地应力及其原理PPT课件

-，1，23.05.2020，1，岩石力学，主讲人：赵启峰电话：151326665168电子邮件： Mineqfz School of Safety Engineering，North China Science and Technology，-2，第6章地应力及其测量，学习指导：主要介绍岩石初始应力的概念，包括自重应力和构造应力，初始应力的测量方法和原理，平顶法和应力释放法等。关键岩体初始应力的概念岩体初始应力的测量方法，3，6地应力及其测量6.1概述6.1.1地应力的基本概念：指自然环境下地壳岩体中某一点固有的应力状态，即不受人工开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力。地应力及其测量6.1概述6.1.1二次应力的基本概念：在开挖和人工操作的影响下，影响范围内的原岩应力平衡状态被破坏后的应力称为二次应力或诱发应力。应力再分布：从主应力到次应力的转变过程。1.地应力测量的必要性地应力分为重力应力场和构造应力场。自重应力：由上覆岩体自重引起的应力；构造应力：由于过去的地质构造运动和当前的活动和变化以及地质作用留下的应力而在地层中产生的应力。重要性-6，b:决定洞穴布局的决定性因素之一。稳定性分析的重要参数。1)引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的基本力。2)传统的经验类比法在基坑设计和施工中存在局限性。对于小规模和表层岩石工程，经验类比法通常对大规模和深层岩石工程有效，但经验类比法是不够的。洞穴的重要性：决定洞穴布局的决定性因素之一。3)岩石工程数值分析方法计算和分析的必要前提4)地应力具有广泛的应用。对地震预测、区域地壳稳定性评价、油田油井稳定性、核废料贮存、岩爆、煤与瓦斯突出研究和地球动力学研究也具有重要意义。地应力的特性和重要性是引起采矿、水利水电、土木建筑等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性质、分析围岩稳定性、实现岩石工程开挖设计和决策的必要前提。地应力的特点和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，有必要充分调查影响工程稳定性的各种因素。只有详细了解这些因素，通过定量计算和分析，才能做出经济、安全、实用的工程设计。对于一个矿山来说，只有掌握特定工程区域的地应力条件，才能合理确定矿山的总体布局，确定巷道和采场的最佳断面形状和尺寸。在确定巷道和采场方向时，还应考虑地应力状态。最理想的方向是平行于最大主应力的方向。当然，在实际工程中还应综合考虑工程需要和其他影响因素。应用领域：地震预测中最基本的地应力原始数据、区域地壳稳定性评价、油田油井稳定性、核废料储存、岩爆、瓦斯突出和地球动力学研究。综上所述，地应力的特点和重要性如下：1。地应力是地下工程围岩变形和破坏的主要作用力；2.该位置相当于工程中通常理解的外部载荷，但在材料力和弹性力方面不同于一般的外部载荷。3.地下工程先受力后开挖，从开挖前到开挖结束，地应力在围岩中起着重要作用。4.地应力是地壳问题理论分析和计算中最基本的原始数据1912年，瑞士地质学家A .海姆在修建大型穿山隧道时，通过观测和分析，首次提出了地应力的概念。6.1.3地应力的经典假设1。海姆假设：假设地应力是一种流体静力应力状态，即地壳中任何一点的应力在所有方向都是相等的，等于单位面积上覆岩层的重量，即：-水平应力；-垂直应力；-覆盖层的体积重量；-覆盖层深度。海姆认为：(1)原始岩石的应力是各向同性的，即流体静压力。(2)上覆岩体的重量，经过长时间的地质作用，由于材料的蠕变和地下水平方向的约束条件，水平应力最终与较大的铅应力平衡。当许多岩石力学工作者深入了解地应力状态时，他们仍然接受这一规则。丁尼克假设1926年，前苏联学者丁尼克修正了海姆的静水压力假设。他认为地壳各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而横向应力(水平应力)是泊松效应的结果，其值应乘以一个修正系数。根据弹性理论(假设岩体是均匀连续的弹性介质，结论是水平应力总是小于垂直应力)，Dinnik假设压力测量系数等于，即上覆岩体的泊松比，岩体泊松比的恒定值范围为0.150.30。海姆假说只是丁尼克假说的一个特例。同时，其他一些人主要关心如何用一些数学公式来定量计算地应力的大小，也认为地应力只与重力有关，即垂直应力是主要因素，他们的区别只是测压系数的不同。(1)海姆假设：(首次提出地应力和静水压假设的概念)海姆假设：深部岩体的初始垂直应力与上覆岩体的重量成正比，而水平应力与垂直应力近似相等。2)丁尼克假设：(弹性力学假设)，V是上覆岩层的泊松比。修正了海姆流体静压力假说，认为地壳中的垂直应力等于上覆岩层的重量，而水平应力是泊松效应的结果。中国地质学家李四光在20世纪20年代指出，“在构造应力的作用只影响上地壳一定厚度的情况下，水平应力分量远比垂直应力分量重要”。20世纪50年代，哈斯特还发现上地壳的最大主应力几乎是水平的或接近水平的，最大水平主应力一般是垂直应力的1 2倍。这样，原地应力是流体静力应力的理论和垂直应力是主要应力的观点就从根本上动摇了。当构造应力只影响上地壳的某一厚度时，水平应力分量远比垂直应力分量重要。4)哈斯特：地应力测量发现，上地壳中存在的最大主应力几乎是水平的或处处接近水平，从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和垂直应力是主应力的观点。5)近期研究：重力和构造运动是地应力的主要成因，其中水平构造运动对地应力的形成影响最大。现今的应力状态主要受最新的构造运动控制，但也与历史上的构造运动有关。地应力分布理论：因此，重力和构造运动是地应力的主要原因。地应力的大小和方向不能通过数学计算或模型分析获得。为了了解一个地区的地应力状态，唯一的方法就是测量地应力。地应力的形成原因非常复杂，至今还不十分清楚。过去30年的实测数据和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种运动过程密切相关。地应力产生的原因包括：板块边界挤压、地幔热对流、地球内应力、重力、地球自转、岩浆侵入、地球不均匀膨胀等。此外，不均匀的温度、水压梯度、表面侵蚀或其他物理和化学变化也可导致相应的应力场。以下是几个主要原因的分类：(1)大陆板块边界挤压引起的应力场中国大陆板块受到两个板块的挤压，即外印度洋板块和太平洋板块，其推挤速度为每年几厘米。同时，它受到西伯利亚板块和菲律宾板块的制约。中国大陆板块变形，产生水平压应力场。其主应力轨迹如图4-1所示。(2)由硅和镁组成的地幔热对流引起的应力场因其高温而具有延展性，并可对流和上下蠕变。当局部地幔深处的上升流到达地幔顶部时，它被分成两个方向相反的平流。经过一定的过程后，它变成下沉并回到地球深处，形成一个封闭的循环系统。地幔热对流导致地壳下的水平切向力。(3)重力引起的应力场重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可以计算的应力场。重力应力是垂直应力，它是地壳各点垂直应力的主要组成部分。但是，由于板块运动、岩浆对流和侵入、岩体不均匀膨胀、温度和水压梯度不均匀等原因，垂直应力一般不完全等于自重应力。都会引起垂直应力的变化。重力引起的应力场称为重力应力场。重力应力场是唯一可以在各种应力场中测量的应力场。垂直应力：-平均体积密度，kn/m3，h-总深度(m)，岩体重力垂直应力，-30，(4)岩浆侵入引起的岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩作用过程，由于不同的热膨胀系数和热力学过程等。会在周围地层中产生相应的应力场，但这是局部应力场。-，31，4)岩浆侵入引起的应力场岩浆涌入挤压、冷凝收缩和成岩作用，在周围底层产生相应的应力场。与上述三种应力场不同，岩浆侵入引起的应力场是局部应力场。(5)地温梯度引起的应力场层温度随深度的增加而增加，一般温度梯度为每100米3。由于温度梯度，地层在不同深度膨胀，从而在地层中产生局部压应力。-，33，5)地温梯度引起的应力，随着埋深的增加，地温升高，岩体性质的变化产生附加应力。一般地热梯度：岩体体积膨胀系数：弹性模量e=104 MPa地温梯度引起的温度应力约为：z深度/m。随着埋深的增加，地温升高，岩体性质发生变化，产生附加应力。温度应力是相同深度处垂直应力的1/9，是静水压力。(6)表面侵蚀引起的应力由于风化、侵蚀和侵蚀，岩体中颗粒结构和应力松弛的变化跟不上这种变化，导致岩体中的水平应力远大于地层厚度引起的自重应力。地壳岩体因风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而剥蚀，使岩体中颗粒的结构变化和应力松弛产生水平应力场。该区域的初始应力场是一致的，而该区域局部位置的初始应力差异较大，主要是由地质因素引起的。孤山：岩体自重起主导作用，VH陡谷：应力集中在底部，最大主应力近似垂直于谷轴。如河谷中的二滩水电站应力集中范围达到500米，深度为2地壳表面剥蚀：垂直应力降低，HV接近地表。此外，地震活跃区初始应力的大小和方向也随时间而变化。通过对大量地应力测量数据的理论、地质调查和分析研究，初步认识了6月3日地应力的变化规律。已经认识到浅部地壳应力分布的一些基本规律：(1)地壳应力是一个相对稳定的不稳定应力场，它是时间和空间的函数。地应力是一个三维不均匀压应力场，在大多数地区受水平应力控制。三个主应力的大小和方向随时间和空间而变化，是一个不稳定的应力场，-、38和6.3地应力的变化规律(1)地应力是一个相对稳定的不稳定应力场，是时间和空间的函数。从小范围来看，它在空间上的变化是明显的，但从整体来看，它在某个区域的变化并不大。在一些地震活跃区，地应力的大小和方向随时间的变化是明显的。地震前，应力处于积累阶段，应力值不断增大。然而，在地震期间，集中应力被释放，应力值大大降低。它需要一段时间才能恢复到地震前的状态。(2)实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。对世界各地实测统计数据的分析表明，垂直应力在25 2700 m深度范围内呈线性增长，这大致符合假定的海姆定律。然而，在某些领域，测量结果存在一定的偏差。除了测量误差，板块运动、岩浆运动、不均匀膨胀、膨胀等等都产生异常的垂直应力。图4-2是赫克和布朗总结的世界值随深度h的变化规律，40，2)测得的垂直应力基本上等于上覆岩层的重量，世界各国的垂直应力随深度而变化。垂直应力随深度线性增加。平均堆密度约为27KN/m3，-，41，(3)水平应力一般大于垂直应力。实测数据表明，在大多数地区有两个主应力位于水平面或近水平面，与水平面的夹角一般不大于30，最大水平主应力一般大于垂直应力。它们的比率通常在0.5和5.5之间，并且在许多情况下该比率大于2。垂直应力在大多数情况下是最小主应力，在少数情况下是中间主应力，在少数情况下是最大主应力。这再次表明，水平构造运动控制了地壳应力在浅部的形成。-，42，3)水平应力通常大于垂直应力。平均水平应力与垂直应力的比值随深度的增加而减小，但不同区域的变化速度差异很大。图4-3显示了在世界不同地区获得的测量结果。图中显示，在小深度条件下，两者之比相当分散。随着深度的增加，该值的变化范围逐渐变窄，并集中在1左右，表明深部地壳可能存在静水压应力。-，44，4)平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小，接近1，-45，5)最大水平主应力和最小水平主应力也随深度线性增加。(6)最大水平主应力和最小水平应力的值一般相差很大，它们的方向也受地质构造的影响，表现出很强的方向性。-，47，6)最大水平主应力和最小水平主应力的值通常相差很大，表现出很强的方向性。Sh，最小/sh，最大，一般为0.20.8。除上述分布规律外，地应力还受地形、岩体结构、断层等扰动的影响。地形对原始地应力的影响非常复杂。一般来说，谷底是应力集中点，谷底越近，应力集中程度越明显。随着底坡深度或距离的增加，应力分布逐渐趋于规则，与区域应力场一致。由于断裂带中的岩体一般较弱且破碎，不能承受较高的应力，不利于能量积累，因此这里成为应力降低带。随着断层性质的不同，其影响也不同。如果是挤压断层，其应力状态与围岩相对接近，但主应力的大小低于围岩。如果