Величина и направление главных напряжений.

Породные массивы как объекты исследования в геомеханике имеют одну очень существенную особенность по сравнению с объектами, рассматриваемыми в механике вообще или в механике твёрдых деформируемых тел, в частности. До производства работ, т.е. ещё в своём изначальном состоянии они уже находятся в напряжённом состоянии, которое обычно называют естественным или начальным напряжённым состоянием.

Кроме того, ранее уже говорилось, что глубинные разломы и разрывы земной коры являются теми естественными швами, по которым на протяжении всей геологической истории Земли непрерывно происходили тектонические движения. Вполне очевидно, что если есть движения, то должны быть и силы, их вызывающие. Силы, обусловливающие тектонические движения, называют тектоническими.

Исходя из этих положений рассмотрим детальнее напряженное состояние земной коры в целом и верхней ее части, непосредственно являющейся объектом рассмотрения геомеханики.

При этом, в качестве исходного положения примем, что напряженное состояние земной коры в общем случае определяется действием в земной коре двух независимых силовых полей. Одно из них - гравитационное поле - в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона, другое - тектоническое поле - обусловлено неравномерным распределением в пространстве скоростей тектонических движений и скоростей деформаций земной коры, т. е. наличием градиента тектонических движений.

Гравитационное поле согласно закону всемирного тяготения обладает той особенностью, что оно не может быть отделено от материальных тел, его порождающих. Гравитационное поле Земли характеризуется ускорением свободного падения g, которое в общем случае является функцией расстояния r от центра Земли и плотности пород r. Однако в пределах не только верхней части, но и всей толщи земной коры и верхней мантии изменения параметра g столь незначительны, что во многих практических расчетах можно принимать g = 981 см/с² » 1000 см/с².

Тектоническое силовое поле отличается от гравитационного значительно большей сложностью. Оно связано с неравномерными распределениями в пространстве скоростей тектонических движений и деформаций земной коры.

Современные движения земной коры по виду и темпу подразделяют на несколько типов:

1. медленные или вековые движения отдельных участков земной коры, развивающиеся на протяжении, по крайней мере нескольких столетий;

2. сейсмические колебания - толчки различной силы и длительности, особенно интенсивные и частые в орогенических областях, но охватывающие и области платформ;

3. периодические колебания, связанные с гравитационным воздействием окружающих Землю космических тел, прежде всего Луны и Солнца (Лунно-Солнечные приливы);

4. сложные колебания поверхности Земли, связанные с сезонными изменениями метеорологических условий.

Поля тектонических напряжений в настоящее время связывают с первым из указанных типов движений.
Современные медленные движения земной коры имеют вертикальные и горизонтальные составляющие, скорости которых различны и зависят, главным образом, от тектонического типа региона, строения и местоположения участка земной коры.

Данные непосредственных измерений и наблюдений в нашей стране и за рубежом свидетельствуют о приуроченности высоких горизонтальных напряжений к зонам тектонических поднятий земной коры, причём уровень горизонтальных напряжений тем выше, чем выше скорость поднятий.

Поскольку районам поднимающихся блоков литосферы свойственна повышенная сейсмичность, между степенью тектонической напряжённости и сейсмичностью существует тесная связь.

Вместе с тем, длительные поднятия участков земной коры связаны с процессами горообразования на дневной поверхности, поэтому в подавляющем большинстве случаев районы, где фиксируются высокие горизонтальные напряжения, характеризуются гористым рельефом.

Характерными признаками тектонически - напряжённых массивов являются специфические проявления горного давления в подземных выработках, дискование керна и азимутальные искривления стволов буровых скважин, а также аномально высокие величины напряжений по данным прямых натурных определений.

Горизонтальные тектонические силы проявляются не только в породах кристаллического фундамента, но и в осадочных толщах пород, начиная с глубин в несколько километров. Об этом свидетельствуют, в частности, сверхвысокие или аномально высокие пластовые давления, которые присущи нефтяным и газовым месторождениям, приуроченным к подвижным неотектонически активным зонам на суше и на шельфах морей во всем мире.

Таким образом, к настоящему времени установлены некоторые закономерности в распределении тектонических сил:

1. горизонтальные напряжения приурочены к районам восходящих движений блоков земной коры;

2. региональные поля напряжений соответствуют общим структурам месторождений;

3. наиболее высокие значения горизонтальных напряжений отмечаются у границ блоков вблизи геологических нарушений, в самих зонах геологических нарушений горизонтальные напряжения имеют сравнительно невысокие значения;

4. в элементах гористого рельефа высокие значения горизонтальных напряжений наблюдаются ниже дна долин; выше местных базисов эрозии, ближе к вершинам гор горизонтальные напряжения минимальны по величине; количественные различия достигают 3-5 раз;

5. горизонтальные напряжения выше в более упругих и монолитных породах; при увеличении модуля упругости от 2.10⁴ до 8.10⁴ МПа и скоростей продольных волн от 2.10³ до 7.10³ м/с тектонические напряжения увеличиваются от 10 до 60 МПа.

Вообще говоря, кроме этих двух полей в земной коре действуют ещё много других факторов, которые вносят свой вклад в формирование общего поля напряжений. К ним относятся условия генезиса массива, температурные поля, физические свойства горных пород, рельеф земной поверхности, действие подземных и наземных вод и газов, космические факторы. Однако все эти факторы можно рассматривать как искажающие основное гравитационно-тектоническое поле напряжений, хотя суммарный их вклад может быть очень велик и намного превосходить гравитационно-тектонические параметры поля напряжений.

Для решения задач геомеханики, учитывая проявление в одних случаях только гравитационных, а в других - как гравитационных, так и тектонических сил, удобно присваивать индексы 1, 2 и 3 в матрице тензора таким образом, чтобы главное напряжение в вертикальном направлении обозначалось s₃, наибольшее по модулю главное горизонтальное напряжение (в случае действия тектонических сил) - s₁, другое главное горизонтальное напряжение - s₂. Направления действия главных нормальных напряжений называют главными осями напряжений.

Таким образом, главное напряжение в вертикальной плоскости s₃ всегда определяется весом пород вышележащей толщи и в случае различных плотностей (объемных весов) покрывающих пород имеет вид:

s₃ = Sg_i h_i

где g_i - объемный вес i-го слоя пород; h_i - мощность i-го слоя; Н - глубина рассматриваемой точки от дневной поверхности.

Если напряженное состояние массива пород определяется только действием гравитационных сил, то каждый элементарный объем под действием вертикального гравитационного напряжения s₃ будет испытывать деформации сжатия в вертикальном (по оси Оz) и деформации растяжения в горизонтальных направлениях (по осям Ох и Оу). Однако последним препятствует реакция окружающих пород, в результате чего возникают горизонтальные сжимающие напряжения s₁ и s₂, численно равные
n
s₁ = s₂ = xgH =--------- gH

1- n

Здесь коэффициент x называется коэффициентом бокового давления или коэффициентом бокового отпора.. Этот коэффициент показывает, какую часть вертикальной нагрузки, действующей в рассматриваемой точке массива, составляют силы или напряжения, действующие в горизонтальной плоскости.

Главное напряжение s₃, обусловленное действием гравитационных сил, может в отдельных случаях отклоняться от вертикали вследствие наклонного залегания отдельных слоев пород, их складчатости и различной мощности, а также при сложном рельефе поверхности или наличии пустот в недрах. Отклонения эти обычно не превышают нескольких градусов, в редких случаях достигая 10 - 15°.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: