隧道设计与施工第3部分 隧道设计基础课件.ppt
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1、2023/2/11,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,第三部分 隧道设计基础,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,一、初始地应力场及其评价,正确掌握和了解地质环境对隧道工程力学行为的作用和影响是合理地进行隧道工程设计的前提和基础。围岩初始地应力场,一般受到两类因素的影响:第一类:重力、温度、围岩物理力学性质、构造、地形等经常性的因素。第二类:地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。初始地应力场由两种力系构成:=y+T 式中 y:
2、自重应力分量;T:构造应力分量。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,1、重力应力场 设围岩是线性变形介质,在xy平面内是均质的,沿y轴方向是非均质的。设E、分别为沿垂直方向的弹性模量和泊松比,E1、1为沿水平方向的弹性模量和泊松比,因围岩的变形性质沿深度而变,故可定:E=E(y),=(y)、E1=E1(y)、1=1(y),单位体积重量也认为是沿深度而变,即=(y)。距表面h深处一点的应力状态可表示为:y=0h(y)dy x=x(y)z=z(y)xy=xz=yz x=z=/1-y,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,当垂直应力已知时,水平应力的大小决定于围岩
3、的泊松比。大多数围岩的泊松比变化在0.150.35左右。围岩的初始地应力场是随深度而变的,其应力状态可视围岩的不同,分别处在弹性的、隐塑性的及流动的三种状态。围岩的隐塑性状态在坚硬围岩中约在距地面10km以下,也有可能在浅处产生,如在岩石临界强度低如泥岩等的地段。通常情况下,在隧道所涉及的范围内,都可视初应力场为弹性的,这一点亦可由部分量测资科所证实。由于地壳运动的结果,岩层会产生各种变态,如变成各种倾斜状的、弯曲的等等。在这种情况下,围岩的初始地应力场也有所变化。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,如垂直成层岩石,由于各层的物理力学性质不同,在同一水平面上的应力分布可能是
4、不同的;又如背斜情况,由于岩层成拱状分布,使上覆岩层重量向两翼传递,而直接处在背斜轴下面的岩层则受到较小的应力;在被断层分割的楔形岩块情况中,也可观察到类似情况。下窄上宽的楔形围岩移动时,受到两倒岩块的夹制,因而使应力减小、反之,下宽上窄的岩块,则受到附加荷载的作用。埋深较小时地表起伏较大情况影响也不能忽略。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,2、构造应力 地质力学认为:地壳各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果。因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称之为构造应力场,它是动态的。由于构造应力场的不确定性,很难用函数形式表达。它在整个初始地应力场
5、中的作用只能通过某些量测数据加以分析。(1)地质构造形态不仅改变了重力应力场,而且除以各种构造形态获得释放外,还以各种形式积蓄在围岩内,这种残余构造应力将对隧道工程产生重大影响。(2)构造应力场在不深的地方已普遍存在,而且最大构造应力的方向,多近似为水平,其值常常大于重力应力场中的水平应力分量,甚至也大于垂直应力分量,这与重力应力场有很大不同。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,陶恩隧道的初始地应力场 南非测定垂直应力与水平应力 比值随深度的变化,从我国现阶段积累起来的浅层(埋深小于500m)实测资料看,小于0.8者约占27.5%。在0.81.25之间者约占42.3%,大于
6、1.25者约占30.2%。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,(3)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,特别是主应力轴的方向和绝对值变化很大。3、初始地应力场的评价 围岩强度比的定义是:围岩内部的最大地应力值与围岩强度的比值。围岩强度比:GnRb/max,式中max:围岩内最大地应力值;Rb:围岩抗压强度值。(1)地应力场性质的判定指标 初始地应力场究竟属于一般地应力场,还是高地应力场,可以用围岩强度比加以初步判定。一定不要误解,初始地应力大,就是高地应力场。因为,有时初始地应力场虽然大,其围岩强度比却不一定高。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3
7、部分_隧道设计基础,围岩强度比Gn分级标准,不同地应力场的围岩在开挖中出现的主要现象,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,(2)判定土压性质的指标 日本仲野采用围岩强度比作为是否产生塑性地压的指标。,不同围岩强度比开挖中出现的现象,(3)作为围岩分级的重要参考指标 在Barton的围岩分级中把围岩强度比作为重要指标。在日本道路公团的 隧道围岩分级中,也把围岩强度比作为中硬岩、软岩及土砂围岩分级的一个重要参考指标考虑。在我国铁路隧道的围岩分级中没有考虑这个因素的影响。一些研究指出:如果在预设计中获得围岩强度比的指标,可以 按表中进行围岩级别的修正。,北京交通大学_隧道设计与施工
8、_第3部分_隧道设计基础,Barton的围岩强度比分级,注:RB:围岩抗压强度;max:最大地应力值;Rt:围岩抗拉强度;SRF:应力状态系数,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,日本围岩分级中的围岩强度比基准,表中说明,并不需要在所有的围岩中考虑围岩强度比。只是在中硬岩,软岩和土砂围岩中考虑,也不是在所有的级别中考虑,只是在很低的级别中考虑。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,我国初始地应力场的修正,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,二、毛洞的围岩力学状态,(一)、坑道开挖后的二次应力状态 假定:(1)围岩为均质的、各向同性的连续介质
9、;(2)只考虑自重造成的初始地应力场;(3)坑道形状是圆形的;(4)坑道位于一定深度,简化为无限体中的孔洞问题。1、坑道开挖后的弹性二次应力状态 为简单计,设初始地应力场以表示,即x/y,则在围岩中开挖半径为a的圆形坑道后,其二次应力状态可近似用下式表达。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,ry/2(12)(1)(14234)(1)cos2 t=y/2(1+2)(1)-(134)(1)cos2 rt=y/2(1-)(1+22-34)sin2 式中=a/r,当r=a时,表示在坑道周边上。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,(1)坑道周边应力状态的规律:当r
10、=a时,上式变成:r=0 t=y(1-2cos)+(1+2cos2),圆形坑道周边切向应力分布,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,认识到以下几点对设计随极为重要:1)=0,即只有初始垂直应力时,拱顶出现最大切向拉应力,并分布在拱顶一定范围内。拱顶处的最大拉应力t等于t=y,相当于初始垂直应力值。拱顶受拉范围约出现在与垂直轴左右各30的范围内,这说明拱顶范围可能产生掉块。2)随着的增加,拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减少。当=1/3时,拱顶切向拉应力等于0。大于1/3后,整个坑道周边的切向应力皆为压应力。这说明,在01/3之间时,坑道拱顶拱底范围是受拉的。由于岩石的抗拉强度较弱
11、,当切向拉应力超过其抗拉强度时,拱顶可能发生局部掉块和落石,但不会造成整个坑道的破坏。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,3)在侧壁范围内,值变化在01.0之间时,周边切向应力总是压应力,而且总比拱顶范围的应力值大。这说明,侧璧处在较大的应力状态下。例如当=0时,侧璧中点(=90)的最大压力等于3y。随着值的增大,侧壁中点的压应力逐渐减小,当=1时,其值变成t=2y。侧壁处在较大的压应力作用下是造成侧壁剪切破坏或岩爆(分离破坏)的主要原因之一。而且,常常是整个坑道丧失稳定的主要原因,应予以足够重视。4)当=1(即初始垂直应力与初始水平应力相等)时,坑道周边围岩各点的应力皆相
12、同。即为一常数值(t=2y)。这种应力状态对圆形坑道稳定是很有利的。5)通常围岩的侧压力系数变动在0.20.5之间。在这个范围内,坑道周边切向应力t都是压应力。因此,要十分注意切向应力的变化,它是造成坑道破坏的主要原因之一。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,(2)围岩应力向深处变化的规律,沿圆形坑道水平、垂直轴上应力分布a)=0的情况 b)=1的情况,1)侧壁中点(90),在=01.0时坑道周边的切向应力都为正值(压应力)。最大值为t=3y(=0),最小值为2y(=l)。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,2)拱顶处(=0),在周边上的t值由-y(=0
13、)变到2y(=1)。当=1/3时,t=0。随着r的增加,当=0时,t接近于0,当=1时,接近y,即都逐渐接近于初始的应力状态。r 值在=0和=1时,变化大致相同,即由0逐渐增加到y值。由此可见,坑道开挖后的二次应力分布范围是很有限的。视值其范围大致在(57)a左右。愈大,范围愈大。在此之后,围岩仍处在初应力状态。这说明:坑道开挖对围岩的影响(扰动)是有限的。3)在拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为0.58a(=0),而后转变为压应力.这也说明,坑道围岩内的拉应力区域是有限的,而且只在小于1/3时的情况下出现。前已指出,拉应力区的存在对造成围岩的局部破坏(松弛、掉块、落石)是有影响的。尤其是在
14、大跨度洞室的情况下。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,(3)坑道位移状态 在平面问题中,坑道周边的位移ua可由下式决定 ua=1+/E.a.y 从上式可求出隧道周边各点的位移,当值不同时,围岩值及其分布状态也不同。,不同值条件下圆形坑道周边位移分布,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,在不同的值条件下,开挖后的断面收敛状态示。当=1时,隧道断面是均匀缩小的,随着值的减小,隧道上、下顶点继续向隧道内挤入,水平直径处则减小,而变成扁平的断面形状。坑道位移状态说明,坑道开挖后围岩基本上是向隧道内移动的。只是在一定的值条件下(0.25),在水平直径处围岩有向两侧
15、扩张的趋势。而且在多数情况下,拱顶位移(即拱顶下沉)均大于侧壁(水平直径处)位移。2、坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态 在深埋隧道或埋深较浅但围岩强度较低时,上述应力状态可能超过围岩的抗压强度。此时坑道或发生脆性破坏,如岩爆、剥离等(坚硬、脆性、整体的围岩中)或在坑道附近围岩内形成塑性应力区域,发生塑性剪切滑移或塑性流动。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这种性质而造成的。塑性就是指围岩在应力超过一定值后产生塑性变形的性质。此时,应力即使不增加,变形仍将继续。当围岩内应力超过围岩的抗压强度后,围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的围岩向坑道内
16、滑移。塑性区的围岩因而变得松弛,其物理力学性质(c、E、等)也发生变化。对设计有实际意义的是:塑性区内的应力应变状态和塑性区范围的大小、形状。塑性区应力状态由下式确定:rpRb/(-1)(r/a)-1-1 tp=Rb/(-1)(r/a)-1-1 roa2/(+1)(y(-1)+Rb)/Rb1/-1=(1+sin)/(1-sin),北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,塑性区边界及应力状态,式中指出,塑性区边界r0与围岩的初应力状态(y),围岩本身的物理力学性质(E)及坑道开挖尺寸(a)等有关。坑道半径愈大,围岩愈差,初始应力愈大,塑性区域也愈大。显然,当1时,塑性区的形状也是一
17、个圆形。当1时,塑性区的形状和范围有很大的变化。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,已知c=2.5MPa、=30、h=15MPa、y=15MPa,当分别为0、0.2、0.5、0.75和1.0时,得到的塑性区边界于下图。,不同值的圆形坑道围岩塑性区的形状和范围,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,马蹄形坑道塑性区的形状和范围,埋深对塑性区形状的影响,坑道形状对塑性区的影响,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,不同形状坑道的应力集中系数,坑道开挖后如果不加支护,坑道围岩将会经过应力集中形成塑住区向坑道内位移塑性区进一步扩大坑道围岩松弛、崩塌、
18、破坏等几个过程。这个过程视围岩的性质、坑道尺寸和形状,有长有短。也并不是所有坑道破坏都要经过上述几个阶段。例如在整体、坚硬的脆性岩体中可能形成自稳坑道。在松散岩体中,坑道会迅速达到崩塌等。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,(二)、毛洞的稳定性及其破坏 无支护坑道岩体有三种丧失稳定的形式:(1)局部崩塌:主要是由地质构造上的原因造成的。由于围岩松弛的自重作用,超过它们脱离围岩自身的阻力而在顶部,较少的在侧壁造成局部崩塌。(2)拱形崩塌:由于自重应力场开挖后形成的二次应力场即应力集中造成围岩破坏而形成的崩塌。在这种情况下,围岩破坏一般从坑道侧壁开始,同时围岩的破坏和位移也可能
19、发生在顶部和底部。属于强度破坏之例。(3)变形持续增大:在塑性性质显著的围岩中,稳定的丧失是由于塑性变形产生过度的位移,但无明显的破坏迹象。破坏通常是从底部开始的,而逐步影响到侧部和顶部。主要在软岩及膨胀性或挤入性围岩中发生。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,坚硬完整的岩体,应力分布与理想的弹性连续介质极为接近,应力超过岩石强度就认为不稳定。如果岩石具有塑性性质,则其稳定性分析基础就应是弹塑性模式的应力应变状态。对脆性岩体:目前主要是用统计方法研究坑道周边岩体局部破坏并形成崩塌的过程。把崩塌的计算参数与标准值相比较,得出无支护坑道正常使用的可能性。参数有:崩塌尺寸和出现大
20、尺寸崩塌的概率,有些研究指出,在这种情况下,可用下式判断无支护坑道的强度。,PN(S容许)0 P容许,式中:S容许现行规范允许的无支护坑道崩塌尺寸;N(S容许)坑道周边上尺寸SS容许的崩塌数量;PN(S容许)0在坑道周边出现SS容许崩塌的概率;P容许规范允许出现这种崩塌的概率。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,前苏联S容许及P容许的建议值,在脆性围岩中,围岩强度条件产生的正常使用的破坏,比周边位移达到的极限值要来得早一些。因此在脆性岩石中通常都是以强度条件为破坏标准的。目前,一般认为在脆性岩体中坑道稳定性多数是以侧壁开始出现破坏(压裂、剪切破坏)作为标准的。其值可由沿坑道
21、周边出现的最大切向应力和岩体强度的比值来决定:KHRb 或 H/RbS,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,对塑性岩石:岩石的塑性可以用沿最大主应力方向的残余变形的极限值或总变形的极值(图)来表示.弹塑性围岩的应力应变曲线图具有塑性性质的围岩稳定性的标准可由下式确定:KHRbKy,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,总结以上,在定性评价时,可根据压力显现形式、围岩性质等参考表对坑道的破坏形态以及围岩的力学动态加以初步判定。坑道稳定性的定性评价表,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,此外,目前在评价坑道稳定性时有时采用掌子面的自稳时间作为一个
22、判定指标。根据铁路隧道的实践,提出的坑道自稳时间的大致基准,可作为参考。坑道自稳时间实例,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,有效宽度指无支护地段的长度(m),虚线标志的范围是适用限界。图中代表围岩分级的级别及应采用的 支护结构类型。此分级在欧洲一些国家应用较多。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,三、支护后围岩的应力状态,坑道围岩的三次应力状态也就是支护参与工作后的围岩应力状态。它对支护结构设计具有直接而重要的影响。坑道开挖后的应力状态,前已指出有两种情况:一种是开挖后的二次应力状态仍然是弹性的,在这种情况下,原则上坑道是自稳的,是无需支护的,即使支护也
23、是防护性的。一种是开挖后坑道围岩产生塑性区,此时坑道都要采取相应的支护结构,来提高围岩的自支护能力。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,(一)、支护阻力对坑道周边应力分布的影响 坑道施加初期支护后,在理论上可以把它抽象为相当于在坑道周边上施加一阻止坑道围岩变形的阻力,在这个支护阻力的作用下,改变了围岩开挖后的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有很大的影响。为了便于分析假定:1、不管何种支护结构,其作用都抽象为支护阻力P;2、其作用方向假定为径向的,实际上还有切向的;3、支护阻力沿坑道周边均匀分布的,并作用在全周边上;4、支护的作用上在坑道开挖后立即发挥的。,
24、北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,(1)在弹性应力状态下,当坑道周边有径向阻力pa时,周边应力r和t 的表达式是由两部分组成的,即:ry(1-2)+pa ty(1+2)-pa 式中a/r。前一项是初始地应力场造成的,后一项是支护阻力pa形成的。,下面分两种情况来谈:,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,当=1,即r=a时 rpa t2y-pa 由此可见支护阻力的存在,使周边的径向应力增大,而使切向应力减小。实质上是使直接靠近坑道周边的岩体的应力状态从一维(或二维)受力状态变成二维(或三维)受力状态,因而提高了围岩的承载能力。实质上就是提高了围岩的自支护能力
25、。(2)在塑性应力状态下,当坑道周边有径向支护阻力pa时,其应力值和塑性区范围也有所变化。如塑性区范围ro可由下式决定:,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,ro=a2/(+1)(y(-1)+Rb)/(pa(-1)+Rb)1/-1 式中:(1+sin)/(1-sin),周边作用有支护力时坑道的塑性区,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,上式表达了在其条件(Rb、a)已知时,径向支护阻力pa与塑性区ro之间的关系。该式说明,随着pa的增加,塑性区ro相应减小。这说明径向支护阻力pa的存在对形成塑性区的范围有直接的影响。它限制了塑性区域的发展,这是支护阻力的一个
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