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。