地下采矿课件第4章 地应力及其测量.ppt

第四章地应力及其测量 本章内容 4 1基本概念 4 2岩体自重应力 4 3岩体构造应力 4 4岩体初始应力场测定 4 5岩体初始应力分布状态授课学时 4学时 本章的重点难点 1 岩体初始应力场的构成 2 重力应力场和构造应力场的特点 3 原岩应力场的分布状态 4 应力解除法的基本原理关键术语 原岩 原岩应力 自重应力 构造应力 应力解除基本要求 1 掌握本课程重点难点内容 2 了解原岩应力分布状态 3 了解影响原岩应力分布的因素 4 熟悉几种应力解除测试原岩应力的方法和步骤 4 1基本概念 大地岩体是预应力体地应力产生的原因 地心引力引起的应力场大陆板块边界受压引起的应力场地幔热对流引起的应力场岩浆侵入引起的应力场地温梯度引起的应力场地表剥蚀引起的应力场 4 1基本概念 原岩 未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡状态的岩体 称为原岩 围岩 受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体 称为围岩 原岩应力 原岩中天然赋存的应力称为原岩应力 又称为初始地应力或地应力 原岩应力场 原岩应力在岩体空间有规律的分布状态称为原岩应力场 又称为初始地应力场 即未经采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态 自重应力 地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力 它是由岩体自重引起的 自重应力场 自重应力在空间有规律的分布状态 构造应力 由地质构造作用产生的应力 或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量 这就是构造应力 构造应力场 构造应力在空间有规律的分布状态 4 1基本概念 次生应力 二次应力 岩体开挖扰动了原岩的自然平衡状态 使一定范围内的原岩应力发生变化 变化后的应力称为次生应力或二次应力 原岩应力 自重应力 构造应力迄今为止 对原岩应力还无法进行较完善的理论计算 而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态 4 1基本概念 4 2岩体的自重应力 一 基本公式在均匀岩体中 深度为z处的岩体的竖向自重应力为 在半无限体中任一微元体上的正应力均为主应力 且有 得 其中 为岩体静止侧压力系数 根据虎克定律 4 2岩体的自重应力 在均匀岩体中 岩体的自重初始应力状态为 4 2岩体的自重应力 对于均质水平层状岩体 4 2岩体的自重应力 对于各向异性体 例如薄层状沉积岩 当岩层水平时 则有 4 2岩体的自重应力 解得 当岩层垂直时 4 2岩体的自重应力 二 岩体自重应力的特点 水平应力 x y一般小于垂直应力 z x y z均为压应力 z只与岩体密度和深度有关 而 x y还同时与岩体弹性常数E 有关 结构面影响岩体自重应力分布 4 2岩体的自重应力 在地壳浅部 可认为岩体处于弹性状态 0 20 0 30在深部 岩体转入塑性状态 0 50 1 则有 x y z z各向等压的应力状态 又称为静水压力状态 著名的海姆假说 瑞士地质学家1871 4 2岩体的自重应力 4 3岩体构造应力 一 构造应力场的概念构造应力 由地质构造作用产生的应力称为构造应力 或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量 这就是构造应力岩体构造应力是构造运动中积累或剩余的一种分布力构造应力场是构造运动中积累或剩余的一种应力场相对于人类活动时期而言 除构造活动区外 它是剩余应力场 二 构造运动的起因 地质学家分析地球表层 包括地壳和地幔 结构及其运动规律和发展 提出了各种大地构造学说 最具代表的是地质力学学说和板块构造学说 1 地质力学学说该学说认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力 一种是经向水平离心力 一种是纬向水平惯性力 这两种力是引起地壳岩体中出现构造应力的根本原因 大量的实测资料说明岩体中水平应力大于垂直应力 说明构造应力以水平应力为主 2 板块构造学说该学说认为板块运动的核心是海底扩张 海底扩张是由于地幔对流引起的 4 3岩体构造应力 三 构造应力场分析 根据岩体变形破坏机理 对构造运动留下的遗迹 构造形迹 进行分析 以判断构造应力的主应力方向 一 构造形迹的形成机理1 褶皱形成机理 4 3岩体构造应力 2 断层和节理的形成机理 断层 节理形成机理有三种 张性的 扭性的 压性的 张性断层是由于岩体中的张应变超过极限而产生的 这种断层层面不规则 断层走向与最大主应力方向平行 小的张性断裂两盘岩石不一定发生错动 称之为张性节理 压性断层和扭性断层都可用莫尔 库伦理论来解释 4 3岩体构造应力 由地质特征推断构造应力方向 4 3岩体构造应力 由地质特征推断构造应力方向 4 3岩体构造应力 二 构造体系及区域构造应力场 对一个区域而言 在一次构造运动中 既有褶皱又有断层和节理等 这些构造形迹尽管形态各异 性质不同 大小悬殊 但大都不是孤立出现 而是相伴而生 共同形成一个构造体系 例如米字型构造体系 S1 S2 扭性断层 张性断层 4 3岩体构造应力 4 4岩体初始应力场测定 一 应力解除法 一 基本原理地下某点的岩体处于三向压缩状态 如用人为的方法解除其应力 必然发生弹性恢复 测定其恢复的应变 利用弹性力学公式则可算出岩体初始应力 破坏联系 解除应力 弹性恢复 测出变形 根据变形 转求应力 1 已知主应力方向的应力解除如图示平板 在受力状态下 贴上应变片此时 卸去外力 变形恢复 此时 根据广义虎克定律 解得 1 4 4岩体初始应力场测定 由弹性原理 式中 为x轴成 角度方向的线应变 由上式可解得 x y xy 2 未知主应力方向的应力解除 2 4 4岩体初始应力场测定 解得 x y xy 可按下式求出主应变 1 2和 0 已知 1 3 0 即可按 1 式求出主应力 1 3 3 4 4岩体初始应力场测定 3 应变花种类 为计算方便 常把三个应变片布置成如图所示的形式 常用 等角应变花直角应变花 4 4岩体初始应力场测定 A 直角应变花 1 00 2 450 3 900 将 x y xy代入 3 式得 4 将 1 3 0代入 1 式求出主应变 1 3 5 4 4岩体初始应力场测定 B 等角应变花 1 00 2 600 3 1200 由上式可解得 x y xy 并将其代入 3 式得 7 6 4 4岩体初始应力场测定 将 7 式代入 1 式得 注意 按上式方法计算得出的 1 3是平面状态下 钻孔断面内 的次主应力 而不是该点的主应力 次主应力 是某坐标面内两个正应力的极值 一般不等于主应力 次主应力面上仍有剪应力 只有在三个正交的平面上的剪应力都为零时 次主应力才等于主应力 8 4 4岩体初始应力场测定 二 应力解除方法 1 孔底应力解除法孔底应力解除法测定岩体应力的步骤 打大孔至测点 磨平孔底 在孔底粘贴电阻应变花探头 解除应力 测量其应变 取出岩心 测其弹性参数 计算岩体应力 4 4岩体初始应力场测定 对于等角应变花 孔底平面内的应力按下式计算 4 4岩体初始应力场测定 对于直角应变花 孔底平面内的应力按下式计算 x y z xy为孔底平面上开挖扰动的次生应力 9 4 4岩体初始应力场测定 孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算 式中 x y z 孔底的原岩应力 a b c d 系数 无理论解 只有通过实验或数值分析求得 不同的研究者给出不同的值 古德曼解值 9 4 4岩体初始应力场测定 孔底应力解除法的评价优点 解除岩心短 不需要打很长的套孔岩心适用于完整性差的岩体缺点 单孔不能确定岩体应力的六个分量 必须进行三孔测定 才能确定岩体的原岩应力 无理论计算公式 只能用经验公式计算岩体三维应力 适用于完整性差的岩体 4 4岩体初始应力场测定 2 孔径变形法 孔径变形法通过测定钻孔孔径变形求解岩体应力 其应力解除工序为 打大孔至测点 磨平孔底 打同心小孔 安装孔径变形计探头 延伸大钻孔解除应力 测量孔径变形 取出岩心 测其弹性参数E 计算岩体应力 4 4岩体初始应力场测定 假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩体应力 1 的夹角为 1 2 3测得的孔径变形分别为u1 u2 u3 孔壁径向位移为其1 2 4 4岩体初始应力场测定 由弹性力学公式 在二向应力 1 3的作用下 无限大平板内圆孔周边径向位移u的计算公式为 平面应力 平面应变 式中 d 圆孔直径 u 圆孔周边的径向位移 u的方向与 1的夹角 4 4岩体初始应力场测定 当 1 2 3的间隔为600时 按下式计算岩体应力 若 d 式成立 则 1为 1 与u1的夹角 否则为 2 与u1的夹角上式中的K 对于浅孔 可作平面应力处理 K d E 对于深孔 可作平面应变处理 K 1 2 d E其中d为钻孔直径 为岩石的泊松比 10 4 4岩体初始应力场测定 当 1 2 3的间隔为450时 按下式计算岩体应力 若 d 式成立 则 1为 1 与u1的夹角 否则为 2 与u1的夹角上式中的K 对于浅孔 可作平面应力处理 K d E 对于深孔 可作平面应变处理 K 1 2 d E其中d为钻孔直径 为岩石的泊松比 11 4 4岩体初始应力场测定 按上式计算得出的 1 2 是钻孔断面内的次主应力 要确定一点的全应力 必须向测点打三个不同方向的钻孔 进行同样测定 然后再按最小二乘法求解 4 4岩体初始应力场测定 3 孔壁应变法 测试工序孔壁应变法是通过测定钻孔孔壁的应变求解岩体应力的6个分量 其应力解除工序与孔径变形法相似 打大孔至测点 磨平孔底 打同心小孔 安装应变花探头 套孔解除应力 超过小孔底部5cm 同时测量孔壁应变 取出岩心 测其弹性参数E 计算岩体应力 4 4岩体初始应力场测定 应变计探头孔壁布置3个应变花 每个应变花由3个应变片组成 采用直角应变花形式 孔壁应变花布置 4 4岩体初始应力场测定 一个无限体的钻孔 受到无限远处的三维应力场 原岩应力场 x y z xy yz zx 作用时 孔边围岩应力 r z r z rz 采用柱坐标 柱坐标的z 轴和直角坐标的z轴相一致 分布公式为 钻孔围岩应力分布公式 4 4岩体初始应力场测定 12 4 4岩体初始应力场测定 当r a时 即钻孔壁上的应力为 可见 钻孔壁上各点处于二向应力状态 在孔壁上的z 坐标平面内布置应变花测量应变以求应力是可行的 13 4 4岩体初始应力场测定 孔壁应力和孔壁应变的关系 在 z 坐标系 由虎克定律 14 4 4岩体初始应力场测定 孔壁应力和原岩应力的关系 由 14 式可由孔壁应变求出孔壁应力 由 13 式即可求出原岩应力 令式中 2 7 4 14 13 4 4岩体初始应力场测定 当 2 15 当 7 4 16 17 当 可见 求解6个原岩应力分量 只需选取上面其中6方程即可 孔壁应变法只打一个钻孔就可以确定一点的应力状态 4 4岩体初始应力场测定 二 水压致裂法 1 基本原理对测试段钻孔用特制封隔器密封起来 然后对密封段加高压水直至孔壁岩石产生张裂隙 根据裂隙的方向及泵压的大小分析确定原岩的应力状态 4 4岩体初始应力场测定 2 基本假设 一个主应力方向是垂直的 其大小等于上覆岩层的自重应力 而另外两个主应力是水平的 且破裂方向垂直于最小主应力方向 即钻孔方向为某一主应力方向 岩体是均质 各向同性的线弹性体 适用条件 完整性好的脆性岩体3 測試方法 4 4岩体初始应力场测定 水压致裂法测定系统 4 4岩体初始应力场测定 两向受不相等的均布力 1 2作用时的应力分量 孔壁 r 应力分量 式中 为周边一点与 1的夹角 当 0o时 取极小值 此时 1 4 4岩体初始应力场测定 由弹性力学厚壁筒公式 在只受内压q1作用 若R 得到具有圆孔的无限大薄板 或具有圆形孔道的无限大弹性体 其解答为 若r 得到 根据岩体力学应力符号规定 得孔壁切向应力 2 4 4岩体初始应力场测定 当钻孔受水压力P作用 且受水平原岩应力 1 2作用 钻孔壁的最小切向应力为式 1 与 2 的叠加 岩体破裂条件 于是 式中pic1为孔壁发生初始裂缝时的水压力 t为封隔段岩石抗拉强度 可见 当水压力达到pic1时 孔壁将沿 1的方位开裂 如果钻孔中有裂隙水 其水压力为P0 则 3 4 4岩体初始应力场测定 继续注入高压水 裂隙进一步扩展 当裂隙深度达到3倍钻孔直径时 此处接近原岩应力状态 停止加压 保持压力恒定 PS 则 如果测出封隔段岩石抗拉强度 t 即可由式 3 4 求出 1和 2 4 因此 在初始裂隙产生后 将水压力卸除 使裂隙闭合 然后重新加压 使裂隙重新打开 这时水压力为pic2 则有 5 由式 5 4 可求出 1和 2 4 4岩体初始应力场测定 联立解得 4 5 3 A 岩石抗拉强度 B 最大水平应力 C 最小水平应力 可见 水压致裂法只能确定垂直于钻孔平面内的最大和最小主应力 实际上是一种二维应力测量方法 若要确定测点的三维应力状态 必须打互不平行的交汇于一点的的三个钻孔 这是非常困难的 4 4岩体初始应力场测定 4 水压致裂试验成果 孔隙水压力 Ps关闭压力 Pic2使裂缝重新张开的压力 pic1孔壁岩石破裂压力 a 裂缝沿轴向产生和延伸 b 裂缝沿轴向产生向水平方向延伸 4 4岩体初始应力场测定 A 岩石抗拉强度 试验曲线只有一个关闭压力ps B 最大水平应力 C 最小水平应力 D 垂直应力按岩体自重计算 4 4岩体初始应力场测定 试验曲线有两个关闭压力ps1和ps2 A 最小水平应力 B 垂直应力 C 最大水平应力 4 4岩体初始应力场测定 5 水压致裂法评价 优点 1 能测量深部岩体应 5000m 2 可以使用各种尺寸的勘探钻孔 在勘探阶段便可测定 3 不须对钻孔进行应力解除 不须精密的仪器 4 不需要岩体弹性参数 缺点1 假定钻孔方向为主应力方法 因此 实测的三维主应力是近似的 2 设备笨重 钻孔封隔加压技术较复杂 4 4岩体初始应力场测定 三 声发射法 声发射 岩石受外荷载作用 其内部储存的应变能因微裂隙产生和发展而快速释放 从而产生弹性波 发出声响 称为声发射 凯塞效应 1950年 德国人J Kasiser发现多晶金属的应力从其历史最高点水平释放后 再重新加载 当应力未达到先前最大应力值时 很少有声发射产生 而当应力达到和超过历史最高水平后 则大量产生声发射这一现象称为凯塞效应 凯塞点 从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯塞点 该点对应的应力即为材料先前受到的