岩石力学
第四章：岩体地应力及其测量方法
Rock mass stress and its measurement
4.1 概 述
岩体介质有别于其他任 何介质的主要特征在 于，岩体内部应力和 自重及地质构造运动 有着密不可分的联系。 受其影响导致岩体内 部初始应力场分布相 当复杂。 在工程荷载作用下，岩 体内部应力重新分布 导致工程产生变形和 破坏，所以了解初始 应力场在岩体内分布 情况就显得非常重 要。

4.1 概 述
4.1.2 地应力的成因、组成影响因素
②自重应力和构造应力
(1)岩体的自重应力 gravitational stress



自重应力：地壳上部各种岩体由于受地心引力的作用而引起的应力，是由岩 体的自重引起的。 岩体自重作用不仅产生垂直应力，而且由于岩体的泊松效应和流变效应也会 产生水平应力。 研究岩体的自重应力时，一般把岩体视为均匀、连续且各向同性的弹性体， 因而，可以引用连续介质力学原理来探讨岩体的自重应力问题。
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
板块运动的驱动力
地幔对流
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
4.1 概 述
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
地应力分布理论
海姆（A.Heim)静水应力假设（1878，瑞士）：地壳中任意一点的 应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即
金尼克弹性力学假设（1926年，苏联） 地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是 泊松效应的结果。
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
地应力是静水压力？ 地应力以垂直应力为主？

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形成影响最大。 当前的应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也 与历史上的构造运动有关。
4.1 概 述


4.1.1 地应力基本概念
地应力（天然应力、初始应力等， virginal stress ） 人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 重分布应力（二次应力、诱导应力等，induced stress ） 由于工程活动改变了的岩体中的应力。

4.1 概 述 4.1.2 地应力的成因、组成影响因素
4.2 地应力场的分布规律
中国大陆板块边界所受的外力分布 中国大陆板块受到外部印度 板块每年以5厘米速度和太 平洋板块每年以数厘米速度 的推挤，同时受到西伯利亚 板块和菲律滨板块的约束。 板块变形，形成主应力迹线， 印、太板块的移动促成了中 国山脉的形成，控制了地震 的分布。
4.2 地应力场的分布规律

近代地质力学的观点认为，在全球范围内构造应力的总规 律是以水平应力为主。我国地质学家李四光认为，因地球 自转角度的变化而产生地壳水平方向的运动是造成构造应 力是水平应力为主的重要原因。
4.2 地应力场的分布规律





1、地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是 时间和空间的函数。 2. 实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。 3. 水平应力普遍大于垂直应力。 4. 平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小。 5. 最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长 关系。 6. 最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大， 显示出很强的方向性。 7. 地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、 岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影 响，特别是地形和断层的扰动影响最大。
4.2 地应力场的分布规律
4.2 地应力场的分布规律
我国可分为三类基本反映藏、新疆、甘肃、青海、 云南、宁夏、四川西部等； 中等构造应力区：包括河北、山西、陕西关中地区、山 东、辽宁南部、吉林延吉地区、安徽中部、福建、广东 沿海地区及广西等； 弱构造应力区：包括江苏、浙江、湖南、湖北、河南、 贵州、四川东部、黑龙江、吉林及内蒙的大部分。
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
②自重应力和构造应力
(1)岩体的自重应力 gravitational stress
地下某深度处的岩体重力为： z H 若将此处岩体视作均匀弹性体，考虑广义胡克定律：
1 x 0 x y z E z z x y 1 1 y 0 z x y E


(2)构造应力 techtonic stress 岩石圈运动在岩体内形成的应力称为构造应力。构造应力 在空间有规律的分布状态称为构造应力场。 构造应力又可称为活动构造应力和剩余构造应力。
活动构造应力（ active tectonic stress ），即狭义的地应力，是地壳 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（ residual tectonic stress ）是古构造运动残留下来 的应力。
①地应力成因





地应力产生的原因十分复杂，至今尚不十分清楚 大陆板块边界受压引起的应力场； 地幔热对流引起的应力场； 由地心引力引起的应力场； 岩浆侵入引起的应力场； 地温梯度引起的应力场； 地表剥蚀产生的应力场。
4.1 概 述

4.1.2 地应力的成因、组成影响因素
1915年，德国地球物理 学家魏格纳提出了大陆漂移 学说。到20世纪六十年代， 板块构造学说问世。认为连 续的地震活动带把岩石圈分 裂分割成若干个大小不同的 板块在软流圈上漂移。实际 上，不仅大陆板块在漂移， 大洋板块也在漂移。科学家 们在古气候、古生物、古地 磁和深海钻探等方面都找到 了大陆飘移的证据。
4.1 概 述

4.1.2 地应力的成因、组成影响因素
当岩体由多层不同密度的岩层组成时，其中的自重应力可 用如下公式计算：
z i hi
i 1
n
n n x y n z i hi 1 n i 1
4.1 概 述
4.1.2 地应力的成因、组成影响因素 ②自重应力和构造应力