地下结构设计第23章.ppt

第2章 地下工程结构物的工作环境,如概论所述，在地下结构体系中，地层起主导作用。地下工程的一切活动包括：能否顺利地建成，使用中是否会出现问题，建设工期长短，投资多少等都与它所赋存的工作环境地质条件息息相关。,作为一个设计者，施工的管理者，始终要认识的关键问题是：围岩具有多大的自支护能力？自稳的时间是多少？这涉及到对围岩稳定性的判定。需要人工支护？用什么类型的人工支护和怎样支护，才能保证坑道在施工期间的暂时稳定和运营期间的长期稳定？,因此，要做到这一点，需要从理论和实践认识：围岩的稳定性；评价围岩稳定性的标准围岩分级；围岩与支护结构的相互作用。,本章的主要内容：,了解地下工程赋存的地质环境；掌握初始地应力场的组成、特征及影响因素；掌握岩体的工程性质；掌握围岩稳定性的评价标准围岩分级。掌握基本概念：与地下工程相关的地质环境，围岩的稳定性。,地下工程赋存的地质环境,地层特征；地下水状况；开挖洞室前就存在于地层中的原始地应力状态；地温梯度等。但最关心的问题则是地层被挖成洞室后的稳定程度。,围岩的稳定性：,地层被挖成洞室后的稳定程度称为洞室围岩的稳定性。是一个反映地质环境的综合指标。例如：陕北的窑洞、岩石隧道；裂隙岩体中的洞室；通过断层破碎带的隧道等。,洞室围岩的稳定性问题包括：,围岩破坏或稳定的规律；影响围岩稳定的主要因素；标志围岩稳定性的指标和判断准则；分析围岩稳定性的方法；为维持围岩稳定而必须采取的工程措施等。,本章提纲：,2.1 围岩初始应力场2.2 围岩的工程性质2.3 地下洞室的围岩分级及其应用,2.1 围岩初始应力场,初始应力场是开挖前围岩内的应力状态；是开挖后一系列现象（变形或破坏）的形成因素是初始应力场发展的延续；是影响围岩稳定性的重要因素之一。,初始应力场的概念：,由于岩体的自重和地质构造作用，在开挖隧道前岩体中就已存在的地应力场，人们称之为围岩的初始应力场。它是经历了漫长的应力历史而逐渐形成的，并处于相对稳定和平衡状态。,1、初始应力场的组成,围岩初始应力场的形成与岩体的结构、性质、埋藏条件以及地质构造运动的历史等有密切关系。因此，根据地应力场的成因将其分为：自重应力场；构造应力场。,（1）自重应力场,是指上覆岩体自重所产生的应力场，它是地心引力和离心惯性力共同作用的结果,（2）构造应力场,是指地壳各处发生的一切构造变形与破裂所形成的地应力，按形成的时间，可以分为：构造残余应力：由过去的地质构造运动，但现在仍残存在岩体中的应力；岩石在形成过程中，由于热力和构造作用引起的，虽经过风化、卸载部分释放，但现在仍残存着的原生内应力。新构造应力：现在正在活动和变化的构造运动，称为新构造应力。地震的产生正是新构造应力的反映。,目前主要研究的是：,由岩体的重力形成的应力场，而其他因素只认为是改变了由重力造成的初始应力状态。,（1）自重应力场,侧压力系数和泊松比,岩体自重应力场的变化规律为,地应力是随深度呈线性增加的；水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等(0.5，0.150.35）。地壳构造运动改变了重力应力场的状态，如背斜、断层；深度对初始应力状态有重大影响；其应力状态可视围岩的强度不同分别处于弹性的、隐塑性的及流动的3种状态。,背斜初始应力场的影响,断层对初始应力场的影响,（2）构造应力场,形成构造应力场的原因非常复杂，属于非稳定的应力场。(空间分布极不均匀)但对工程结构物的使用期限来说，可以忽略时间因素，将它视为稳定的。需要理解由于构造应力场的存在，使自重应力场发生的变化。,构造应力场的变化规律,地质构造形态的变化不仅改变了自重应力场，除了以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在岩体内。构造应力场在不深的地方已普遍存在，最大构造应力的方向多近似为水平，且水平应力普遍大于自重应力场中的水平应力分量，甚至也大于垂直应力分量。,垂直应力与平均水平应力随深度的变化,构造应力场很不均匀，它的参数无论在空间上、时间上都有很大变化，特别是它的主应力轴的方向和绝对值有很大变化。水平主应力具有明显的各向异性，且具有很强的方向性,（3）影响围岩初始应力场的因素,第1类因素有重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质以及地温等经常性的因素；第2类因素有新构造运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。地形和地貌。岩体的力学性质。地温变化。人类活动。,2023/3/4,25,第3章 围岩与支护结构的相互作用,涉及到洞室开挖后的应力场特征，包括无支护坑道的破坏形态；围岩应力状态的弹、塑性分析；围岩与支护结构的相互作用围岩压力,2023/3/4,26,3.1基本概念：1、初始应力场,洞室开挖前，地层处于静止平衡状态，这种平衡状态是由于岩体的自重和地质构造作用，在经历了漫长的应力历史逐步构造而成的。通常我们把由于岩体自重和漫长的地质构造作用逐步形成的，在洞室开挖之前就已经存在着的处于相对稳定和平衡状态中的应力场称为初始应力场或原岩应力场。,2023/3/4,27,基本概念：2、二次应力状态,洞室开挖后，由于围岩在开挖面处解除了约束，破坏了这种平衡，洞内各点的应力状态发生了变化，其结果引起洞室周围各点的位移，从而适应应力的这种变化，这种现象叫做应力重分布。把重新分布后的应力状态叫做二次应力状态或围岩应力状态。,2023/3/4,28,基本概念：3、围岩,通常我们把洞室周围发生应力重分布的这部分岩体叫做围岩；而在此范围以外仍保持在初始应力状态。,2023/3/4,29,基本概念：4、收敛与约束,收敛 由于二次应力状态的作用，使围岩发生向洞内的位移，称之为收敛。其结果有二：若岩体强度高，整体性好，断面形状有利，岩体的变形到一定程度就将自行终止，围岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由地发展下去，最终导致隧道围岩整体失稳而破坏。,2023/3/4,30,约束,在这种情况下，应在开挖后适时地沿隧道周边设置支护结构，对岩体的移动产生阻力，形成约束。相应地，支护结构也将承受围岩所给予的作用力，并产生变形。,2023/3/4,31,5、三次应力状态,一个力学上稳定的隧道结构体系如何形成的？,2023/3/4,32,在二次应力状态下，围岩的收敛和支护结构的约束过程中：支护结构变形后所能提供的阻力会有所增加-阻力增加而围岩却在变形过程中释放了部分能量，进一步变形的趋势有所减弱，-变形减弱如果支护结构有一定的强度和刚度围岩和支护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围岩作用力之间达到平衡为止.,2023/3/4,33,6、三次应力场的影响因素,围岩初始应力状态，或称一次应力状态；开挖洞室后围岩的二次应力场和位移场；判断围岩二次应力场和位移场是否符合稳定性条件即围岩稳定性准则。,2023/3/4,34,设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应力场和位移场，以及支护结构的内力和位移；判断支护结构安全度的准则，一般可写成,2023/3/4,35,设计框图,注意安全度的判断准则,2023/3/4,36,本章重点,掌握：二次应力场的特征；无支护坑道的破坏形态；洞室开挖力学效应的模拟方法；围岩压力的概况及计算方法。了解：二次应力状态和三次应力状态分析原理。,2023/3/4,37,3.2 洞室开挖后的应力状态特征及力学效应,1.洞室开挖后围岩应力状态的特征及破坏形态（1）洞室开挖后围岩应力状态的特征及影响因素（2）无支护坑道围岩失稳的形式,2023/3/4,38,（1）洞室开挖后围岩应力状态的特征及影响因素,初始应力场的影响主应力的方向和数值：最大主应力的方向不同，洞室的变形和破坏特征不同；洞周应力的分布特征不同。,2023/3/4,39,在一定初始应力场中，开挖断面形状的影响,与开挖断面的高跨比有关图中表明的是洞周的切向应力。,2023/3/4,40,岩体结构特性的影响,与裂隙的倾角有关,2023/3/4,41,岩体力学性质的影响,最大主应力小于岩石的强度弹性应力状态,最大主应力大于岩石的强度塑性应力状态,2023/3/4,42,洞室开挖后围岩应力的空间效应,隧道端部开挖面对围岩应力释放和变形发展很大的约束作用是空间坐标的函数。,2023/3/4,43,时间效应的影响,二次应力状态也是时间的函数，是随时间的推移逐渐完成的流变特性。施工方法的影响开挖方式（爆破或非爆破）和开挖方法（全断面或分部开挖法）的影响；好的开挖作业可减少对遗留岩体的破坏。,2023/3/4,44,（1）洞室开挖后围岩应力状态的特征及影响因素（小结）,初始应力场的影响 开挖断面形式的影响 人为影响 岩体结构特性的影响 岩体力学性质的影响 洞室开挖后围岩应力的空间效应 时间效应的影响 施工方法的影响人为影响,2023/3/4,45,（2）无支护坑道围岩失稳的形式,脆性破坏岩爆，发生在高地应力场中的硬岩。块状运动沿结构面产生的松弛、滑移和坠落，发生在块状，有不利结构面的岩体。弯曲折断破坏，发生在层状（薄层）岩体。松动解脱，发生在破碎松散岩体。塑性变形和剪切破坏，塑性岩体，发生过度位移,2023/3/4,46,块状运动。弯曲折断破坏,松动解脱 塑性变形和剪切破坏,2023/3/4,47,2.坑道开挖力学效应的模拟方法,（1）计算围岩二次应力场和位移场假定前提：视围岩为均质的、各向同性的连续介质；只考虑自重形成的初始应力场；坑道形状以规则的圆形为主；坑道位于地表下一定深度，问题简化为无限平面中的孔洞问题。,2023/3/4,48,（2）计算围岩的二次应力场和位移场的步骤,开挖前围岩的初始应力状态；开挖后，可向具有初始应力的围岩，在隧道周边上反方向施加与初始应力相等的释放应力；,2023/3/4,49,用弹性力学方法计算带有孔洞的无限平面在释放应力作用下的应力和位移；真实的围岩二次应力场即为上述两者之和：,围岩稳定性判据:围岩的二次应力状态与岩体强度的关系 当围岩应力状态超过岩体的强度条件，才能造成岩体失稳的前兆。因此，满足岩体的强度条件是围岩失稳和破坏的必要条件.围岩的位移状态和岩体变形能力的关系 满足围岩的变形条件是造成围岩失稳破坏的充分条件。围岩局部落石的稳定性。,具体的求解方法有数值法、剪切滑移破坏法和特征曲线法。,数值法（有限单无法）：,把围岩和支护结构都划分为单元，然后根据能量原理建立起整个系统的虚功方程，也称刚度方程，从而求出系统上各节点的位移以及单元的应力。,具体步骤：,计算范围的选取；,单元类型的选取；,开挖效果的模拟；,求单元应力；,支护结构强度校核。,2023/3/4,54,3.3 围岩应力和位移的线弹性分析3.4 围岩应力和位移的弹塑性分析 3.5 围岩与支护结构的相互作用,