一个封闭岩体的强度,随着它的被封闭程度以及在其上所施加压力的大小,而呈比例地增加。此时,倘若其上所负的重压被去除,原先所埋藏的岩石强度就减小,而且其封闭程度亦随之降低。在扩张的同时,还伴随有内部应力的释放,于是就产生了平行于表面的裂纹。以上讨论的定量特征,强调了地貌学在力学基础上的说明和应用。
作为一个例子,卡尔逊等人(CarsonandKirkby)总结了1943年由特尔查菲所作的研究结论,指出了在岩墙、岩壁上去除负载时的应力分析,即去除了横向压力后(例如由于河流的深切),有可能计算出来的垂直应力为:
σz=γ·Z (6.92)
而水平应力为:
σx=K·σz (6.93)
随着横向支持的去除,水平应力改变为:
△σx=E·△εx (6.94)
在应力的活跃阶段,上述符号分别表示:σz为垂直压力;σx为水平压力;γ为材料的比重;Z为低于表面的深度;K为土压系数;E为弹性模量;△εx为在x方向上的应变。
上述状况可以参看图6-30。
最小的水平应力或者有限的稳定性条件可以被表示成:
在断裂之前,一个切割的最大高度为:
岩石面的最大高度;Z为张力裂隙的深度。
对研究者来说,更感兴趣的也许是:张力带经常发育在斜坡的上部,该带的厚度可以用下式计算:
最后,值得注意的是岩石对于压力释放后的响应,将随着时间可能有很大的变化。在极端的情况下(如采石场的石壁),响应可能是十分迅速的,在去除负荷后的几年内会突然发生破裂;但是在另外的情形下,整块的大岩体,经过冰川的切割之后,还能够比较稳定地保存许多年,自从上次冰期以来仍然保存完整,在其内部仍有着紧密的固结。
(二)冻结风化
冻结风化是指在岩石的孔隙内或非连续断口处,岩石经受水分冻融的往复循环后,所发生的机械破损。曾经有过不少的讨论,确定最有效的冻融特性问题。但是在规定的冻一融循环中,由于空气温度或土壤温度并非是冻结范围内的准确指标,因此所规定的临界温度点,在各处是不相同的。此外,岩石有不同的导热性,其它要素如含水量、温度改变速率、其内所包括的溶解物质与离子、岩石的孔隙度以及渗透性等均不相同,都会有效地影响着冻结风化过程。表6-5即为很好的说明。
一个单一的冻融循环,可以用图6-31加以说明。冻融的更替次数(即每通过一次0℃界限的次数),是环境变化的一个有用测度。该循环的波长与温度变化的速率,应能作为表示该过程强度的主要指标。冻--融比率Tn/Tx(Tn为该循环的最低温度,Tx为该循环的最高温度)如果是一个围绕冻结点的对称曲线,则产生一个比率单位。但迄今为止,有关岩石破裂的冻结风化参数,所作的研究还是很不充分的。