地下结构设计原理课件.pptx

地下结构设计原理,绪 论,1.地下结构体系与地面结构的区别 2.了解地下工程的分类 3.了解地下结构计算理论的发展；4.明确地下工程支护结构计算的力学模式；5.明确地下结构设计的内容。,地下结构是指保留上部地层（山体或土层）的前提下，在开挖出能提供某种用途的地下空间内修建的结构物。地下结构与地面结构的区别:赋存环境不同;物理力学参数;受力条件的不同;地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构能否承载，又要考虑围岩会不会失稳;地下工程中作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工时间的影响。,1.明确地下结构体系与地面结构的区别,由以上分析可以看出，由于地下工程所处的环境和受力条件与地面工程有很大不同，如果沿用地面工程的设计理论和方法来解决地下工程问题，显然不能正确地说明地下工程中出现的力学现象，当然也就不可能由此作出合理的设计，因此要摆脱地下工程长期处于“经验设计和施工”的局面。,和以往课程之间的关系？,地下工程是指保留上部地层（土层或岩层）的开挖出能提供某种用途的地下空间。,地下工程的分类按工程的几何形状分为隧道工程和硐室工程。隧道工程：结构长度尺寸远大于断面尺寸（最大跨度或高度）的结构。如铁路隧道、公路隧道、煤炭运输巷道、矿山采场进路、人防地下通道等；硐室工程：长跨比较接近（一般小于10）。如地铁车站、地下商场、水电站地下厂房、地下核废料储藏库、地下试验场、地下储水库等。,2.了解地下工程分类,从空间上划分 与地表面的关系,平地填土 埋入平地地下,开口部与地表面的关系,按照不同的用途或利用形态分为不同类别 伴随城市发展而加以利用的地下工程。为人类生存确保安全加以利用。伴随科技发展而利用的地下工程。大规模国土的有效利用的地下工程。,使用目的不同可分为 防护型支护：防止、保护围岩质量恶化，采用手段多为喷浆、喷混凝土、局部锚杆；构造型支护：要求基本条件是岩体基本稳定，局部破坏条件下较长时间内稳定，采用手段多为喷混凝土、锚杆和金属网、模筑混凝土；承载型支护：坑道支护的主要类型。,明挖法,浅埋暗挖法,顶管法,盾构法,矿山法,沉管法,岩石掘进机,江阴长江公路大桥北锚沉井,沉井平面长69米，宽51米，下沉深度为58米，体积20.4万立方米,列世界最大沉井。,大型钢壳沉井,地下结构计算理论的发展与现状 20世纪20年代以前散体压力理论50年代以来,？如何理解支护与围岩共同作用,？何谓现代支护理论,3.了解地下结构计算理论的发展,4.明确地下工程支护结构计算的力学模式,荷载-结构模式（结构力学的计算模型）,该模式认为围岩对支护结构的作用只是产生作用在结构上的荷载（包括主动的围岩压力和被动的弹性抗力（由于围岩约束结构变形而形成的弹性反力），以计算支护结构在荷载作用下产生的内力和变形的方法。,局部变形理论或共同变形理论,浅埋 围岩塌落情况,主动荷载模式 主动荷载+被动荷载模式 量测压力模式,支护结构体系与围岩共同作用的计算模式 这种模式主要用于由于围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映当前现代支护结构原理的一种计算方法。这种计算模式通常有两类：1）数值解法将围岩视作弹塑性体或粘弹塑性体，并与支护一起采用有限元或边界元数值法求解。利用该方法可以直接算出围岩与支护的应力和变形状态，以判断围岩是否失稳和支护是否破坏。2）解析解法该方法主要适用于一些简单情况下，以及某种简化情况下的近似计算。,收敛-约束法或特征曲线法,经验类比模式 对地质条件熟悉，幅度和跨度又都不大的几种常用型式的岩石地下工程支护结构，例如矿山巷道和不受动荷载作用的小跨度支护结构，常根据经验类比法直接选定结构的型式及其断面尺寸，并据以绘制结构施工图。,5.明确地下结构设计的内容,初步拟定结构形状和尺寸,计算荷载,计算简图,稳定性验算,内力分析、内力组合,配筋设计、绘制结构施工图、预算,本课程的内容地下工程结构物的工作环境 围岩与支护结构的相互作用 现代支护结构设计原理与方法,二、地下工程结构物的工作环境 初始应力场的组成、变化规律；围岩的工程性质；地下洞室的围岩分级及其应用,（一）围岩初始应力场,1、初始应力场的组成 初始应力一般是指地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，换句话来说，所谓天然状态就是保持原始的岩体结构、性质、埋藏条件等。根据地应力场的成因将其主要分为两类：自重应力场和构造应力场。有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等作用下形成的应力。在岩体天然应力场内，因开挖或增加结构物等人类工程活动引起的应力，称为感生应力。,1）自重应力场 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 指地壳各处发生的一切构造变形与破裂所形成的地应力。可分为活动的和残余的两类：活动的构造应力是近期和现代地壳运动正在积累的应力，也是地应力中最活跃最重要的一种，常导致岩体的变形与破坏。残余的构造应力是由古构造运动残留下来的应力。,4）变异应力是由岩体的物理状态、化学性质或赋存条件等方面的变化而引起的应力，通常只具有局部意义。例如：岩浆的侵入，沿接触带产生很大的压应力；喷出时岩浆迅速冷凝，沿某一方向产生收缩节理，而使岩体应力分布具有明显的各向异性。,3）剩余应力 指地壳受风化剥蚀，承载岩体由于卸荷作用残留在岩体中的自相平衡的应力，致使垂直应力相对降低，水平应力则保持不变，拉纳利认为它是残余的构造应力的一部分。,2、围岩初始应力场的变化规律与影响因素1）自重应力场从自重应力的计算公式中可以得出其规律是：地应力随着深度线性增加；水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等。,2）构造应力场由于其形成原因的复杂性以及随时间地不断变化，使得很难用具体的函数形式表述构造应力场的特性。,垂直应力的量值随深度增加而增大，而且水平应力普遍大于垂直应力；水平主应力具有明显的各向异性。水平主应力另一个显著特点就是具有很强的方向性，一般总是以一个方向的主应力占优势，很少有大、小主应力相等的情况。根据实测资料可知，在我国大陆地壳中，最小与最大主应力的比值为0.30.7的占70%，也就是说在我国大部分地区，最大水平主应力约为最小水平主应力的1.43.3倍。,3、影响围岩初始应力场的因素一是重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质以及地温等经常性因素；二是新构造运动、地下水活动、人类活动等暂时性或局部性的因素。,1）地形地貌,2）岩体的力学性质,3）地温主要是由于温度变化而产生的残余应力。4）人类活动人类活动包括：大堆渣场的形成、深的露天开采、地下开挖等等，都有可能局部地影响围岩的初始应力场。,（二）围岩的工程性质,基本概念岩体；结构面或不连续面；结构体；岩石的物理、水理性质及其试验方法岩石的容重（量积法（又叫直接法）、水中法或蜡封法）；岩石的比重；岩石的孔隙率；岩石的天然含水率、吸水性、饱和吸水率 岩石的饱水系数；岩石的膨胀性,岩石的力学性质及其试验方法 1）单轴抗压强度2）三轴抗压强度 3）直剪试验抗剪断强度：在垂直压力和水平方向上施加的剪应力作用下，岩石试件被剪断。抗剪强度：具有先存剪切面下，在垂直压力和水平剪切力下，试件发生剪切滑动。抗切强度：无垂直压力，在水平剪切力试件剪断。4）抗拉强度试验,岩石的点荷载强度：试件在上下一对球端圆锥之间，被施加集中荷载直至破坏。当采用岩心试件做径向试验时，试件长度与直径之比不应小于1；做轴向试验时，加荷两点间距与直径之比宜为0.3-1.0；采用方块或不规则块体试件做试验时，加荷两点间距宜为30-50mm。国际上将直径为50mm的圆柱体试件径向加载点荷载试验的强度指标值确定为标准试验值。,岩石的变形特性 弹性变形：岩石在外力作用下发生变形，当外力撤去后又恢复其原有的形状及体积的性质；塑性变形：岩石在超过其屈服极限外力作用下发生变形，当外力撤去后不能完全恢复其原有的形状及体积的性质；粘性变形：岩石在外力作用下变形不能在瞬间完成，随着应变速率的增大，应力也上升，外力撤去后不能恢复其原有形状及体积。,三轴压缩条件下的岩石变形特征,围压对岩石刚度的影响：对于高强度坚硬而致密的岩石，其弹性模量不因围压不同而有明显变化；对于岩性较弱的岩石，其弹性模量随着围压增大而提高；围压对岩石破坏方式的影响：随着围压增大，岩石的破坏方式由脆性破坏向延性破坏或延性流动转变；围压对岩石强度的影响：随着围压的增大，岩石三轴极限强度也增大；,岩石的强度理论,1）莫尔强度理论：当某一面上剪应力超过其所能承受的极限剪应力值时，材料便被破坏；2）格里菲斯强度理论：格里菲斯理论则有所不同。他认为：材料内部存在着许多细微裂隙，在力的作用下，这些细微裂隙的周围，特别是缝端，可以产生应力集中现象。材料的破坏往往从缝端开始，裂缝扩展，最后导致材料的完全破坏。,3）经验准则霍克和布朗发现，大多数岩石材料（完整的岩块）的三轴压缩试验破坏时的主应力之间可用下列方程式描述：,岩体的力学性质,结构面是岩体稳定性的控制因素，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。,1）结构面是由各种地质原因形成的：原生结构面构造结构面次生结构面,2）岩体结构类型,整体结构岩体（近似各向同性连续介质）层状结构岩体（顺层滑动、层间张裂及岩层弯曲折断）块状结构岩体（沿软弱夹层滑动）碎裂结构岩体（沿结构面的滑移和张裂、结构体的剪切、张裂及塑性流动）散体结构岩体（大型断裂破碎带，大型岩浆岩侵入接触破碎带及强烈风化带）,3）裂隙岩体的强度性质,岩石的残余强度近似表示有不连续面的岩体强度。裂隙岩体的强度随着裂隙组数的增加明显减少，但当裂隙组数增加到一定程度之后，强度不再继续降低，而接近岩石的残余强度。随着岩体中不连续面的增加，岩体的强度性态有逐渐变为各向同性的趋势,4）裂隙岩体的变形性质,压密阶段（OA）：主要是由岩体中结构面的闭合和充填物的压缩而产生的，形成了非线性凹状曲线，变形模量小，总的压缩量取决于结构面的性态，且这部分变形本质上是不能恢复的，属于不可恢复的塑性变形。,弹性阶段（AB）：岩体充分压密后便进入弹性阶段。所表现出的弹性变形是岩体的结构面和结构体共同产生的，应力-应变关系呈直线。同时，岩体的弹性模量也趋近于整体岩石的数值。,塑性阶段（BC）：岩体继续受力，变形发展到弹性极限后便进入到塑性阶段，此时岩体的变形特征受结构面和结构体的变形特性共同制约。整体性好的岩体延性小，塑性变形不明显，达到强度极限后变迅速破坏。破裂岩体塑性变形大，有甚至的从压密阶段直接发展到塑性阶段，而不经过弹性阶段。,破裂和破坏阶段（CD）：应力达到峰值后，岩体即开始破裂和破坏。破坏开始时，应力下降比较缓慢，说明破裂面上仍具有一定的摩擦力，岩体还能承受一定的荷载。而后，应力急剧下降，岩体全面崩溃。,（三）地下洞室的围岩分级及其应用,所谓围岩分级就是指根据岩体完整程度和岩石强度等主要指标在给予定性和定量评价的基础上，按其稳定性将围岩分为工程性质不同的若干级别。,分类原则,(1）有明确的类级和适用对象（专题性的、综合性的)。（2）根据适用对象，选择考虑因素（单因素、多因素）。（3）有定量的指标。（4）类级一般分五级为宜。（5）分类方法简单明了、数字便于记忆和应用。发展趋势：“多因素、综合特征值”分类法,一、工程岩体分类的参考影响因素,1、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。2、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面频率(裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标RQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。3、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。,一、工程岩体分类的参考影响因素,4、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越破碎，强度越低。5、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水压力等。6、地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。,1）地质因素 a、岩体的结构特征,二、影响围岩稳定性的主要因素,b、结构面性质和空间的组合在围岩分类中，可以从下述五个方面来研究结构面对隧道围岩稳定性影响的大小：结构面的成因及其发展史，例如，次生的破坏夹层比原生的软弱夹层的力学性质差得多，如再发生次生泥化作用，则性质更差；结构面的平整、光滑程度；结构面的物质组成及其充填物质情况；结构面的规律与方向性；结构面的密度与组数。,c、岩石的力学性质d、围岩的初始应力场e、地下水的状况使岩质软化，强度降低，对软岩尤其突出，对土体则可促使其液化或流动；在有软弱结构面的岩体中，会冲走充填物质或使夹层软化，减少层间摩阻力促使岩块滑动；在某些岩体中，如含有生石膏、岩盐，或以蒙脱石为主的粘土岩，遇水后将产生膨胀，其势能很大，在未胶结或弱胶结的砂岩中，水的存在可以产生流沙和潜蚀。,2）工程活动的人为因素主要指的是坑道的尺寸、形状以及施工方法。尺寸主要指跨度，在同一类围岩中，坑道跨度愈大，围岩的稳定性就越差。如：裂隙间距在0.4-1.0m左右的岩体，对中等跨度（5-10m）的坑道而言，可算是大块状的，但对大跨度（15m）的坑道来说，只能算是碎块状的。坑道的形状主要会影响开挖隧道后围岩的应力状态。,施工方法在隧道开挖过程中，不同的开挖方法对围岩稳定性的影响也不尽相同。如采用普通的爆破法还是采用控制爆破法，采用全断面一次开挖还是采用小断面分部开挖等，这些选择对于围岩的影响都各不相同的。,单一的岩性指标：饱和单轴抗压强度,三、分级的因素指标,我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类：,岩石普氏系数(f=c/10)分类法（，1907）,极硬（f20）、很硬（f15）、坚硬（f810）、较硬（f56）、普通（f34）、较软（f1.52）、软层（f0.81）、松软（f1）等8类。,优点：简单方便、工程早期，普氏系数在我国现行设计手册、工程定额、概预算仍沿用。缺点：小尺寸试件不能反映岩体强度，应予淘汰。由此可推按单轴抗压强度进行分类的方法均应予淘汰。,单一的综合岩性指标：岩体的弹性波传播速度,中科院地质所根据岩体结构的分类，列出了弹性波在各类岩体中传播特性。,日本，池田和彦，1969年提出了日本铁路隧道围岩分类；先将岩质分6类,再根据弹性波在岩体中的速度,将围岩分为7类,单一的综合岩性指标：岩体完整性指数（龟裂系数）,式中：Vpm、Vpr岩体、岩石弹性纵波速度（m/s)。,单一的综合岩性指标：岩石质量指标RQD,蒂尔（Deer,1968)提出根据钻探时岩芯完好程度来判断岩体的质量，对岩体分类。,式中：li 所取岩芯中10cm长度的岩芯段的长度；L钻进岩芯的总程度，m。,例 某钻孔的长度为250cm，其中岩芯采取总长度为200cm,而大于10cm的岩芯总长度为157cm(如图所示)，则岩芯采取率：200/250=80%RQD=157/250=63%岩体分类为：类、较好岩体,单一的综合岩性指标：岩体的坚固系数,式中：Rc岩石单轴抗压强度，Mpa f 20 为1级，最坚固；f 0.3为第10级，最软弱。优点：形式简单，使用方便。缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，故不能准确评价岩体的稳定性。,以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数 f 将岩石分为十级。f 值越大，岩体越稳定。,单一的综合岩性指标：RMR分级系统,宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)提出的分类指标RMR(Rock Mass Rating)，由下列6种指标组成：（1）岩块强度(R1)（2）RQD值(R2)（3）节理间距(R3)（4）节理条件(R4)（5）地下水(R5)（6）节理方向对工程的影响的修正参数（R6）即：,（1）对应岩石强度的岩体评分值R1,（2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R2,（3）对应于最有影响的节理组间距的岩体评分值R3,（4）对于节理状态的岩体评分值R4,（5）取决于地下水状态的岩体评分值R5,（6）节理方位对RMR的修正值R6,根据总分确定岩体分级,岩体分级的意义 考虑不支护隧道的自稳时间,该分类法已得到比较广泛的应用。,适用：坚硬、节理岩体，浅埋隧道不适用：挤压、膨胀、涌水的及软岩体。,围岩级别的工程作用：,判断围岩稳定性。,判断施工难易程度，投资依据。,结构分析计算的依据,围岩分级：根据岩体的若干指标，按照稳定性将围岩分成不同的级别。,工程目的：,（1）结构设计依据,（2）施工方法依据,（3）工程造价依据,围岩分级的发展过程：,土石分类法,单一因素分类法,综合物性分类法,其它分级法：,组合多因素分类法,与地质勘探手段相联系的分类法,总结：早期仅岩石强度；现在综合多种因素，如岩体构造、岩石强度、RQD指标等。,围岩分级方法,3个基本因素：,岩性：抗压强度、弹性模量、弹性波速等。,地质构造：岩体完整性或结构状态。,地下水：地下水发育时，围岩级别应降低。,1个附加因素：,初始地应力：适当考虑。,（一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法,1.以岩石强度为基础的分级法,代表：土石分类法坚石、次坚石、松石、土。,2.以岩石物性指标为基础的分级法,代表：岩石坚固性系数(f值)分级法普氏法 f值：一个综合的物性指标值，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度等。,但核心还是岩石强度。,(二)以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法,代表：,泰沙基法考虑围岩的完整状态和岩性，共9级。,我国交通隧道围岩分级法借鉴了泰沙基法，考虑岩体综合物性，共6级。,（三）与地质勘探手段相联系的分级方法,代表：弹性波速分级法波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标，波速越高，围岩越好。,岩石质量指标RQD指标也是反映岩性与岩体结构的一项综合指标。,(四)组合多种因素的分级方法,代表：岩体质量分级法,巴顿等人提出的“岩体质量Q”分级法。表达如下：,组合了6个参数：岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数。,四、国内外典型的围岩分级方法,我国工程岩体分级标准（GB50218-94),1、工程岩体分级的基本方法（1）确定岩体基本质量 标准认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度决定岩体的基本质量。岩体基本质量好，则稳定性好；反之，稳定性差。,A、采用饱和岩石单轴抗压强度C划分岩石坚硬程度,C与点荷载强度指数的关系：,是指直径50mm圆柱试件径向加压时的点荷载强度。,B、采用完整性系数Kv划分岩体完整程度,岩体体积节理数Jv(条/m3)：,式中：Sn第 n组节理每米长测线上节理的条数；Sk每立方米岩体非成组节理条数。Jv与Kv的对照关系：,（2）岩体基本质量分级,A、岩体基本质量指标（BQ)的计算,注意：当C 90Kv+30 时，应以C=90Kv+30 代入上式计算Q值；当Kv 0.04 C+0.4时，应以Kv=0.04C+0.4代入上式计算Q值；,式中：BQ岩体基本质量指标；C岩石饱和单轴抗压强度(Mpa);Kv岩体完整性系数。,B、按BQ值进行岩体基本质量分级,（3）基本质量指标BQ值的修正,结合工程具有情况，对BQ进行修正，修正值BQ按下式计算：BQ=BQ-100(K1+K2+K3)式中：K1地下水影响修正系数；K2主要软弱结构面产状影响修正系数；K3初始应力状态修正系数。,（A）地下水影响修正系数K1,（B）主要软弱结构面产状影响修正系数K2,（C）初始应力状态修正系数K3,2、工程岩体分类标准的应用,（1）岩体物理参数的选用 工程岩体的级别一旦确定，可按表选用岩体的物理参数和结构面的抗剪强度参数。（2）地下工程岩体自稳能力的确定,岩体级别与岩体物理力学参数,岩体级别与岩体结构面抗剪强度参数,岩体级别与地下工程岩体自稳能力,注：小塌方：塌方高度6m，或塌方体积 100m3,我国工程岩体分级标准（GB50218-94）的评价 优点：1）对地下隧道适用性较强；2）能反映岩体基本质量分级计算BQ3）考虑工程岩体特性（地下水、节理与工程位置关 系、地应力计算BQ,判断分类。缺点：对边坡岩体 和地基岩体的分级研究较少。,岩体质量“Q”法分级,挪威巴顿（Barton）等人于1974年根据隧道工程的调查，提出一个用6个参数表达的岩体质量指标Q，作为岩体质量分类的依据。,式中：RQD岩石质量指标；Jn节理组数评分；Jr节理面粗糙度评分；Jw按裂隙水条件评分；Ja节理蚀变程度评分；SRF按地应力影响评分（应力折减系数）。Q反映了岩体质量的三个方面：,为岩体的完整性；,表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；,表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。,（1）节理组数影响（Jn),（2）节理粗糙度影响（Jr),（3）节理蚀变程度影响（Ja),（4）裂隙水影响（Ja),（5）地应力影响（SRF),见 P58，表2.3.33,地下开挖当量直径：,根据Q值，可将岩体分为9类，如图：,Q分类法考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)在大量实测统计的基础上，发现Q值与RMR值之间具有如下条件关系：,Q分类的缺点：没有考虑节理方位（怕失去简单的特点，影响通用性）,我国铁路与公路隧道的围岩分级方法,1.铁路隧道,沿革,岩体综合分类60年代，成昆线，五类。,隧道围岩分类74年版，首部铁路隧道规范，六类。,隧道围岩分类86年版，加入围岩弹性波速指标。隧道围岩分级99年版，采用国标分级排序，改称“围岩分级”，六级。,隧道围岩分级2001年版，不变。,隧道围岩分级2005年版，不变。,基本分级,修正基本分级,基本分级 修正基本分级 最终分级,分级的理论基础,以围岩的稳定性判断为基础。,属于“以岩体构造和岩性特征为代表”的分级方法。,主要考虑4种因素：,岩石坚硬程度,围岩完整状态,地下水,围岩初始地应力,基本分级,依据：围岩主要工程地质条件，由两条组成：,岩石坚硬程度,软硬岩分界指标：30Mpa,Rb30 硬岩,5 Rb30 软岩,Rb 5 极软岩,围岩完整程度,指标1：结构面发育程度,指标2：地质构造影响程度,由此两指标，将岩体完整程度分为5个级别，,岩体完整程度的划分,完整程度,结构面发育程度,地质构造影响程度,完整,不发育,轻微,较完整,较发育、不发育,较重、轻微,较破碎,发育、较发育,严重,破碎,极发育、发育,极严重、严重,极破碎,极发育,极严重,围岩受地质构造影响程度等级划分,围岩节理（裂隙）发育程度划分,(4)铁路隧道围岩分级表,基本分级+围岩弹性纵波速度=铁路隧道围岩分级表,特点,给出了单线隧道围岩开挖后的稳定状态。,尚未考虑地下水和地应力。,修正分级,地下水,地下水的3种处理方法：分级时按无水考虑，而是根据地下水的状态，适当降低围岩等级(12级)；分级时按有水考虑，当确认围岩无水则提高围岩等级；直接将地下水状况(水质、水量、流通条件、静水压力等)作为一个分级指标。,铁路隧道分级按第1种方法处理：,地下水状态的分级表,地下水影响的修正,初始地应力,2.软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移极显著，持续时间长，成洞性差,2.软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞,4-7,1.硬质岩:开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂纹较多，成洞性较差,高应力,4,评估基准,（Rc/max）,1.硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差,初始地应力影响的修正,或,或,修正级别,初始地应力状态,两点说明：,设计阶段：采用修正后的围岩分级。施工阶段：根据实际情况，进一步判定围岩分级，依据仍然是：,岩石坚硬程度,围岩完整状态,地下水,初始地应力,2.公路隧道,初步分级相当于铁路的基本分级,依据：围岩主要定性特征,该特征由两个基本因素组成：,岩石坚硬程度Rc(即强度),岩体完整性Kv(即弹性波速),推出围岩基本质量指标 BQ=90+3Rc+250Kv,详细分级相当于铁路的修正分级,修正BQ值：当有以下3方面影响时，应予修正：,地下水K1,软弱结构面(比铁路多此条)K2,高初始地应力K3,BQ=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3),K1K3各值可查公路隧道规范附录A.0.2-1A.0.2-3,公路围岩分级表：,参数：,围岩主要定性特征,BQ值，或BQ值(当需要修正时),问题及研究方向,1.问题,指标定性的多、定量的少。如何做到准确、方便、好用？,2.研究,发展物探手段，增加定量指标。,发展分析理论,模糊数学围岩分级；,隧道位移围岩分级；,人工智能专家系统围岩分级等。,第三章 围岩与支护结构的相互作用,熟练掌握确定围岩二次应力场和位移场的方法；熟悉围岩稳定性判据；掌握收敛和约束的概念、围岩的支护需求曲线和补给曲线；熟悉围岩压力的基本概念及类型划分；掌握围岩松动压力的形成及确定方法。,（一）基本概念,围岩：由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，应力状态被改变了的岩体叫围岩。二次应力状态：开挖后，无支护时，调整后的应力状态（原始应力，又称一次应力状态）。收敛:由于二次应力状态的作用，使围岩发生向洞内的位移。约束：若岩体的变形自由发展，将最终导致隧道围岩整体失稳而破坏，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。,求二次应力状态时，要给出的基本条件：原始应力 本构关系 岩体性质参数,二次应力状态主要特征状态二次应力为弹性分布（岩体坚硬，原岩应力小，不要支护）。二次应力为弹塑分布围岩分两部：弹性区、塑性区,三次应力状态：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，从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系，这就是三次应力状态，也是围岩与支护结构相互作用的过程。,地下工程稳定稳定定义：地下工程工作期限内，安全和所需最小断面得以保证，称为稳定。稳定条件：,地下工程岩体或支护体中危险点的应力和位移；岩体或支护材料的强度极限和位移极限。,地下工程稳定性可分为两类,自稳：不需要支护围岩自身能保持长期稳定,人工稳定：需要支护才能保持围岩稳定,稳定性问题的力学本质,自稳,不自稳,围岩内危险点的应力和位移,计算围岩压力,支护中危险点的应力或位移,大于支护极限,小于支护极限,人工稳定,改革支护,（二）洞室开挖后的应力场特征及力学效应,了解和认识围岩的二次应力场和位移场是设计支护结构的基础。,不同断面形状下洞周应力的变化规律:随着水平椭圆率值的增大，即由圆形向椭圆形过渡，洞顶处拉应力区也在扩大，水平直径处应力集中现象比较严重；,对于弹性岩体，其应力应变关系呈现线性关系，随着隧道开挖，洞周的径向应力变为零，切向应力集中；对于弹塑性体，它的应力应变关系是非线性关系，当洞周的切向应力达到岩体的屈服条件时，岩体便进入塑性状态，使洞周切向应力大大降低，形成所谓应力降低区，在此范围内岩体有了较大的变形而松动。同时，最大切向应力的作用部位向岩体深处转移，形成新的高应力区，在此范围内切向应力虽然增大很多，但仍未达到屈服条件，故不但没有发生塑性变形而松动，反而在高应力作用下被压密了。,洞室开挖的空间效应和时间效应 所谓空间效应就是洞室开挖中各断面在纵向深度上的应力状态、变形的不同。时间效应指的是考虑了岩体的流变性，这一点和土体的流变性是相似的。开挖方式（爆破和非爆破）和方法（全断面或分部开挖法）隧道的开挖后围岩的变形属于卸荷后的回弹，若围岩是均匀介质，经过回弹变形，它们的体积有所增大，但形状仍然不变。若围岩是非均匀介质，因各个块体的物理力学性质不同，围岩回弹变形后，不仅体积增大而且形状也发生了变化，这种非均质体的变形不协调，必然要引起裂隙张开，使块体与块体分离。,无支护坑道围岩失稳破坏性态1）脆性破裂整体状和块状结构岩体，岩性坚硬，在一般工程开挖条件下表现稳定，仅产生局部掉块，但在高应力区，洞周应力集中可引起“岩爆”，岩石或碎片射出并发生破裂响声，属于脆性破裂。2）块状运动当块状或层状岩体受明显的少数软弱结构面切割而形成块体或数量有限的块体时，由于块体间的联系很弱，在自重作用下，有向临空面运动的趋势，逐渐形成块体塌落、滑动、转动、倾倒以及块体挤出等失稳破坏性态。块体挤出是块体受到周围岩体传来的应力作用的结果。,3）弯曲折断破坏层状岩体尤其是有软弱夹层的互层岩体，由于层间结合力差，易于错动，所以抗弯能力较低。洞顶岩体受重力作用易产生下沉弯曲，进而张裂，折断形成塌落体。边墙岩体在侧向水平力作用下弯曲变形而鼓出，也将对支护结构产生压力，严重时可使支护结构折断而塌落。4）松动解脱碎裂结构岩体基本上是由碎块组合而成的，在张拉力、单轴压力、振动力作用下容易松动，溃散（解脱）而成碎块脱落。一般在洞顶表现为崩塌，在边墙则为滑塌、坍塌。,5）塑性变形和剪切破坏散体结构岩体或碎裂结构岩体，若其中含有较多的软弱结构面，开挖后，由于围岩应力的作用，将产生塑性变形和剪切破坏，往往表现为坍方、边墙挤入、底鼓以及洞径缩小等等，而且变形的时间效应比较明显，有些含蒙脱石或硬石膏等矿物的膨胀性岩体或结构面，遇水后将产生膨胀，造成强度降低，产生塑性变形。,通过力学计算、地质力学分析和现场量测，确定地层的初始应力场及相应的位移场；开挖解除了洞室边界内部的约束，在边界上分别施加与初始法向和剪切应力大小相等方向相反的两组应力，计算在释放应力单独作用下的围岩应力和位移；围岩的二次应力场是初始应力场和开挖应力场的叠加。,地下硐室围岩应力分析方法,块状结构岩体：块体平衡理论分析碎裂和松散结构岩体：松散体力学分析,各向同性岩体,各向异性岩体,完整结构的岩体：弹塑性力学分析,普氏压力拱理论,太沙基理论,根据围岩的结构不同，可采用不同的分析方法。,（三）围岩应力和位移的线弹性分析,围岩为均质、各向同性的连续介质；只考虑自重的初始应力场；隧道形状以规则的圆形为主；问题简化为无限平面中的孔洞问题。,将巷道和围岩视为无重量的有孔平板的平面应变问题，平板所受到的外力即原岩应力。巷道上部和下部的初始应力不相等，但当巷道埋深大于其高度的20倍时，这种应力差即可略去。于是，当p=q,即1，可视为二向等压下有孔平板平面应变问题，当pq时，即 1，则视为二向不等压的有孔平板平面应变问题。计算结果表明，采用这种计算误差不超过1。,研究围岩二次应力状态的方法：,1、无支护洞室围岩的应力状态,设原岩垂直应力为p，水平应力为q，作用在围岩边界，按弹性理论中的基尔希公式计算围岩中任一点M（r,）的应力：,（1）当r时，,(31),(32),上式即为极坐标中的原岩应力。,（2）当ra时，即坑道周边的应力为：,(33),或：,式中：=q/p为侧压力系数。,(34),(31),由：,可见，与和密切相关。当0，时，,当 3/2，/2时，,由于岩体的抗拉强度很小，认为岩体不抗拉，因此，坑道周边不能出现拉应力的条件为：,解得：,当0，时，,当 3/2，/2时，,不同的下，坑道周边切向应力 的分布：,不同的下，坑道周边切向应力 的分布：,不同的下，坑道周边切向应力 的分布：,（3）当p=q,即=1时，,(31),(35),可见，、r与无关，=1（轴对称）时对圆形坑道围岩应力分布最有利。,当r=a,坑道周边应力为：,(36),圆形坑道开挖应力扰动范围为坑道半径的35倍。,当r时，坑道原岩应力为：,(37),静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力,围岩内重分布应力与角无关，仅与R0和0有关由于r=0，则r，均为主应力，且恒为最大主应力，r恒为最小主应力当rR0(洞壁)时，r=0，=20，可知洞壁上的应力差最大，且处于单向受力状态，说明洞壁最易发生破坏,总结,r增大，r增大，减小，都渐趋于0值。在理论上，r，要在r处才达到0值，但实际上r，趋近于0的速度很快，当r=5R0时，r和与0接近。一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为5R0。,1、1条件下圆形坑道围岩位移 根据弹性理论，在平面应变条件下,当 r=a 即可求得坑道周边围岩位移：,式中：为侧压力系数；p为原岩应力垂直分量；u,v分别为圆形坑道壁上计算点的径向位移和切向位移。设开挖前原岩在原岩应力作用下产生的压缩位移为u0和v0，开挖后围岩在原岩应力作用下产生的位移为ua和va（这部分位移对支架有影响），则有：,将上式整理后得：,其中：,而：,2、=1条件下圆形坑道围岩位移(轴对称条件）,塑性围岩重分布应力,地下开挖后，洞壁的应力集中最大,当它超过围岩屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态转化为塑性状态，并在围岩中形成一个塑性松动圈。随着距洞壁距离增大，径向应力r由零逐渐增大，应力状态由洞壁的单向应力状态逐渐转化为双向应力状态，围岩也就由塑性状态逐渐转化为弹性状态。围岩中出现塑性圈和弹性圈。,（四）围岩应力和位移的弹塑性分析,塑性松动圈的出现，使圈内一定范围内的应力因释放而明显降低，而最大应力集中由原来的洞壁移至塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明显升高。弹性区以外则是应力基本未产生变化的天然应力区(或称原岩应力区)。,1、判断围岩塑性状态,根据上式就可推出判断隧道周边的围岩是否已进入塑性状态的公式,其中符号右侧为岩体的单轴极限抗压强度,2、确定塑性区的应力场,3、围岩塑性区范围的确定,4、确定塑性区的位移,塑性位移采用弹塑性理论分析基本思路:先求出弹、塑性圈交界面上的径向位移，然后根据塑性圈体积不变的条件求洞壁的径向位移。,弹性圈内的应力等于0引起的应力，叠加上塑性圈作用于弹性圈的径向应力R1引起的附加应力之和。,由0引起的应力,由R1引起的附加应力,弹性圈内的重分布应力,开挖形成塑性圈后，弹、塑性圈交界面上的径向应力增量(r)rR1和环向应力增量()rR1为：,弹、塑性圈交界面上的径向应变R1,弹、塑性圈交界面的径向位移uR1,塑性圈作用于弹性圈的径向应力,塑性圈变形前后体积不变,略去高阶微量后，可得洞壁的径向位移,弹塑性解的特点:1、径向应力在开挖边界处由初始应力释放为0，随着半径增加而增加，并渐进在无限远处恢复为初始应力；2、切向应力由于围岩的屈服在开挖边界处降低为围岩的单轴极限抗压强度R，在开挖边界与塑性半径之间（塑性区）随半径的增加而增加，在塑性半径以外（弹性区）随半径增加而减小，并渐进在无限远处恢复为初始应力；3、径向应力和切向应力均在塑性半径处与弹性区应力保持连续。,在形成塑性区后，无论加多大的支护阻力都不能使围岩的径向位移为0；不论支护阻力如何小（甚至不设支护），围岩的变形如何增大，围岩总是可以通过增大塑性区范围来取得自身的稳定而不致坍塌。,（五）围岩与支护结构的相互作用,围岩的特征曲线和支护结构的支护特征曲线，分析围岩与支护结构如何在相互作用的过程中达到平衡状态。,初期A点处，围岩所需的支护约束力很大，而一般支护结构所能供给的则很小。因此，围岩继续变形，在变形过程中支护结构的约束阻力进一步增长，如果支护结构有足够的强度和刚度，则围岩的特征曲线和支护结构的支护补给曲线会相交一点，而达到平衡，这个交点应在U1之前。,不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的P和U是不同的。刚度大的支护结构承受较大的围岩压力，反之，柔性好的支护结构所承受的围岩压力要小得多。所以在工程中强调采用柔性支护以节约成本。,曲线1没有能和围岩的特征曲线相交，说明锚杆的刚度太小，它所能提供的支护阻力满足不了围岩稳定的需要，这种供不应求的状况最终将导致围岩失稳。,同样刚度的支护结构，架设的时间不同，最后达成平衡的状态也是不同的，如图中2和4。支护结构架设的越早，它所承受的围岩压力就越大。但这不等于说支护结构参与相互作用的时间越迟越好，因为初始变形不加控制会导致围岩迅速松弛而崩塌。因此，原则上要尽早地施作初期支护，以控制围岩的初始变形在适当的范围内。,（六）围岩压力计算,一、基本概念地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为围岩压力。围岩压力是围岩与支衬间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支衬结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。按围岩压力的形成机理，可将其划分为形变围岩压力、松动围岩压