文档介绍：第一节地壳岩体天然应力状态
第二节岩体初始应力的量测方法
第三节煤矿区地应力场的研究
第四节岩层中地应力值估算方法
第五节煤矿区地应力场的数值模拟
第二章煤矿地应力场分析及应用
主要内容
地壳岩体内的天然应力状态,是指未经人为扰动的,主要是在重力场和构造应力场的综合作用下,有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态,常称为天然应力或初始应力。
人类从事工程活动,在岩体天然应力场内,因挖除部分岩体或增加结构物而引起的应力,称为感生应力。
一、岩体应力的一些基本概念
第一节地壳岩体天然应力状态
按成因,对构成岩体应力的各组分作如下分类:
天然应力或初始应力(virginal stress)
自重应力(gravitational stress)
构造应力(tectonic stress)
活动的(active tectonic stress)
剩余的(residual tectonic stress)
变异及残余应力(altered and residual stress)
感生应力(induced stress)
在重力场作用下生成的应力为自重应力。
地表近水平时,重力场在岩体内的某一任意点形成相当于上覆岩层重量的垂直正应力σv:
σh
h
σv
地面
σv =γh
式中:γ为岩石的容重;h为该点的埋深; σv相当于该点三向应力中的最大主应力。
1、自重应力
另外,由于泊松效应(即侧向膨胀)造成水平正应力σh,相当于三向应力中的最小应力:
式中:μ为泊松比,N0称为侧压力系数。
对大多数坚硬岩体:~,~。对于半坚硬岩体:,且当上覆荷载大,下伏岩体呈塑流时,,N0近于1,及近似于静水应力状态。
地壳运动在岩体内形成的应力称为构造应力。可分为活动的构造应力和剩余的构造应力两类。
活动的构造应力,即狭义的地应力:地壳内现在正在积累的能够导致岩石变形和破裂的应力。(与区域稳定与岩体稳定密切相关)
剩余的构造应力:是古构造运动残留下来的应力。对于这种应力是否存在有不同的认识。根据应力松弛观点,认为在一次构造运动的数万年后,该次构造应力因松弛效应而不复存在。但在加拿大地盾苏必湖地区的应力实测资料显示,剩余构造应力仍然十分明显。
2、构造应力
变异应力:岩体的物理、化学变化及岩浆的侵入等引起的应力。具体来说是岩体的物理状态、化学性质或赋存条件的变化引起的,通常只具有局部意义,可统称为变异应力。
残余应力:承载岩体遭受卸荷或部分卸荷时,岩体中某些组分的膨胀回弹趋势部分地受到其它组分的约束,于是就在岩体结构内形成残余的拉、压应力自相平衡的应力系统,此即残余应力。
3、变异及残余应力
二、岩体天然应力状态的类型
由瑞士地质学家海姆于1905-1912年提出,他以岩体具有蠕变的性能为依据,认为地壳岩体内任一点的应力都是各向相等的,均等于上覆岩层的自重,即:
σx=σy=σv= γh
这一假说适用于某些局部条件,如中欧地区强烈构造变形的沉积岩、阿尔卑斯山深埋隧道岩体中的应力状态。
1、“静水压力式”分布的观点
基于弹性理论提出的,认为岩体内的应力主要是重力场作用下形成的自重应力。垂直应力和水平应力可按下式确定。
2、垂直应力为主的观点
这一假说由于缺乏对地质条件的复杂性和多样性的了解,仅适用于某些局部条件。
早在上世纪二十年代,我国著名地质学家李四光教授就指出,地壳运动以水平运动为主,地应力场是以水平应力为主导的。到五十年代,-斯地块的矿山岩体应力测量工作,证实该地区应力场以水平应力为主。
3、水平应力为主的观点
大量实测资料表明,世界上大多数地区岩体内的天然应力状态是以水平应力为主。这就足以证明,构造因素在地壳岩体的天然应力状态的形成中起着主导作用。