Напряженное состояние верхних горизонтов земной коры

1. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

верхних горизонтов
Земной коры

2. Напряженное состояние массива горных пород

• Изучается: тектоникой;
горным делом;
механикой грунтов;
инженерной геологией
(геологические процессы)
• Задачи: тип напряженного состояния,
ориентация осей,
величина напряжений

3. Напряженно-деформированное состояние массива пород

• Факторы: Глобальные – гравитация
Региональные – тектоника,
сейсмичность
Локальные:
• рельеф,
• подземные воды – взвешивание,
фильтрационные силы,
• неоднородность пород по
деформационным свойствам,
• техногенные – сооружения, карьеры,
подземные выработки, взрывы, откачки

4. Гравитационная и тектонические силы

• Естественное напряженное состояние верхних
горизонтов земной коры формируется
совместным действием гравитационных и
тектонических сил
• Гравитационная сила:
• σ1г=ρgH; σ2г = σ3г = μ/(1– μ) ρgH
• Градиент 0.2-0.32 кг/см2/м
• Тектоническая сила:
• σ2 = σ2г + σ2т = μ/(1– μ) ρgH + Т + ΔТН;
• σ3 = σ3г + σ3т = μ/(1– μ) ρgH + μ (Т + ΔТН)

5. Тектоническая сила (П.Н.Кропоткин, 1973)

6. Тектонические силы

• Величина тектонической силы:
График Н.П.Кропоткина – 10-20 МПа
Н.А. Цытович – 35-45 МПа
Рогунская ГЭС – 12 МПа
Талнахский рудный узел – 23-38 МПа
σ 2т
Т = (σ2 + σ3) / (1+μ)
=T
σ 3т
= μT

7. Воздействие землетрясений

Гипоцентр и эпицентр (очаг) землетрясения
Плейстосейстовая область
Продольные и поперечные волны
Поверхностные волны: Лява и Релея
• Каждую монохроматическую волну одной частоты можно
охарактеризовать через длину волны λ, период t или частоту
колебания f=1/t, которые связаны с фазовой скоростью v
соотношением λ= tv=v/f.

8. Зоны концентрации интенсивности напряжений при прохождении сейсмической волны

9.

2
3
4

10. НДС массива пород

• Геометрия массива:
• - Рельеф – размах 20 км
• - Полости, как естественные
(например, карстовые), так и
искусственные (различные выработки)

11. Влияние рельефа на НДС

• Горизонтальные
а
Касательные

12. Радиальные и тангенциальные напряжения в стенках подземной полости кругового поперечного сечения при геостатическом распределении напр

Радиальные и тангенциальные напряжения в стенках подземной полости
кругового поперечного сечения при геостатическом распределении
напряжений ( 1 = 0,25 3) [И.А. Турчанинов и др., 1977]

13. Влияние подземной полости

-10
15
-35
20
• Max и min напряжения при горизонтальном сжатии
-15
-2
б
-15
-0.5
0
0.5
1
2
3
4
5
а
-20
-1
-30
-25
-1.5
-25
-30
-20
0
-0.01
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15
-16
-17
-18
-19

14. Max и min напряжения при горизонтальном сжатии

-10
-5
0
-15
-10
-0.01
8.5
-1
8
-2
7.5
-3
-15
7
-4
6.5
-5
6
-20
-6
-7
5.5
-20
5
-8
4.5
-9
4
-10
3.5
-25
-11
3
-12
-25
2.5
-13
2
-14
-30
1.5
-15
1
-16
0.5
-17
0
-18
-35
-30
-19
-40
-35
15
20
-45
5
10
15
20
25
30
35
40

15. Воздействие подземных вод

Эффективные и нейтральные напряжения
σп = σэф + σн; σэф = σп – σн; dσэф = - dσн
Взвешивание
γвзв = (Δ-γв)(1-n)
Гидродинамическое давление
f = I γв; Ф = I γв V
Гидростатическое давление от водохранилища

16. НДС массива пород

Строение (неоднородность, трещиноватость),
деформационные свойства –
концентрация в жестких, разгрузка в мягких;
разгрузка в разломах, концентрация вокруг них;
возрастание напряжений в кончике трещин
Коэффициент концентрации
К = σ/σном

17. Техногенные воздействия

Города
Горные выработки
Карьеры
Откачки
Взрывы

18. Методы изучения НДС

• Полевые: геофизические (сейсмоакустические) в
скважинах, в горных выработках;
» опыты – разгрузки, восстановления,
гидроразрыв;
» геологические – измерение трещин,
зеркала и борозды скольжения,
двойникование кристаллов;
» косвенные – выход керна, искривление
скважин, деформация стенок выработок.

19. Методы изучения НДС

• Лабораторные
• Моделирование:
- оптическое,
- эквивалентными материалами,
- центробежное.
• Расчетные:
- аналитические,
- численные (МКЭ и др.)

20. Полевые опыты

• Экспериментальное определение
величин напряжений в выработках:
• Методы разгрузки
• Методы восстановления напряжений
• Способ гидроразрыва: σmin = Рст

21. Геологические методы изучения НДС

• Метод М.В.Гзовского – σmax совпадает с
биссектрисой острого двугранного угла между
сопряженными трещинами
• Плоскости трещин отрыва ┴ направлению max
растягивающего напряжения
• Метод кинематического анализа
плоскостей разрушения
• Реконструкция главных напряжений на
основе анализа микроструктурных
ориентировок в кристаллах (двойникование
кальцита, магнезита и т.д.)

22. Косвенные геологические методы изучения НДС

• Дискование керна
• σ/σсж = 0.1-0.3 – толщина дисков > радиуса
• σ/σсж = 0.3-0.7 – толщина диска < 0.5 d
• σ/σсж = 1-2 – обломки, буровая мелочь
• Искривление ствола скважин
• Состояние стенок в горных
выработках

23. Сейсмоакустические методы изучения НДС

• Принцип - скорость распространения упругих
колебаний выше в породах, имеющих большую
плотность, которая возрастает при увеличении
напряжений
• Где изучается - вдоль скважин и шахт
(акустический каротаж), вокруг выработок, между
выработками (ультразвуковое просвечивание) и
т.д.
• Задачи - качественное распределение
напряжений, направление главных, иногда
вычисление величин