巖體中的變形性質(zhì)

1、第05講 巖體中的變形性質(zhì)【本講內(nèi)容提綱】1. 巖體中的原巖應(yīng)力1）自重應(yīng)力2）構(gòu)造應(yīng)力3）原巖應(yīng)力分布規(guī)律2. 巖體中的彈性變形能與彈性變形恢復(fù)3. 地下工程體圍巖內(nèi)的原巖應(yīng)力重新分布1）單一工程體圍巖內(nèi)的應(yīng)力重新分布【重點(diǎn)內(nèi)容詳解】一、巖體中的原巖應(yīng)力【筆注】自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場是原巖應(yīng)力場的主要組成部分。由于原巖應(yīng)力場是分析開采空間周圍應(yīng)力重新分布的基礎(chǔ)，研究巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)，分析開挖巖體過程中巖體內(nèi)部應(yīng)力變化，是為合理設(shè)計巷硐支護(hù)提供依據(jù)。1、自重應(yīng)力在均勻巖體內(nèi)，巖體的自重應(yīng)力為：，。 海姆認(rèn)為，因長時蠕變及應(yīng)力均化作用，。金尼克認(rèn)為，仍處于彈性狀態(tài)，符合虎克定律， 。巖石泊松比

2、一般為，則側(cè)向應(yīng)力系數(shù)為。即原巖巖體中任何地方的水平應(yīng)力約等于垂直應(yīng)力的25%40%。2、構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力以水平力為主，具有明顯的區(qū)域性和方向性。有以下基本特點(diǎn)： 一般情況下地殼運(yùn)動以水平運(yùn)動為主，因此構(gòu)造應(yīng)力也主要是水平應(yīng)力。而且，地殼運(yùn)動總的來說是以擠壓運(yùn)動為主，所以水平應(yīng)力以壓應(yīng)力占絕對優(yōu)勢； 構(gòu)造應(yīng)力分布很不均勻，在地質(zhì)構(gòu)造變化比較劇烈的地區(qū)，最大主應(yīng)力的大小和方向往往有很大變化； 巖體中的構(gòu)造應(yīng)力具有明顯的方向性。通常兩個方向的水平應(yīng)力值是不相等的，且相差很大； 根據(jù)測定，巖體中的構(gòu)造應(yīng)力普遍存在以下規(guī)律： ； 構(gòu)造應(yīng)力在堅硬的巖層中一般比較普遍。3、原巖應(yīng)力分布規(guī)律 原巖應(yīng)力主要由

3、自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力組成，自重應(yīng)力是永恒存在的，而構(gòu)造應(yīng)力主要受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的影響，因地而異； 鉛直應(yīng)力基本上等于上覆巖層重量； 水平應(yīng)力普遍大于鉛直應(yīng)力； 平均水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力的比值一般隨深度增加而減小； 最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力一般相差較大。二、巖體中的彈性變形能與彈性變形恢復(fù)【筆注】由于在外力作用下巖體發(fā)生體積和形狀的變化，所以巖體內(nèi)的彈性能分為體變彈性能和形變彈性能兩部分。單位巖體的體變彈性能為： 單位巖體的形變彈性能為： 由上兩式可知，地下巖體中積聚的彈性能與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，隨著開采深度的增加，它與開采深度的平方成正比關(guān)系增長。顯然，這對深部開采中圍巖災(zāi)害的防治研究具有更為重要的

4、作用。三、地下工程體圍巖內(nèi)的原巖應(yīng)力重新分布【筆注】1、單一工程體圍巖內(nèi)的應(yīng)力重新分布1）圍巖彈性區(qū)內(nèi)應(yīng)力分布（1）雙向等壓應(yīng)力場內(nèi)的圓形孔 結(jié)論 ： 在雙向等壓應(yīng)力場中，圓孔周邊均處于壓縮應(yīng)力狀態(tài)； 雙向等壓應(yīng)力場中孔周邊的應(yīng)力最大，其應(yīng)力集中系數(shù)為2，且與孔徑的大小無關(guān)，而其它各點(diǎn)的應(yīng)力大小與孔徑有關(guān)； 在雙向等壓應(yīng)力場中，圓孔周圍任一點(diǎn)的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力之和為常數(shù)，且等于； 若以超過原巖應(yīng)力值的5%作為影響半徑的邊界，則的影響半徑為。（2）雙向不等壓應(yīng)力場內(nèi)的圓孔 結(jié)論： 當(dāng)時，上兩式分別變?yōu)椋?可見，等壓應(yīng)力場是雙向不等壓應(yīng)力場狀態(tài)下的一個特例，而且此狀態(tài)下，孔周圍各角度方向上的應(yīng)力

5、狀態(tài)相同，若是巷道，則說明此狀態(tài)下對巷道的穩(wěn)定最為有利； 當(dāng)且或時，該位置處。說明在圓孔的頂、底部中點(diǎn)位置處出現(xiàn)拉應(yīng)力；當(dāng)且時，該位置處。說明在圓孔的兩幫中點(diǎn)位置處出現(xiàn)拉應(yīng)力；當(dāng)時，圓形孔的兩幫或頂?shù)撞恐悬c(diǎn)位置處，切向應(yīng)力均恰好等于0；當(dāng)時，圓形孔的周邊各位置處切向應(yīng)力，說明各點(diǎn)均不出現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)。（3）橢圓形孔周邊的應(yīng)力分布結(jié)論： 當(dāng)巷道周邊各點(diǎn)位置處的應(yīng)力均為等值壓應(yīng)力時，對工程體的穩(wěn)定最為有利，此時的軸比稱為等應(yīng)力周邊，也稱為最佳軸比。則此時，可以得到：，由此看出，等應(yīng)力軸比與原巖應(yīng)力無關(guān)，只和側(cè)向應(yīng)力系數(shù)有關(guān)。由可決定最佳軸比，例如：時：，最佳斷面為圓形；時：，最佳斷面為的立橢圓；時：

6、，最佳斷面為的橫橢圓；總之，橢圓長軸總是順著原巖應(yīng)力的最大主應(yīng)力的方向，且軸比滿足式為最佳。實(shí)際設(shè)計與生產(chǎn)工作中，如果條件許可，應(yīng)滿足或盡量靠近該軸比。 零應(yīng)力軸比當(dāng)過大或過小時，過分地追求最佳軸比是不盡合理的，在這種情況下，根據(jù)巖體本身抗拉強(qiáng)度最弱的特點(diǎn)，找出不出現(xiàn)拉應(yīng)力的情況，即此時工程體周邊上不出現(xiàn)拉應(yīng)力，相應(yīng)的軸比稱為零應(yīng)力軸比。通過圓形孔周邊的應(yīng)力分析的結(jié)論中可以看出，在各向不等壓應(yīng)力場中，孔的頂?shù)准皟蓭椭悬c(diǎn)位置處是最要害的地方，那么我們可以由此入手。對于頂點(diǎn)：當(dāng)時，不會出現(xiàn)拉應(yīng)力；當(dāng)時，無拉應(yīng)力出現(xiàn)的條件是。對于兩幫中點(diǎn)：當(dāng)時，不會出現(xiàn)拉應(yīng)力；當(dāng)時，若不出現(xiàn)拉應(yīng)力， 。可見，當(dāng)側(cè)向

7、應(yīng)力系數(shù)比較?。ǎr，應(yīng)著重考慮頂（底）點(diǎn)；反之則應(yīng)照顧兩幫中點(diǎn)。（4）矩形孔周邊的應(yīng)力分布 在矩形孔的拐角處，其切向應(yīng)力最大； 矩形孔周邊的應(yīng)力狀態(tài)與矩形的高寬比（）直接有關(guān)。2）圍巖極限平衡區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布（1）在無支護(hù)影響的條件下 極限平衡區(qū)的范圍為： 在范圍內(nèi)為極限平衡區(qū)，其內(nèi)部的應(yīng)力為： 在的一定范圍內(nèi)為彈性區(qū)，其內(nèi)部的應(yīng)力為： （2）若有支護(hù)體的影響，且支護(hù)體對工程體內(nèi)壁的作用力為 極限平衡區(qū)的范圍為： 在范圍內(nèi)為極限平衡區(qū)，其內(nèi)部的應(yīng)力為： 在的一定范圍內(nèi)為彈性區(qū)，其內(nèi)部的應(yīng)力為： 結(jié)論： 極限平衡區(qū)的范圍（）與圓形斷面工程體的半徑成正比，且隨原巖應(yīng)力的增大而增大，隨巖體的、及支護(hù)體的作用力增大而減?。?極限平衡區(qū)內(nèi)的應(yīng)力與原巖應(yīng)力無關(guān)