由于地壳中岩层重叠,并受长期的地质构造作用,岩体中各点的应力不同,可认为是空间和时间的函数。地壳中岩体应力分布状态称原岩应力场。岩体应力场主要由原岩应力场和因采掘工作引起的次生应力场构成,其中原岩应力场又包括自重应力场和构造应力场。影响岩体应力形成的因素包括岩石的物理力学性质、地质构造及活动过程、地形条件、地下水、瓦斯以及人类生产活动等。
岩体应力
处于一定地质环境中的各种岩性和结构特征岩石所组成的集合体中的应力。是分析判断岩土工程稳定性和采矿工程结构设计的基础资料。
- 英文名称
- stress in rock mass
- 所属学科
- 矿业工程
苏联科学家A.N.金尼克[注]于1925年根据均质各向同性线弹性体假设,提出原岩应力计算公式:垂直方向主应力等于单位底面积上的岩土体自重,即σz=γZ,式中γ为上覆岩层的平均容重,Z为深度。两个水平方向主应力σx=σy=λσz,侧应力系数λ=μ/(1-μ),式中μ为泊松比,一般岩土体的μ≈0.2~0.3,λ≈0.25。1912年瑞士地质学家A.海姆[注]从岩土体有流变性出发,认为原岩体大都处于各向等压即静水压力状态,也可认为距地表深度较大时,因岩石呈塑性状态,μ=0.5,λ=1,岩体也会处于静水压力状态:σx=σy=σz。
使初始呈水平沉积的地壳形成山峦重叠的构造体系和构造型式的应力场。20世纪30年代,中国地质学家李四光指出,地球自转速度变化,会在地壳中产生东西方向和南北方向作用的水平力。水平方向两个应力的数值和(σx+σy)远大于垂直应力的数值σz。50年代以后,随着应力测量技术发展,美国、苏联、加拿大、澳大利亚、中国等根据实测资料揭示,大多数情况下原岩水平应力比垂直方向主应力大1~3倍或更大;两水平轴向的主应力也并不相同,比值为0.3~0.8;垂直方向应力通常等于自重应力,有时为自重应力的1.5~3倍。原岩主应力方向,常稍偏离垂直和水平方向,这主要是受地质构造运动残余应力场的影响。
巷道掘进或矿体开采,破坏了原岩的应力平衡,应力重新分布后形成的应力场见图(图中符号所代表的量见自重应力场)。沿巷道断面水平轴线方向,应力重分布的特点如图所示。环向应力增加的幅度,靠近巷道周边最大,越远越小。应力变化的数值,随岩性、深度、巷道断面形状和尺寸、开采条件和时间等因素而定。应力变化的范围约为巷道断面最大尺寸的3~5倍。应力重新分布时,巷道围岩释放潜能,迫使围岩向巷道空间移动。如果最大应力不超过岩石强度条件,围岩可自稳;否则,在围岩中将出现大小不等的破裂松动区(见图)。
巷道围岩受到采场围岩次生应力场的影响时,其次生应力场会再次重新分布,导致应力叠加,这种影响称为采动影响。采准巷道经受采动影响后,应力场将更为复杂。
条目图册
扩展阅读
- 蔡美峰.岩石力学与工程.北京:科学出版社,2002.