體內(nèi)一系列卸荷回彈和應(yīng)力釋放相關(guān)聯(lián)的變形破壞現(xiàn)象：采場及基坑底部的隆爆；邊坡及邊墻向臨空方向的水平位移和沿已有的近水平的結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯動；邊坡、邊墻巖體的傾倒；地下硐室、巷道的變形與破壞等這些變形和破壞不僅會惡化建筑物場地的工程地質(zhì)條件，有時還會對建筑物造成直接危險。在各個方向的開挖中，垂直于最大主應(yīng)力的地表、地下開挖，引起的變形和破壞最為強烈。

2.5巖體應(yīng)力和區(qū)域應(yīng)力場研究

鑒于天然應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜性，為了從定性、定量兩個方面說明一個地區(qū)天然應(yīng)力狀態(tài)的總體特征，一般采用下述途徑：以地質(zhì)、地貌方法研究該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的演化歷史和現(xiàn)今應(yīng)力場根本特征；在此根底上，選擇一些有代表性的地點進行應(yīng)力測定；以這些實測應(yīng)力資料和已掌握的應(yīng)力集中區(qū)的發(fā)育分布規(guī)律，對區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場進行數(shù)值模擬研究，并根據(jù)反演分析結(jié)果建立區(qū)域應(yīng)力場的定量化模型。2.5.1構(gòu)造應(yīng)力場的演化歷史和現(xiàn)今地應(yīng)力場的根本特征的地質(zhì)地貌研究〔1〕構(gòu)造應(yīng)力場演化歷史研究通過地質(zhì)力學(xué)方法通過斷層錯動機制解的赤平投影解釋〔2〕現(xiàn)今地應(yīng)力場根本特征研究研究方法：斷層錯動機制解地質(zhì)地貌方法新斷裂網(wǎng)絡(luò)地質(zhì)地貌分析法地震震源機制解所謂新斷裂是指最新構(gòu)造應(yīng)力場下形成與開展的斷裂。在一定區(qū)域內(nèi)，不同性質(zhì)的新斷裂往往構(gòu)成一定形式的網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)成新斷裂網(wǎng)絡(luò)的成分包括一對共軛的剪切面，一組壓性結(jié)構(gòu)面和一組張裂面，其中后二者一般發(fā)育較差。共軛剪列面大多數(shù)表現(xiàn)為兩組區(qū)域性剪裂隙，該裂隙陡傾且彼此近于正交。奧地利學(xué)者認(rèn)為這類區(qū)域性剪裂隙是在蠕動條件下沿最大剪應(yīng)力跡線形成的。這一對共軛剪裂面常常是新斷裂網(wǎng)絡(luò)中的根本成分，且其銳角等分線就是區(qū)域最大主應(yīng)力方位。2.5.1.3區(qū)域巖體應(yīng)力積累和程度的研究〔1〕歷史上各時期及當(dāng)代地殼隆升的速度和高度：通過層狀地貌進行詳細(xì)研究〔剖面測量和測年〕，求出抬升速率和幅度；在此根底上，以地殼巖體應(yīng)變速率的變化趨勢，結(jié)合歷史時期的斷裂活動情況，總體上判明當(dāng)前區(qū)內(nèi)巖體應(yīng)力積累和程度?！?〕區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中條件和應(yīng)力集中區(qū)的分布：取決于巖性和構(gòu)造部位；〔3〕可以作為高應(yīng)力區(qū)標(biāo)志的地質(zhì)、地貌現(xiàn)象的發(fā)育歷史和分布：如河谷強烈的卸荷回彈、巖餅、基坑、平硐中的巖爆和其它強烈變形現(xiàn)象。2.5.2巖體應(yīng)力測量目前巖體應(yīng)力測量的方法很多，分類也不盡一致，但歸納起來可分為直接測試法和間接測試法兩類：巖體應(yīng)力測試方法直接測試法間接測試法應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力解除法水力壓裂法〔水壓致裂法〕鉆孔崩落法定向巖心非彈性應(yīng)變恢復(fù)法凱塞爾效應(yīng)測試法2.5.2.1應(yīng)力恢復(fù)法〔stress-recoverymethod)當(dāng)巖體應(yīng)力被解除后，通過施加壓力，使巖體恢復(fù)到原來的狀態(tài)，以求得巖體應(yīng)力解除時的應(yīng)力值。其優(yōu)點是當(dāng)決定巖體的應(yīng)力時，不需測定巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系2.5.2.2應(yīng)力解除法〔stress-reliefmethod)：在擬測點附近的一個小巖石單元周圍切割出的一個“槽子〞，使得這一小局部巖體不再承受旁側(cè)巖體傳來的應(yīng)力。從刻槽前裝置好的儀器測出由于這種應(yīng)力解除而引起的應(yīng)變。并根據(jù)有關(guān)巖石的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系換算出解除前巖體內(nèi)的應(yīng)力。以其精度高、測值穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于巖土工程設(shè)計、礦產(chǎn)開采、地震研究等方面。壓磁全應(yīng)力解除法實現(xiàn)了單孔測量三維地應(yīng)力，它克服了一般應(yīng)力解除測量法對巖石條件要求高、野外測量工序復(fù)雜、工期長、費用高等缺點，可實現(xiàn)垂直孔深0～100米的三維地應(yīng)力測量。該方法最大的優(yōu)點是能夠精確測得三維主應(yīng)力的大小和方向，以及可以在狹窄的坑道內(nèi)完成測量。圖3-28應(yīng)力解除法布置圖1.刻痕；2.電阻片的布置圖3-29鉆孔內(nèi)應(yīng)力解除法2.5.2.3水壓致裂法(hydraulicfracturingmethod)通過鉆孔向地下某深度處的測點段壓液，用高壓將孔壁壓裂，然后根據(jù)破壞壓力、關(guān)閉壓力和破裂面的方位，計算和確定巖體內(nèi)各主應(yīng)力的大小和方向。該法能有效地利用已有鉆孔進行深部地應(yīng)力測試，且具有操作簡便、無須知道巖體力學(xué)參數(shù)等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于水電工程設(shè)計、鐵路、公路的隧道選線、場地穩(wěn)定性評價、核廢料處理以及地學(xué)研究等領(lǐng)域。應(yīng)用該測試方法，可以得到垂直于鉆孔平面的最大和最小應(yīng)力的大小和方向。對于垂直鉆孔，由不同深度的測試數(shù)據(jù)，可得到最大和最小水平主應(yīng)力隨深度變化規(guī)律。對三個或三個以上的交匯鉆孔進行測試，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算得到測點附近的三維應(yīng)力狀態(tài)。2.5.2.4鉆孔測量崩落測量法：研究說明鉆孔崩落現(xiàn)象是由孔壁應(yīng)力集中部位的局部破壞引起的，且崩落的長軸垂直區(qū)內(nèi)水平最大主應(yīng)力方向，而崩落域側(cè)向角〔θb〕及破壞應(yīng)力比〔σH/σh〕的大小那么主要與巖石的性質(zhì)及水平最小主應(yīng)力有關(guān)。由此可以求出該區(qū)水平最大、最小主應(yīng)力的方向及大小。步驟如下：(1)詳細(xì)測量區(qū)內(nèi)的鉆孔崩落現(xiàn)象，并根據(jù)崩落域的長軸展布確定該區(qū)水平最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。(2)按照實際的巖體條件進行模擬試驗，求得θb—σh直線關(guān)系(圖2—50)，并根據(jù)實測的σb求出區(qū)內(nèi)的水平最小主應(yīng)力(σh)的量值。(3)根據(jù)σh及實測的C0，利用圖2—51即可得出區(qū)內(nèi)水平最大主應(yīng)力(σH)的大小。2.5.2.5定向巖心非彈性應(yīng)變恢復(fù)測量法：1．根本原理實測結(jié)果說明，巖石應(yīng)變恢復(fù)的性狀(圖2—52)有如下主要特征：(1)巖石的總應(yīng)變恢復(fù)量(ε)是由彈性應(yīng)變恢復(fù)(ε′)和非彈性應(yīng)變恢復(fù)(ε″)兩局部所組成，且整個應(yīng)變恢復(fù)的時間足夠長，約達30余小時。(2)在未發(fā)生非線性蠕變的條件下主應(yīng)變恢復(fù)(無論是彈性的或是非彈性的)的軸向與主應(yīng)力方向一致，即：ε1、ε′2、ε″3、與σl的方向一致，而ε3、ε′3、ε″3與σ3的方向一致，且ε1=ε′1+ε″1ε3=ε′3+ε″3(3)如果發(fā)生非線性蠕變，那么最大彈性應(yīng)變恢復(fù)軸與最大非彈性應(yīng)變恢復(fù)軸的方向?qū)⑹遣煌?。此時，彈性應(yīng)變恢復(fù)的軸向所反映的是較新的應(yīng)力環(huán)境，而非彈性應(yīng)變恢復(fù)的軸向所代表的那么是較老的應(yīng)力環(huán)境。但實測資料說明，出現(xiàn)非線性蠕變的情況是很少的。(4)在整個應(yīng)變恢復(fù)過程中，主應(yīng)變比(無論是彈性或是非彈性的)與主應(yīng)力比始終保持相等。2．測量的方法及步驟(1)從鉆孔中取定向巖心。(2)在巖心內(nèi)選三個不同方向的面，且在每個面上的三個不同方向上進行應(yīng)變恢復(fù)測量(所得結(jié)果顯然是非彈性的)，然后根據(jù)測量資料計算三個主應(yīng)變的方向及比值。如果有一個主應(yīng)力是垂直的，且其大小等于上覆層的重量，那么只在水平面內(nèi)的三個不同方向上進行應(yīng)變恢復(fù)測量，求得兩個水平主應(yīng)變的方向及比值即可。(3)測量時應(yīng)注意使巖心密封，以防止溫度及濕度變化對測量結(jié)果的影響。2.5.2.6凱塞爾〔Kaiser〕效應(yīng)測量法1.根本原理1950年，德國學(xué)者J.Kaiser發(fā)現(xiàn)受單向拉伸力作用的金屬材料，只有當(dāng)應(yīng)力到達并超過材料所受過的最大先期應(yīng)力時才會開始有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象出現(xiàn)，這就是著名的凱塞爾效應(yīng)。1963年，Goodman通過實驗證實巖石也具有凱塞爾效應(yīng)，從而為應(yīng)用這一技術(shù)測定巖體應(yīng)力奠定了根底。70年代末期以來，日，美、中學(xué)者對這一問題開展了廣泛的理論及實驗研究，先后解決了凱塞爾效應(yīng)方向獨立性、三維地應(yīng)力測量及試驗過程中噪聲的排除等問題，使凱塞爾效應(yīng)在地應(yīng)力測量領(lǐng)域已根本具有實用性。

為了深入理解凱塞爾效應(yīng)及其在地應(yīng)力測量方面的應(yīng)用，首先需對下述根本問題作簡要的討論。(1)巖石凱塞爾效應(yīng)的微觀機理研究說明，巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象實際上是來源于其內(nèi)部顯微缺陷的受力擴展，而巖石的每一次受力，都會使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與荷載大小及方向相適應(yīng)的顯微破裂系統(tǒng)，再次加載時，如果荷載小于先期荷載，那么先期形成的缺陷不會發(fā)生進一步破裂，因此也就幾乎沒有聲發(fā)射出現(xiàn)，—·旦荷載到達并超過先期荷載，，已有的裂紋即將進一步擴展，聲發(fā)射隨之開始大量持續(xù)出現(xiàn)，這就是凱塞爾效應(yīng)的根本機理。

(2)巖石凱塞爾效應(yīng)對地應(yīng)力的記憶功能已有的研究認(rèn)為，通過凱塞爾效應(yīng)所測得的是巖體在地質(zhì)歷史時期內(nèi)所遭受過的最大應(yīng)力。如果確是這樣，實際上就無法利用凱塞爾效應(yīng)來解決現(xiàn)今地應(yīng)力的測量問題，因為在遭受過構(gòu)造變動，且有斷裂發(fā)育的地區(qū)，任何一局部巖體當(dāng)時都遭受過很大的，甚至是接近其破裂強度的應(yīng)力。但是，一系列實測資料說明，利用凱塞爾效應(yīng)測得的巖體應(yīng)力遠(yuǎn)小于該巖體的破裂強度，而與用套鉆法測得的現(xiàn)今巖體應(yīng)力十分接近(表2—10)o對于為什么出現(xiàn)這種矛盾現(xiàn)象，以往的研究也未能加以說明。通過對已有實測資料的深入分析，我們發(fā)現(xiàn)凱塞爾效應(yīng)實際上只能記憶挽近時期的應(yīng)力；而不能記憶古構(gòu)造力。之所以如此，看來這里有一個顯微破裂的愈合問題。隨著環(huán)境的改變，巖石會發(fā)生重結(jié)晶或新晶體生長的作用，使那些古老的顯微破裂焊接愈合，從而也就使其喪失對古構(gòu)造應(yīng)力的記憶能力。

相反，挽近時期巖體的受力過程是在該巖體己處于地表附近的常溫，低圍壓條件下發(fā)生的，此時所產(chǎn)生的顯微破裂系統(tǒng)，由于形成后所經(jīng)歷的時間很短，且始終處于常溫和低圍壓條件下，所以不會發(fā)生愈合。因此，當(dāng)采樣并對巖石試件加載、且應(yīng)力到達和超過挽近時期巖體所遭受的應(yīng)力量級時，這類顯微破裂即將進一步擴展，從而引起聲發(fā)射的急劇增加，這也就是巖石凱塞爾效應(yīng)只能記憶挽近時期巖體所遭受過的應(yīng)力的道理所在。此外，值得指出的是，近些年來的研究發(fā)現(xiàn)，挽近時期遭受過方向和量值不同的多期應(yīng)力作用的巖石，在其再次受力過程中可能出現(xiàn)多個聲發(fā)射頻數(shù)急驟增高點(圖2—53)，分別對應(yīng)不同的先期應(yīng)力，這種現(xiàn)象可稱為多期凱塞爾效應(yīng)。巖石多期凱塞爾效應(yīng)的產(chǎn)生，是因為對于不同的主應(yīng)力組合，巖石內(nèi)部最易發(fā)生進一步破裂的缺陷方位不同，因而遭受過不同方向主應(yīng)力組合作用的巖石，在其內(nèi)部將產(chǎn)生多個與各次受力相對應(yīng)的顯微破裂系統(tǒng)。當(dāng)對這類巖石試件進行加壓試驗并記錄其聲發(fā)射現(xiàn)象時，隨著壓力的逐漸增大，每當(dāng)外荷載引起的應(yīng)力到達與某一期應(yīng)力相等的量級時，與之相對應(yīng)的顯微破裂就開始擴展，聲發(fā)射的累計頻數(shù)也就隨之出現(xiàn)一次突增，這就是多期凱塞爾效應(yīng)產(chǎn)生的機制。(3)測量結(jié)果的應(yīng)用通過上述討論不難看出，與其它的應(yīng)力測量方法不同，凱塞爾效應(yīng)測量結(jié)果所揭示的，并不是現(xiàn)存應(yīng)力，而是巖體于挽近期所遭受過的最大應(yīng)力。如果在此期間巖體曾遭受過不同應(yīng)力場的作用，那么通過多期凱塞爾效應(yīng)，還可揭示出巖體挽近期的受力歷史及每一期主應(yīng)力的方向及其最大值。由凱塞爾效應(yīng)所揭示的最新應(yīng)力場，在方向上必定與現(xiàn)存應(yīng)力場相一致，而在量值方面那么可能出現(xiàn)等于或大于現(xiàn)存應(yīng)力的兩種情況。導(dǎo)致出現(xiàn)后一種情況2·5·3區(qū)域地應(yīng)力場的物理及數(shù)值模擬研究。近些年來，由于物理模擬，電算以及有限元方法的迅速開展，已有可能對通過現(xiàn)場調(diào)研所建立起的區(qū)域應(yīng)力—形變場發(fā)育的根本模式，進行進一步物理和數(shù)值模擬研究。通過這種研究，不僅可以根據(jù)區(qū)內(nèi)一些點的應(yīng)力實測資料反演現(xiàn)今區(qū)域地應(yīng)力場，建立其現(xiàn)狀的定量化模型，取得不同地段在應(yīng)力—形變強度和發(fā)震能力方面的定量關(guān)系，而且可以通過改變外力或邊界條件的系統(tǒng)分析，深入研究區(qū)域地應(yīng)力場的形成演化機制和規(guī)律，為定量評價巖體穩(wěn)定性及區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。2.5.3.1模型的建立通過對區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場演變史及現(xiàn)今地應(yīng)力場根本特征的地質(zhì)、地貌研究和局部地點巖體應(yīng)力的實測，應(yīng)對區(qū)域構(gòu)造格架及區(qū)域應(yīng)力—形變場發(fā)育的根本特征有了一個總體認(rèn)識。以此為根底，通過適當(dāng)?shù)暮喕哺呕常⒁粋€符合實際的地質(zhì)—力學(xué)模型，是保證模擬研究成功的關(guān)鍵。具體說來，模型的建立就是要正確確定模型的下述特征，(1)模型的范圍、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各局部的力學(xué)參數(shù)，(2)模型的邊界條件及可能的外力作用方式，(3)地區(qū)的總體應(yīng)力—形變圖象和局部地點的主應(yīng)力方向及大小。2.5.3.2機制模擬研究為考察模型建立的正確性和進—步研究作用的根本機制，比較有效的方法是進行相似材料模擬研究。方法的要點是，按抽象出的模式用相似材料制成模型，并于其外表畫上方格網(wǎng)，然后放入專門設(shè)計的裝置中施加外力進行變形實驗，在外力不斷增大，變形累進開展過程中仔細(xì)觀察模型中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，并以間斷拍照的方式記錄變形開展的全過程。第三章巖體的變形與破壞3.1根本概念及研究意義變形：巖體承受應(yīng)力，就會在體積、形狀或宏觀連續(xù)性上發(fā)生某種變化〔解釋〕。宏觀連續(xù)性無明顯變化者稱為變形〔deformation)。破壞：如果宏觀連續(xù)性發(fā)生了顯著變化的稱為破壞〔failure)。巖體變形破壞的方式與過程既取決于巖體的巖性、結(jié)構(gòu)，也與所承受的應(yīng)力狀態(tài)及其變化有關(guān)。為什么要研究這兩個問題，因為巖體在變形開展與破壞過程中，除巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外型不斷發(fā)生變化外，巖體的應(yīng)力狀態(tài)也隨之調(diào)整，并引起彈性變形和釋放等效應(yīng)。區(qū)域穩(wěn)定和巖體穩(wěn)定工程分析中的一個核心問題就是要對上述變化和效應(yīng)作出預(yù)測和評價，并論證它們對人類工程活動的影響。本章首先討論不同荷載條件下巖體變形破壞機制和過程；在此根底上討論變形破壞過程中的時間效應(yīng)及巖體中空隙水壓力對巖體變形破壞的影響。3.1.1巖體變形破壞的根本過程與階段劃分根據(jù)裂隙巖石的三軸壓縮實驗過程曲線，可大致將塊狀巖體受力變形破壞過程劃分為五個階段：見圖圖3-1三軸壓應(yīng)力作用下巖石的變形破壞過程3.超過彈性極限〔屈服點〕，巖體進入塑性變形階段，體內(nèi)開始出現(xiàn)微破裂，且隨應(yīng)力差的增大而開展，當(dāng)應(yīng)力保持不變時，破裂也停止開展。由于微破裂的出現(xiàn)，巖體體積壓縮速率減緩，而軸向應(yīng)變速率和側(cè)向應(yīng)變速率均有所增高1.原有張性結(jié)構(gòu)面逐漸閉合，充填物被壓密，壓縮變形具非線性特征，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈緩坡下凹型4.微破裂的開展出現(xiàn)了質(zhì)的變化：即使工作應(yīng)力保持不變，由于應(yīng)力的集中效應(yīng)，破裂仍會不斷的累進性開展。首先從薄弱環(huán)節(jié)開始，然后應(yīng)力在另一個薄弱環(huán)節(jié)集中，依次下去，直至整體破壞。體積應(yīng)變轉(zhuǎn)為膨脹，軸應(yīng)變速率和側(cè)向應(yīng)變速率加速增大2.經(jīng)壓密后，巖體從不連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)化為似連續(xù)介質(zhì)，進入彈性變形階段。該過程的長短視巖石堅硬程度而定5.強度喪失和完全破壞階段：巖體內(nèi)部的微破裂面開展為貫穿性破裂面，巖體強度迅速減弱，變形繼續(xù)開展，直至巖體被分成相互脫離的塊體而完全破壞屈服強度上述各階段不同的巖體會存在一些差異，但所有巖體都具有如下一些共性：〔1〕巖體的最終破壞是以形成貫穿性破壞面，并分裂成相互脫離的塊體為其標(biāo)志。〔2〕變形過程中所具有的階段性特征是判斷巖體或地質(zhì)體演變階段、預(yù)測其開展趨勢的重要依據(jù)?！?〕變形過程中還包含恒定應(yīng)力的長期作用下的蠕變〔或流變〕。即變形到破壞有時經(jīng)歷一個相當(dāng)長的時期，過程中蠕變效應(yīng)意義重大。巖體的不穩(wěn)定開展階段相當(dāng)于加速蠕變階段，進入此階段的巖體到達最終破壞已勢在必然，僅僅是個時間的問題。判斷進入加速蠕變階段的變形標(biāo)志和臨界應(yīng)力狀態(tài)是一個重要的課題。3.1.2巖體破壞的根本形式

根據(jù)巖體破壞機制可將巖體破壞劃分為剪性破壞和張性破壞兩類。巖體破壞剪斷破壞剪性破壞張性破壞剪切滑動破壞塑性破壞〔a)拉斷破壞；(b)剪斷破壞；(c)塑性破壞破壞方式影響因素：荷載條件、巖性、結(jié)構(gòu)及所處的環(huán)境特征及配合情況

3.1.2.1巖體變形破壞形式與受力狀態(tài)的關(guān)系巖石的三軸實驗說明，巖石破壞形式與圍壓的大小有明顯的關(guān)系。〔1〕當(dāng)在負(fù)圍壓及低圍壓條件下巖石表現(xiàn)為拉破壞；〔2〕隨著圍壓增高將轉(zhuǎn)化為剪破壞；〔3〕當(dāng)圍壓升高到一定值以后，表現(xiàn)為塑性破壞。破壞機制轉(zhuǎn)化的界限稱為破壞機制轉(zhuǎn)化圍壓〔如表3-1〕。從表中可以看出，由拉破壞轉(zhuǎn)化為簡斷破壞的轉(zhuǎn)化圍壓為1/5——1/4[σ]〔巖石單軸抗拉強度〕，由剪切轉(zhuǎn)化為塑性破壞的轉(zhuǎn)化圍壓為1/3—2/3[σ]。在三向應(yīng)力狀態(tài)，中間主應(yīng)力〔σ2〕與最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力之間的比值關(guān)系上決定巖石破壞性質(zhì)的一個重要因素。納達〔1970〕提出σ2偏向最大主應(yīng)力或最小主應(yīng)力的“應(yīng)力狀態(tài)類型參數(shù)〞—α來劃分應(yīng)力狀態(tài)類型：α=〔2σ2-σ1-σ3〕/〔σ1-σ3〕;當(dāng)α=1時，即σ2=σ1，為拉伸應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)α=-1時，即σ2=σ3，為壓縮應(yīng)力狀態(tài)。3.1.2.2巖體破壞形式與巖體結(jié)構(gòu)特征關(guān)系在低圍壓條件下巖石的三軸試驗說明：〔1〕在相同的應(yīng)力狀態(tài)下完整塊體狀堅硬巖石表現(xiàn)為張性破壞，通常釋放出高的彈性應(yīng)變能；〔2〕含有軟弱結(jié)構(gòu)面的塊狀巖體，當(dāng)結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力之間角度適宜時，那么表現(xiàn)為沿結(jié)構(gòu)面剪切滑動破壞；〔3〕碎裂狀巖體的破壞方式介于二者之間；〔4〕碎塊狀或散體狀巖體，表現(xiàn)為塑性破壞。3.1.3巖體的強度特征巖體的強度不能簡單地用巖石的強度來表示。它不僅與巖體的巖性、結(jié)構(gòu)、巖體的受力狀態(tài)有關(guān)，而且還決定于巖體的可能破壞方式。設(shè)結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力夾角α。模擬實驗說明：〔1〕0o<α<8o或42o<α<52o巖體破壞破壞形式將局部沿結(jié)構(gòu)面剪切滑移、局部剪斷完整巖石，此時巖石的強度與結(jié)構(gòu)面和巖石的抗剪性能有關(guān)。圖3-4三種破壞形式的極限應(yīng)力系數(shù)(n)①沿結(jié)構(gòu)面滑動；②剪斷完整巖石；③局部沿結(jié)構(gòu)面，局部剪斷巖石〔2〕8o<α<42o巖體的破壞將采取沿結(jié)構(gòu)面剪切滑移的形式。此時，巖體的強度受結(jié)構(gòu)面抗剪性能及其方位所控制；〔3〕α>52o時巖體破壞為剪斷完整巖體。以上討論的為巖體的極限強度。巖體由彈性變形階段進入塑性變形階段的臨界應(yīng)力稱為巖體的屈服強度〔σy〕巖體進入不穩(wěn)定破裂開展階段的臨界應(yīng)力稱為長期強度〔σc〕。巖體遭受最終破壞以后仍然保存有一定的強度，稱為剩余強度。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞3.2.1拉斷破壞機制與過程3.2.1.1拉應(yīng)力條件下的拉斷破壞拉應(yīng)力條件下巖石的拉斷破壞過程十分暫短。根據(jù)格里菲斯破壞準(zhǔn)那么，當(dāng)σ1+3σ3≤0時，拉應(yīng)力σ3對巖石的破壞起主導(dǎo)作用，此時拉破壞準(zhǔn)那么為：〔σ3〕=-St〔St：巖石的抗拉強