岩体中的变形性质.doc

授课教案课程名称：矿井围岩控制与灾害防治 适用专业：安全工程（矿山安全）第05讲 岩体中的变形性质【本讲内容提纲】1. 岩体中的原岩应力1）自重应力2）构造应力3）原岩应力分布规律2. 岩体中的弹性变形能与弹性变形恢复3. 地下工程体围岩内的原岩应力重新分布1）单一工程体围岩内的应力重新分布【重点内容详解】一、岩体中的原岩应力【笔注】自重应力场和构造应力场是原岩应力场的主要组成部分。由于原岩应力场是分析开采空间周围应力重新分布的基础，研究岩体的初始应力状态，分析开挖岩体过程中岩体内部应力变化，是为合理设计巷硐支护提供依据。1、自重应力在均匀岩体内，岩体的自重应力为：，。 海姆认为，因长时蠕变及应力均化作用，。金尼克认为，仍处于弹性状态，符合虎克定律， 。岩石泊松比一般为，则侧向应力系数为。即原岩岩体中任何地方的水平应力约等于垂直应力的25%40%。2、构造应力构造应力以水平力为主，具有明显的区域性和方向性。有以下基本特点： 一般情况下地壳运动以水平运动为主，因此构造应力也主要是水平应力。而且，地壳运动总的来说是以挤压运动为主，所以水平应力以压应力占绝对优势； 构造应力分布很不均匀，在地质构造变化比较剧烈的地区，最大主应力的大小和方向往往有很大变化； 岩体中的构造应力具有明显的方向性。通常两个方向的水平应力值是不相等的，且相差很大； 根据测定，岩体中的构造应力普遍存在以下规律： ； 构造应力在坚硬的岩层中一般比较普遍。3、原岩应力分布规律 原岩应力主要由自重应力和构造应力组成，自重应力是永恒存在的，而构造应力主要受地质构造运动的影响，因地而异； 铅直应力基本上等于上覆岩层重量； 水平应力普遍大于铅直应力； 平均水平应力与铅直应力的比值一般随深度增加而减小； 最大水平主应力和最小水平主应力一般相差较大。二、岩体中的弹性变形能与弹性变形恢复【笔注】由于在外力作用下岩体发生体积和形状的变化，所以岩体内的弹性能分为体变弹性能和形变弹性能两部分。单位岩体的体变弹性能为： 单位岩体的形变弹性能为： 由上两式可知，地下岩体中积聚的弹性能与应力状态有关，随着开采深度的增加，它与开采深度的平方成正比关系增长。显然，这对深部开采中围岩灾害的防治研究具有更为重要的作用。三、地下工程体围岩内的原岩应力重新分布【笔注】1、单一工程体围岩内的应力重新分布1）围岩弹性区内应力分布（1）双向等压应力场内的圆形孔 结论 ： 在双向等压应力场中，圆孔周边均处于压缩应力状态； 双向等压应力场中孔周边的应力最大，其应力集中系数为2，且与孔径的大小无关，而其它各点的应力大小与孔径有关； 在双向等压应力场中，圆孔周围任一点的切向应力和径向应力之和为常数，且等于； 若以超过原岩应力值的5%作为影响半径的边界，则的影响半径为。（2）双向不等压应力场内的圆孔 结论： 当时，上两式分别变为： 可见，等压应力场是双向不等压应力场状态下的一个特例，而且此状态下，孔周围各角度方向上的应力状态相同，若是巷道，则说明此状态下对巷道的稳定最为有利； 当且或时，该位置处。说明在圆孔的顶、底部中点位置处出现拉应力；当且时，该位置处。说明在圆孔的两帮中点位置处出现拉应力；当时，圆形孔的两帮或顶底部中点位置处，切向应力均恰好等于0；当时，圆形孔的周边各位置处切向应力，说明各点均不出现拉应力状态。（3）椭圆形孔周边的应力分布结论： 当巷道周边各点位置处的应力均为等值压应力时，对工程体的稳定最为有利，此时的轴比称为等应力周边，也称为最佳轴比。则此时，可以得到：，由此看出，等应力轴比与原岩应力无关，只和侧向应力系数有关。由可决定最佳轴比，例如：时：，最佳断面为圆形；时：，最佳断面为的立椭圆；时：，最佳断面为的横椭圆；总之，椭圆长轴总是顺着原岩应力的最大主应力的方向，且轴比满足式为最佳。实际设计与生产工作中，如果条件许可，应满足或尽量靠近该轴比。 零应力轴比当过大或过小时，过分地追求最佳轴比是不尽合理的，在这种情况下，根据岩体本身抗拉强度最弱的特点，找出不出现拉应力的情况，即此时工程体周边上不出现拉应力，相应的轴比称为零应力轴比。通过圆形孔周边的应力分析的结论中可以看出，在各向不等压应力场中，孔的顶底及两帮中点位置处是最要害的地方，那么我们可以由此入手。对于顶点：当时，不会出现拉应力；当时，无拉应力出现的条件是。对于两帮中点：当时，不会出现拉应力；当时，若不出现拉应力， 。可见，当侧向应力系数比较小（）时，应着重考虑顶（底）点；反之则应照顾两帮中点。（4）矩形孔周边的应力分布 在矩形孔的拐角处，其切向应力最大； 矩形孔周边的应力状态与矩形的高宽比（）直接有关。2）围岩极限平衡区内的应力分布（1）在无支护影响的条件下 极限平衡区的范围为： 在范围内为极限平衡区，其内部的应力为： 在的一定范围内为弹性区，其内部的应力为： （2）若有支护体的影响，且支护体对工程体内壁的作用力为 极限平衡区的范围为： 在范围内为极限平衡区，其内部的应力为： 在的一定范围内为弹性区，其内部的应力为： 结论： 极限平衡区的范围（）与圆形断面工程体的半径成正比，且随原岩应力的增大而增大，随岩体的、及支护体的作用力增大而减小； 极限平衡区内的应力与原岩应力无关