地應(yīng)力及其原理2016

1、會計(jì)學(xué)1地應(yīng)力及其原理地應(yīng)力及其原理2016hvHhvHH1,1vhHH0.5hvHHvhHvHh1c c 地應(yīng)力分布理論：地應(yīng)力分布理論： 自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力：自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力：（1 1）巖體的自重應(yīng)力）巖體的自重應(yīng)力在均勻巖體中，深度為在均勻巖體中，深度為z z處的巖體的豎向自重應(yīng)力為處的巖體的豎向自重應(yīng)力為：Hz0, yxyx 在半無限體中任一微元體上的正應(yīng)在半無限體中任一微元體上的正應(yīng)力均為主應(yīng)力，且有力均為主應(yīng)力，且有0 zxyzxy zzyx 1得：得： 0)(1 zyxyxE 其中其中為巖體靜止側(cè)壓力系數(shù)為巖體靜止側(cè)壓力系數(shù)。根據(jù)虎克定律：根據(jù)虎克定律：在均勻巖體中，巖體的自重

2、初始應(yīng)力狀態(tài)為在均勻巖體中，巖體的自重初始應(yīng)力狀態(tài)為：Hzzzyx 10 zxyzxy iniizh 1 iniinnznyxh110/ EEEzyxyx yx 則有則有 ：zyxEE /1iniizh 1 巖體自重應(yīng)力的特點(diǎn)：巖體自重應(yīng)力的特點(diǎn)：（a）水平應(yīng)力）水平應(yīng)力x、y小于垂直應(yīng)力小于垂直應(yīng)力z ；（b） x、y、z均為壓應(yīng)力；均為壓應(yīng)力；（c） z只與巖體容重和深度有關(guān)，而只與巖體容重和深度有關(guān)，而 x、 y還同時(shí)與巖體彈性常數(shù)還同時(shí)與巖體彈性常數(shù)E、有關(guān)；有關(guān)；（d）結(jié)構(gòu)面影響巖體自重應(yīng)力分布。）結(jié)構(gòu)面影響巖體自重應(yīng)力分布。我國大陸板塊發(fā)我國大陸板塊發(fā)生變形，產(chǎn)生水生變形，產(chǎn)生水平

3、壓應(yīng)力場，其平壓應(yīng)力場，其主應(yīng)力跡線如圖主應(yīng)力跡線如圖4-1所示。所示。垂直應(yīng)力垂直應(yīng)力：平均容重，平均容重，KN/mKN/m3 3H H總深度（總深度（m m） 圖圖 巖體自重垂直應(yīng)力巖體自重垂直應(yīng)力HG 隨埋深增加，地溫增高，巖體性質(zhì)改變產(chǎn)生附加應(yīng)力隨埋深增加，地溫增高，巖體性質(zhì)改變產(chǎn)生附加應(yīng)力。 一般地溫梯度：一般地溫梯度： 巖體的體膨脹系數(shù)巖體的體膨脹系數(shù)： ，巖體彈模，巖體彈模E=10E=104 4MPaMPa； 地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為：地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為： zMPazMPaEzT003.0101003.045 z-z-深度深度/m/m。溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的溫度應(yīng)

4、力是同深度的垂直應(yīng)力的1/91/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。，并呈靜水壓力狀態(tài)。-510 100/3mC 區(qū)域初始應(yīng)力場有一致性，而區(qū)域內(nèi)局部地點(diǎn)的區(qū)域初始應(yīng)力場有一致性，而區(qū)域內(nèi)局部地點(diǎn)的初始應(yīng)力又有很大差別，主要是由地質(zhì)因素造成的初始應(yīng)力又有很大差別，主要是由地質(zhì)因素造成的。孤立山體：孤立山體：巖體自重起主導(dǎo)作用，巖體自重起主導(dǎo)作用，V H陡峭河谷陡峭河谷：底部出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力與河谷底部出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力與河谷軸近似垂直。如二灘水電站處于河谷地段的應(yīng)力集軸近似垂直。如二灘水電站處于河谷地段的應(yīng)力集中范圍達(dá)中范圍達(dá)500m，深度，深度250m斷裂帶：斷裂帶：殘留較大構(gòu)造應(yīng)力。如云南魯

5、布革電殘留較大構(gòu)造應(yīng)力。如云南魯布革電站工程中巖體最大主應(yīng)力與斷層走向近似垂直站工程中巖體最大主應(yīng)力與斷層走向近似垂直，積聚于上盤巖體中。，積聚于上盤巖體中。地殼表面剝蝕：地殼表面剝蝕：垂直應(yīng)力減少，近地表處，垂直應(yīng)力減少，近地表處， H V此外，地震活躍地區(qū)，初始應(yīng)力大小和方向還此外，地震活躍地區(qū)，初始應(yīng)力大小和方向還隨時(shí)間而變化。隨時(shí)間而變化。4.2 地應(yīng)力場的分布規(guī)律地應(yīng)力場的分布規(guī)律2 2）實(shí)測鉛垂應(yīng)力基本等于上覆巖層重量）實(shí)測鉛垂應(yīng)力基本等于上覆巖層重量Hv 世界各國垂直應(yīng)力隨深度變化的規(guī)律世界各國垂直應(yīng)力隨深度變化的規(guī)律垂直應(yīng)力 隨深度線性增加。平均容重約為27KN/m3HkPav

6、27國家名稱國家名稱平均水平應(yīng)力平均水平應(yīng)力/ /垂直主應(yīng)力垂直主應(yīng)力(%)(%)最大水平應(yīng)力最大水平應(yīng)力/ /垂直主應(yīng)力垂直主應(yīng)力0.81.21.2中國中國3232404028282.092.09澳大利亞澳大利亞0 0222278782.952.95加拿大加拿大0 00 01001002.562.56美國美國1818414141413.293.29挪威挪威1717171766663.563.56瑞典瑞典0 00 01001004.994.99南非南非4141242435352.502.50前蘇聯(lián)前蘇聯(lián)5151292920204.304.30其他地區(qū)其他地區(qū)37.537.537.537.525

7、251.961.96世界各國水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力之間關(guān)系表世界各國水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力之間關(guān)系表該圖表明，在深度不該圖表明，在深度不大的情況下，兩者的大的情況下，兩者的比值相當(dāng)分散。隨著比值相當(dāng)分散。隨著深度的增加，該值的深度的增加，該值的變化范圍逐步縮小，變化范圍逐步縮小，并向并向1 1附近集中，這說附近集中，這說明在地殼深部有可能明在地殼深部有可能出現(xiàn)靜水壓應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)靜水壓應(yīng)力狀態(tài)。垂直應(yīng)力平均水平應(yīng)力K3.0100K H5.01500K H4 4）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨深度增加而減小，且趨近于）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨深度增加而減小，且趨近于1 1五、最大、最小水平主應(yīng)力

8、隨深度線性增加：五、最大、最小水平主應(yīng)力隨深度線性增加： HmaxHmax6.76.70.0444H(Mpa)0.0444H(Mpa) HminHmin0.80.80.0329H(Mpa)0.0329H(Mpa)8 . 02 . 0maxmin HH 七、地應(yīng)力除上述分布規(guī)律外，還受地形、巖體結(jié)構(gòu)七、地應(yīng)力除上述分布規(guī)律外，還受地形、巖體結(jié)構(gòu)、斷層等方面的擾動影響。、斷層等方面的擾動影響。maxbR圍巖強(qiáng)度比4.3.1 4.3.1 高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則和高地應(yīng)力現(xiàn)象 1 1高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則高地應(yīng)力判別準(zhǔn)則 高地應(yīng)力是一個(gè)相對的概念。由于不同巖石具有不同的彈性高地應(yīng)力是

9、一個(gè)相對的概念。由于不同巖石具有不同的彈性模量，巖石的儲能性能也不同。一般來說，地區(qū)初始地應(yīng)力大模量，巖石的儲能性能也不同。一般來說，地區(qū)初始地應(yīng)力大小與該地區(qū)巖體的變形特性有關(guān)，巖質(zhì)堅(jiān)硬，則儲存彈性能多小與該地區(qū)巖體的變形特性有關(guān)，巖質(zhì)堅(jiān)硬，則儲存彈性能多，地應(yīng)力也大。因此高地應(yīng)力是相對于圍巖強(qiáng)度而言的。也就，地應(yīng)力也大。因此高地應(yīng)力是相對于圍巖強(qiáng)度而言的。也就是說，當(dāng)圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度是說，當(dāng)圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度(Rb)(Rb)的比值達(dá)到某的比值達(dá)到某一水平時(shí)，才能稱為高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力。即一水平時(shí)，才能稱為高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力。即3)3)探洞和地下隧洞的洞壁產(chǎn)生剝

10、離，巖體錘擊為嘶啞探洞和地下隧洞的洞壁產(chǎn)生剝離，巖體錘擊為嘶啞聲并有較大變形，在中等強(qiáng)度以下的巖體中開挖探洞聲并有較大變形，在中等強(qiáng)度以下的巖體中開挖探洞或隧洞，高地應(yīng)力狀況不會像巖爆那樣劇烈，洞壁巖或隧洞，高地應(yīng)力狀況不會像巖爆那樣劇烈，洞壁巖體產(chǎn)生剝離現(xiàn)象體產(chǎn)生剝離現(xiàn)象 有時(shí)裂縫一直延伸到巖體淺層內(nèi)部，錘擊時(shí)有破有時(shí)裂縫一直延伸到巖體淺層內(nèi)部，錘擊時(shí)有破啞聲。在軟質(zhì)巖體中洞體則產(chǎn)生較大的變形，位移顯啞聲。在軟質(zhì)巖體中洞體則產(chǎn)生較大的變形，位移顯著，持續(xù)時(shí)間長，洞徑明顯縮小。著，持續(xù)時(shí)間長，洞徑明顯縮小。斜坡上出現(xiàn)回彈錯(cuò)動現(xiàn)斜坡上出現(xiàn)回彈錯(cuò)動現(xiàn)象。象。 巖體內(nèi)開挖地下廠房、隧道、礦山地下巷道

11、、采場等地下工程，引起挖空區(qū)圍巖應(yīng)力重新分布和集中，當(dāng)應(yīng)力集中到一定程度后就有可能產(chǎn)生巖爆。在地下工程開挖過程中，巖爆是圍巖各種失穩(wěn)現(xiàn)象中反映最強(qiáng)烈的一種。它是地下施工的一大地質(zhì)災(zāi)害。由于它的突發(fā)性，在地下工程中對施工人員和施工設(shè)備威脅最嚴(yán)重。LOREM14.3.2 巖爆及其防治措施巖爆及其防治措施 巖爆：巖爆： 圍巖處于高應(yīng)力場條件下所產(chǎn)生的巖片(塊)飛射拋撤，以及洞壁片狀剝落等現(xiàn)象叫巖爆。 LOREM 有的學(xué)者認(rèn)為巖爆是受剪破裂；也有的有的學(xué)者認(rèn)為巖爆是受剪破裂；也有的學(xué)者根據(jù)自己的觀察和試驗(yàn)結(jié)果得出張破裂學(xué)者根據(jù)自己的觀察和試驗(yàn)結(jié)果得出張破裂的結(jié)論；還有一種觀點(diǎn)把產(chǎn)生巖爆的巖體破的結(jié)論；

12、還有一種觀點(diǎn)把產(chǎn)生巖爆的巖體破壞過程分為：劈裂成板條、剪壞過程分為：劈裂成板條、剪( (折折) )斷成塊、斷成塊、塊片彈射三個(gè)階段式破壞。塊片彈射三個(gè)階段式破壞。地下工程中巖爆的形成條件及機(jī)理地下工程中巖爆的形成條件及機(jī)理：3( (3)3)爆炸拋射型爆炸拋射型 巖爆發(fā)生時(shí)巨石拋射，其聲響如同炮彈爆炸，拋射巖塊的體積數(shù)立方米到數(shù)十立方米，拋射距離幾米到十幾米。 (1)(1)破裂松脫型破裂松脫型 圍巖成塊狀、板狀、鱗片狀，爆裂聲響微弱，彈射距離很小，巖壁上形成破裂坑，破裂坑的深度主要受圍巖應(yīng)力和強(qiáng)度的控制。1(2)(2)爆裂彈射型爆裂彈射型 巖片彈射及巖粉噴射，爆裂聲響如同槍聲、彈射巖片體積一般不

13、超過0.33m3，直徑510cm。洞室開鑿后，一般出現(xiàn)片狀巖石彈射、崩落或成筍皮狀的薄片剝落，巖片的彈射距離一般為25m。巖塊多為中間厚，周邊薄的菱形巖片。2目前主要是根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查所得到的巖爆特征，目前主要是根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查所得到的巖爆特征，考慮巖考慮巖爆危害方式、危害程度以及對其防治對策等因素爆危害方式、危害程度以及對其防治對策等因素. .1應(yīng)變型，指坑道周邊堅(jiān)硬巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中，在應(yīng)變型，指坑道周邊堅(jiān)硬巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中，在脆性巖石中發(fā)生激烈的破壞，是最一般的巖爆現(xiàn)脆性巖石中發(fā)生激烈的破壞，是最一般的巖爆現(xiàn)象；象；2屈服型，指在有相互平行的裂隙的坑道中，坑道屈服型，指在有相互平行的裂隙的坑道中，

14、坑道壁的巖石屈服，發(fā)生突然破壞，常常是由爆破振壁的巖石屈服，發(fā)生突然破壞，常常是由爆破振動所誘發(fā)的；動所誘發(fā)的；3巖塊突出型，是因被裂隙或節(jié)理等分離的巖塊突巖塊突出型，是因被裂隙或節(jié)理等分離的巖塊突然突出的現(xiàn)象，也是因爆破或地震等而誘發(fā)的。然突出的現(xiàn)象，也是因爆破或地震等而誘發(fā)的。此外，也有把巖爆分為應(yīng)變型、屈服型及巖塊突出型的。此外，也有把巖爆分為應(yīng)變型、屈服型及巖塊突出型的。2、巖爆產(chǎn)生的條件 巖爆產(chǎn)生的條件可歸納為： (1)地下工程開挖、洞室空間的形成是誘發(fā)巖爆的幾何條件； (2)圍巖應(yīng)力重分布和集中將導(dǎo)致圍巖積累大量彈性變形能，這是誘發(fā)巖爆的動力條件； (3)巖體承受極限應(yīng)力產(chǎn)生初始破

15、裂后剩余彈性變形能的集中釋放量即決定巖爆的彈射程度； (4)巖爆通過何種方式出現(xiàn)，這取決于圍巖的巖性、巖體結(jié)構(gòu)特征、彈性變形能的積累和釋放時(shí)間的長短。3、巖爆發(fā)生的判據(jù)我國工程巖體分類標(biāo)準(zhǔn)采用的判據(jù)如下： (1)當(dāng)Rcmax7時(shí)，無巖爆： (2)當(dāng)Rcmax= 47時(shí)，可能會發(fā)生輕微巖爆或中等巖爆； (3)當(dāng)履Rcmax 4時(shí)，可能會發(fā)生嚴(yán)重巖爆。 式中 Rc巖石單軸抗壓強(qiáng)度;max最大地應(yīng)力。4、巖爆的防治 目前已有許多行之有效的治理巖爆的措施，歸納起來有： 加固圍巖、加防護(hù)措施、完善施工方法、改善圍巖應(yīng)力條件以及改變圍巖性質(zhì)等。 (1)圍巖加固措施圍巖加固措施 該方法是指對已開挖洞室周邊的

16、加固以及對撐子面前方的超前加固，這些措施一是可以改善撐子面本身以及12倍洞室直徑范圍內(nèi)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)；二是具有防護(hù)作用，可防止彈射、塌落等。為達(dá)到這一目的，可以打超前鉆孔或在超前鉆孔中進(jìn)行松動爆破，這種防治巖爆的方法也稱為超應(yīng)力解除法。的方法。每次爆破循環(huán)之后，施工人員躲避在的方法。每次爆破循環(huán)之后，施工人員躲避在安全處，待激烈的巖爆平息之后再進(jìn)行施工。安全處，待激烈的巖爆平息之后再進(jìn)行施工。當(dāng)然這樣做要延緩工程的進(jìn)度，是一種消極的當(dāng)然這樣做要延緩工程的進(jìn)度，是一種消極的方法。方法。n在拱頂部位由于巖爆所產(chǎn)生的松動石塊必在拱頂部位由于巖爆所產(chǎn)生的松動石塊必須清除，以保證施工的安全。對于破裂松脫型須清除，以保證施工的安全。