Напряженное состояние пород в условиях залегания
Информация - Геодезия и Геология
Другие материалы по предмету Геодезия и Геология
Условие, когда все три главные сжимающие напряжения равны, т.е., называется равномерным всесторонним сжатием. Из выражений (1.2) и (1.5) следует, что в этом случае касательные напряжения равны нулю. Из третьей и четвертой теорий прочности следует, что, как бы велико ни было среднее давление , в горных породах не должно возникать ни остаточных деформаций, ни разрушений. Горная порода должна деформироваться только упруго в соответствии с законом Гука (1.10).
Эти выводы хорошо подтверждаются при испытаниях плотных, однородных горных пород. В процессе деформирования пористых горных пород наблюдаются не только остаточные деформации, но и их разрушение, так как напряженное состояние скелета породы существенно отличается от равномерного всестороннего сжатия.
Испытания при равномерном всестороннем сжатии проводятся для изучения сжимаемости горных пород и минералов. Сжимаемость минералов и пород характеризуется коэффициентом объемного сжатия ? и модулем объемной деформации при сжатии.
Под коэффициентом объемного сжатия ? понимают относительное уменьшение объема V с увеличением давления на 1 кгс/см2, т.е.
,(2.12)
(V0- первоначальный объем при нормальных давлении и температуре).
Если в процессе деформирования соблюдается закон Гука, то
.(2.13)
Подставив (2.13) в выражение (2.12), получим
,(2.14)
а так как , то , где K - модуль объемной деформации, определяемый по формуле (1.11),
В таблице 1 приведены коэффициенты объемного сжатия для некоторых минералов и горных пород по данным Адамса.
Из таблицы 1 видно, что коэффициент ? для большинства минералов и горных пород составляет 10-6 и даже 10-7 см2/кгс, т.е. объем пород с увеличением давления на 1 кгс/см2 уменьшается на несколько миллионных или даже десятимиллионных долей от их первоначального объема.
Таблица 1
Минерал или породаКоэффициент объемного сжатия ?•104 при давлении, кгс/см2200010000Алмаз0,180,18Оливин0,840,84Кальцит1,391,39Полевые шпаты1,51-1,881,34-1,68Кварц42,632,31Каменная соль4,013,53Гранит2,121,88Сиенит1,871,68 1,68Габро1,21,17
5. ИЗМЕРЕНИЕ ПРИРОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ПОРОД
Для определения действующих в массиве горных пород напряжений применяются деформационные, геофизические и геологические методы, а также метод гидроразрыва.
Деформационные методы. К деформационным методам измерения напряжений относятся методы разгрузки и восстановления.
Методы разгрузки основаны на измерении упругих деформаций некоторого элемента массива пород при разгрузке от действовавших в нем напряжений и упругом восстановлении им первоначальных формы и размеров. По измеренным деформациям, зная модуль упругости и коэффициент поперечной деформации пород и используя математический аппарат теории упругости, вычисляют действующие напряжения. Теоретической базой метода служит теорема о разгрузке, согласно которой для любого сложного напряженного состояния зависимости между деформациями упругого восстановления при разгрузке и действовавшими в элементе среды напряжениями подчиняются теории упругости.
Методы разгрузки можно разделить на: 1) измерение торцевых деформаций; 2) измерение деформаций кольцевого цилиндра, образованного соосными скважинами; 3) измерение деформаций пород, вызванной проходкой скважины.
Методы восстановления заключаются в измерении давления, которое нужно создать в скважине или другой полости для того, чтобы компенсировать деформацию разгрузки, происшедшую при ее проходке. Для этого на поверхности массива до закладки в нем полости размещают индикаторы, которые при создании полости в результате деформации разгрузки показывают величины происходящих смещений. Затем в полость помещают устройство, позволяющее создать внутри нее давление, которое повышают до тех пор, пока индикаторы смещений не отметят полной компенсации деформации разгрузки и возвращения точек наблюдения в первоначальное положение. Величину этого давления принимают равной напряжению, действовавшему в массиве до разгрузки. При измерении напряжений методами восстановления нет необходимости определять упругие свойства пород.
Деформационные методы широко используются для изучения напряжений в верхних слоях земной коры, распределения напряжений вокруг горных выработок, напряженного состояния склонов на участках строительства крупных гидротехнических сооружений и т.д.
Геофизические методы. Эти методы основаны на измерении в исследуемом массиве искусственно создаваемых физических полей и регистрации этих параметров, меняющихся в зависимости от напряженного состояния. Сюда относятся сейсмоакустические, радио- и электрометрические методы.
Наиболее совершенными в настоящее время являются сейсмоакустические методы. Физической основой применения сейсмоакустических методов для оценки напряженного состояния массивов горных пород являются теоретические и экспериментальные зависимости скоростей распространения упругих волн и характеристик их затухания от величины действующих напряжений.
В последние годы для оценки напряжений с успехом применяется метод гидроразрыва. Экспериментальная часть методики во многом подобна гидравлическому возбуждению скважин, широко используемому при разработке нефтяных месторождений. Сущность метода состоит в следующем. В заданном интервале буровой скважины (наиболее сохранном и лишенном естественных трещин), ограниченном разъемными тампонами, создают давление жидк?/p>