新型地下采矿课件第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;§4-1 基本概念; 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。; 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。 ;§4-2 岩体的自重应力;得：;在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：;;对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：;解得 ：; 二、岩体自重应力的特点 ⑴ 水平应力σx、σy一般小于垂直应力σz ； ⑵ σx、σy、σz均为压应力； ⑶ σz只与岩体密度和深度有关，而σx、σy 还同时与岩体弹性常数 E、μ有关； ⑷ 结构面影响岩体自重应力分布。; 在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态， μ=0.20～0.30 在深部，岩体转入塑性状态， μ=0.50 ，λ＝1， 则有： σx= σy= σz＝γz 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） ;§4-3 岩体构造应力;二、构造运动的起因;三、构造应力场分析;2、断层和节理的形成机理;由地质特征推断构造应力方向;由地质特征推断构造应力方向;（二）构造体系及区域构造应力场;§4-4 岩体初始应力场测定;1、已知主应??方向的应力解除 如图示平板：; 由弹性原理：;解得εx,εy,γxy,可按下式求出主应变ε1 ε2 和α0;3、应变花种类;A、直角应变花 α1 ＝ 00，α2 ＝ 450，α3 ＝ 900;B、等角应变花 α1＝00，α2＝600，α3＝1200;将（7）式 代入(1)式得：;（二） 应力解除方法; 对于等角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：; 对于直角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：;孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算：; 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 ;2、孔径变形法; 假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩体应力σ1 ’ 的夹角为θ1、θ2、θ3 测得的孔径变形分别为u1、u2、u3,孔壁径向位移为其1/2。; 由弹性力学公式，在二向应力σ1、σ3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：; 当θ1，θ2，θ3的间隔为600时，按下式计算岩体应力：; 当θ1，θ2，θ3的间隔为450时，按下式计算岩体应力：; 按上式计算得出的σ1 ’， σ2 ’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。;3、 孔壁应变法; 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。; 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σx、σy、σz、τxy 、 τyz 、τzx )作用时，孔边围岩应力（ σr、σθ、σ’z、τrθ 、τz’θ、τrz’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：;(12); 当r=a时，即钻孔壁上的应力为：;⑷ 孔壁应力和孔壁应变的关系;⑸ 孔壁应力和原岩应力的关系; 当θ=π/2;二、水压致裂法;2、基本假设;水