矿山地应力测试方案样本Word下载.docx
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蓄存在岩体内部未受扰动应力,称之为地应力(Insitustress或Geostress),它是岩体中存在一种固有力学状态,是岩体区别于其他固体如土体最基本特性。
地应力概念最早是由瑞士地质学家海姆(Heim,1905-1912)提出。
她以为,岩体中有应力存在,并处在近似静水压力状态。
应力大小等于上覆岩体自重,即岩体中各个方向应力均等于(为岩体重度,H为研究点深度)。
此后,金尼克(1926)又依照弹性理论分析,假定岩体是均匀、持续弹性介质,提出岩体铅垂应力为,而水平应力应等于假说(为岩石泊松比,为侧压系数)。
按照金尼克理论,海姆假说只是金尼克假说在时一种特例。
然而,随着地应力现场实测资料积累,表白在浅层地应力并不符合海姆和金尼克假说。
瑞典哈斯特(Hast.N)于1952-1953年应用压磁式应力计在斯堪纳维亚半岛4个矿区进行了地应力实验。
成果表白,实测水平应力普遍比铅垂应力要高。
此后,许多国家相继发展了各种在钻孔中测量地应力办法,也都得到了相似结论。
1978年霍克和布朗(Hoek&
Brown)在研究了大量实测地应力资料后指出,普通而言,岩体构造中铅垂向地应力重要由上覆岩体自重产生,水平向地应力介于同一深度铅垂向地应力分量一半到3倍左右,深部岩体(距地表千米以上)应力状态,比较接近海姆假说。
2.2地应力构成某些和影响因素
地应力重要由五个某些构成,即岩体自重、地质构造、地形势、剥蚀作用和封闭应力。
自重应力是地心对岩体引力。
地质构造运动引起应力,涉及古地质构造运动应力和新构造运动应力,前者是地质历史上由于构造运动残留于岩体内部应力,也称构造残存应力;
后者是现今正在形成某种构造体系和构造型式应力。
地形势与剥蚀作用引起应力仅仅体当前局部应力场会受到影响。
例如,高山峡谷或深切山沟底部应力往往比较集中;
地表剥蚀会使该处地应力铅垂方向分量减少得较多,而水平分量基本保持不变。
封闭应力是地壳经受高温、高压引起岩石变形时,由于岩石颗粒晶体之间发生摩擦,某些变形受到阻碍而将应力封闭在岩石之中,并处在平衡状态,虽然卸载,其变形往往不能完全恢复,故称封闭应力。
普通以为,浅层岩体中地应力分布有如下5个方面影响因素。
2.2.1地质构造对地应力影响
☆地质构造对地应力影响重要体当前影响应力分布和传递方面;
☆在均匀应力场中,断裂构造对地应力量值和方向影响是局部;
☆在同一地质构造单元内,被断层或其他大构造面切割各大块体中地应力量值和方向均较一致,而接近断裂或其他分离面附近,特别是在拐弯处、分叉处及两端,由于都是应力集中地带,其量值和方向均有较大变化;
☆在活动断层附近和地震区,地应力量值和方向均有较大变化。
2.2.2地形地貌和剥蚀作用对地应力影响
地形地貌对地应力影响十分复杂,至今没有统一结论。
剥蚀作用对地应力有明显影响。
剥蚀前,岩体内存在一定量值铅垂应力和水平应力。
剥蚀后,铅垂应力减少得较多,而水平应力减少得比较少,基本上保持本来应力量值。
2.2.3岩石力学性质对地应力影响
从能量积累观点来看,岩体地应力是能量积累与释放成果。
岩体地应力上限必然受到岩体强度限制。
因而,岩石力学性质对地应力影响是显而易见。
杰格尔(Jaeger)曾提出地应力与岩石抗压强度成正比概念。
李光煜、白世伟通过大量记录资料提出用岩体弹性模量(E)来评价岩石力学性质与地应力关系。
记录成果表白,E=50GPa以上岩体,岩体中地应力普通为10-30MPa,而E不大于10GPa岩体,地应力很少超过10MPa。
她们记录成果还表白,在相似地质环境中,当岩体弹性模量分别2GPa和100GPa时,地应力值分别为3MPa和30MPa。
因而,弹性模量较大岩体有助于地应力积累,其地应力值也往往较高。
2.2.4水对地应力影响
水对岩体中地应力影响是显而易见。
由于岩体中水存在而形成岩石孔隙水压力于岩石骨架承受应力共同构成岩体地应力。
因而,孔隙水压力高地区,岩体地应力量值也会相应增长。
2.2.5温度对地应力影响
岩体温度对地应力影响重要体当前两个方面:
地温梯度和岩体局部受温度影响。
普通而言,岩体温度应力为压应力,并随深度增长而增长,因而,随着地温梯度增长,地应力量值有增长趋势。
当岩体局部受温度影响时,由于温度分布不均匀,会产生收缩和膨胀,导致岩体内部产生应力,影响岩体地应力量值。
2.3地应力场变化规律
由于地应力非均匀性以及地质构造、地形和岩体力学特性等影响,地应力变化规律没有明显拟定性。
但从实测资料来看,浅层(深度不大于3000米)地应力总体上遵循如下规律:
2.3.1地应力是一种相对稳定非稳定应力场
岩体中地应力除地壳深层外,绝大多数是以水平应力为主三向不等压三维应力场。
三个主应力量值和方向随着空间位置和时间变化而变化。
地应力在空间上变化限度,就一种小范畴来讲,例如一种水利枢纽工程或矿山工程,地应力量值和方向从一种地段到另一种地段发生变化。
但对大区域整体而言,地应力变化特别是最大主应力方向是不大,例如,国内华北地区,地应力主导方向为北西西和近东西向。
地应力量值和方向在时间上变化,就人类工程活动所延续时间而言,变化是缓慢,可以忽视不计。
2.3.2实测铅垂应力基本上等于上覆岩层重量
布朗(Brown)在总结世界上大量地应力现场实验资料表白,在深度为25~2700米范畴内,地应力铅垂向分量基本上等于上覆岩层重量,除少数实验点偏离较远之外(分散度不大于5%),其随深度变化按照岩石重度成线性增长,如图4.1所示。
2.3.3水平应力分量普遍不不大于铅垂应力分量
国内外地应力现场实验成果表白,在较浅地层中,地应力水平向应力分量绝大多数不不大于铅垂向分量。
最大水平向应力与铅垂向应力比值(侧压系数)普通为0.5~5.5,大某些在0.8~1.2之间。
最大值甚至达到30或更大。
当前,国内外习惯采用两个水平方向应力平均值与铅垂向应力比值比值来表达侧压系数。
此比值普通在0.5~5.0之间,国内实测值大多数在0.3~3.0之间,如表3.1所示。
表3.1记录成果
国家名称
比例
比值
<
0.8
0.8~1.2
>
1.2
中华人民共和国
32
40
28
2.09
澳大利亚
22
78
2.95
加拿大
100
2.56
美国
18
41
3.29
挪威
17
66
5.56
瑞典
4.99
南非
24
35
2.50
前苏联
51
29
20
4.30
其他地区
37.5
25
1.96
2.3.4平均水平应力与铅垂应力比值(侧压系数)同深度之间关系
侧压系数是表征地区地应力特性重要指标之一。
普通而言,该值随深度增长而减小,但在不同区域,有较大差别。
布朗(Brown)依照图3.1记录成果提出下式来描述这种变化趋势:
(1)
已有现场实验资料也表白(图3.2),在钻孔深度较浅(不大于1000米)时,比较分散,数值也较大。
随着深度增长,分散减小,并且向趋于1附近集中,类似前述海姆假说静水压力状态。
2.3.5最大水平主应力方向与地质构造关系
岩体中现存最大水平主应力方向重要取决于当前地质构造应力场。
现场实验成果表白,最大主应力方向与地质构造关系十分复杂,有地区最大主应力场方向与构造线垂直,有则平行。
图3.1地应力铅垂向分量随深度变化规律
图3.2地应力侧压系数随深度变化规律
2.4国内地应力场区域划分
依照大量现场实验成果,国内地应力场最大水平主应力方向有较明显分区特性,如图3.3所示。
华北地区,主压应力方向以太行山为界,太行山以东华北平原及其周边山区,其主压应力方向为近东西向;
太行山以西,主压应力方向近东南。
秦岭构造带以南,主压应力方向为北西西至北西向。
东北地区主压应力方向以北东东为主。
西部地区测得主压应力方向以北北东方向为主,个别近东南方向。
地应力量值在国内东西部地区有较大差别。
东部地区地应力量值比较低,在300m深度内,普通地应力最大值为8MPa左右。
西部地区,地应力量值比较高。
例如,在四川二滩水电站实测水平最大主应力量值在山沟应力集中处高达40-65MPa。
图3.3国内地应力场最大水平主应力方向分布
3水压致裂法实验简介
国际岩石力学学会测试办法委员会1987年颁布了“测定岩石应力建议办法”。
涉及USBM型钻孔孔径变形计钻孔孔径变形测量法、CSIR(CSIRO)型钻孔三轴应变计钻孔孔壁应变测量法、水压致裂法和岩体表面应力应力恢复测量法。
与其他三种测量办法相比,水压致裂法具备如下其他长处:
☆测量深度深;
☆资料整顿时不需要岩石弹性参数参加计算,可以避免因岩石弹性参数取值不准引起误差;
☆岩壁受力范畴较广(钻孔承压段限度可达1-2米),可以避免“点”应力状态局限性和地质条件不均匀性影响;
☆操作简朴,测试周期短。
因而,水压致裂法广泛地应用于水电、交通、矿山等岩石工程以及地球动力学研究各个领域。
3.1水压致裂法基本原理
水压致裂法地应力测量运用一对可膨胀橡胶封隔器,在预定测试深度封隔一段钻孔,然后泵入液体对该段钻孔施压,依照压裂过程曲线压力特性值计算地应力。
水压致裂法地应力测量原理以弹性力学平面问题为基本,并引入了如下三个假设:
☆围岩是线性、均匀、各向同性弹性体;
☆围岩为多孔介质时,注入流体按达西定律在岩体孔隙中流动;
☆岩体中地应力一种主方向为铅垂方向,与铅垂向测孔一致,大小等于上覆岩层压力。
依照弹性理论,当在具备应力场岩体中钻一钻孔,钻孔周边岩体将产生二次应力场(图4.1),它与地应力之间关系如下:
(2)
式中,为钻孔半径,为径向距离,为极径与轴X夹角,Z为钻孔轴向,指向孔口。
为岩石泊松比,为原始轴向主应力(由上覆岩石自重拟定)。
图3.1岩体中含一钻孔应力分布
在钻孔孔壁处()应力状态为:
(3)
注意到地应力场中一主应力为钻孔轴线方向,有,同步,坐标轴X取在钻孔截面最大水平主应力方向,为以便起见去掉式(3)中上标,式(3)为:
(4)
式中,和分别为钻孔横截面上最大和最小水平主应力,为极角,以逆时针为正。
当钻孔承压注液受压时,围岩即产生附加应力场。
依照无限厚壁圆筒弹性理论解,围岩产生附加应力场为:
(5)
在钻孔孔壁()处,注液受压引起围岩应力状态为
(6)
水压致裂法地应力测量钻孔岩壁上应力状态,是地应力二次应力场与液压引起附加应力场叠加,即
(7)
水压致裂法地应力测量典型理论采用最大单轴拉应力破坏准则。
在这种破坏准则制约下,式
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