支护结构的岩体力学计算方法.ppt

隧道工程力学原理,做你该做的事情，,不要问结果如何。,英国诗人 赫伯特,第六章 支护结构的岩体力学计算方法 主要对锚喷支护进行设计 计算模型：地层结构模式，即结构处于无限 或半无限介质中，支护结构镶嵌在围岩空洞上（相 当于加劲环）所组成的复合模式。此模式中，支护 结构与围岩相互作用，组成一个共同承载体系，其 中围岩为主要的承载结构。 将衬砌结构、回填层及围岩视为一个在外荷载 作用下互相制约的受力变形体系地层-结构模式- 整体分析模式。 荷载-结构模式将支护结构与围岩“分割”开 来，即把围岩视为产生荷载，而支护结构（衬 砌）则承受围岩产生的荷载，这是不尽合理的，,隧道工程力学原理,例如，在无支护坑道中，坑道围岩本身就是承 载结构，其工作状态接近于半无限或无限介质中的 孔洞。 “新奥法”的根本点就是充分调动围岩自身承受荷 载的积极性，或者说充分利用围岩自身承受荷载的 能力。 支护结构与围岩的相互作用与下列因素有关： 岩体的初始应力状态 岩体的特性 支护结构的特性 支护结构与围岩的接触条件 支护结构参与工作的时间 施工技术 此模式的求解方法主要有数值法、剪切滑移破坏 法和特征曲线法。,隧道工程力学原理,6.1 数值法 有限单元法，取35倍洞径范围进行分析。 可简化为平面应变问题，各向同性的均质弹性 体，或弹塑性体，或粘弹塑性体。 单元类型：三角形、四边形、回填的弹簧单 元、锚杆的梁单元、防水层的节理单元、衬砌 梁单元、各种体单元。,6.2 剪切滑移破坏法 60年代初，奥地利的拉布塞维奇教授，首先提出了剪切滑移破坏理论，指出锚喷柔性支护破坏 形态主要是剪切破坏而不是挠曲破坏，且在剪切破 坏前没有出现挠曲开裂。 一、剪切滑移体的形成 开挖一圆形坑道，在荷载（垂直荷载大于侧向荷载）作用下，在水平直径的两侧形成压应力集中而产生剪切滑移面。随着压应力的不断增加，剪切滑移面不断地向水平直径的上下方且与最大主应力轨迹线成45o- /2 （ 是围岩的内摩擦角）方向扩展。由于围岩受剪而松弛，产生应力释放。当围岩的应力较小，剪切滑移面不再继续扩展时，则在坑道水平直径两端形成两个剪切楔形滑移块体。,在无支护情况下，两楔形滑移块体，由于剪切面与围岩体分离，向坑道内移动。之后，上下部分围岩体由于楔形块体滑移失去支撑力，产生挠曲破坏而坍塌。最后形成一个暂时稳定的垂直椭圆形洞室。 当水平侧向压力大于垂直压力时，则形成水平椭圆形洞室。,剪切滑移体一定位于塑性范围内。 剪切滑移面与最大主应力轨迹线成45- （ 是围岩的内摩擦角），计为：,设在剪切滑移线上任取一点i，该点处的半径为r，与垂直轴的夹角为 ，当 增加一个 时，r 的增量为 ，由于 和 值很小，近似求得： 积分： 得 故： 可见剪切滑移体为一对对数螺旋线组成，其曲线方程式为： 为阻止剪切滑移体向坑道内滑移，需修筑锚喷 支护以稳定坑道。,二、剪切滑移破坏法的计算 锚喷支护所提供的支护抗力必须与剪切滑移体的滑移力相平衡，即总支护抗力： 为阻止剪切滑移体滑移所需要的最小支护抗 力值。 确定 的途径有： 由现场实测的塑性区半径r求（按重力平衡 条件求） ； 根据坑道周边的允许位移值求 ； 实地量测形变压力作为 ； 根据围岩特征曲线求 。 假定P的作用方向为水平方向, 喷砼提供的支护抗力值 喷砼抗力是指沿剪切面喷层所提供的平均分配 在剪切区高度b上的抗剪力。 剪切滑移体向坑道方向移动时对喷层产生水平 推力，此时，如喷层强度不足，则在剪切滑移体的 上下边缘处（应力集中区）形成两个剪切滑移面。 当处于受力极限平衡时，其水平推力与两个剪切面 上的水平抗剪分力相平衡， 即： 而,故 式中 为喷砼层的厚度 为喷砼抗剪强度，取 （ 为抗压强度） 为喷砼的剪切角，取 =30 b 为剪切区高度 为剪切滑移面的平均倾角， ， , 为岩体内摩擦角, 钢支撑提供的支护抗力值 计算时可换算成相应的喷混凝土支护抗力，即： 式中 为每米隧道钢材的当量面积 为钢材的抗剪强度，一般取 （或 =15 ） 为钢材的允许抗拉强度 为钢材的剪切角，一般取 =45, 锚杆提供的支护抗力值 锚杆的受力破坏有两种情况： 锚杆体本身的强度不足而被拉断。此时锚杆 提供的平均径向支护抗力 为： 式中 F 锚杆的断面积 锚杆的抗拉强度 锚杆纵向及横向间距 锚杆的粘结破坏，即砂浆锚杆与锚杆孔壁之 间粘结力不足而破坏。此时锚杆提供的平均径向支 护抗力 为： 式中，S为锚杆拉拔力，由锚杆拉拔试验求得,对于 的取值，在围岩好时取第一种情况，否则取第二种情况。 由于在0范围内的锚杆才能对剪切滑移体产生抗力，则： 为集中力，现化成为剪切区高度上b/2的分布 力，则： 将代入上式有： 或, 围岩本身提供的支护抗力值 剪切滑移体滑动时，围岩在滑面上的抗滑力， 其水平方向的分力在剪切区高度b/2上的抗力 为： 式中 为剪切滑移体长度，其值为 = , 为加固带宽度 由剪切滑移体曲线方程有： 即： 两边取对数有：,取l为形成加固带时锚杆的有效长度，t 为锚杆横向间距，有： 为剪切滑移面的平均倾角，取经验数据： l 为形成加固带时锚杆的有效长度。 、 分别为沿滑移面的剪切应力和垂直于滑移面 的正应力，它们按摩尔包络线为直线时的假定求 出。,由于 将 代入上式得： 上式中的径向主应力 值随剪切滑移面上的位置 而变化，难以确定，所以假定 等于各支护结构 所提供的径向支护抗力之和。 即： 式中： 喷砼层提供的径向支护抗力,钢支撑提供的径向支护抗力 锚杆提供的径向支护抗力,计算实例：已知某隧道的数据：岩石内摩擦角 =30， , a=2.9m， =0.2m， =30，钢拱支撑为H150150 型钢，截面积 =40.14 ， =9100 剪切角 =45,l=2.12m （粘结式锚杆），纵向间距e=1.0m，横向间距 t=1.139m ，锚杆拉拔力取15t 。 解： 求剪切角 =45-15=30 做楔体型滑动岩块的剪切滑动轨迹。 用公式