第3章+原岩应力及其量测(2)

2019-05-26 16:45

《矿山压力与岩层控制》教案(第二版,王家臣,2006-12-2) 26

(2)金尼克解(苏〃A〃H〃Duhhuk,1925)

金尼克认为地下岩体为线弹性体,其铅垂应力等于上覆岩体自重:?z?Pz。 在水平方向,岩层内的侧向应力?x与?y相等,且水平方向的应变为零:

?x??y

?x??y?0

由广义虎克定律:

?x?1E1E1E??????x????????????y??????z???0

???0

?y??z?yxzzxy???0

?1??则可解出:?x??y?令 ???1???z??1??Pz

侧向压力系数

z则有:?x??y?????Pz

?1???0.18~0.54

一般岩石的泊松比??0.15~0.35。∴??当??0.5时,??1,则金尼克公式与Haim法则一致。

3.2.4 构造应力

构造应力是由于地质构造作用引起的应力。地质构造运动(含地震)归根到底是一个岩层变形与破坏的力学过程,与之对应的应力场叫构造应力场。 在构造应力场研究中,我们只能知道构造运动结果(例如地表或基岩的变形和破裂情况:地震得震源和震级等),而要寻找的是造成这些结果的力源,这是一个反序的问题。在构造力场求解中,通常无法知道初始应力状态,不易弄清楚深部构造的情况和深部地质体的力学性能。只能进行模拟或假想研究。下面是Vening-Meinez构造应力场力学模型。

Vening-Meinez模型

为了分析地壳上部任何一点应力的作用方式,Vening-Meinez采用了一种简便方法。在地球中,采用球体坐标,从地壳上层取一单元体,以地心为原点,设所取的单元体的六个面均为主平面。 由沿B'B方向的力平衡条件:

?r?SABCD''''??????????cos?????????sin??SA'AB'B???????????2?????????sin??S''?0AACC??

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∵ ??,??《1,∴ cos??22A A’ B’ D’ R B C’ d D’ B B’ D C D A’ A B’ B ?1,sin?????,sin?????

SA'B'C'D'?R????R????R????

SA'AB'B?R????d?R?d???SA'AC'C?R????d?R?d???

代入平衡方程式

∴ ?r?R2????????????????????????????R?d???????????????R?d????0 ???????略去高阶无穷小量:

?rR??????????R?d??????????R?d??????0

2∴?rR????d????d?0

?r???????dR 注:ABCD是地球的水平面。

上式说明,平行于水平面的各个应力分量总和的绝对值与垂直方向应力分量绝对值之比,等于地球半径与受应力作用岩层的深度d之比。如若受构造应力作用影响的地壳深度为2km的话,地球半径以6000km计算,则垂直应力分量约占水平应力分量总和的1/3000。若受构造应力影响的地壳深度为10km,则

?r??????1600,从此可以看出:水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。

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3.2.5 影响原岩应力状态的因素

(1)地形和地质条件对自重应力的影响

地形的起伏影响山体的自重应力分布,山体内沿着水平面上自重应力的分布状况和地表形状完全相似。试验和计算结果表明,岩层的初始应力方向多数微倾斜于山顶方向,并且在数值上比按最大覆盖层厚度(山顶到水平面间距离)计算的自重应力要小得多。 ?z??z

地质构造对自重应力的分布也有影响,通常在褶曲两翼显示应力增大,而在褶曲中部应力降低。

σz σz σz σz σz z (2)裂隙组及不连续面对构造应力的影响 3.2.6 我国地应力分布及量测的基本情况

中国地应力量测的试验和研究始于60年代。60年代初在地下矿山的巷道、硐室表明利用扁千斤顶法测量围岩表明的应力状态。1964年,在陈宗基教授的带领下,中科院武汉岩土所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应力解除法测量,测量深度为-80m。1966年3月,李四光教授在河北上吴县建立了全国第一个地应力观测站。60年代后期,中科院武汉岩土所、长沙矿冶研究院、地质所等开展了地应力测量。70年代中后期,地应力测量在水电部门也得到广泛开展,长江科学院等都开展了这方面工作。但90%以上的地应力测量则分布在地震研究、水利水电、采矿行业。通过丰富的地应力测量资料,可对我国大陆浅层地壳应力的分布规律有了初步认识,并且有以下明显分区特点:

(1)华北地区以太行山为界,东西两个区域有较大差异。太行山以东的华北平原及周边地区,其最大主压应力的方向为近东西向,而太行山以西最大主压应力方向侧为近南北向;

(2) 秦岭构造带以南的华南地区,最大主压应力的方向为北西西至北西向; (3)东北地区主压应力方向以北东东向为主;

(4)西部地区测得的最大主压应力以北北东为主,个别为近南北向。 (5)在滇西南北构造带上,小江断裂带附近最大主压应力的方向为近东西向,从此断裂带向西,包括澜沧江断裂以北。鲜水河断裂以南地区,最大主压应力的方向逐渐转为北西向或北北西向,图3-1、3-2是我国地

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应力分布的一般特征。

其中,图3-1主要反映的是中国大陆板块受到的其它板块挤压作用。

图3-2是中国东部地区及日本实测的地应力情况。

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3.3 原岩应力测量

3.3.1 概述

原位测量是目前取得工程需要的不同深度原岩应力可靠资料的唯一方法。因为尽管原岩应力的各种假说和理论对认识地壳的受力规律有一定的参考价值,但对于工程而言,都或多或少、或大或小存在各种地质构造和影响原岩应力大小和方向的错纵复杂的因素,因而没有也不可能有任何一种理论可以完全取代实测方法而能给出工程需要的可靠的资料。美国、西欧各国、澳大利亚、加拿大、南非、日本等都普遍开展了原岩应力量测。我国于60年代末进行了这项工作,并于70年代末开展的比较普遍。1964年,在陈宗基教授带领下,中科院武汉岩土所在湖北大冶铁矿进行了我国首次应力解除法测量原岩应力,测量深度为-80m。1966年,李四光教授在河北上吴县建立了我国第一个地应力测量观测站。原岩应力测量在葛洲坝、二滩水电站、长江三峡建设工程中,发挥了重要作用。许多煤矿尤其是金属矿都开展了大量的原岩应力测量工作。

原岩应力测量是指通过某种测试手段测得岩体某一点上的应力数据,即组成原岩应力场各个应力分量的大小和方向。应力测量结果对于分析地下工程的稳定性,进行采矿或地下工程设计以及施工管理都是必不可少的依据之一,因而受到广泛重视。

30年代有人用量测洞壁的应变来计算岩体的初始应力状态。自50年代后,人们着重研究岩体深部未受扰动的应力状态。相继出现了雷曼的门塞式应变仪、哈斯特压磁应力计以及三向应变计等。1969年在里斯本召开了“岩体内应力测定”国际会议。于1976年和1977年分别召开两次与岩体应力测量有关的国际会议,促进了岩体应力测量技术的发展。

岩体应力测试方法很多,按测试的物理量来分,有直接法(观测应力)和间接法(由测应变、变形及其它物理量转为求应力);按量测部位分,有深孔法和表面法;按测量元件分,有机械式、电阻式、电感式或光学的等等。为了便于了解,先将它们列成下表。


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