隧道力学作业.doc

_班级：土建1班 姓名 ：王显星 学号：11011279影响地应力场的因素及其分布规律本文主要研究对地应力场分布决定性作用的几个因素，及其对地应力场的分布规律，地下应力场主要分为两部分组成，岩石的初应力状态，一般受到两类因素的影响：第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质及构造、地形等经常性的因素。第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。因此，初应力场有两种力系构成，即=+ T式中 自重应力分量； T构造应力分量。本文主要研究地形、应力结构、温度、岩层的力学性质对应力的影响。（1）重力对地应力场的影响首先我们对自重应力进行应力计算：设岩体是现行变形的，在xz平面内是均质的，沿y轴方向是非均质的。设E, 分别沿垂直方向的岩体弹性模量和泊松比，则因岩体的变形性质沿深度而改变，故可假定：E=Ey， =y, E1=E1y 1=1y , 同时单位体积重量也认为是沿深度而变，即=（y）这样，距表面h深处一点的应力状态可表示如下：y=0hydyx=xyz=zyxy=xz=yz式中满足了地面的边界条件，即h=0 y=0大多数研究者认为，处于静力平衡状态的岩体内，沿水平方向的变形为零故z=x=EE111-y当E=E1=常数， 1=常数时，则得出公式z=x=1-y显然，当垂直应力已知时，水平应力的大小决定围岩的泊松比。大多数围岩的泊松比在0.150.35左右。因此在自重应力场中，水平应力通常是小于垂直应力的。（2）地形对应力的影响下图为含小孔的平板问题，圆孔半径为a,平板两端受有均匀拉力q，我们利用弹性力学知识可以求得平板的受力情形。图1 带孔平板受力图r=12q1-a2r2+1-4a2r2+3a4r4cos2=12q1+a2r2-1+3a4r4cos2r=-12q1+2a2r2-3a4r4sin2 图2 孔边的应力图上图表示环向应力分量沿径向方向和沿孔边周向的分布规律。最大环向应力发生在孔的边缘处，其值为3q。随着距孔边距离的增大，环向应力迅速衰减至无孔状态时的应力q，这一现象即是孔边应力集中现象。孔边应力集中现象是一种局部现象，在r5a远处，应力已不受孔的影响，这也从数值上验证了圣维南原理。最后，需指出的是，利用上述结果，通过叠加原理，可以得到等值或不等值拉压、纯剪切、孔边受均匀压力作用等含小孔平板的应力解答。（3）地形地貌对应力分布的影响地形地貌对地应力分布的影响可能不仅是表现在地形起伏上, 处于不同地貌单元内的相同地形条件地区如剥蚀平原和沉积平原岩体地应力分布特征是否相同, 还是人们尚未系统认识到的问题。本文查阅资料浅谈侵蚀平原中地形地貌对地应力分布的影响。剥蚀地区岩体地应力的变化及其分布与剥蚀卸荷作用密切相关。设地表平坦，侵蚀前埋深为z+z处岩体地应力状态可写为v=z+zh=k0v式中 v、h分别为垂直和水平应力 岩石的重度 k0与深度有关的系数，表示某一深度水平应力与垂直应力之比。如果地表侵蚀厚度为z，按弹性力学可知垂直，水平分别卸载z和1-z(为泊松比)，则改点应力状态可写为k侵=k0+k0-1-zz式中k侵指侵蚀条件下，地形平坦时岩体水平应力与垂直应力之比，由于构造应力在岩体中普遍存在，一般有k01-.所以k侵k0即在侵蚀作用下，深部岩体上升到浅部的同时，水平应力与垂直应力之比不断增大。 图3 平均水平应力与垂直应力之比随深度变化趋势 地层孔隙压力的影响通常所说的地应力为总地应力，它包括了孔隙压力分量，地层孔隙压力在地应力总量中占有较大分量。如对油田地区，最小水平地应力梯度一般为(0.0160.019)MPa/m ，地层孔隙压力梯度一般在(0.0080.013)MPa/m范围之内，地层孔隙压力占到地应力总量的50%70% ，显然，地层孔隙压力对地应力有较大影响，地层孔隙压力的改变将显著地影响地应力。据Teuful（1991）报到，北海Ekofisk油田生产20年来已导致产层压力下降了2124MPa，通过32次水力压裂测试了最小水平地应力随地层压力的变化情况，得出油藏所受的总的水平应力随孔隙压力的减小而线性减少，最小水平应力的改变量大约为孔隙压力改变量的0.8倍，而有效应力却随地层压力的衰减而线性增加了。地层温度变化的影响当地层温度发生改变时，地层有发生体积变形的趋势，而由于围岩的存在，其变形受到约束,因此产生了附加应力，使地应力发生改变。假定岩石为各向同性体，在温度改变时，地层能很快传递、消耗由于温度引起的垂向应力改变，使垂向主应力保持与上覆岩层重量的平衡。 地层的刚性越大，温度引起的地应力改变量越大。油气田的开发活动将引起油田地应力的显著变化，包括其大小和方向，并大大增强地应力场的非均