Ứng suất trong đá, Ứng suất, biến dạng và thuyết đàn hồi

Ứng suất, biến dạng và thuyết đàn hồi Các phương pháp xác định ứng suất trong đá Dự đoán trạng thái ứng suất tự nhiên dựa vào thuyết đàn hồi Ứng suất pháp ứng suất tiếp Ứng suất tại một điểm Quy tắc dấu trong Địa cơ học Biến dạng đàn hồi

Ứng suất đá (in-situ stress) Nội dung    Ứng suất, biến dạng thuyết đàn hồi Các phương pháp xác định ứng suất đá Dự đoán trạng thái ứng suất tự nhiên dựa vào thuyết đàn hồi Trọng lượng (N): 40,000  Diện tích bàn chân (cm2): 400  450 Ứng suất điểm Force Stress  Area  F Đơn vị: Pascal, Pa Fn  n  lim A0 A Fn Ft Ft   lim A0 A Area A Ứng suất pháp & ứng suất tiếp (normal stress & shear stress) Ứng suất pháp,  Tác dụng vng góc bề mặt Ứng suất tiếp,  Tác dụng song song bề mặt Quy tắc dấu Địa học  Ứng suất vuông góc: (+) Nén (compression) (-) Kéo (tension)  Ứng suất cắt: (+) Ngược chiều kim đồng hồ (counter-clockwise) (-) Cùng chiều kim đồng hồ (clockwise)  xy Phương tác dụng Bề mặt tác dụng (được định nghĩa trục chuẩn (reference axis) vng góc với mặt phẳng)  xx  xy  σ   yx  yy   zx  zy    xz    yz   zz  Cân lực môment:  xx  xy  xz    σ  yy  yz    zz  independent components Ứng suất 1      xx  xy  xz  σ    yy  yz    zz   0  σ      0   1: ứng suất lớn (major principal stress) 2: ứng suất trung gian (intermediate principal stress) 3: ứng suất nhỏ (minor principal stress) Nguyên nhân gây ứng suất ngang lớn Hiện tượng bào mòn/xói mòn (erosion)  Hoạt động kiến tạo (tectonic activity)  Tính dị hướng đá (rock anisotropy)  Bề mặt gián đoạn (discontinuities)  Xác định ứng suất đá trường (field measurement of rock stress) Thí nghiệm kích phẳng (flatjack test)  Thí nghiệm nứt thủy lực (hydraulic fracturing)  Khoảng cách chốt (pin separation) “áp lực khử” (cancellatio n pressure) Thời gian Áp lực kích (jack pressure)   pc Thí nghiệm kích phẳng (flatjack method) Xác định ứng suất tường hố đào  ứng suất bị xáo trộn, ứng suất tự nhiên  Xác định thành phần ứng suất pháp   xx  xy  xz      yy yz     zz  Ví dụ ứng dụng Các FJ đặt (roof, R) & tường (side wall , W) hố đào ngầm hình trụ tròn  Ứng suất ngang & đứng đá trước có hố đào h & v  Bán kính hố đào (radius) lớn nhiều so với bề rộng kích   h    ,W    , R 8  v    ,W    , R 8 ,W & ,R: Ứng suất tiếp tuyến (tangential stresses) tường (song song với mặt hố đào) Ví dụ 2.10 Có hai flatjacks diện tích 77,4 cm2 đặt tường mái buồng thí nghiệm hình trụ tròn đường kính 2,4 m - FJ1 nằm ngang đặt tường - FJ2 nằm thẳng đứng có cạnh song song với trục buồng -“Áp lực khử” đo 17,24 & 6,21 MPa tương ứng với FJ1 & FJ2 Hãy ước lượng initial stresses (v & h) Thí nghiệm phá vỡ thủy lực (hydraulic fracturing - hydrofrac) Thực sâu hố khoan  Giả thiết:  ◦ Ứng suất song song & vng góc trục hố khoan ◦ thành phần ứng suất ước tính từ v  Xác định thành phần ứng suất  0          Áp lực phá vỡ (break-down pressure) p pc1 pc2 ps p0 Áp lực đóng (shut-in pressure) t Thay đổi áp lực theo thời gian sau bắt đầu bơm nước Hydrofrac – lời giải Kirsch  Giả thiết: ◦ Nước thấm vào lỗ rỗng đá có khơng ảnh hưởng đến ứng suất quanh hố khoan ◦ Đá xung quanh hố khoan đồng nhất, đàn hồi đẳng hướng Plan view p A’  A  h ,max  h ,min  ps Ứng suất tiếp thành HK A & A’: Điều kiện gây phá vỡ: Cường độ kháng kéo đá:    3 h,min   h,max 3 h ,min   h ,max  pc1  T0 T0  pc1  pc Ví dụ 2.11 Thí nghiệm hydrofrac thẳng đứng tiến hành hố khoan độ sâu 914,4 m Giả sử đất bão hòa nước kể từ mặt đất áp lực nước đất thủy tĩnh Áp lực nước nâng lên 4,9 MPa so với áp lực nước đất chưa thí nghiệm khơng thể tăng lên Sau dừng bơm, áp lực nước giảm đến giá trị cao áp lực nước đất chưa thí nghiệm 0,76 MPa Sau ngày, áp lực lại tăng lên không 0,69 MPa so với áp lực trước (áp lực đóng) Hãy ước lượng ứng suất ngang, cường độ chịu kéo đá ứng suất theo phương thẳng đứng vị trí thí nghiệm ...Nội dung    Ứng suất, biến dạng thuyết đàn hồi Các phương pháp xác định ứng suất đá Dự đoán trạng thái ứng suất tự nhiên dựa vào thuyết đàn hồi Trọng lượng (N): 40,000  Diện... solution Tính ứng suất từ ứng suất mặt phẳng bất kỳ:  x  y  1,3   2 xy sin 2  1     x  y      xy2   (Sử dụng cặp ứng suất có  lớn nhất) Tính ứng suất mặt phẳng từ ứng suất chính:... principal stress) 3: ứng suất nhỏ (minor principal stress) Phép biến đổi ứng suất (Transformation of stress) x xy y x y xy xy •Độ lớn ứng suất •Mặt phẳng tác dụng ứng suất Direction of 3