岩体侵位机制对矽卡岩型矿床的制约_以邯邢地区矽卡岩铁矿为例

岩体侵位机制对矽卡岩型矿床的制约_以邯邢地区矽卡岩铁矿为例 2011 年 7 月J ul . 2011 ( )J o ur nal of C nhgπaan U nive srit y Na urtal Science E nd itio ( ) 文章编号 :167128879 20110420068205 岩体扰动深度估算的应力场 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 1 ,2 2 3 1晏长根,林 峰,伍法权,杨晓华 (1 . 长安大学 公路学院 ,陕西 西安 710064 ; 2 . 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家 ) 重点实验室 ,四川 成都 610059 ; 3 . 中国科学院 工程地质重点实验室 ,北京 100029摘 要 :针对开挖导致岩体应力场改变 、扰动深度估算这一岩体力学的难题 ,从岩体应力场的变化 出发 ,结合岩体结构面力学特点 ,推导出岩体卸荷破坏导致岩体破坏的判别 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ,为岩体强开挖扰 动带深度的确定推导出理论估算公式 。以小湾坝基岩体开挖为例 ,结合判别公式和数值分析结果 , 对坝基岩体的强开挖扰动带 、弱开挖扰动带及应力调整带进行了分析 。结果表明 ,在坝基底部 ,强开挖扰动带深度为 3,5 m ,弱开挖扰动带深度为 4,10 m ,应力调整带深度为 10,25 m ,其结果与 现场钻孔电视探测结果基本吻合 。 关键词 :岩土工程 ;应力场 ;开挖扰动带 ;应力调整带 ;小湾坝基 中图分类号 : O 319 . 56文献标志码 : A Eval uat ing rock ma sses excavat ion disturbed zone wit h met hod of stress redistribut ion 1 2 3 1YA N Cha ng2ge n, L IN Fe ng, WU Fa2qua n, YA N G Xiao2h ua (1 . School of Highway , Cha ngπan U niver sit y , Xiπa n 710064 , Shaa nxi , China ; 2 . State Key L abo rato r y of Geo haza r d Preventio n and Geoenviro nment Pro tectio n , Chengdu U niver sit y of Technolo gy , Chengdu 610059 , Sichuan , China ; 3 . Key L a bo rato r y of Engi neering )Geolo gy , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100029 , China Abstract : The st re ss will be re di st ri but e d i n t he roc k ma ss af t e r e xca vatio n , a nd t he defo r matio n of rock ma ss will be p ro duce d to bala nce t he st re ss a dj u st me nt , t he n t he mec ha nic s p rop e rtie s of t he roc k ma ss nea r to t he e xcavatio n surf ace will be det e rio rat e d great l y. The fo r mula fo r eval u2 ati ng t he e xcavatio n di st ur bed zo ne i s de rived wit h t he met ho d of roc k st re ss re di st ri butio n a nd co mbi ned t he c ha ract e ri stic s of t he st r uct ural surf ace of roc k ma sse s. Ta ki ng Xiao wa n da m ba se e xcavatio n a s a n e xa mp le , t he heavy e xcavatio n di st ur be d zo ne a nd t he wea k e xcavatio n di st ur be d zo ne a re calc ulat ed co mbi ned wit h t he eval uati ng fo r mula a nd numerical si mulatio n . The numer2 ical a nal ysi s re sult s sho w t hat t he hea vy e xcavatio n di st ur be d zo ne i s a bo ut 3,5 m , t he wea ke n e xcavatio n di st ur be d zo ne i s a bo ut 4,10 m , a nd t he st re ss rea dj u st e d zo ne i s a bo ut 10 , 25 m. The eval uati ng re sult s a re ver y clo se to t he det ectio n o ne s. 1 t a b , 4 fi gs , 19 ref s. Key words : geo t ec h nical e ngi neeri ng ; st re ss fiel d ; e xcavatio n di st ur bed zo ne ; st re ss rea dj u st e d 收稿日期 :2010208210 ( ) 基金项目 :地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金项目 S KL GP2010 K016 ; 中央高校基本科研业务费专项资金项目 ( )C HD2009J C007 ( ) 作者简介 :晏长根 19752,男 ,江西萍乡人 ,副教授 ,工学博士 ,博士后 , E2mail : ya ncha nggen @163 . co m 。 0 引言 式 :一是剪切破坏 ;二是拉剪破坏 。下面就这 2 种情 1982 年以来 ,加拿大原子能研究有限公司地况分别进行计算推导 。 应力状态改变对于岩体卸自 下空间研究实验室就对类似竖井开挖的位移 、应力 荷起到关键的作用 , 和微振动等响应特性进行了一系列的研究 ,并对埋 而扰动深度在岩体中起决定作用的是相对软弱的裂 深分别为 240 m 和 420 m 的洞室开挖响应特性进隙 。也就是说 ,存在中缓倾角裂隙的情况下破坏总 行了详细的测试研究 ,取得了包括开挖损伤和热2力 是沿着缓倾角裂隙产生一定程度的破坏 ,因此只需 [ 1 ] 相互作用关系的很多成果。在坝基和边坡开挖方 计算出岩体的应力改变的深度就足可让中缓倾角裂 面的研究是随着中国大型水电站的兴起和矿产开采 隙破坏 ,就可大致估计出岩体弱扰动的最大深度 。 而开始的 ,具代表性的有金川矿的开采和三峡大坝 1 . 1 剪切破坏 [ 224 ] 的修建。在金川矿的开采研究中 ,许多专家从工 依据莫尔2库仑准则 ,结构面破坏的条件为 (υ) σ程地质力学 、开挖形状等对矿山边坡稳定性的影响 ( )τ ?t a n + c1 j p p j τυσ做了详细研究 ;三峡大坝的兴建吸引了中国大批学 式中 :j 、j 分别为结构面上的剪应力和正应力 ;p 、 者对岩质边坡开挖损伤特点等方面开展研究 ,例如 :cp 分别为结构面的峰值摩擦角和峰值内聚力 。 哈秋舲第一次提出“卸荷岩体力学”的概念 ;刘国霖 、 ( ) τσ将式 1中结构面上的、用单元体上的应力 j j 来李建林等结合三峡船闸开挖卸荷对岩体卸荷特性和 ( ( ) ) 表示 下页图 1 a, 假定结构面与 X 轴的夹角为 力学机制进行了较详尽的分析 ; 应该说大家已经清 α( ( ) ) ( ) , 依 据 力 的 平 衡 下 页 图 1 b, 假 定 图 1 b中楚地意识到开挖卸荷与一般的加载条件下岩体力学 A B C 的面积为 S , 则可得 2 2 性 能 的 差 异 , 并 对 差 异 的 原 因 做 了 较 详 细 的 分σσ(α) σ(α) τ(α) S - S si n- S co s+S si n 〃j X Y X Y [ 5215 ] 析。坝基岩体卸荷后沿卸荷方向出现强烈的扩 (α) τ(α) (α) ( )co s + S si n co s = 0 2 X Y 容 ,其破坏以拉张破裂为主 ,并存有张剪性或剪性破 τσ(α) (α) σ(α) (α)S - S si n co s +S co s si n j X Y - 2 2 坏 ,伴随着大量的卸荷裂隙 ,使岩体的力学 、水力学 τ(α) τ(α) S si n+S co s= 0( )X Y X Y 3 [ 16218 ] 特性明显 劣化。但 开挖 对 坝基 岩体 影 响 的 深 ( ) ( ) 将式 2、式 3简化为 度总是有限的 ,故估算岩体开挖扰动的深度对科学 、 σσσ σ +Y- YXX( α) τ( α)σ( ) co s 2- si n 2 4 = + X Y j2 2 合理地确定岩体 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 和治理深度十分重要 。为此 , σσ X - Y 本文在推导岩体破坏公式的基础上 ,提出相对简单 ( α) τ( α) τ si n 2+co s 2 ( ) 5 = X Y j2 实用的方法 ,以供参考 。 ( ) ( ) ( ) 将式 4、式 5代入式 1中 , 则有 σσ1 σ 岩体扰动深度的计算原理σ- Y +Y XX ( α)τ( α) (si n 2+ co s 2 ?+ X Y 2 2 岩体扰动影响深度主要依据声波测试 、钻孔电 σσ - YX视和监测等资料 ,而对开挖扰动影响深度的理论计 τ( α) ) (υ) ( α) co s 2 - X Y si n 2t a n p + Cp2 算和预测尚没有具体的方法 。本文试图对坝基岩体 ( ) 6扰动影响深度提出理论预测的计算公式 ,并结合声 αστσ式中 :为中缓结构面的倾角; 、、见下页图 1 X Y X Y 所波测试 、钻孔电视和监测资料对坝基开挖岩体进行 示 。 分带 。陈德基等依据波速将岩体卸荷分为 3 个带 : ( ) 如果式 6中等号左边大于右边 , 也就是说式 强卸荷带 、弱卸荷带和应力调整带 ,本文也采用类似 [ 7 ] 的方法 ,分为强扰动带 、弱扰动带和应力调整带。 ( ) 6成立 , 则岩体在该处的结构面遭到破坏 , 产生扰 当工程研究区域没有大型的断层和软弱带时 , 局部动破坏 。 范围的节理对总体的应力分布作用较小 ,甚至 可以( ) σσ 可将式 6改为最大主应力和最小主应力1 3忽略 ,考虑到这一特点 ,本文在总体应力场分布 时 ,α表示的方程 。由于结构面与 X 轴的夹角是, 则最大 除了大型断层 ,一般岩体作为均质体对待 ; 在判 断β主应力平面与 X 轴的夹角可通过下式给出 局部破坏时 ,则结合现场的节理统计结果进行分 τ2 - X Y1 β ( )7 = a rct a n σ - σX 2 Y ( ) 值可以通过数值分析得到 。则式 10变为 σ σ- 13 ( (α β) ) si n 2 - - ?2 σσ σσ +3- 113 ( (α β) )- co s 2 - - 〃 2 2 (υ) ( )t a n + c 11 p p ( ) 如果式 11等号的左边大于右边 , 则岩体在该 ( ) 点处的结构面扰动破坏 。利用式 11可以估算开挖 瞬间岩体的扰动破坏深度 。 1 . 2 拉剪破坏 σ当结构面法向应力较小时 , 随着剪应力的增 n 加 , 主应力轴发生偏转 , 由剪应力引起的最小主应力 σ首先达到结构面的抗拉强度而发生拉剪破坏 , 此 3 时可用 L ajt ai 提出的公式进行预测 1 2τ ( )σ(σσ) 12 j= [+] t t j σ式中 :为结构面的抗拉强度 , 可以用结构面的内聚t τ力 c代入 ;为沿着剪切方向的抗剪强度 。 p j ( ) ( ) ( ) 将式 8、式 9代入式 12中 , 可得 σ σ- 13 ( (α β) ) si n 2 - - ?2 σσ σ σ- + 33 1 1 ( (α β) )( +co s 2 - - ccp p - 2 2 ( )13 同理 , 将最小主应力变为开挖卸荷后的最小主 图 1 结构面上一点的应力 应力 , 则有 故结构面上的法向应力和切向应力用主应力表 σ σ- 13 ( (α β) ) si n 2 - - ?2 示为 σσσσ +3- 311 σσ σ σ - 3 1 + 31( (α β) )( co s 2 - - cc+p p - (α β) )σ( ( ) - co s 2 - 8 = - j2 2 2 2 ( ) 14 σ σ- 1 3 τ( (α β) )( ) si n 2 - - 9 = j( ) ( ) 通过式 11或式 14, 就可以判断该点处是否 开挖2 扰动破坏 , 查询该点的空间信息 , 就可以确定扰 σσ - 13 ( (α β) ) si n 2 - - ? 动破坏的深度 。2 对于天然岩体卸荷来说 , 可以通过模拟河谷演 σσσ σ +3- 113 ( (α β) )co s 2 - - - 〃 ( )化过程 , 得到岩体演化后的应力场 , 再通过式 11 2 2 ( ) 或式 14预测岩体的弱扰动带最大深度 。需要说明(υ) ( )t a n + c10 p p 的是 , 对于天然卸荷来说 , 由于存在卸荷加剧岩体裂 考虑开挖的影响 , 也就是说某一点的应力将会 隙的发育 , 而在水流等因素的作用下往往会加速岩 随着开挖而变化 , 此时应力中的最大 、最小主应力将 体结构面的风化 , 从而使岩体卸荷由表及里缓慢加会改变 。对于坝基来说 , 考虑岩体应力调整的时效作 深 。故一般天然边坡的扰动带最大深度往往很大 , 这 用 , 开挖瞬间 , 垂直坡面的应力由于卸荷回弹 , 可以 除了与应力场改变有关外 , 还与时间作用下岩体力 认为瞬间完成调整 ; 对于坡体表面的力来说 , 立即变 [ 16 ] 学性能的劣化有关 。为 0 或者接近 0。平行坡面的最大主应力由于调 ( ) ( ) 利用式 11、式 14, 通过平面数值模拟 , 得到 整时间较长 , 认为开挖后瞬间不变 , 出现应力差迅速 小湾坝基开挖前后的应力场 , 通过分析每个坝段中 ( ) ( σ增加 , 故式 10中最小主应力改变为开挖后的 3 线上局部的应力场 , 根据实测坝段的缓倾结构面的 ) 最小主应力, 而最大主应力不变 。具体的应力大小 电视观测到的强扰动带深度要大 。数值模拟时边坡 表面构造应力较小 , 没有考虑构造应力的影响 , 预测 结果在坝基底部预测的结果相对偏小 , 原因是坝基 底部往往构造应力比较集中 。预测值与后面的监测 2 坝底 953 m 处由于开挖导致的岩体应力变化 图 结果总体上较为一致 , 说明理论预测计算公式具有 隙的拉张或者新裂隙的产生 ,从而产生明显的卸荷 较好的实际工程意义 。 回弹和卸荷裂隙 。从图 2 也可以看出 ,应力的影响 表 1 理论预测的各坝段弱扰动带深度深度大致为负指数分布形式 ,也就是说 ,随着深度的 / / / / 深度 深度 深度 深度 坝段 坝段 坝段 坝段 增加 ,应力前后差的 比 值迅 速减 少 , 卸荷 裂 隙也 迅 m m m m 编号 编号 编号 编号 速减少 。 L 43 15 . 60 L 32 11 . 44 R1 16 . 40 R12 5 . 20 扰动偏应力系数 k 显示坝底处强扰动带的深度 L 42 15 . 30 L 31 11 . 05 R2 15 . 30 R13 5 . 46 为 3,5 m ,弱扰动深度为 4,10 m ,应力影响深度 L 41 14 . 80 L 30 10 . 14 R3 14 . 70 R14 5 . 46 L 40 13 . 20 L 29 9 . 23 R4 13 . 20 R15 5 . 46 为 10,25 m 。这一结果与钻孔电视统计结果及测 [ 19 ] L 39 10 . 80 L 28 9 . 10 R5 12 . 30 R16 5 . 46 微计的监测结果很接近 ,如图 3 、图 4 所示。 L 38 9 . 90 L 27 7 . 54 R6 10 . 50 R17 5 . 85 L 37 8 . 06 L 26 5 . 67 R7 9 . 80 R18 5 . 59 L 36 10 . 01 L 25 4 . 79 R8 7 . 42 R19 5 . 46 L 35 10 . 14 L 24 5 . 25 R9 6 . 43 R20 4 . 42 L 34 10 . 53 L 23 4 . 10 R10 4 . 16 R21 4 . 55 L 33 11 . 31 R11 5 . 07 R22 5 . 00 2 应力调整底界分析 ( ) ( )扰动带影响深度公式通过式 11或式 14 可 图 3 钻孔电视统计裂隙结果 以得出 , 那么对于扰动应力调整带的底界来说 , 也可 以通过数值模拟的方式得出 。一般来说 , 对于同样的 岩体 , 岩体应力中起主要作用的是最大 、最小主应力 差值 , 也就是偏应力的大小 , 当偏应力值增大时 , 表 示岩体趋向破坏 。 定义开挖前后岩体偏应力差值 的比值为扰动偏 应力系数 k , 计算式为 σσ- 1 3 ( )= 15 k ( ) 图 4 测微计位移深度 时间曲线 σσ - 31 σσ式中 :1 、3 分别为开挖后的最大 、最小主应力 。 3 结语 当扰动偏应力系数 k 大于 1 时 , 表示该点岩体 () 1岩体开挖扰动影响深度是一个十分复杂的 应力受卸荷的影响 ; 数值越大 , 受卸荷影响越强烈 。 问题 ,受岩石 、结构面 、岩体经受的应力历史 、应力 图 2 是坝底 953 m 高程处开挖后岩体偏应力和 场 、水等环境 、开挖几何形状及开挖方式等多方面的 开挖前岩体偏应 力 的比 值 , 即 k 随深 度 的变 化图 。 因素影响 ,但最终表现在应力改变上 。从图 2 可以看出 ,影响范围最大的是 946,953 m 高 () 2影响开挖扰动深度的本质因素是应力的改 程 ,尤其是在 950 m 以上 ; 在 928 m 高程以下 , k 值 变 ,尤其是偏应力的改变 ,而岩体结构面的存在则是 基本上没有影响 。 扰动破坏的主要外因 。 应力场的影响深度与裂隙产生拉张的深度是成 () 3使用本文推导的剪切破坏及拉剪破坏公式 正相关的 ,当应力场的影响比较剧烈时 ,就表现为裂 ma ss mecha nics fo r joint rock ma ss [ J ] . J o ur nal of 能比较合理地确定岩体开挖扰动的破坏深度 ; 利用 China Three Go r ge s U niver sit y : Nat ural Science , 扰动偏应力系数可以较好地估算岩体扰动深度和应 () 2002 ,24 3:1932197 . 力调整深度 ,这为开挖扰动提供了一种简便的方法 。 张有天 , 周 维 垣 . 岩 石 高 边 坡 的 变 形 与 稳 定 [ M ] . 北 [ 10 ] 参考文献 : 京 :中国水利水电出版社 ,1999 . [ 11 ] 董学晟 ,田 野 ,邬爱清 . 水工岩石力学 [ M ] . 北京 :中 Ref erences : 国水利水电出版社 ,2004 . [ 1 ] Read R S. 20 year s of excavatio n respo nse st udie s at 董学晟 ,夏熙伦 . 三峡工程船闸高边坡历年岩体力学 [ 12 ] A ECLπs under gro und re sea rch la bo rato r y[J ] . Inter na2 试验成 果 综 合 分 析 [ J ] . 长 江 科 学 院 院 报 , 1999 , 16 tio nal J o ur nal of Rock Mecha nics & Mining Science s , () 3:29233 . () 2004 ,41 8:125121275 . DON G Xue2sheng , XIA Xi2l un. A co mp rehensive a2 王思 敬 . 坝 基 岩 体 稳 定 分 析 [ M ] . 北 京 : 科 学 出 版 [ 2 ] nalysi s of rock mechanic s test re sult s o n high rock 社 ,1988 . slope of T GPπs lock [J ] . J o ur nal of Ya ngtze River Sci2 徐嘉谟 . 金川矿山边坡岩体工程地质力学 [ M ] . 北京 ,[ 3 ] () entific Re serch Instit ute ,1999 ,16 3:29233 . 地震出版社 ,1998 .[ 13 ] 董学晟 ,夏熙伦 . 三峡工程船闸高边坡岩体力学试验 中国 科 学 院 地 质 研 究 所 . 岩 体 工 程 地 质 力 学 问 题[ 4 ] ( ) 研究的历史回顾 [ J ] . 长江科学院院报 , 1999 , 16 2:() 六:金川露天矿工程地质专辑 [ M ] . 北京 ,科学出版 26230 . 社 ,1985 . DON G Xue2cheng , XIA Xi2l un. A review o n re sea rch [ 5 ] 哈秋舲 ,刘国霖 . 岩石边坡卸荷工程地质研究 [ M ] . 北 of rock mechanic s of high rock slop e fo r T GPπs p er2 京 :中国建筑工业出版社 ,1996 . manent lock [ J ] . J o ur nal of Ya ngtze River Scientific 哈秋舲 . 三峡工程永久船闸陡高边坡各向异性卸荷岩 [ 6 ] () Re serch Instit ute ,1999 ,16 2:26230 . ( ) 体力学研究 [ J ] . 岩石力学与工程学报 , 2001 , 20 5: [ 14 ] 董学晟 . 工程岩体分级 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的研究 [ J ] . 长江科学院院 6032618 . () 报 ,1992 ,9 4:26230 .HA Qiu2li ng. St udy o n t he ani so t ropic unloading rock DON G Xue2sheng. The sta nda r d fo r engineering cla s2 ma ss mecha nics fo r t he steep2high rock slop e of t he sificatio n of rock ma ss [ J ] . J o ur nal of Ya ngtze River Three Go r ge s p roject p er manent ship2lock s [ J ] . Chi2 () Scientific Reserch Instit ute ,1999 ,16 2:26230 . ne se J o ur nal of Rock Mechanic s a nd Engineeri ng , [ 15 ] 李建林 . 卸荷岩体力学 [ M ] . 北京 :中国水利水电出版 () 2001 ,20 5:6032618 . 社 ,2003 .陈德基 ,王军怀 ,余永志 ,等 . 三峡永久船闸高边坡稳 [ 7 ] [ 16 ] 刘 彤 . 小湾电站坝基 岩体卸荷工 程 地 质 力 学 研 究 ( ) 定性几个问 题的分析 [ J ] . 人民 长江 , 2002 , 33 6: 52 [ D ] . 北 京 : 中 国 科 学 院 地 质 与 地 球 物 理 研 究 7 ,13 . 所 ,2006 . C H EN De2ji , WA N G J un2huai , YU Yo ng2zhi , et al . [ 17 ] 周 小 平 . 节 理 裂 隙 岩 体 卸 荷 本 构 理 论 研 究 及 应 用Sta bilit y a nalysi s o n t he high slope of t he Three Go r2 [ D ] . 重庆 :重庆建筑大学 ,2000 .ge s p roject p er ma nent ship2locks [ J ] . Ya ngtze River , [ 18 ] 晏长根 ,伍法权 ,祁生文 ,等 . 随机节理岩体变形及强 () 2002 ,33 6:527 ,13 . 度参数及其尺寸效应的数值模拟研究 [ J ] . 岩土工程 [ 8 ] 孙 钧 ,凌建明 . 三峡船闸高边坡岩体的细观损伤及 () 学报 ,2009 ,31 6:8792885 .长期稳定性研究 [ J ] . 岩石力学与工程学报 , 1997 , 16 YA N Chang2gen , WU Fa2quan , Q I Sheng2wen , et al . () 1:127 . Defo r matio n and st rengt h pa rameter s and size eff ect SU N J un , L IN G J ia n2ming. O n me so damage behav2 of ra ndo m jointed rock ma ss by numerical simulatio n io ur a nd lo ng2t er m sta bilit y of high slop e rock of t he [ J ] . Chine se J o ur nal of Geo technical Engineering , Three Go r ge s ship2locks [ J ] . Chinese J o ur nal of Rock () 2009 ,31 6:8792885 . () Mecha nic s and Engineering ,1997 ,16 1:127 . 国家电力公司昆明勘察 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究院 . 小湾坝基 21 ,[ 19 ] 刘国霖 . 节理岩体的卸荷岩体力学理论要点 [ J ] . 三峡 [ 9 ] 27 坝段物探孔孔内钻孔电视成果 [ R ] . 昆明 : 国家电 () 大学学报 :自然科学版 ,2002 ,24 3:1932197 .力公司昆明勘察设计研究院 ,2005 . L IU Guo2lin. Theo retical e ssential s of unloading rock