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第四章地应力及其原理(2016介绍

归档日期:09-24       文本归类:初始地应力      文章编辑:爱尚语录

  第四章地应力及其原理(2016介绍_商业计划_计划/解决方案_实用文档。岩体力学 2018/10/21 1 第四章 岩体地应力及其测量方法 学习指导: ? 主要介绍岩石的初始应力概念,包括自重应力和构造应力, 初始应力的量测方法及原理,扁千斤顶法和应力解除法等。

  岩体力学 2018/10/21 1 第四章 岩体地应力及其测量方法 学习指导: ? 主要介绍岩石的初始应力概念,包括自重应力和构造应力, 初始应力的量测方法及原理,扁千斤顶法和应力解除法等。 重 点 ? 岩体的初始应力概念 ? 岩体初始应力的测量方法 ? 4 岩体地应力及其测量方法 ? 4.1概述 ? 4.1.1 基本概念 ? 地应力:系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力 状态,即未受人工开挖扰动的应力,称为地应力或原岩应力。 ? 次生应力:受开挖、手动影响,在影响范围以内的原岩应力 平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。 ? 应力重分布:原岩应力到次生应力的转换过程。 4.2 地应力概论 ? 一、 地应力 地应力分为自重应力场和构造应力场。 自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力; 构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活 动与变化的应力,地质作用残存的应力。 ? 二. 地应力的特点及其重要性 ? 地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑和其他各种地下 工程或露天岩石开挖工程变形和破坏的原始动力, ? 是确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析,实现岩 石工程开挖设计和决策的必要前提条件。 ? 2 地应力的特点及其重要性 ? 为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工, 就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分调查, ? 只有详细了解了这些工程影响因素,通过定量计算和分 析,才能做出既经济又安全实用的工程设计。 ? 例如:对于矿山来说,只有掌握了具体工程区域 的地应力条件,才能合理确定矿山总体布置,确 定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸等。 ? 在确定巷道和采场走向时,也应考虑地应力的状 态,最理想的走向是与最大主应力方向平行, ? 当然,在实际工程中还要综合考虑工程需要和其 它影响因素。 ? 综上所述,地应力的特点及其重要性如下: ? 1、地应力是地下工程围岩变形破坏原始动力; ? 2、地位相当于工程中习惯性理解的外荷载,但又与 材力、弹力中泛指的外荷载有所不同; ? 3、地下工程是先受力,后开挖,并且地应力从开挖 前到最终一直对围岩起着作用; ? 4、地应力是涉及地壳问题、地下工程问题理论分析、 计算中最基础的原始资料。 ? 4.3 地应力的成因 ? 1)海姆假设: ? 在前言中我们已经介绍过,人们认识地应力还只是近 百年的事,1878年瑞士的地质科学家海姆(A.Heim)在 大型越岭隧道的施工过程中,通过观察与分析,首次提 出了地应力的概念, ? 1)海姆假设: ? 假设地应力是静水应力状态,即地壳中任意一点的应力在各 个方向上均相等,并且等于单位面积上覆盖岩层的重量,即: ? 式中: —水平应力; —垂直应力; 重; —覆盖岩层的深度。 —覆盖岩层的容 ?h ? ?v ? ? H ?v H ?h ? ? 海姆认为: ? (1)原岩应力各向等压,即静水压力状态。 ? (2)上覆岩体的重量,历经漫长的地质年代后,由 于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件,导致 水平应力最终与铅重应力相均衡。 ? 这一法则,仍被许多岩石力学家在认识深部地应力 状态时所接受。 ? 2)金尼克假设 ? 1926年,原苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设, ? 他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆盖岩层的重量, ? 而侧向应力(水平应力)是泊松效应的结果,其值应为 乘以一个修正系数。 ?H ? 2)金尼克假设 ? 金尼克根据弹性理论(假定岩体是均匀的、连续的弹性介质 体,得出水平应力总归小于铅垂应力的结论), ? 认为这个测压系数等于 ,即: ? ? 式中: —上覆盖岩层的泊松比,岩石的泊松比的常值范围 1 ?? 为0.15~0.30。 ? ? v ? ? H ,? h ? ?H 1 ?? ? ? ?h ? ? 0.5 时, 此时,当 说的一个特例。 ? ? v ? ?,即海姆假说只是金尼克假 H ? 同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公 式来定量地计算地应力的大小,并且也都认为地应力只 与重力有关,即以垂直应力为主,他们不同点只在于测 压系数的不同。 小结 地应力分布理论: 1)海姆假设:(首次提出了地应力的概念,静 ? h ? ? v ? ?H 水压力假设) 海姆假说:在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重 量成正比,而水平应力大致与垂直应力相等。 2)金尼克假设:(弹性力学假设) 1?? 修正了海姆的静水压力假设,认为地壳中垂直应力等于上 覆岩层重量,而水平应力是泊松效应的结果。 h ?v ? ?H ,? ? ? ?H v 为上覆岩层的柏松比。 ? 我国的地质学家李四光: ? 20 年代指出“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚 度的情况下,水平应力分量的重要性远远超过垂直应力 分量”。 ? 50年代,哈斯特在测试地应力时也发现地壳上部的最大 主应力几乎处处是水平或接近水平的,而且最大水平应 力主应力一般为垂直应力的1~2倍。 ? 这样就从根本上动摇了地应力是静水压应力的理论和垂 直应力为主的观点。 c 地应力分布理论: 3)李四光:在构造应力的作用仅影响地壳上层一 定厚度的情况下,水平应力分量的重要性远远超过垂 直应力分量。 4)哈斯特:地应力测量发现存在于地壳上部的最 大主应力几乎处处是水平或接近水平的,从根本上动 摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观 点。 5)近期研究: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。 ? 因此,重力作用和构造运动是引起地应力的 主要原因, 地应力的大小和方向不可能通过 数学计算或模型分析的方法来获得,要了解 一个地区的地应力状态,唯一的方法就是进 行地应力测量。 自重应力和构造应力: (1)岩体的自重应力 在均匀岩体中,深度为z处的岩体的竖向自重应力为: ?z ?? ?H 在半无限体中任一微元体上的正应 力均为主应力,且有 ?x ?? y, ?x ??y ? 0 ? xy ? ? yz ? ? zx ? 0 根据虎克定律: 1 ? x ? ? y ? ?(? x ? ? (? y ? ? z ) E 得: ?? 0 ?x ??y ? ? 1? ? ? z ? ?? z 其中λ为岩体静止侧压力系数。 在均匀岩体中,岩体的自重初始应力状态 为: ?z ?? ?H ?x ??y ? ? 1? ? ? z ? ?? z ? xy ? ? yz ? ? zx ? 0 对于均质成层岩体: ? z ? ? ? i hi i ?1 n ?n ? x ? ? y ? ?n? z ? 1 ? ?n ?? h i ?1 n i i 对于各向异性体,例如薄层状沉积岩: ? z ? ? ? i hi i ?1 n ?x ? ?y ? ?x E // ? ? // ?y E // ? ?? ?z E? ?0 ?x ??y 则有 : E // ?? ?x ??y ? ? ?z 1 ? ? // E ? 岩体自重应力的特点: (a)水平应力σx、σy小于垂直应力σz ; (b) σx、σy、σz均为压应力; (c) σz只与岩体容重和深度有关,而 σx、 σy还同时与岩体弹性常数E、μ有关; (d)结构面影响岩体自重应力分布。 ? 4.4. 地应力的成因 ? 产生地应力的原因是十分复杂的,至今也不是十分清楚。 ? 近 30 多年来的实测和理论分析表明,地应力的形成主要 与地球的各种运动过程密切相关。 ? 包括:板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、 地球旋转、岩浆侵入和地球非均匀扩容等。 ? 另外,温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变 化等也可以引起相应的应力场。下面就几种主要成因进行分 述: ? (1)大陆板块边界受压引起的应力场 ? 中国大陆板块受到外部印度洋板块和太平洋板块 两板块的挤压,推挤速度为每年数厘米,同时还受 到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。 ?我国大陆板块发 生变形,产生水 平压应力场,其 主应力迹线)地幔热对流引起的应力场 由硅镁组成的地幔因温度 很高,具有可塑性,并可以上 下对流和蠕动。当地幔深处的 上升流到达地幔顶部时,就分 为两股方向相反的平流,经一 定流程直到与另一对流圈的反 向平流相遇,一起转为下降流 回到地球深处,形成封闭的循 环体系。地幔热对流引起地壳 下面的水平切向力。 ? (3)由地心引力引起的应力场 ? ? ? 由地心引力引起的应力场称为重力应力场,重力 应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。 重力应力为垂直方向应力,它是地壳中所有各点 垂直应力的主要组成部分, 但垂直应力一般并不完全等于自重应力,因为板 块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度 不均和水压梯度等,均会引起垂直方向应力的变化。 由地心引力引起的应力场 垂直应力: ? ? ?H G ? —平均容重,KN/m3 H—总深度(m) 图 岩体自重垂直应力 ? (4)岩浆侵入引起的应力场 ? 岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩过程,由于不同的 热膨胀系数及热力学过程等,均会在周围地层中产生相 应的应力场,但它是一种局部应力场。 岩浆倾入挤压、 冷凝收缩和成岩,均 在周围地层产生相应 的应力场。 与上述三种应力场 不同,由岩浆侵入引 起的应力场是一种局 部应力场。 ? (5)地温梯度引起的应力场 ? ? 地层的温度随着深度的增加而升高,一般的温度梯度 为每百米3℃。 由于温度梯度而引起地层中不同深度不同的膨胀,从 而引起地层中的局部压应力产生。 随埋深增加,地温增高,岩体性质改变产生附加应力。 ? ? ? 3 C / 100m 岩体的体膨胀系 一般地温梯度: 4MPa; -5 数: ,岩体弹模 E=10 ? ? 10 地温梯度引起的温度应力约为: ? T ? z??E ? 0.03?10?5 ?104 zMPa ? 0.003zMPa z--深度/m。 温度应力是同深度的垂直应力的1/9,并呈静水压力状态。 ? (6)地表剥蚀产生的应力场 ? 地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生 剥蚀作用,由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上 这种变化,导致岩体内仍然存在着比由地层厚度所引起的自 重应力还要大得多的水平应力。 因此,在某些地区,大的水平应力除了与构造应 力有关,还和地表剥蚀有关。 区域初始应力场有一致性,而区域内局部地点的 初始应力又有很大差别,主要是由地质因素造成的。 孤立山体:岩体自重起主导作用,σV σH 陡峭河谷:底部出现应力集中,最大主应力与河谷 轴近似垂直。如二滩水电站处于河谷地段的应力集 中范围达500m,深度250m 断裂带:残留较大构造应力。如云南鲁布革电 站工程中岩体最大主应力与断层走向近似垂直, 积聚于上盘岩体中。 地壳表面剥蚀:垂直应力减少,近地表处, σH σV 此外,地震活跃地区,初始应力大小和方向还 随时间而变化。 4.2 地应力场的分布规律 ? 通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分 析与研究,已初步认识到浅部地壳应力分布的一些 基本规律: ? (1)地应力是个相对稳定的非稳定应力场,它是时 间和空间的函数。 ? 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向 不等压应力场。三个主应力的大小和方向是随着时 间和空间而变化的,因而它是一个非稳定的应力场, ? ? ? 从小范围来看,它在空间上的变化是比较明显的, 但就某个地区整体而言,其变化并不大。 在某些地震活跃地区,地应力的大小和方向随 时间的变化是很明显的。 地震前,应力处于累积阶段,应力值不断升高, 而地震时使集中应力得到释放,应力值大幅度下降, 要过一段时间后才能恢复到震前状态。 2)实测铅垂应力基本等于上覆岩层重量 ? 对全世界实测统计资料的分析表明,在深度为25~ 2700m的范围内,垂直应力呈线性增长,大致符合海 姆的假设规律, ? 但在某些地区的测量结果有一定的偏差,这些 偏差除测量误差外,板块移动、岩浆运动和不均匀 膨胀、扩容等都会产生垂直应力异常。 ? 图 4-2 是霍克( E.Hoek )和布朗( E.T.Brown ) 总结出来的世界各国值随深度H的变化规律。 2)实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量 ? v ? ?H 垂直应力 随深度线性 增加。平均 容重约为 27KN/m3 ? v ? 27HkPa 世界各国垂直应力随深度变化的规律 ? (3)水平应力普遍大于铅垂应力 ? 实测资料表明,在绝大多数地区均有两个主应力位 于水平或接近水平的平面内,其与水平面的夹角一般不 大于30°,最大水平主应力普遍大于垂直应力,它们的 比值一般在0.5~5.5之间,在很多情况下比值大于2。 垂直应力在大多数情况下为最小主应力,在少数情 况下为中间主应力,只在个别情况下为最大主应力。 这说明,水平方向的构造运动对地壳浅层地应力的 形成起控制作用。 ? ? 世界各国水平主应力与垂直主应力之间关系表 平均水平应力/垂直主应力(%) 最大水平应力 /垂直主应力 2.09 2.95 2.56 国家名称 中国 澳大利亚 加拿大 0.8 32 0 0 0.8~1.2 40 22 0 1.2 28 78 100 美国 挪威 瑞典 南非 前苏联 其他地区 18 17 0 41 51 37.5 41 17 0 24 29 37.5 41 66 100 35 20 25 3.29 3.56 4.99 2.50 4.30 1.96 (4)平均水平应力与铅垂应力的比值随深度增加而减 小,但在不同地区,变化的速度很不相同。 该图表明,在深度不 大的情况下 , 两者的 比值相当分散 。 随着 深度的增加 , 该值的 变化范围逐步缩小 , 并向1 附近集中,这说 明在地壳深部有可能 出现静水压应力状态 。 4)平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小,且趋近于1 K ? 平均水平应力 垂直应力 1500 K? ? 0.5 H 100 K? ? 0.3 H 五、最大、最小水平主应力随深度线性增加: σHmax=6.7+0.0444H(Mpa) σHmin=0.8+0.0329H(Mpa) 70 90 110 130 150 170 190 210 深度 (m) 应力值 (MPa) 0 3 6 9 12 15 最大水平主应 力 最小水平主应 力 230 250 六、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。 多数情况是0.4-0.8。 ? H min ? 0.2 ~ 0.8 ? H max 七、地应力除上述分布规律外,还受地形、岩体结构、 断层等方面的扰动影响。 ? 地形:对原始地应力的影响是十分复杂,谷底是 应力集中部位,越靠近谷底其应力集中程度也会 越明显。 ? 随着深度的增加或远离谷底边坡,则地应力分布 状态逐渐趋于规律化,并显示出和区域应力场的 一致性。 断层和结构面:地应力分布状态也会出现明显的扰 动。 断层端部、拐角处及交汇处将出现应力集中的 现象,主应力方向大多平行或垂直于断层走向。 ? 由于断层带中的岩体一般都比较软弱和破碎, 不能承受高的应力和不利于能量积累,所以此处成 为应力降低带。 ? 随着断层性质的不同,其影响也不一样, ? 只是主应力的大小比周围岩体有所下降; ? 张性断层:其中的地应力大小和方向与周围岩体相 比均要发生显著的变化。 压性断层:其中的应力状态与周围岩体比较接近, §4-3 高地应力区特征 4.3.1 高地应力判别准则和高地应力现象 1.高地应力判别准则 高地应力是一个相对的概念。由于不同岩石具有不同的弹性 模量,岩石的储能性能也不同。一般来说,地区初始地应力大 小与该地区岩体的变形特性有关,岩质坚硬,则储存弹性能多, 地应力也大。因此高地应力是相对于围岩强度而言的。也就是 说,当围岩内部的最大地应力与围岩强度(Rb)的比值达到某一 水平时,才能称为高地应力或极高地应力。即 围岩强度比? ? max Rb ? 2、高地应力现象 ? ? ? ? ? (1)岩芯饼化现象 (2)岩爆。在岩性坚硬完整或较完整的高地应力 地区开挖隧洞或探洞的过程中时有岩爆发生。岩爆 是岩石被挤压到弹性限度,岩体内积聚的能量突然 释放所造成的一种岩石破坏现象。 3)探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离,岩体锤击为嘶哑 声并有较大变形,在中等强度以下的岩体中开挖探洞 或隧洞,高地应力状况不会像岩爆那样剧烈,洞壁岩 体产生剥离现象. 有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部,锤击时有破 哑声。在软质岩体中洞体则产生较大的变形,位移显 著,持续时间长,洞径明显缩小。 ? (4)岩质基坑底部隆起、剥 离以及回弹错动现象。 ? 在坚硬岩体表面开挖基坑 或槽,在开挖过程中会产生坑 底突然隆起、断裂,并伴有响 声;或在基坑底部产生隆起剥 离。在岩体中,如有软弱夹层, 则会在基坑斜坡上出现回弹错 动现象。 ? (5)野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实 ? 验室岩块试验结果高。 4.3.2 岩爆及其防治措施 岩爆: 围岩处于高应力场条件下所 产生的岩片(块)飞射抛撤,以及洞壁 片状剥落等现象叫岩爆。 ? 1 LOREM 岩体内开挖地下厂房、隧道、矿山地下巷道、采场等地 下工程,引起挖空区围岩应力重新分布和集中,当应力集 中到一定程度后就有可能产生岩爆。在地下工程开挖过程 中,岩爆是围岩各种失稳现象中反映最强烈的一种。它是 地下施工的一大地质灾害。由于它的突发性,在地下工程 中对施工人员和施工设备威胁最严重。 地下工程中岩爆的形成条件及机理: ? 有的学者认为岩爆是受剪破裂;也有的 学者根据自己的观察和试验结果得出张破裂 的结论;还有一种观点把产生岩爆的岩体破 坏过程分为:劈裂成板条、剪(折)断成块、 块片弹射三个阶段式破坏。 目前主要是根据现场调查所得到的岩爆特征,考虑岩 爆危害方式、危害程度以及对其防治对策等因素. (1)破裂松脱型 (2)爆裂弹射型 岩片弹射及岩粉喷射,爆裂声响 如同枪声、弹射岩片体积一般不超 过0.33m3,直径5~10cm。洞室开凿 后,一般出现片状岩石弹射、崩落 或成笋皮状的薄片剥落,岩片的弹 2 射距离一般为2~5m。岩块多为中间 厚,周边薄的菱形岩片。 围岩成块状、板状、 鳞片状,爆裂声响微弱, 弹射距离很小,岩壁上 形成破裂坑,破裂坑的 深度主要受围岩应力和 1 强度的控制。 (3)爆炸抛射型 岩爆发生时巨石抛射,其 声响如同炮弹爆炸,抛射岩块 的体积数立方米到数十立方米, 抛射距离几米到十几米。 此外,也有把岩爆分为应变型、屈服型及岩块突出型的。 1 2 3 应变型,指坑道周边坚硬岩体产生应力集中,在 脆性岩石中发生激烈的破坏,是最一般的岩爆现 象; 屈服型,指在有相互平行的裂隙的坑道中,坑道 壁的岩石屈服,发生突然破坏,常常是由爆破振 动所诱发的; 岩块突出型,是因被裂隙或节理等分离的岩块突 然突出的现象,也是因爆破或地震等而诱发的。 2、岩爆产生的条件 ? 岩爆产生的条件可归纳为: ? ? (1)地下工程开挖、洞室空间的形成是诱发岩爆的几何条件; (2)围岩应力重分布和集中将导致围岩积累大量弹性变形能, 这是诱发岩爆的动力条件; ? ? (3)岩体承受极限应力产生初始破裂后剩余弹性变形能的集 中释放量即决定岩爆的弹射程度; (4)岩爆通过何种方式出现,这取决于围岩的岩性、岩体结 构特征、弹性变形能的积累和释放时间的长短。 3、岩爆发生的判据 我国工程岩体分类标准采用的判据如下: ? (1)当Rc/σmax7时,无岩爆: ? ? (2)当Rc/σmax= 4~7时,可能会发生轻微岩爆或中 等岩爆; (3)当履Rc/σmax 4时,可能会发生严重岩爆。 ? 式中 Rc——岩石单轴抗压强度;σmax——最大地应力。 4、岩爆的防治 目前已有许多行之有效的治理岩爆的措施,归纳起来有: 加固围岩、加防护措施、完善施工方法、改善围岩应力条件以及改 变围岩性质等。 (1)围岩加固措施 该方法是指对已开挖洞室周边的加固以及对撑子面前方的超前加固,这 些措施一是可以改善撑子面本身以及1~2倍洞室直径范围内围岩的应力 状态;二是具有防护作用,可防止弹射、塌落等。 ? (2)改善围岩应力条件 ? a)在选择隧道及其他地下结构物的位置时,应使其长轴方 向与最大主应力方向平行,这样做可以减少洞室周边围岩 的切向应力; ? b)在设计时选择合理的开挖断面形状,以改善围岩的应力 状态; ? c)在施工过程中,爆破开挖采用短进尺、多循环,也可以 改善围岩应力状态,这一点已被大量的实践所证实; ? d)应力解除法,即在围岩内部造成一个破碎带,形成一个 低弹性区,从而使撑子面及洞室周边应力降低,使高应力 转移到围岩深部。为达到这一目的,可以打超前钻孔或在 超前钻孔中进行松动爆破,这种防治岩爆的方法也称为超 应力解除法。 ? (3)改变围岩性质 ? 在我国煤炭部门,广泛使用煤层预注水法以改变煤的变形 及强度特性,即注水软化的方法。 ? 煤试件在浸泡水以后,动态破坏时间增加,能量释放率显 著下降。根据煤试件在自然状态和浸水饱和状态的动态破坏时 间(应力曲线)相比较的结果,可以看出,浸水饱和煤样的动态 破坏时间呈现数量级的增加。人们根据煤的这一特性对煤层进 行预注水来防止冲击地压。 ? (4)施工安全措施 ? ? 主要是躲避及清除浮石二种。 岩爆一般在爆破后1h左右比较激烈,以后则逐渐趋于缓和; 爆破多数发生在l~2倍洞室直径的范围以内,所以躲避也是一 种行之有效的方法。每次爆破循环之后,施工人员躲避在安全 处,待激烈的岩爆平息之后再进行施工。当然这样做要延缓工 程的进度,是一种消极的方法。 ? 在拱顶部位由于岩爆所产生的松动石块必须清除,以保证 施工的安全。对于破裂松脱型岩爆,弹射危害不大,可采用清 除浮石的方法来保证施工安全。 人有了知识,就会具备各种分析能力, 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书,广泛阅读, 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍,我们能丰富知识, 培养逻辑思维能力; 通过阅读文学作品,我们能提高文学鉴赏水平, 培养文学情趣; 通过阅读报刊,我们能增长见识,扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操, 给我们巨大的精神力量, 鼓舞我们前进。

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