应力分布特征

应力分布特征（精选九篇）

应力分布特征 篇1

关键词：河谷,应力场,卸荷带,划分标准

我国是世界上水能资源最为丰富的国家,但可开发的大部分水资源主要集中于西南、西北的高山峡谷区。高山峡谷区由于河谷深切,故而带来了一系列的工程地质问题,其中河谷高地应力分布特征及其所带来的岩体稳定性问题是工程设计及建设方所关注问题。因此,研究河谷的应力场特征具有重要的工程意义。目前人们对岩体中地应力状态的认识方法主要有地质学方法、原地应力测量、数值模拟计算等方法。其中,地质学方法是以地质、地貌方法研究河谷区构造应力场的演变史和现今河谷应力场的基本特征[1,2];原地应力测量是以水压致裂法、套孔应力解除法、扁千斤顶法等直接、间接方法测量地应力量值[3,4];数值模拟计算法是采用有限元、边界元等数值计算技术,利用测点的地应力实测资料拟合出一定范围内的全场地应力分布的数值方法[5,6,7]。

地壳浅层岩体中水平应力除与岩体自重、构造应力有关以外,还受地表剥蚀、沉积作用的影响[5]。河谷地应力场更主要受河谷地质条件的影响,河谷地应力场的成因决定了它的分布:一方面取决于区域地应力场的分布,另一方面又受地表剥蚀、河流侵蚀等地表地质作用的控制。在河谷不同位置上,这两方面作用的表现强度不同,即河谷应力场主要是在自重应力、构造应力双重作用下由于河谷深切作用导致谷坡应力卸荷,进而形成特有的河谷应力场分布。

文章中利用数值分析软件对深埋河谷地应力场分布特征进行了模拟分析,同时研究了卸荷深度不同对地应力场特征的影响,研究结果可为河谷地应力场分布特征研究及地应力实测数据分析提供一定的参考。

1数值模型

基于线弹性有限元的河谷应力场研究在20世纪70年代取得了丰硕的研究成果[8],并已被写入教材而为人们所熟知[1,2],但对河谷岸坡卸荷现象考虑较少。文章中利用有限差分数值分析软件对河谷地应力场分布特征进行研究分析。图1为深切河谷模型。其中河谷切深50 m,河谷坡角60°。岩体密度为2.7 g/cm3,弹性模量为27 GPa,泊松比为0.2。模型高150 m,长200 m,共剖分六面体单元7 128个,节点9 904个。数值模型中于河谷岸坡中预设4层卸荷带,卸荷深度分别为5 m、10 m、15 m、20 m。模型左右两侧采用水平向约束,底边界采用竖直方向约束。

2河谷应力场分区研究

2.1无远场构造应力作用

孙广忠教授在其专著《岩体结构力学》中,根据某点的最大主应力σ1和该点未剥蚀前相应的上覆岩体重量γH之间的大小关系,把河谷的应力从坡表到坡里划分为地应力释放区(σ1<γH)、地应力集中区(σ1>γH)及地应力平稳区(σ1=γH)[9],对于具有远场构造应力作用的地应力场而言,一般平稳地应力场中最大主应力σ1均大于γH值[10,11,12],即这一划分标准考虑了河谷下切过程中的侵蚀、剥蚀作用,更适合于无远场构造应力作用时的河谷应力场分区。

2.2远场构造应力作用

此处自孙广忠教授划分河谷区地应力场思路出发,提出具有远场构造应力作用下的地应力场划分标准,即

地应力释放区 σ1-slope<σ1-insitu,

地应力集中区 σ1-slope>σ1-insitu,

地应力平稳区 σ1-slope=σ1-insitu。

其中,σ1-slope为河谷一定范围内最大主应力量值,σ1-insitu为远场最大主应力量值,一般通过测量或震源机制解等方法得到,该方法中认为在构造应力作用下,由于河谷深切作用而使得地应力发生重新分布,进而根据重分布应力场中最大主应力与原远场构造应力的比值确定其分区。

3河谷应力场分布特征

3.1无卸荷带影响

图2为无构造应力场时河谷区最大主应力及最小主应力等值线分布情况,图3为有构造应力场作用时河谷区最大主应力、最小主应力等值线分布情况。

由图2可知,在无构造主应力作用下河谷主应力具有以下分布特征:

(1)主应力迹线在坡面附近发生明显偏转,在坡面附近与临空面近于平行,并且越靠近临空面最大主应力越接近平行临空面,最小主应力则与之近于正交[6];

(2)谷底最大主应力显著提高,最小主应力则在表面处为0,甚至出现张拉应力。同时由于河谷的存在,对最大主应力及最小主应力分布具有一定的影响深度效应;

(3)谷底同一高程位置,由坡表至坡里,最大主应力及最小主应力均经历逐渐增加过程,可分为应力释放区及应力平稳区。

由图3可知,在构造应力作用下河谷主应力具有以下分布规律:

(1)河谷一定范围内主应力量值变化较大,即无论是最大主应力或最小主应力与谷底部位具有明显集中现象,且集中范围明显大于无构造应力作用情况;

(2)河谷坡面及坡顶部分位置出现张拉应力,相同量值主应力分布特征受谷坡地形影响较小;

(3)谷底同一高程位置,由坡表至坡里,最大主应力及最小主应力均经历先升高后降低过程,可分为应力集中区及应力平稳区。

3.2卸荷带影响

河谷下切岩体经历卸荷效应,地应力重新分布,此处假设卸荷带岩体密度为2.6 g/cm3,弹性模量为10 GPa,泊松比为0.3。其中无远场构造应力场作用时不同卸荷深度河谷地应力场分布特征如图4～图7所示,具有远场构造应力场作用时河谷区主应力等值线分布特征如图8～图11所示。

3.2.1 无构造应力场作用

由图4～图7可知,无远场构造应力作用,当边坡坡表具有一定的卸荷深度时,河谷地应力场具有如下的分布规律:

1)由于卸荷带的存在,卸荷带深度范围内最大主应力与最小主应力发生明显降低现象,且降低范围随着卸荷带深度的变化而变化;

2)卸荷带范围外最大主应力及最小主应力分布特征与无卸荷带存在时较为相近,谷底不存在明显应力集中区;

3)谷底同一高程范围内,自坡表至坡里,最大主应力经历降低、升高、基本不变化过程,即从坡表到坡里范围可以划分应力降低区、应力升高区及应力平稳区三个特征区域;

4)坡表张拉应力区范围相较无卸荷带时进一步扩大。

3.2.2 构造应力场作用

由图8～图11可知,具有远场构造应力作用,当边坡坡表具有一定的卸荷深度时,河谷地应力场具有如下的分布规律:

1)河谷虽然具有卸荷带的存在,但谷底附近一定范围内出现明显最大主应力与最小主应力集中现象,且随着卸荷带深度的变化而变化;

2)卸荷带内最大主应力相比较无卸荷带时,最大主应力与最小主应力发生明显降低;

3)相比较无卸荷带及有卸荷带无远场构造应力作用时,具有远场构造应力作用的边坡由于卸荷带的存在,张拉应力区范围进一步扩大;

3)谷底同一高程范围内,自坡表至坡里,最大主应力经历降低、升高、基本不变化过程,可以划分应力降低区、应力升高区及应力平稳区三个特征区域。

4结论

(1)对于不同河谷应力场,可根据是否具有远场构造应力作用情况,自河谷应力重分布后特征与自重应力及远场构造应力之间大小对应情况角度提出应力场分布特征区域划分标准。

(2)由于构造应力场的存在,使得河谷内应力集中的水平明显提高,集中的范围明显变大,同时河谷坡面张拉应力区范围明显扩大。

(3)河谷边坡无卸荷带存在时,即对于弹性均质边坡而言(如人工边坡),无构造应力场作用情况下,从坡表至坡里可分为应力释放区、应力平稳区,当有构造应力作用时,则分为应力集中区、应力平稳区。河谷边坡存在卸荷带时,从坡表至坡里可分为应力释放区、应力集中区及应力平稳区。随着卸荷带厚度的增加,应力集中区向坡体内部相应移动。

参考文献

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血管壁内应力分布研究 篇2

应力一直被认为是影响动脉血管平滑肌细胞组织性质变化的重要因素.利用零应力状态和张开角的概念,推导受内压的血管壁的内力分布的`解析解,并对具体的实例进行计算分析.计算结果表明,张开角对于沿血管壁厚度方向变化的圆周方向应力分布具有非常强烈的影响.

作 者：王寿梅 徐明 李宁  作者单位：王寿梅,徐明(北京航空航天大学,飞行器设计与应用力学系)

李宁(中国运载火箭技术研究院)

刊 名：北京航空航天大学学报  ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS 年，卷(期)：2003 29(4) 分类号：O343.5 关键词：生物力学   应变能   本构关系  

成兰铁路地应力分布特征及工程评价 篇3

关键词：地质构造,地应力,分布特征,侧压力系数,工程评价

地应力是确定岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现地下工程开挖设计和决策科学化的前提。随着我国铁路工程建设向西部艰险山区的发展,隧道工程越来越呈现为“长、大、深”的特点,地应力对工程的影响越来越大,如软岩大变形、岩爆、瓦斯突出等一系列工程问题都与地应力相关。地应力不仅是决定区域稳定性的重要因素,也是导致隧道工程变形和破坏的荷载之一。因此,地应力指标是隧道科学化设计最核心的参数之一。

如何揭示地应力分布规律,确定地应力指标,更好地服务于地下工程建设,这是一个极具实用意义的问题。成兰铁路地处川西甘南山区,穿越多个活动构造单元,各单元运动模式不一,地应力具有明显的方向性和三向差异性,加之沿线以软弱破碎岩体为主,局部有岩浆侵入的辉绿岩,高地应力问题突出。为此,在勘察设计中开展了系统的地应力测试研究。本文根据成兰铁路32个深孔和186个测段的地应力统计资料,从力学及地质的角度对沿线地应力特征进行分析,研究其分布规律、确定地应力计算指标并开展工程评价。

1 工程概况

线路起于四川成都经绵竹、茂县、松潘至九寨沟,向北延伸至兰渝铁路的哈达铺车站,全长457.59km,位于四川盆地向青藏高原东缘的高山峡谷过渡区,是我国地形第一阶梯向第二阶梯的过渡地带,地形切割强烈、相对高差多在1 000～3 000 m。

全线新建隧道32座总长332.44 km,平均长度超过10km,为我国长大隧道最为密集铁路,其中超过20 km隧道3座,最长隧道长28.47 km,隧道比72.6%。隧道具深埋特点,埋深500m以上段落达237km,1 000 m以上段落达86 km,最大埋深达1 850m。

2 地质特征

区域地处青藏亚板块、扬子亚板块和华北亚板块所围限的川西北三角形断块区,为我国著名的南北地震带。线路行走在由北东向龙门山构造带、近南北向松潘-甘孜构造带之岷山隆起构造带、北西西-近东西向向南凸出的西秦岭构造带组成的A字形构造格架最为活跃的中上部,多次穿越深大活动断裂,包括著名的龙门山前山、中央、后山断裂束,雁行分布的岷江断裂带、东昆仑断裂束、叠部-舟曲断裂束、光盖山-叠山南北断裂和临潭-宕昌断裂等,其中近距离平行导致1933年7.5级叠溪地震的岷江活动断裂带长达110 km,地质构造条件极为复杂。

区内地层岩性主要以千枚岩、板岩为主,局部为砂岩、灰岩和辉绿岩等。极度软弱破碎的千枚岩、板岩、炭质板岩等占线路总长约70%。工程地质条件呈现典型的“四极三高”特征(即地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、汶川地震效应极为显著;高地壳应力、高地震烈度和高地质灾害风险)。

3 地应力的区域分析

区域地应力主要来自印度洋板块向亚欧板块的俯冲,造成青藏高原快速隆升及高原物质向四周逃逸。受扬子亚板块及华北亚板块阻隔,地应力在线路区域产生一系列深大断裂,断裂间形成断块,断块内部又有次级断裂,使地应力更加分化复杂。

根据构造地质学理论,可通过对不同类型构造形迹和构造体系的研究,分析地壳各部分地应力的活动方式,一般而言,断块内部具有相似的应力场。断层与褶皱的形成具有如下应力模式:正断层σ1是垂向应力,σ2及σ3是水平应力,且σ3垂直于断层走向,σ2平行于断层走向;逆断层σ1及σ2是水平应力,σ3是垂向应力,且σ1垂直于断层走向,σ2平行于断层走向;走滑断层σ1及σ3是水平应力,σ2是垂向应力,左旋呈逆时针方向滑动,右旋呈顺时针方向滑动。应力模式如图1所示。

(a)正断层;(b)逆断层;(c)左旋走滑断层;(d)右旋走滑断层;(e)褶皱

工程区地质构造复杂,包含地质历史时期形成的多种痕迹,有些构造痕迹和新构造模式明显不同,如石大关弧形构造带、较场山字形构造带,形成应力方向应为近南北向,而横贯其中的岷江新构造带应力方向应为北西西向。筛选不同构造次序及层次极为重要,应力场分析应采用新构造格架控制,据《成兰铁路沿线活动断裂专题研究》及震源机制解成果,沿线区域断裂多属逆断走滑型,其中龙门山断裂带为逆断右旋走滑、岷江断裂带为逆断左旋走滑,西秦岭断裂带为以左旋走滑为主兼倾滑。

根据图1所示构造与应力关系可推断工程区有如下地应力特征:因区域深大断裂非正断裂,故水平应力为最大主应力。东北向逆断右旋的龙门山构造带地应力方向应为北西西,近北-南向逆断裂兼左旋的岷江断裂带应为北北西,北西西近东-西向且南凸出的左旋兼倾滑的西秦岭断裂系应表现为西北-东南。应力与构造线的夹角与走滑分量呈反比,可结合GPS监测资料或断距调查分析确定;应力的量值与构造的活跃程度相关。

4 地应力测试

4.1 地应力测试方法

地应力测试方法有多种,常用的方法有构造分析法、震源机制解法、应力解除法、水压致裂法及声发射法等。各种方法都有其优越性和局限性。其中构造分析法、震源机制解法只能分析应力方向,应力解除法、水压致裂法及声发射法可同时测试地应力方向及大小。

根据工作条件,本次对地应力方向采用构造分析法、震源机制解法与钻孔水压致裂法实测相结合确定,对地应力量值采用钻孔水压致裂法实测确定。

4.2 地应力测试情况

图2为测点位置及地应力方向与构造关系示意图。为定量获取地应力方向和量值,根据工程特点、岩性条件按构造单元,在全线共布置32个深孔开展地应力测试工作,其中龙门山构造带5孔,岷江构造带16孔,西秦岭构造带11孔。获取了埋深58～943m范围内的186个测段的基础数据。

5 地应力统计规律分析及指标推荐

5.1 地应力方向数据统计及规律分析

地应力方向统计按照地质单元选取参与分析的测试孔并绘制走向玫瑰花图。当测试孔内不同深度测点的地应力方向值差异较大时,应分析原因,剔除异常值并综合确定单孔代表值,再参与地质构造单元的统计。各地质构造单元最大水平主应力走向玫瑰花图如图3所示。

通过分析图2及图3,可发现如下规律。

(1)龙门山构造带铁路线DK75+000至DK138+000段内最大水平主应力以北55°～75°西为主,优势方向为北60°西,与构造线夹角为65°,可分析构造体运动为逆断右旋走滑,和活动断裂研究吻合。线路走向与最大水平主应力方向夹角小于15°,对洞室围岩稳定有利。

(2)岷江构造带铁路线DK147+000至DK334+000段内最大水平主应力以北45°～65°西为主,优势方向为北40°西,与构造线夹角主要为40°～60°,可分析构造体运动为逆断左旋走滑,和活动断裂专题研究吻合。

(3)西秦岭构造带的东昆仑断裂至叠部舟曲断裂带铁路线DK334+000至DK400+000段之间,最大水平主应力以北35°～50°西为主,优势方向为北45°西,与构造线近于平行,有利于走滑运动,和活动断裂专题研究相吻合。叠部舟曲断裂带至临潭-宕昌断裂铁路线DK400+000至DK454+000段之间,最大水平主应力以北15°西～北35°西为主,优势方向为北15°西,显示受断裂临潭-宕昌断裂方向扭转而发生相应变化。

1.龙门山前山断裂;2.龙门山中央断裂;3.龙门山后山断裂;4.岷江断裂;5.虎牙断裂;6.秦川-平武断裂;7.东昆仑断裂;8.文县断裂;9.迭部-舟曲断;10.临潭-宕晶断裂

(a)龙门山构造带最大水平主应力走向玫瑰花图;(b)岷江构造带最大水平主应力走向玫瑰花图;(c)西秦岭构造带最大水平主应力走向玫瑰花图

(4)三者总体方向以北西为主,显示受统一的区域地球动力学环境控制。龙门山构造带至岷江断裂带过渡带内最大水平主应力方向更接近龙门山构造带,岷江断裂带与西秦岭构造带过渡带最大水平主应力方向更接近西秦岭构造带,显示龙门山及西秦岭构造带规模影响大于岷江构造带。

(5)岷江构造带地应力方向表明线路横穿的石大关弧形构造带、较场山字形构造带对应力方向影响不大,证明最大水平地应力方向与地质历史上的所形成的褶皱和断裂走向之间不存在确定的方向关系,更主要取决于现代构造应力场。

(6)同一构造带内,应力场相对均匀,不仅三大构造区具有共性特征,同一构造区更具有明显的优势方向,可为按构造单元划分地应力指标提供依据。

(7)玫瑰花图显示的异常点,分析为在断裂带内、两端及雁行分节点,地应力方向发生扭转的结果,且具有如下特点。

在挤压型逆断层附近,最大主应力多于断层垂直,如龙门山后山断裂上的茂县隧道2号深孔应力方向扭转成北36°西和断裂角度达85°,表明地应力靠近断裂受其影响较大,应力集中以导致断裂以逆冲为主。

在走滑型层附近,最大主应力多于断层斜交,最大主应力与断层夹角与走滑分量呈反比,如岷江断裂带南端点榴桐寨隧道9号孔处扭转成北30°西,处于岷江断裂带上盘仅600 m的红桥关隧道2号深孔转成北18°西和断裂角度为26°,表明该断裂北段局部走滑性质明显。

5.2 地应力量值数据统计及规律分析

地应力量值统计按照地质构造单元选取各孔测点数据,绘制量值与深度关系图,寻找最大水平地应力值与深度的相关性,最大水平主应力和垂直主应力比值即第一侧压力系数关系与深度的相关性,最小水平主应力和垂直主应力比值即第二侧压力系数关系与深度的相关性。采用散点图的模式呈现分析,如图4～6所示。通过分析图2及图4～6,可发现地应力量值、侧压力系数与构造及深度有如下规律。

(1)最大水平主应力随深度存在线性增长的规律,增长速度由高到低依次为西秦岭构造区、岷江构造区和龙门山构造区,由此表明,西秦岭构造区活动性更为强烈。

(2)第一侧压力系数λ1普遍大于1,即σH>σv,显示地应力以构造应力为主的特征。λ1在600 m以内分布总体较为稳定,异常点的分布随机性更多受构造控制,同一构造区内部可视为常量。800m以下数据较少,最大测试深度942 m处σ1为1.06,但仍可见有随深度的增加变小的趋势,并渐渐趋于静水压力分布,1500m以后可按静水压力分布考虑。

(3)第二侧压力系数λ2普遍小于1,即σh<σvoλ2在1000 m以内分布总体较为稳定,异常点的分布更多受构造控制,同一构造区内部可视为常量。1500 m以后可按静水压力分布考虑。

(4)龙门山及岷江构造区普遍存在σH>σv>σh的关系。标准深度内龙门山构造区λ1均值为1.1,λ2均值为0.80,岷江构造区内λ1均值为1.25,λ2均值为0.82。

(5)西秦岭构造区普遍存在σH>σh>σv的关系。标准深度内,第一亚区DK334+000至DK374+000段内λ1,均值为2.72,λ2均值为1.73;第二亚区DK374+000至DK457+000段内λ1均值为1.33,λ2均值为0.90。全线最大第一侧压力系数4.87也出现在第一亚区,可能和此段处于以东昆仑断裂为标志的板块缝合带有关系。

(6)距离断裂愈近侧压力系数越大,显示应力集中,如处于龙门山后山断裂上盘650m的茂县隧道深孔λ1达3.02,是均值的2.74倍,λ2达1.05,是均值的1.31倍;处于岷江断裂带上盘600 m的红桥关隧道深孔λ1达1.56,是均值的1.25倍,λ2达1.02,是均值的1.24倍;靠近临潭-宕昌断裂的马家山隧道深孔λ1达1.72,是均值的1.29倍,λ2达1.19,是均值的1.32倍。

(7)新塘关隧道深孔测试深度400 m内λ1仅为0.8,分析原因为岷江峡谷区地应力释放;弓杠岭隧道深孔测试深度600 m内λ1仅为0.9,分析该越岭段为应力释放区;应力释放区易出现围岩松动、渗水等问题。

(8)深孔测试最大水平应力为榴桐寨隧道的26.7 MPa,预计工程区最大埋深1 850 m处应力达50 MPa。

5.3 地应力指标推荐

综上所述,提出本线地应力计算指标(表1),其中:

(1)λ1适用于埋深小于600m,埋深大于1500m取1600～1500m采用线性内插;

(2)λ2适用于埋深小于1000m,埋深大于1500m取1 1000～1500m采用线性内插;

(3)构造区内部采用上述统计指标,断层处应采用实测值,或乘1.25～3的应力集中系数。

6 地应力工程评价

6.1 围岩稳定性

6.1.1 侧压力系数的影响

根据弹性力学理论圆形坑道周边的应力为:

式中λ——侧压力系数;

P—原岩垂直应力;

σr——径向应力;

σθ——环向应力;

τrθ—剪切应力。

可见σθ与λ和θ密切相关。当λ>3时洞壁将出现拉应力,洞顶将出现大于8P的压应力,或λ<1/3洞顶将出现拉应力,洞壁将出现大于2.67P的压应力。据水压致裂法测定岩体的原地抗拉强度多为1～5 MPa。据相关资料因大多数岩体属不连续介质λ大于2时,也可能出现拉应力,隧道易出现张裂破坏[3)。统计沿线拉应力段落如表2所示。

6.1.2 地应力方向的影响

由三维应力摩尔圆,隧道走向与最大水平主应力方向夹角为10°时,与隧道走向垂直的水平正应力将增大2.5%;20°时将增大11%;30°时将增大25%;40°时将增大41%;50°时将增大59%;60°时将增大75%;70°时将增大88%;80°时将增大97%;90°时将增大100%。因此,隧道走向与最大水平主应力方向夹角越小,越有利于隧道围岩稳定。通常情况下,隧道走向与最大水平主应力方向的夹角在0°～30°最为有利,50°以上不利。根据图2所示沿线地应力方向不利地段,如表3所示。

6.2 高地应力

6.2.1 高地应力标准

绝对值标准:一般认为最大主应力达到20 MPa时,岩体就处在高地应力状态,即σH=λ1γH=20MPa,据此根据各构造区平均侧压力系数可推断龙门山构造区埋深超过675 m,岷江构造区埋深超过675 m,西秦岭构造区埋深超过430m即为高地应力区。

强度应力比标准:根据《工程岩体分级标准》(GB50218-1994)规定,4

6.2.2 软岩大变形

软岩大变形是高地应力的产物,是成兰铁路的主要问题,影响软质岩大变形因素众多,但主要是围岩的强度应力比,实践证明,按照《工程岩体分级标准》(GB50218-1994)划分会扩大软岩大变形的范围,而按照绝对应力值划分会漏判,因此合理确定强度应力比的等级是判断软岩大变形的关键,综合国内外典型大变形隧道的强度应力比指标,采用表4给予判断。

围岩强度应力比S可根据下式求得:

式中Rc——岩石饱和单轴抗压强度(MPa);

Kv——岩体完整性系数;

σmax——最大主应力(MPa),取垂直洞轴线方向的最大初始应力。

据此沿线受构造影响严重的断层破碎带及其影响带、千枚岩、板岩等软岩段落发生大变形的可能极大,经计算全线共有30.8 km为易发生大变形段落,占隧道长度的9.2%,其中严重6.8 km,中等15 km,轻微9km。

6.2.3 岩爆

岩爆是高地应力的另一种表现形式,影响因素较多,成因机制复杂,但归纳起来,控制性条件是地应力及高储能体。岩爆大多发生在褶皱构造中,岩爆的预测问题复杂,目前有多种岩爆预测方法。本线选择卢森判据预测,将围岩分级及围岩的切向应力(σθ)与岩石的抗压强度(Rc)之比作为判断有无岩爆及发生岩爆的等级划分原则,如表5所示。洞壁最大切向应力为σθmax=p (3λ-1),可见最大切向应力受控于侧压力系数及初始地应力。

据勘察期间的地质调绘勘探测试及物探成果,在成兰铁路龙门山隧道、平安隧道、洛大隧道等段落分布有砂岩、灰岩、辉绿岩等完整坚硬脆性岩体,抗压强度Rc达80～210MPa。判断Ⅱ～Ⅲ级围岩,受深埋地应力影响,具备岩爆发生的条件。

经计算全线岩爆段落长22.6km,占隧道长度的0.78%,其中强烈段1.8km,中等段15.5km,轻微5.3 km。

7 结束语

通过对成兰铁路三大地质构造单元选取32个深孔及对186个测段地应力资料的统计分析,得出以下结论。

(1)最大水平地应力方向取决于现代构造应力场,与地质历史上的所形成的褶皱和断裂走向之间不存在确定的方向关系。

(2)同一构造带内,应力场相对均匀,具有统一的优势方向和相对稳定的侧压力系数,可作为划分构造单元地应力指标依据。

(3)地应力在断裂带附近、两端及雁行分节点,地应力出现方向扭转及应力集中现象,应力集系数1.25～3.00,最大主应力方向与断层趋于垂直或小角度斜交。

(4)龙门山构造带区域最大水平主应力优势方向为北60°西,岷江构造带为北40°西,西秦岭构造带前段为北45°西、后段为北15°西。

(5)龙门山及岷江构造区普遍存在σH>σv>σh的关系,西秦岭构造区普遍存在σH>σv>σh的关系,显示区域应力场以构造应力场为主,西秦岭构造区活动性更为强烈。

(6)最大水平主应力随深度存在线性增长的规律,增长的速度西秦岭构造区>岷江构造区>龙门山构造区。

(7)第一侧压力系数λ1在600m以内分布较为稳定,同一构造区可视为常量值,1 500 m以下可按静水压力分布考虑,600～1 500 m可线性内插。

(8)第二侧压力系数λ2在1000m以内分布较为稳定,同一构造区可视为常量,1 500 m以后可按静水压力分布考虑,1000～1 500 m可线性内插。

(9)标准深度内龙门山构造区内λ1均值为1.1,λ2均值为0.80;岷江构造区内λ1均值为1.25,λ2均值为0.82;西秦岭第一亚区λ1均值为2.72,λ2均值为1.73;第二亚区λ1均值为1.33,λ2均值为0.90。

(10)深孔测试最大水平应力为26.7 MPa,预计工程区最大埋深1 850 m处应力达50 MPa。

(11)靠近断裂侧压力系数明显增长,证明龙门山后山断裂带、岷江断裂北段、东昆仑断裂带仍处于应力集中阶段,地震风险较高。

(12)全线隧道洞壁产生拉应力段落长29 km,集中在西秦岭构造带的九寨隧道、玉瓦寨隧道及龙门山后段断裂带的茂县隧道。

(13)全线地应力方向与线路走向不利地段长97 km,集中在岷江构造带的平安隧道、新民隧道及西秦岭构造带的九寨隧道、玉瓦寨隧道、岷山隧道、洛大隧道和黄土梁隧道等。

(14)全线软岩大变形段落长30.8 km,岩爆段落长2.6km。

应力分布特征 篇4

无砟轨道路基基床垂向动应力分布规律探讨

通过动车测试试验结合理论计算分析,对CRH2动车组和C80重载货物列车分别以不同的速度通过遂渝铁路无砟轨道综合试验段桩板结构路基过渡段时的路基动应力沿深度分布规律进行了探讨.文中的理论计算思路对无砟路基结构的`计算理论有一定参考作用;但仍需依据大量的现场试验数据及理论计算分析而得到进一步完善.

作 者：黄晶 胡军 王勇军  作者单位：黄晶(西南交通大学,四川成都,610031;中铁四院集团广州设计院有限公司,广东广州,510600)

胡军,王勇军(中铁四院集团广州设计院有限公司,广东广州,510600)

刊 名：四川建筑 英文刊名：SICHUAN ARCHITECTURE 年，卷(期)： 29(3) 分类号：U213.2+44 关键词：无砟轨道   垂向动应力   现场测试   理论计算  

应力分布特征 篇5

关键词：风荷载,输电杆塔,应力分布

风害是引起输电杆塔故障的重要原因之一。由于自然灾害的影响, 输电线路的倒塔次数和基数呈增长趋势[1,2,3]。例如, 1989年8月13日华东电网某500k V镇江段4基杆塔倒塔;1992年和1993年发生2次大风致500k V输电线路倒塔事故;1998年8月22日, 华东电网某500k V线路江都段4基杆塔倒塔;2000年7月21日, 吉林电网10基500k V杆塔因遭受龙卷风、暴雨和冰雹侵袭发生倒塔。因此, 研究风荷载作用下输电杆塔的应力分布特征, 明确风害造成输电杆塔故障的机理, 对于输电杆塔风害的防治具有重要的作用和意义。

1 典型耐张塔的有限元建模

输电铁塔按照在输电线路中的作用不同, 分为直线塔、转角塔、耐张塔和终端塔等。不同塔型的受力特点亦互不相同。相对而言, 转角塔和耐张塔的受力条件相对比较苛刻[4,5]。

虽然在设计阶段, 转角塔和耐张塔的结构强度已经比直线塔有所提高。但是, 实际故障中, 耐张塔和转角塔的故障比例依然较高。因此, 本文主要以耐张塔为例, 分析杆塔在风荷载作用下的应力分布特征, 分析选用杆塔塔型为CJ1-30, 如图1所示。

在设计规程中, 铁塔的强度计算一般将其简化为空间桁架结构, 也有的将铁塔简化为空间梁结构。为了使模型更加接近实际情况, 根据结构中各相邻杆件之间的连接关系, 建立铁塔的空间杆梁混合结构模型。为了便于问题分析, 本文对杆塔附件进行了简化处理:螺栓简化为可以传递弯矩的刚接点, 杆塔基础简化为固定约束点, 如图2所示。

2 杆塔荷载的计算与加载

根据计算需要, 杆塔承受的荷载一般可分解为作用在杆塔上的垂直荷载 (垂直荷载是垂直于地面方向的荷载) 、横向水平荷载 (平行杆塔平面即沿横担方向) 、纵向水平荷载 (垂直杆塔平面即垂直横担方向) 。风载荷属横水平荷载, 主要包括:杆塔塔身风荷载;导线、地线、绝缘子串和金具的风荷载。对于各种载荷的计算模型, 本文均采用《电力工程高压送电线路设计手册》中推荐的计算公式[4,5]。

本文后续分析中对不同荷载采用了不同的加载方式。绝缘子、导线、金具对杆塔的作用 (如风荷载、静张力、动张力、重力等) , 均等效为力加载在杆塔的对应作用点位置, 即导线与杆塔的连接处。杆塔本身荷载 (如重力、风荷载等) 等效施加于杆塔各杆件处:重力施加于各个单元;风荷载按水平方向风对杆塔的风压效果, 简化至主材迎风面的节点上。

3 不同条件下杆塔的应力分布

3.1 无风条件下杆塔其他荷载单独作用

单独施加静垂直荷载 (包括导地线、金具、杆塔等所有附件的总重量) , 确定在无风条件下杆塔的应力分布情况。图3所示为线路覆冰工况下CJ1-30杆塔在静垂直荷载作用下的应力分布。从图3中可知, 仅考虑重力荷载时 (无风条件下) , 杆塔杆件的最大拉应力发生在横担侧面靠近塔身的斜材处。当风速进一步增大时, 该位置将成为杆塔结构首先破坏的危险点。

3.2 风荷载单独作用

为讨论风荷载的作用, 先不考虑静垂直荷载作用, 按垂直线路方向 (线路方向与风方向夹角为90°) 加载5、10、20、30m/s 4种风荷载, CJ1-30杆塔的风荷载响应如图4、5所示。

通过综合对比分析发现, 风荷载单独作用时, 风速与最大应力和最大位移呈现非线性化特征。风速的变化不影响杆塔的应力分布;在设计风速范围内 (小于30m/s) , 不同风速作用时杆塔的应力分布图具有相同的特征, 最大应力点相同。杆塔的最大拉应力与最大压应力水平相当, 均出现在杆塔的主材的坡面过渡位置。当风速进一步增大时, 主材的坡面过渡位置将成为杆塔结构首先破坏的危险点。

3.3 静垂直荷载和风荷载同时作用

当同时考虑静垂直荷载和风荷载作用时, 实际上相当于模拟正常运行条件下导线的风荷载响应情况, 其结果如图6、7所示。

通过分析发现, 不同风速作用时杆塔的应力分布不同, 杆塔的最大应力与风速之间无特征规律。最大应力的出现位置具有如下特征:当风速较小时, 最大应力主要由静垂直荷载决定, 出现位置与单独静垂直荷载作用时相同;当风速较大时, 最大应力由静垂直荷载和风荷载同时作用, 出现位置同时包含单独静垂直荷载作用时对应的位置及风荷载单独作用时对应的位置。杆塔的最大拉应力与最大压应力均出现在杆塔的主材的坡面过渡位置。当风速进一步增大时, 主材的坡面过渡位置将成为杆塔结构首先破坏的危险点。

4 结语

通过分析发现, 当风速较小时, 最大应力主要由静垂直荷载决定, 出现位置为横担侧面靠近塔身的斜材处与单独静垂直荷载作用时相同 (横担侧面靠近塔身的斜材处) ;当风速较大时, 最大应力由静垂直荷载和风荷载同时作用, 出现位置同时包含单独静垂直荷载作用时对应的位置及风荷载单独作用时对应的位置 (杆塔的主材的坡面过渡位置) 。

针对风荷载作用下输电杆塔的应力分布特征, 建议电网运行单位在输电杆塔的年度检修中应重点检查横担侧面靠近塔身的斜材处和主材坡面过渡区域, 检查杆件是否变形, 螺栓是否存现滑移和松动。

参考文献

[1]国家电网公司运维检修部组.输电线路六防工作手册:防风害[M].北京:中国电力出版社, 2015.

[2]胡毅.输电线路运行故障分析与防治[M].北京:中国电力出版社, 2007.

[3]谢强, 张勇, 李杰.华北电网500k V任上5237线飑线风致倒塔事故调查分[J].电网技术, 2006 (10) :59-63.

[4]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册[M].北京:中国电力出版社, 2003.

应力分布特征 篇6

1 工程背景

22105工作面位于寸草塔煤矿22煤一盘区中部, 工作面为一盘区的第十二个回采工作面。22煤层煤厚2.2~3.81m, 平均2.85 m, 倾角1°-3°, 属于中厚煤层, 煤层中普遍存在一至两层 (0~0.1) 泥岩夹矸, 工作面内煤层厚度变化不大。

工作面内煤层老顶为5.0-35.68m的粉砂岩, 直接顶为厚度0.0-9.481m的砂质泥岩, 直接顶稳固性较差, 易发生顶板局部冒落及掉块现象。伪顶为0~0.5m的泥岩, 直接底为0.2-6.95m的砂质泥岩。

2 物理相似模拟实验

2.1 实验设计

物理模型的几何相似比例确定为1∶100, 模型铺装尺寸为3.0×0.2×1.2m (长×宽×高) 。模拟工作面回采时, 从模型左端30cm处开始, 然后依次向右推进, 每次推进10cm, 直至推进至距模型右端30cm处结束。预计共模拟开采240cm, 实际开采230cm。

2.2 主要监测方法

实验运用模拟支架模拟现场支架工作阻力, 采用全站仪、百分表、压力盒三种监测仪器。 (1) 全站仪:布置多排监测点, 在开采一定距离后通过全站仪对每个点进行观测, 记录监测点的位移情况, 从而分析岩层运移的规律; (2) 百分表:在模型顶端每隔30cm安装一个百分表用来测定地表下沉量; (3) 压力盒:在煤层下部从模型左端铺装至模型右端铺装应力片, 监测开采过程中超前支承压力的变化特征, 分析矿压显现规律与超前支承压力的影响范围。

3 周期来压规律及超前应力分布特征

3.1 上覆岩层的矿压显现及周期来压

在顶板初次来压之后, 随着工作面的继续推进, 顶板的来压现象呈一定的规律性, 周期性。顶板初次来压后, 在支架的后方形成一定量的基本顶悬空, 顶板只有一端由煤壁支撑着。这一部分悬空的基本顶在采动影响下, 出现裂隙, 随之整体发生破坏, 在较短的时间内发生垮落, 造成周期来压。因为初次来压过后基本顶的跨度较小, 其垮落对支架产生的危害比初次来压较小, 但是其依然对工作面回采工作造成很大的威胁[6,7]。因此在基本顶初次来压后, 对之后的周期来压进行实时监控是非常有必要的。本次实验从90 cm老顶初次来压, 到开采完毕共发生14次周期来压, 初次来压步距为50cm, 周期来压步距分布在10~40cm范围内, 平均为12~13cm。在模拟开采长度开采结束之后, 模型整体的垮落形成的六条大的裂缝和八条比较小的裂隙, 清楚地反映了周期来压是顶板阶段性垮落的特征, 见图1。来压步距和老顶垮落厚度分布特征图见图2。

3.2 超前应力分布特征分析

模拟综采工作面割煤之后, 在支架上方的垂直应力向煤壁的前方转移, 形成一个超前支承压力的影响区域, 该区域内压力大于原岩自重产生的压力, 在工作面两端产生较大的应力集中。研究超前支承压力的影响分布区域及应力集中系数, 可确定工作面前方超前支护的长度及支护程度, 进一步保障生产安全。

(1) 综合分析传感器的压力峰值点到煤壁距离大部分为10m左右, 只有在240m和370m两个地方为5m超前应力影响范围为80m左右, 显著影响距离为30m, 应力降低区为35~100m范围内, 见图3。部分采空区压力传感器的变化为正值, 主要原因为岩层贯通地表后, 采空区达到充分压实, 传感器重新承受上部压力。工作面正上方会出现应力降低区, 约12m左右, 在此范围内, 垂直向上的直接顶会出现拉应力, 直接顶和老顶将会被拉裂, 该阶段极有可能出现顶板大面积切落现象, 要预防采空区出现切落, 避免压坏支架或造成其他事故。

(2) 每次工作面来压前, 压力呈上升趋势, 来压过后压力逐渐下降, 随后进入到一段稳定期。这是因为工作面支架与顶板接触刚性大, 当顶板断裂时, 由于支架后方采空区的空间较大, 顶煤被运走, 而直接顶的垮落部分不能对采空区形成比较充分的充填, 工作面支架及煤墙作为支点而承受更大的压力。随着工作面的推进, 采空区被有效充填且支架离断裂顶板距离越来越远, 所承受的压力逐渐减小并趋于稳定。

4 结论

(1) 通过物理相似模拟研究表明, 综采工作面在回采过程中顶板的周期来压布局平均为12~13m, 在周期来压过程中, 需要注意工作面支架的承受压力, 避免顶板断裂冲击载荷对支架形成破坏。

(2) 由分析结果可知超前应力影响范围为80m, 显著影响区域为30m。在工作面回采过程中, 在此区域范围内会形成较大的应力集中。

参考文献

[1]张杰, 侯忠杰.榆树湾浅埋煤层保水开采三带发展规律研究[J].湖南科技大学学报, 2006, 21 (4) :10-13.

[2]李刚.大采深综采工作面矿压规律的观测与分析[J].煤炭工程, 2010, 2:86-87.

[3]葛胜文.复杂地质条件下综采工作面矿压显现规律研究[J].煤炭工程, 2007, 1:64-66.

[4]谭云亮, 等.坚硬顶板冒落的离层遥测预报系统研究[J].岩石力学与工程学报, 2006, 25 (8) :1705-1709.

[5]刘加旺, 姚有利.综采工作面回撤通道围岩运动及其矿压显现规律研究[J].煤炭工程, 2009, 9:54-57.

[6]黄庆享, 等.榆树湾首采面保水开采矿压规律[J].陕西煤炭, 2009, 1:37-39.

山体赋存煤层原岩应力分布规律 篇7

我国西南地区煤炭资源储量丰富, 由于受山体起伏的影响, 大部分煤层埋藏深度变化大, 煤层上覆岩层的厚度有很大的差异, 煤层原岩应力对煤层的开采造成很大的影响。通过建立山体煤层原岩应力数学模型, 对原岩应力进行分析和计算, 找出其规律, 以指导矿井井下采、掘巷道的布置, 减少其对巷道影响。

1 山体原岩应力

原岩应力是天然存在于岩体内而与人类活动无关的应力, 包括自重应力、构造应力、地热应力、膨胀应力等, 其中自重应力和构造应力是原岩应力场的主要组成部分。

1.1 山体深部岩体的自重应力

根据山体的地表形态, 假定山体中存在某一标高的水平面把山体分为上下两个部分, 平面之下岩层中的岩体为均匀连续介质半无限平面体, 应用连续介质力学原理计算岩体自重应力, 平面之上的岩体作为外加载荷对平面之下的岩体产生作用力。如图1 (a) 所示, 虚线为假想水平面, 则点A的应力为图1 (b) 和图1 (c) 应力的叠加。A点上部岩体的作用力等效于变载荷函数p (x) 。

1.2 构造应力

构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力。由于构造应力极为复杂, 山脉一旦形成, 其构造应力就基本确定, 处于山体的向斜、背斜、褶曲、断层等不同部位, 构造应力是不同的。在山体的边缘地质构造应力已经得到充分释放。

2 山体原岩应力的数值模拟

本节将采用数值模拟的方法, 以贵州铜龙煤矿实际地质条件为依据, 建立弹塑性模型来模拟山体的原岩应力分布, 分析山体边缘的原岩应力分布规律。

2.1 模拟软件简介

UDEC是一种基于非连续体模拟离散单元法的二维数值计算程序, 主要模拟静载或动载条件下非连续介质的力学行为特征, 是通过离散块体的组合来反映非连续介质的, 节理被当作块体间的边界条件来处理, 允许块体沿节理面运动及回转。单个块体可以表现为刚体也可以表现为可变形体。可变形块体再被细化为有限差分元素网格, 每个元素的力学特性遵循规定的线性或非线性应力-应变规律, 节理的相对运动遵循法向或切向的线性或非线性力-位移运动关系。对于不连续的节理以及完整的块体, UDEC都有丰富的材料特性模型, 从而允许模拟不连续的地质或相近材料的力学行为特征。UDEC是一种基于能够很好模拟块体系统大变形的拉格朗日算法程序。

2.2 计算模型的建立

根据煤矿地表地形图, 在矿井采区作一剖面图, 按剖面图岩层岩性建立平面应变状态计算模型。主要模拟最大埋深小于250 m, 相对高差在100 m左右的山体边缘及孤立山峰的应力分布。

2.2.1 模型尺寸的确定

模型选取煤层的倾向为X轴, 沿铅垂向上方向为Y轴。X轴方向上的总长度为500 m, Y轴方向上的总厚度为250 m, 岩层按贵州铜龙煤矿平均倾角7°设置。以M5煤层为主要研究对象, 下部距模拟边界为0~61.3 m, 煤层厚2.5 m, 上至地表, 厚度随山体地形起伏变化, 如图2所示。

2.2.2 块体的划分

模型模拟分析对象为山体的应力分布情况, 模拟的范围比较大, 根据岩层的层理厚度、岩性确定模型的块度 (宽度×长度, 下同) 为0.4 m×0.5 m, 伪顶为0.64 m×0.5 m, 直接顶为2.5 m×2m, 直接底为3.13 m×5 m, 其它各层块按层厚和岩石强度划分为10~50 m的块体, 各岩层理按层面方向和平行左边界方向划分。

2.2.3 力学参数的选取

材料模型为莫尔-库仑本构模型, 数值模拟中, 岩层和煤层的力学参数如表1、2所示。

2.2.4 边界条件的确定

在选定计算模型范围的基础上, 确定计算模型的边界条件为:上部边界条件为自由边界, 不加载荷;下部边界条件为模型的下部边界, 为岩体, 简化为位移边界条件, 在X方向上可以运动, Y方向上为铰支座;两侧边界条件均为实体煤和岩体, 简化为位移边界条件, 在Y方向上可以运动, X方向上为铰支座。

3 数值模拟结果分析

3.1 山体垂直应力场的分布特征

图3、4分别为山体垂直应力分布和局部山峰的垂直应力分布图。

从图3、4中可以看出: (1) 山体的垂直应力随着深度的增加而增大, 大的趋势是其垂直应力近似与上覆层的容重相等。 (2) 在近地表的区域, 同一水平标高的垂直应力受该处距地表距离影响很大, 随着埋深的增加, 垂直应力受地表影响程度逐渐减小。图3中A点与B点相对应的地表高差在120 m左右, 而在水平标高5和水平标高1上, A、B点所对应的垂直应力差值分别为0.8 MPa和1.6 MPa。C、D点相对应的地表落差55 m, 而在水平标高5和水平标高1上, 二者相对应的垂直应力差分别为0和0.4 MPa。 (3) 不同落差的地表起伏影响垂直应力的范围不同, 起伏落差越大, 在垂直方向上影响越深。从图3中可以看出, A、C点所对应山峰高差不同, 它们对垂直应力在垂直方向上影响深度明显不同。 (4) 在山谷附近存在垂直应力集中现象, 根据山谷与山峰的相对落差不同, 应力集中程度不同。如图3中的F点和图4中山峰下的山脚, 都可以看到不同程度的应力集中。

3.2 山体水平应力场的特征

山体水平应力场如图5、6所示。

从图5、6中可以看出山体水平应力有以下特点: (1) 山体水平应力分布比较复杂, 大的趋势是随着埋深的增加而增大。 (2) 对比山体的垂直应力分布, 山体水平应力与垂直应力没有显著的对应关系。 (3) 山体内存在水平拉应力区, 拉应力区主要分布在山体的山峰内。岩层抗压不抗拉, 在拉应力状态下很容易破坏, 从而发生泥石流和塌方现象。 (4) 山体内的水平应力与其对应地表的位置有密切关系。在山谷下面为水平压应力区, 其水平应力高于同标高山峰下的水平应力, 形成水平应力集中区。

3.3 山体岩体侧压系数数值模拟结果分析

图7中测压系数是在数值模拟的基础上, 相同岩性不同埋深的水平应力σx与垂直应力的σz比值求出的。从中可以看出侧压系数有以下特点: (1) 侧压系数随着埋深的增加而增大。煤层从平均埋深120 m增加到150 m, 侧压系数从0.176增大0.369, 增大1倍多。炭质泥岩的侧压系数也增大将近一倍, 层状砂岩的侧压系数也有所增大。 (2) 埋深越浅, 不同岩性的侧压系数差异越大。从岩性上看, 抗压强度越小, 其侧压系数越小;随着埋深的增大, 侧压数系数趋向一致。

4 结 论

结合山体地形地貌特征, 采用理论与数值模拟的方法分析了山体原岩应力计算方法和分布特点。在山体的近地表区域, 垂直应力受地表起伏的影响变化比较大, 与山体的起伏形态一致, 随着深度的加深, 垂直应力受地表起伏的影响逐渐变小;在山体的边缘和孤立山峰的浅部, 受岩石性质、岩石块度、赋存深度和距边缘距离等因素的影响, 水平应力分布规律极其复杂, 局部岩体的水平应力为拉应力。但随着埋深的增加, 水平应力全部表现为压应力, 而随着埋深的增大而增大;在山体的山谷近地表区域, 原岩应力出现明显应力集中。

摘要：根据我国西南高山地区煤层赋存的具体情况, 研究建立了山体赋存煤层原岩应力分布情况的UDEC数学模型, 并通过对该数学模型的数据进行具体分析和计算, 最终得出了山体赋存煤层原岩应力分布的基本规律, 用以指导解决开采山体赋存煤层矿井设计及生产中遇到的问题, 尽量减小或避免原岩应力对煤层开采的影响。

页岩水化对岩石应力分布的影响 篇8

国内外学者对页岩水化进行了大量的研究，A.H.Hale在研究页岩和水基钻井液时运用了半透膜等效孔隙压力的理论[4,5,6]。国内黄荣樽教授依据热弹性理论建立定量研究泥页岩水化的力学模型。R.F.T.Lomaba考虑化学势差对井壁稳定的影响，在计算中结合了溶质与水的耦合流动[7,8,9]。Ghassemi等考虑温度和化学势对井壁稳定的影响，提出化学-孔隙-热弹性的耦合模型[10]。但是，迄今为止国内外同时考虑到水化和地层各向异性造成的地应力分布不均的模型却很少。

基于泥页岩井壁稳定的化学-力学耦合研究，通过含水量分布计算得到假设地层各向同性条件下均匀分布的水化应力，再考虑地层非均质性导致的地应力分布不均匀性，相互耦合得到最终的应力分布规律。

1 化学-力学耦合模型

1.1 含水量分布计算

钻井液通过水力压差和渗透势差的作用进入井壁，页岩发生水化作用的前提是水进入页岩。含水量的大小对于页岩强度和孔隙压力大小起着重要的作用，通过对于含水量分布计算唯象表征页岩产生的水化应力分布，参照Chenevert的页岩一维吸水试验方案，经处理后得到

1.2 页岩水化膨胀造成的均布应力

模型考虑地应力非均匀性造成的应力分布对井壁应力造成的影响，计算得到假设地应力为各向同性条件下水化作用产生的应力分布，耦合得到同时考虑地应力非均匀性和水化作用的地应力分布。假设地层为各向同性时的水化应力计算如下。

本构方程

井眼周围岩石的平衡方程

上述方程的边界条件为

r=a(井眼半径)时，

σr,s=Pi(井内液注压力);

对径向位移u的求解[11]

常数

根据油田现场大量实验得出

式中，E1=4.0×104,E2=11.0,W1=0.02。

泥岩吸水造成的泥页岩体积膨胀与吸附水量呈二次多项式相关

1.3 地应力分布不均匀造成的应力分布

由水化造成的地应力的非均匀性引起的井壁围岩应力分布参照井壁稳定力学经典公式，按照直井井周应力模型进行计算[12]

水化作用的应力计算假设了地层的各向同性，但是实际地层条件下地应力时非均匀性的，井眼周围围岩的应力分布并不满足轴对称条件。因此，必须对地应力进行补充和修正，从而在模型中考虑到地应力非均匀性这个因素，使模型更加切合地层实际情况，于是引入参数S。

令上式中的σH和σh分别以SH和Sh代替，再对以上各式分别代入数值，便可以进行计算了。其中

水化造成的总的应力分布为吸水膨胀造成的应力分布和地应力不均匀性造成的应力分布的和，即为

2 实例计算

取国内某井数据进行计算。

图1可以看出井壁处含水量最高，且井壁处的含水量一开始就达到饱和状态。从井壁处开始距离井眼轴线距离越远，含水量越低。钻井液入侵深度不超过6 cm，之后含水量变化逐渐趋于平缓。在离井眼轴线距离一定的情况下，含水量随时间的增加而增加。

径向应力随着距井眼轴线距离的增加而减小，这是由于随着距离井眼轴线距离的增加地层含水量逐渐降低。地层的各向异性相对于水化应力或者总应力来说对于径向应力的影响不大。在计算径向应力时应着重考虑水化作用或者其他因素的影响。

切向应力随距井眼轴线距离增加而减小，最后趋于平缓。地层含水量的增加明显增加了岩石的水化作用.切向应力随井周角有明显的变化，井周角90°和270°时切向应力最大，0°和180°的时候最小。水化作用增大了切向应力，但是相比地层的各向异性造成的切向应力分布不均匀来说，水化作用较小。在计算切向应力时要着重考虑地层的各向异性。

垂向应力随距井眼轴线距离的增加而减小，这和含水量的多少有直接关系。且不同的井周角对应不同的垂向应力，井周角90°和270°的时候垂向应力最大，0°和180°的时候垂向应力最小。图中可以看出水化膨胀作用明显增加了垂向应力，地层的各向异性对于垂向应力同样有着重要的影响。在计算垂向应力时地层的非均质性和水化作用都应重点考虑。

3 结论与建议

1)随距井眼轴线距离的增加，页岩含水量逐渐降低，且在同一地层，含水量随着时间的增加而增加，钻井液渗透长度一般不超过6 cm。

2)径向应力、切向应力和垂向应力均随着距井眼轴线距离的增加而减小，之后趋于平缓，含水量和三个应力关系趋于线性相关，但是对于这三个应力来说，含水量对他们的影响是不同的。

3)径向应力的计算中应该着重考虑水化应力，周向应力的计算中应着重考虑地层的非均质性，垂向应力的计算中水化应力和地层的非均质性都应该着重考虑。

4)切向应力和垂向应力均明显的随着井周角变化而变化，这是由于地层的非均质性造成的。而水化作用产生的膨胀应力使相应的应力增长，也增加了地层的不稳定性。

参考文献

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煤岩应力分布式监测系统设计 篇9

煤岩应力是指在地下采掘活动影响下,原有的地应力平衡被打破,并在煤岩空间重新分布后的次生应力。当重新分布的应力超过煤岩体的极限强度时,会使采掘工作面周围的煤岩体发生破坏,进而诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害[1,2]。实时监测采动过程中煤岩应力的动态变化对于研究煤岩动力灾害机理、预防灾害发生及顶板控制具有重要意义。

现有的煤岩 应力监测 包括在线 式和离线 式2种。在线式监测基本采用钻孔应力计、分站与有线传输网络的结构,建设成本高,线缆错综复杂、易被损坏、延伸拓展较困难,尤其在井下工作面经常搬迁、有线传输网络未及时覆盖条件下,在线式监测很难实现快速、及时部署。离线式监测使用自计式仪器,由工人定时到井下采集数据,数据的实时性与连续性较差,后期数据分析与处理滞后,不能及时发现问题。目前,集成智能传感器、嵌入式系统、无线通信等的物联网技术广泛应用于矿山领域,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)作为重要的感知手 段,具有自组 网、部署灵活、功耗低等 特点[3,4,5]。本文基于WSN架构,采用ZigBee网络,以CC2530芯片为核心,设计了一种煤岩应力分布式监测系统,该系统可准确、实时地显示煤岩应力变化,为预测、预防冲击地压等煤岩动力灾害提供重要的数据支持。

1系统硬件设计

煤岩应力分布式监测系统主要由传感节点、路由节点、汇聚节点及上位机组成,如图1所示。传感节点采集钻孔煤岩应力并传送至路由节点,路由节点将数据通过多跳的方式传至汇聚节点,汇聚节点通过工业以太网将数据传送给上位机,通过上位机的人机交互界面读取煤岩应力监测数据。

1.1传感节点

传感节点主要包括应变式应力传感器、信号调理电路、CC2530射频模块、电压转换电路、电池电量监测及状态指示灯,如图2所示。应变式应力传感器将采集的应力信号转换为电压信号,经信号调理电路放大后送至CC2530射频模块,CC2530射频模块将应力数据及电池电量等信息打包发送给路由节点。考虑到功耗问题,采用3个LED指示灯分别表示工作状态、缺电报警及阈值超限报警,方便井下工作人员观察。

传感节点采用容量为5A·h的3.2V磷酸铁锂电池供电,经电压转换电路转换为3.3V电压。 考虑到硬件设计要求电源具有功耗低、稳压、纹波小等特点,电压转换电路采用TPS79433芯片,其输入电压范围2.7~5.5V,输出3.3V电压时的转换效率达80%。

应变式应力传感器采用弹性钢,可承受较大应力。在传感器中间两侧可发生形 变位置粘贴应变片,组成全桥电路,当传感器受力后弹性钢 发生形变,导致两侧的应变片形变,从而全桥电路失去平 衡,输出与应力成正比的电压信号[6]。全桥电路采用2个半桥应 变片,电阻为350 Ω,灵敏系数 为2.0±1%。受生产工艺等因素影响,应变片阻值不可能完全相等,存在少许偏差,使得传感器未受力时全桥电路输出不为零,因此,采用滑动变阻器设置调零电路,通过调节 滑动变阻 器的阻值 使电桥趋 于平衡。

煤岩应力引起的应变片形变较小,使得输出电压为毫伏级(实测为0~4mV),需通过信号调理电路放大至CC2530可采集的0~3.3V。采用具有高精度(最大非线性度40×10-6)、低失调电压(最大失调电压50μV)和低功耗 (最大工作 电流仅1.3mA)等特点的AD620放大器[7],仅需1个外部电阻即可设置增益,增益范围可达1~1 000。

1.2路由节点

路由节点的主要作用是寻找最佳路径将传感节点发来的数据转发给汇聚节点,同时接收汇聚节点发送的上位机指令并转发给传感节点。在网络中添加路由节点可有效扩大网络覆盖范围。另外,路由节点能够自愈ZigBee网络,如果某个无线连接断开,路由节点能自动寻找新的路径来避开断开的网络连接,极大提高了网络的可靠性。

路由节点通常需要一直处于活动状态,必须使用主电源供电,但考虑到突发紧急状况时主电源不能及时供电,因此设计了2种供电方式。路由节点结构如图3所示。隔爆兼本质安全型电源输出电压为12V,电压转换电路采用K78L03-500R2高效率稳压器将12V转换为3.3V,转换效率可达90%。

1.3汇聚节点

汇聚节点负责启动和配置整个ZigBee网络,连接ZigBee网络与工业以太网,实现ZigBee协议和以太网协议之间的转换,同时具有存储、转发能力, 将接收的数据转发至上位机,并将上位机指令通过ZigBee网络发送至路由节点。汇聚节点结构如图4所示。

2系统软件设计

煤岩应力分布式监测系统软件包括嵌入式软件和上位机管理软件2部分。

嵌入式软件包括传感节点、路由节点和汇聚节点程序,实现数据实时采集和定时发送、电池电量监测、协议转换等功能,采用的集成开发环境为IAR Embedded Workbench for MCS,在ZigBee协议栈Z-Stack的基础上进行开发,开发语言为C语言。 汇聚节点程序流程如图5所示。

上位机管理软件功能包括实时显示与存储传感节点发送的应力监测数据、超阈值报警以及历史数据查询。上位机通过UDP Socket通信方式接收汇聚节点发送的数据,根据数据类型分别进行数据包解析,将数据存储到数据库中,并在上位机界面显示。在Visual Studio 2008.NET编程环境中使用C#语言编程,完成上位机管理软件的开发,数据库采用SQL Server 2005。 上位机管 理软件流 程如图6所示。

3系统测试

3.1试验结果

采用MTS液压伺服万能试验机作为应力源, 对应力传感器施加0~20 MPa应力,试验机加压过程采用 计算机编 程控制,设定应力 调整步长 为2 MPa,使应力递增至最大,每调整1步后设置5s的停留时间,记录试验机和上 位机显示的应力,见表1。

由表1可知,上位机显示的应力和试验机的标准应力之间误差较小,平均误差为0.481 3 MPa,表明系统可以准确监测煤岩应力的变化。

MPa

3.2现场测试

在兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿北辅运输巷道壁上的钻孔处安装应变式应力传感器,传感器安装至钻孔底部,周围用泥沙灌注并固定,保证传感器与岩层充分接触。汇聚节点接入井下环网,传感节点与汇聚节点单跳传输。系统上电后,打开上位机软件界面,系统能正常接收煤岩应力数据,如图7所示。经测试,汇聚节点和传感节点间最大通信距离为50m时系统能正常接收数据。

4结语