巖體結構的工程地質研究

工程地質學(EngineeringGeology):是一門研究與工程建設有關的地質問題，為工程建設服務的地質學科，它是地質學的分支學科，屬于應用地質學的范疇。狹義工程地質勘察學工程地質學基礎區(qū)域工程地質學廣義狹義土力學巖石力學土質學一、研究對象

淺表層地質環(huán)境工程建筑物

兩者關系、適應性、矛盾轉化、解決。保證建筑物的安全、經濟和正常使用勘察、分析評價——闡明條件、解決問題——滿足建筑物的設計、施工、使用三峽工程規(guī)劃圖地面沉降使橋墩錯位二、研究任務①闡明建筑地區(qū)的工程地質條件；②論證建筑物所存在的工程地質問題；③選擇地質條件優(yōu)良的建筑場址；④研究工程建筑物興建后對地質環(huán)境的影響；⑤提出有關建筑物類型、規(guī)模、結構和施工方法的合理建議：⑥為擬定改善和防治不良地質作用的措施方案提供地質依據?；救蝿眨翰槊鞴こ痰刭|條件；中心任務：工程地質問題的分析、評價工程地質條件：與工程建筑物有關的地質條件的綜合。巖土類型及其工程性質地質構造地形地貌水文地質工程動力地質作用天然建筑材料由于不同地區(qū)的地質環(huán)境不同，工程地質條件不同，對工程建筑物有影響的地質因素的主次關系不同。工程地質問題：工程建筑物與工程地質條件之間所存在的矛盾或問題。場地工程地質條件不同、建筑物內容不同，所出現(xiàn)的工程地質問題也各不相同。房屋工程：地基承載力、沉降、基坑邊坡問礦山開采：邊坡穩(wěn)定性、基坑突水、礦坑穩(wěn)定……水利水電工程：滲透變形、水庫滲漏、斜坡穩(wěn)定性、壩體抗滑穩(wěn)定性……三、歷史、現(xiàn)狀誕生：

1932年在莫斯科地質勘察學院開始培養(yǎng)工程地質專業(yè)人才，奠定工程地質學的理論基礎。此時，在歐美此項工作也在開展，但它附屬于土木建筑工程，有關巖土工程地質研究在“巖土工程”學科完成。

機構：

1952年我國成立地礦部，設立水文地質工程地質局。同時，水利、鐵道、運輸等部門相繼設立工程地質處或勘測隊。同年成立北京地院、長春地院并設立水文地質工程地質專業(yè)。1956年地礦部、中科院設立水文地質工程地質研究所。

1968年在第23屆國際地質大會上成立國際工程地質分會，之后改為工程地質協(xié)會（IAEG)，下設許多專業(yè)委員會。1979年在蘇州召開全國工程地質大會，成立中國工程地質專業(yè)委員會。至今已召開多屆國際國內工程地質大會。第九章巖體結構的工程地質研究

.1.巖體的結構特征

2.巖體的主要力學特性

3.地應力的工程地質研究4.巖體的工程地質分類

巖石（Rock）指礦物的集合體。

巖塊（Rockblock）指不含顯著結構面的巖石塊體，是構成巖體的最小巖石單元體。

巖體(Rockmass)是指地質歷史過程中形成的，由巖塊和結構面網絡組成的，具有一定的結構并賦存于一定的天然應力狀態(tài)和地下水等地質環(huán)境中的地質體。工程巖體有地基巖體、邊坡巖體和地下洞室圍巖三類。

巖體中的結構面結構面：把巖體中存在的各種不同成因、不同特征的地質界面，包括物質分異面（層理、沉積間斷面等）和各種破裂面（例如節(jié)理、斷層及片理面等）以及軟弱夾層等稱為結構面。巖體（rockmass）：通常指地質體中與工程建設有關的那一部分巖石，它處于一定的應力狀態(tài)、被各種結構面所分割。巖體具有一定的結構特征，它由巖體中含有的不同類型的結構面及其在空間的分布和組合狀況所確定。結構面（structuralplane）：是指巖體中具有一定方向、力學強度相對較低、兩向延伸（或具有一定厚度）的地質界面（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（discontinuities）。結構體（structuralbody）：結構面在空間的分布和組合將巖體切割成形狀、大小不同的塊體，稱結構體。第一節(jié)

巖體的結構特征巖體結構：不同類型的巖體結構單元的組合和排列形式。巖體的結構特征：巖體中結構面和結構體的形狀、規(guī)模、性質及其組合關系的特征。

巖體結構面結構體巖體結構單元沉積結構面火成結構面變質結構面原生結構面結構面的成因類型在成巖過程中形成的地質界面，屬物質分異面。斷層節(jié)理、裂隙層間錯動帶、劈理構造結構面構造應力作用下形成的破裂面或破碎帶，屬不連續(xù)面結構面的成因類型風化裂隙卸荷裂隙次生結構面在地表條件下，由外動力地質作用所形成的結構面結構面的成因類型成因類型地質類型主要特征工程地質評價產狀分布性質原生結構面沉積結構面1層理層面2軟弱夾層3不整合面、假整合面4沉積間斷面一般與巖層產狀一致，為層間結構面海相巖層中此類結構面分布穩(wěn)定，陸相巖層中呈交錯狀，易尖滅層面、軟弱夾層等結構面較為平整；不整合面及沉積間斷面多由碎屑泥質物構成，且不平整國內外較大的壩基滑動及滑坡很多由此類結構面所造成的，如奧斯汀、圣·弗朗西斯、馬爾帕塞壩的破壞，瓦依昂水庫附近的巨大滑坡巖漿結構面1侵入體與圍巖接觸面2巖脈巖墻接觸面3原生冷凝節(jié)理巖脈受構造結構面控制，而原生節(jié)理受巖體接觸面控制接觸面延伸較遠，比較穩(wěn)定，而原生節(jié)理往往短小密集與圍巖接觸面可具熔合及破碎兩種不同的特征，原生節(jié)理一般為張裂面，較粗糙不平一般不造成大規(guī)模的巖體破壞，但有時與構造斷裂配合，也可形成巖體的滑移，如有的壩肩局部滑移變質結構面1片理2片巖軟弱夾層產狀與巖層或構造方向一致片理短小，分布極密，片巖軟弱夾層延展較遠，具固定層次結構面光滑平直，片理在巖層深部往往閉合成隱蔽結構面，片巖軟弱夾層具片狀礦物，呈鱗片狀在變質較淺的沉積巖，如千枚巖等路塹邊坡常見塌方。片巖夾層有時對工程及地下洞體穩(wěn)定也有影響構造結構面1節(jié)理（X型節(jié)理、張節(jié)理）2斷層3層間錯動4羽狀裂隙、劈理產狀與構造線呈一定關系，層間錯動與巖層一致張性斷裂較短小，剪切斷裂延展較遠，壓性斷裂規(guī)模巨大，但有時為橫斷層切割成不連續(xù)狀張性斷裂不平整，常具次生充填，呈鋸齒狀，剪切斷裂較平直，具羽狀裂隙，壓性斷層具多種構造巖，成帶狀分布，往往含斷層泥、糜棱巖對巖體穩(wěn)定影響很大，在上述許多巖體破壞過程中，大都有構造結構面的配合作用。此外常造成邊坡及地下工程的塌方、冒頂次生結構面1卸荷裂隙2風化裂隙3風化夾層4泥化夾層5次生夾泥層受地形及原結構面控制分布上往往呈不連續(xù)狀，透鏡狀，延展性差，且主要在地表風化帶內發(fā)育一般為泥質物充填，水理性質很差在天然及人工邊坡上造成危害，有時對壩基、壩肩及淺埋隧洞等工程亦有影響，但一般在施工中予以清基處理結構面類型描述結構面的性質有：方位、密集程度、連續(xù)性（結構面的貫通程度）、粗糙度、側壁強度、張開度（結構面兩壁面間的垂直距離）、充填物、結構面內的滲流、節(jié)理組數、塊體大小。結構面的特征軟弱夾層指在堅硬的巖體中夾有強度低、泥質或炭質含量高、遇水易軟化、延伸較廣和厚度較薄的軟弱巖層，即巖層中厚度相對較薄、力學強度較低的軟弱層或帶。常構成影響壩基、邊坡、地下洞室穩(wěn)定及許多地質災害形成的重要因素。原生泥質含量高，巖性軟弱，易泥化；或成巖后片理發(fā)育，巖性軟弱，易風化。構造含有斷層泥破碎帶，往往延伸很深，增加巖體透水性，促使其他物理、化學、地質作用的發(fā)生和發(fā)展。次生破壞其完整性，影響穩(wěn)定性，尤其是河谷底部的卸荷裂隙，具有泥質填充物，危害水工建筑物。軟弱夾層成因類型軟弱夾層

軟弱夾層特征：厚度薄（幾cm~10+cm，even幾mm）相互平行的多層狀結構松散巖性、厚度、性狀、延伸范圍變化很大力學強度低影響因素：夾層的物質組成、顆粒大小、含水量、起伏程度等泥化夾層泥化夾層

泥化：黏土巖類巖石經過一系列地質作用變成塑泥的過程。標志：天然含水量>=塑限特點：結構松散、密度小、濕度高、黏粒含量高（>30%）、強度低、變形大往往對巖體的抗滑穩(wěn)定起控制作用。土的水理性質 是指土粒與水相互作用表現(xiàn)出來的性質，包括粘性土的稠度、塑性、膨脹、收縮和崩解，以及土的透水性和毛管性等。 粘性土的稠度和可塑性 粘性土的膨脹性、收縮性、崩解性 土的透水性和毛管性土的水理性質 粘性土隨著含水量的變化，其土粒間連結的強弱程度也發(fā)生相應變化，從而表現(xiàn)出不同的物理狀態(tài)，如固體狀態(tài)、可塑狀態(tài)和流動狀態(tài)等。 粘性土的這種由于含水量的不同而表現(xiàn)出不同狀態(tài)的特性稱為稠度。稠度狀態(tài)之間的轉變界限叫稠度界限，也稱為阿太堡界限，用含水量表示，故又稱為界限含水量。粘性土的稠度和可塑性稠度是粘性土的干濕程度或在某一含水率下抵抗外力作用發(fā)生變形或破壞的能力，是粘性土最主要的物理狀態(tài)指標。固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)縮限塑限液限含水量w隨含水量不同，粘性土可處于不同的物理狀態(tài)

土的水理性質 是指土在一定條件（含水量等）下受外力作用時形狀可以發(fā)生變化，但不產生裂縫，外力移去后，仍能保持已有形狀的特性。

可塑性

液限（WL）—從流動狀態(tài)轉變?yōu)榭伤軤顟B(tài)的界限含水率，也就是可塑狀態(tài)的上限含水率；

塑限（Wp）—從可塑狀態(tài)轉變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)的界限含水率，也就是可塑狀態(tài)的下限含水率；

縮限（Ws）—從半固體狀態(tài)轉變?yōu)楣腆w狀態(tài)的界限含水率，亦即粘性土隨著含水率的減小而體積開始不變時的含水率。界限含水率液限和塑限之差的百分數值（去掉百分號）用表示，取整數，即：反映的是土的“本身特性”，對同一類土，是定值

塑性指數式中：IL——液性指數，以小數表示；

w——土的天然含水率。液性指數表征了土的天然含水率與界限含水率之間的相對關系，表達了天然土所處的狀態(tài)。

液性指數當w≤wp時，IL≤0，土處于堅硬狀態(tài)當wp＜w≤wL時，0＜IL≤1.0，土處于可塑狀態(tài)當wL＜w時，IL＞1.0，土處于流動狀態(tài)泥化夾層

形成必備條件：物質基礎：黏土礦物含量較高構造作用：層間錯動形成的層間剪切帶（泥化錯動帶、劈理帶、節(jié)理帶）地下水作用泥化夾層

特性：泥質散狀結構或泥質定向結構黏粒含量增加并達一定含量干容重減小，天然含水量增高，接近或超過塑限具一定的膨脹性力學強度降低，壓縮性較大抗沖刷能力低，易產生滲透變形 巖體由結構面切割為柱狀、塊狀、楔狀、板狀、錐狀、菱形、片狀、碎塊狀、碎屑塊等單元結構體。 根據這些單元結構體的組合特征將巖體結構類型劃分為：整體塊狀結構、層狀結構、碎裂結構、散體結構等巖體結構類型

巖體的工程地質性質巖體的結構類型巖體結構類型巖體地質類型主要結構形狀結構面發(fā)育情況巖土工程特征可能發(fā)生的巖土工程問題整體塊狀結構均質，巨塊狀巖漿巖、變質巖，巨厚層沉積巖、正變質巖巨塊狀以原生構造節(jié)理為主，多呈閉合型，裂隙結構面間距大于15m，一般不超過1～2組，無危險結構面組成的落石掉塊整體性強度高，巖體穩(wěn)定，可視為均質彈性各向同性體不穩(wěn)定結構體的局部滑動或坍塌，深埋洞室的巖爆塊狀結構厚層狀沉積巖、正變質巖、塊狀巖漿巖、變質巖塊狀、柱狀只具有少量貫穿性較好的節(jié)理裂隙，裂隙結構面間距0.7～1.5m。一般為2～3組，有少量分離體整體強度較高，結構面互相牽制，巖體基本穩(wěn)定，接近彈性各向同性體層狀結構多韻律的薄層及中厚層狀沉積巖、副變質巖層狀、板狀、透鏡體有層理、片理、節(jié)理，常有層間錯動面接近均一的各向異性體，其變形及強度特征受層面及巖層組合控制，可視為彈塑性體，穩(wěn)定性較差不穩(wěn)定結構體可能產生滑塌，特別是巖層的彎張破壞及軟弱巖層的塑性變形碎裂狀結構構造影響嚴重的破碎巖層塊狀斷層、斷層破碎帶、片理、層理及層間結構面較發(fā)育，裂隙結構面間距0.25~0.5m，一般在3組以上，由許多分離體形成完整性破壞較大，整體強度很低，并受斷裂等軟弱結構面控制，多呈彈塑性介質，穩(wěn)定性很差易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，地下水加劇巖體失穩(wěn)散體狀結構構造影響劇烈的斷層破碎帶，強風化帶，全風化帶

碎屑狀顆粒狀斷層破碎帶交叉，構造及風化裂隙密集，結構面及組合錯綜復雜，并多充填粘性土，形成許多大小不一的分離巖塊完整性遭到極大破壞，穩(wěn)定性極差，巖體屬性接近松散體介質易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，地下水加劇巖體失穩(wěn) 是指巖體在一定時間內，在一定的工程力作用下，巖體不產生破壞性的剪切滑移的性質。 其影響因素有巖體本身的因素，還有工程方面如工程結構及施工條件等因素。巖體的工程地質性質巖體穩(wěn)定性巖體中的天然應力地下水作用風化作用巖體的巖性結構面影響巖體穩(wěn)定性的主要因素巖體破壞與結構面特別是軟弱夾層有關，因此一般情況下結構面的性質（平整、起伏、光滑）、規(guī)模、數量以及分布規(guī)律等影響巖體穩(wěn)定性及工程建設。巖體的工程地質性質結構面 （1）巖性特征：巖性不同，物理力學性質就不同，必然影響巖體穩(wěn)定性。 （2）軟弱夾層：實際上是具有一定厚度的結構面，相對于巖體主體其工程地質性質較差，相對軟弱。容易發(fā)生層間錯動，容易在風化、侵蝕等作用下，首先破壞，為其他作用創(chuàng)造條件，影響巖體和工程主體結構的穩(wěn)定性，因此必須注意其成因、性質及分布。巖體的工程地質性質巖體巖性巖體的工程地質性質 風化作用可擴大巖體原有裂隙，使得巖體的工程地質性質發(fā)生改變，例如抗水性降低、親水性（膨脹性/崩解性/軟化性等）增強、壓縮性增大、孔隙性增加、透水性增加等，破壞巖體的完整性和穩(wěn)定性。巖體的工程地質性質風化作用風化作用 改變巖體性質，如加速巖石（體）特別是軟弱夾層及裂隙充填物的風化、軟化及溶解等；同時可改變巖體的受力狀態(tài)，如水壓力變化產生滲透壓力。如實際中的巖溶，就是在地下水作用下形成，當然對供水有意義，但對于工程卻并不是好事。巖體的工程地質性質地下水作用地下水作用 主要是與上覆巖層的重量有關的垂直應力和構造應力。施工破壞原來受力狀態(tài)，引起應力重新分布，產生應力能量釋放，影響巖體穩(wěn)定性，使建筑物安全受到威脅。 如實際中采礦時造成透水（廣西南丹）、水庫誘發(fā)地震等。巖體的工程地質性質巖體中的天然應力第二節(jié)

巖體的主要力學特性 巖體的力學性質是指巖體在各種靜力、動力作用下所表現(xiàn)的性質，主要包括變形和強度。 變形：彈性變形和塑性變形。 強度：指巖石抵抗外荷而不破壞的能力。按外荷方式分為抗壓強度、抗剪強度、抗拉強度。 巖體在應力作用下先是變形，然后破壞。巖體變形是巖塊、結構面和充填物三者變形總和，結構面及充填物變形起控制作用。巖石力學性質按力學性質可將巖石分為： 彈性巖石—在外力作用下(一定限度內）發(fā)生變形，而除去外力能完全恢復原來的形狀和尺寸； 塑性巖石—在外力作用下發(fā)生變形，而除去外力不能完全恢復原來的形狀和尺寸，殘余下一部分永久變形； 脆性巖石—在外力作用下無顯著變形就破壞； 彈塑性巖石—受力后至破壞前所產生的彈性變形小于塑性變形； 彈脆性巖石—受力后至破壞前所產生的彈性變形大于塑性變形；

巖體的應變速率是決定粘彈性介質力學性狀的主要因素。當應變速率C小于某臨界值C0時（對于花崗巖C0=10-13－10-14/s），巖體在受力初期隨應變的增大而發(fā)生應力積累。當應力增大到一定程度時，應力不再增大而變形則不斷增大。巖體產生粘性流動而不發(fā)生破壞。當C大于C0時，則巖體的性狀近于彈性體，即隨著應變的發(fā)展，巖體內的應力不斷增大，最終導致突然的破壞。

巖體力學性質彈性模量巖石變形特性的基本指標泊松比變形模量變形模量巖石加荷的最大壓力（拉力）（）與其相應的應變（）之比。

單位：Kg/cm2彈性模量應力與彈性應變的比值—彈性應變泊松比巖石在軸向壓力的作用下，除產生縱向壓縮外，還會產生橫向膨脹。這種橫向應變與縱向應變的比值，稱為泊松比

巖體變形破壞過程中的時間效應表現(xiàn)為兩方面：（1）蠕變(creep)：在應力恒定的情況下巖體變形隨時間而發(fā)展的過程；（2）松弛(relaxation)：在變形恒定的情況下巖石內應力隨時間而降低的過程。巖體的蠕變現(xiàn)象十分普遍，在天然斜坡、人工邊坡、地下洞室圍巖中可直接觀測到。巖體因加荷速率、變形速率不同所表現(xiàn)的不同變形破裂性狀，巖體的累進性破壞機制和剪切粘滑機制等，也都與時間效應有關。巖石的蠕變通常劃分為三個階段：減速蠕變等速蠕變加速蠕變蠕變量不存在漸近極限，去荷后有殘余變形，馬克斯韋爾模型(彈簧元件與活塞元件串聯(lián))蠕變速度隨時間不斷增大，最后導致破壞蠕變量有一漸近的極限值，去荷后無殘余變形，凱爾文模型(彈簧元件與活塞元件并聯(lián))

巖體由彈性變形階段進入塑性變形階段的臨界應力稱為巖體的屈服強度（

σy）—yieldstrength；巖體進入不穩(wěn)定破裂發(fā)展階段的臨界應力稱為長期強度（σc）—longtermstrength。巖體遭受最終破壞以后仍然保存有一定的強度，稱為殘余強度（σR）—residualstrength?？辜魪姸葞r石強度抗拉強度抗壓強度巖石抵抗外荷而不破壞的能力稱為巖石強度

指巖石單向受壓時，抵抗壓碎破壞的單位面積最大軸向壓力抗壓強度 指巖石剪切破壞時的最大剪應力，是評價巖石穩(wěn)定性的指標，由工程實際的剪切破壞情況，分為：抗剪強度1

抗剪（擦）強度2

抗切（斷）強度3

抗剪斷強度 指巖石與巖石或巖石與其它材料之間沿某一摩擦面，在壓應力作用下，被剪動時的最大剪應力抗剪（擦）強度—土的抗剪（擦）強度；—剪切面上的法向壓力；—磨擦角 指巖石剪斷面上無正壓力條件下，巖石被剪斷時的最大剪應力，即抗切（斷）強度—土的抗切（斷）強度；—土的內聚力； 指巖石剪斷面上有一定壓應力作用下，被剪斷時的最大剪應力，是評價巖石穩(wěn)定性的指標，抗剪斷強度—土的抗剪斷強度；—剪切面上的法向壓力—土的內磨擦系數—土的內聚力 指巖石單向受拉，拉伸破壞時的最大拉應力抗拉強度巖體的抗壓強度最高，抗剪強度居中，抗拉強度最小。巖體越堅硬，其值相差越大，軟弱的巖體差別較小。巖體的抗剪強度和抗壓強度是評價巖體（巖體）穩(wěn)定性的指標，是對巖體（巖體）的穩(wěn)定性進行定量分析的依據。由于巖體的抗拉強度很小，所以當巖層受到擠壓形成褶皺時，常在彎曲變形較大的部位受拉破壞，產生張性裂隙。

地殼巖體內的天然應力狀態(tài)，是指未經人為擾動的，主要是在重力場和構造應力場的綜合作用下，有時也在巖體的物理、化學變化及巖漿侵入等的作用下所形成的應力狀態(tài)，常稱為天然應力或初始應力。人類從事工程活動，在巖體天然應力場內，因挖除部分巖體或增加結構物而引起的應力，稱為感生應力。第三節(jié)地應力的工程地質研究修建高壩、大型水庫和深大的地下硐室等，常能在更大范圍內破壞巖體內天然應力的平衡，引起一系列諸如斷層復活、水庫地震以及大型巖爆等嚴重危害建筑物和人民生命財產的工程地質作用。所以，對于天然巖體應力狀態(tài)的研究，是工程地質工作者的一項重要任務。按成因，對構成巖體應力的各組分作如下分類：

天然應力或初始應力（virginalstress）

自重應力（gravitationalstress）

構造應力（tectonicstress）

活動的（activetectonicstress）剩余的（residualtectonicstress）

變異及殘余應力（alteredandresidualstress）

感生應力（inducedstress）

自重應力

在重力場作用下生成的應力為自重應力。地表近水平時，重力場在巖體內的某一任意點形成相當于上覆巖層重量的垂直正應力σv：

σhhσv地面

σv

=γh式中：γ為巖石的容重；h為該點的埋深；σv相當于該點三向應力中的最大主應力。另外，由于泊松效應（即側向膨脹）造成水平正應力σh，相當于三向應力中的最小應力：式中：μ為泊松比，N0稱為側壓力系數。對大多數堅硬巖體：μ為0.2～0.3，即N0為0.25～0.43。對于半堅硬巖體:N0大于0.43，且當上覆荷載大，下伏巖體呈塑流時，μ接近0.5，N0近于1，及近似于靜水應力狀態(tài)。構造應力地殼運動在巖體內形成的應力稱為構造應力。可分為活動的構造應力和剩余的構造應力兩類。

活動的構造應力，即狹義的地應力：地殼內現(xiàn)在正在積累的能夠導致巖石變形和破裂的應力。（與區(qū)域穩(wěn)定與巖體穩(wěn)定密切相關）

剩余的構造應力：是古構造運動殘留下來的應力。對于這種應力是否存在有不同的認識。根據應力松弛觀點，認為在一次構造運動的數萬年后，該次構造應力因松弛效應而不復存在。但在加拿大地盾蘇必湖地區(qū)的應力實測資料顯示，剩余構造應力仍然十分明顯。變異及殘余應力

變異應力：巖體的物理、化學變化及巖漿的侵入等引起的應力。具體來說是巖體的物理狀態(tài)、化學性質或賦存條件的變化引起的，通常只具有局部意義，可統(tǒng)稱為變異應力。這類應力均是由巖體的物理狀態(tài)、化學性質或賦存條件等方面發(fā)生變化應起的，通常只具有局部意義。殘余應力：承載巖體遭受卸荷或部分卸荷時，巖體中某些組分的膨脹回彈趨勢部分地受到其它組分的約束，于是就在巖體結構內形成殘余的拉、壓應力自相平衡的應力系統(tǒng)，此即殘余應力。大量實測資料表明，世界上大多數地區(qū)巖體內的天然應力狀態(tài)是以水平應力為主。這就足以證明，構造因素在地殼巖體的天然應力狀態(tài)的形成中起著主導作用。

巖體中存在三向不等的應力場垂直向應力與巖體自重的關系水平應力與垂直應力的關系水平應力具有強烈的方向性地應力的分布我國地應力場的空間分布特點

（1）各地最大主應力的發(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)線所構成的夾角等分線方向相吻合或相近似，僅在兩側邊緣地帶略有偏轉，即東側向順時針偏轉，西側向逆時針偏轉。地應力的分布（2）三向應力狀態(tài)及其所決定的現(xiàn)代構造活動類型呈有規(guī)律的空間分布：潛在逆斷型應力狀態(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力均大于垂直主應力，屬強烈水平擠壓區(qū)。地殼物質運移方向主要是垂直向上。σ3垂直，σ1和σ2水平地形地質構造地應力的主要影響因素鉆孔套芯應力解除法水壓致裂法地應力的測量方法目前巖體應力測量方法很多，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：巖體應力測試方法直接測試法間接測試法應力恢復法應力解除法水力壓裂法（水壓致裂法）鉆孔崩落法定向巖芯非彈性應變恢復法凱塞爾效應測試法（1）應力恢復法（stress-recoverymethod)

當巖體應力被解除后，通過施加壓力，使其恢復到原來的狀態(tài)，以求得巖體應力解除前的應力值。優(yōu)點是在確定巖體的應力時，不需測定巖體的應力應變關系。（2）應力解除法（stress-reliefmethod）在擬測點附近的一個小巖石單元周圍切割出一個環(huán)狀“槽子”，使得這一部分巖體處于卸荷狀態(tài)。從刻槽前裝置好的儀器測出由于這種應力解除而引起的應變反應。并根據有關巖石已知的應力－應變關系，精確換算出應力解除前巖體內三維主應力的大小和方向。該方法以其精度高、測值穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，被廣泛應用于巖土工程設計、礦產開采、地震研究等方面。（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，然后根據破壞壓力、關閉壓力和破裂面的方位，計算和確定巖體內各主應力的大小和方向。該法能有效地利用已有鉆孔進行深部地應力測試，且具有操作簡便、無須知道巖體力學參數等優(yōu)點，已被廣泛應用于水電工程設計、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研究等領域。應用該測試方法，可以得到垂直于鉆孔平面的最大和最小應力的大小和方向。對于垂直鉆孔，由不同深度的測試數據，可得到最大和最小水平主應力隨深度變化規(guī)律。對三個或三個以上的交匯鉆孔進行測試，經過數據處理計算得到測點附近的三維應力狀態(tài)。（4）鉆孔測量崩落測量法研究表明鉆孔崩落現(xiàn)象是由孔壁應力集中部位的局部破壞引起的，且崩落的長軸垂直區(qū)內水平最大主應力方向，而崩落域側向角（θb）及破壞應力比（σH/σh）的大小則主要與巖石的性質及水平最小主應力有關。由此可以求出該區(qū)水平最大、最小主應力的方向及大小。步驟如下：詳細測量區(qū)內的鉆孔崩落現(xiàn)象，并根據崩落域的長軸展布確定該區(qū)水平最大主應力和最小主應力。按照實際的巖體條件進行模擬試驗，求得θb－σh直線關系(圖2－50)，并根據實測的σb求出區(qū)內的水平最小主應力(σh)的量值。根據σh及實測的C0，利用圖2－51即可得出區(qū)內水平最大主應力(σH)的大小。（5）定向巖芯非彈性應變恢復測量法基本原理實測結果表明，巖石應變恢復的性狀(圖2—52)有如下主要特征：巖石的總應變恢復量(ε)是由彈性應變恢復(ε′)和非彈性應變恢復(ε″)兩部分所組成，且整個應變恢復的時間足夠長，約達30余小時。

在未發(fā)生非線性蠕變的條件下主應變恢復(無論是彈性的或是非彈性的)的軸向與主應力方向一致，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″1

ε3=ε′3+ε″3

如果發(fā)生非線性蠕變，則最大彈性應變恢復軸與最大非彈性應變恢復軸的方向將是不同的。此時，彈性應變恢復的軸向所反映的是較新的應力環(huán)境，而非彈性應變恢復的軸向所代表的則是較老的應力環(huán)境。但實測資料表明，出現(xiàn)非線性蠕變的情況是很少的。在整個應變恢復過程中，主應變比(無論是彈性或是非彈性的)與主應力比始終保持相等。測量的方法及步驟從鉆孔中取定向巖芯。在巖芯內選三個不同方向的面，在每個面上的三個不同方向上進行應變恢復測量，然后根據測量資料計算三個主應變的方向及比值。如果有一個主應力是垂直的，且其大小等于上覆層的重量。則只在水平面內的三個不同方向上進行應變恢復測量，求得兩個水平主應變的方向及比值即可。（6）凱塞爾（Kaiser）效應測量法

基本原理1950年，德國學者J.Kaiser發(fā)現(xiàn)受單向拉伸力作用的金屬材料，只有當應力達到并超過材料所受過的最大先期應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。1963年，Goodman通過實驗證實巖石也具有凱塞爾效應，從而為應用這一技術測定巖體應力奠定了基礎。70年代末期以來，日、美、中學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方向獨立性、三維地應力測量及試驗過程中噪聲的排除等問題，使凱塞爾效應在地應力測量領域已基本具有實用性。

為了深入理解凱塞爾效應及其在地應力測量方面的應用，首先需對下述基本問題作簡要的討論。巖石凱塞爾效應的微觀機理研究表明，巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象實際上是來源于其內部顯微缺陷的受力擴展，而巖石的每一次受力，都會使其內部組織結構產生與荷載大小及方向相適應的顯微破裂系統(tǒng)，再次加載時，如果荷載小于先期荷載，則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)，一旦荷載達到并超過先期荷載，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)，這就是凱塞爾效應的基本機理。巖石凱塞爾效應對地應力的記憶功能已有的研究認為，通過凱塞爾效應所測得的是巖體在地質歷史時期內所遭受過的最大應力。如果確是這樣，實際上就無法利用凱塞爾效應來解決現(xiàn)今地應力的測量問題，因為在遭受過構造變動，且有斷裂發(fā)育的地區(qū)，任何一部分巖體當時都遭受過很大的，甚至是接近其破裂強度的應力。但是，一系列實測資料表明，利用凱塞爾效應測得的巖體應力遠小于該巖體的破裂強度，而與用套鉆法測得的現(xiàn)今巖體應力十分接近。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闡明。通過對已有實測資料的深入分析，我們發(fā)現(xiàn)凱塞爾效應實際上只能記憶晚近時期的應力；而不能記憶古構造力。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造應力的記憶能力。相反，晚近時期巖體的受力過程是在該巖體已處于地表附近的常溫、低圍壓條件下發(fā)生的，此時所產生的顯微破裂系統(tǒng)，由于形成后所經歷的時間很短，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，當采樣并對巖石試件加載、且應力達到和超過晚近時期巖體所遭受的應力量級時，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只能記憶晚近時期巖體所遭受過的應力的道理所在。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力作用的巖石，在其再次受力過程中可