第7章-岩石地下工程.ppt

1,概述地下工程围岩分类及地下工程类型地下工程围岩应力地下工程围岩体的破坏机理地下工程支护设计,岩石地下工程,2,一、概述,岩石地下工程定义：,是指在地下岩石中开挖并临时或永久修建的各种工程(如地下井巷、隧道、地下仓库，地下发电厂，地下飞机库地下核废料存储库等),3,一、概述地下工程的特点,共同特点：在岩体内开挖出具有一定断面和尺寸，在地应力条件下构筑的洞室。地下工程周围岩体(围岩)的稳定性决定着地下工程的安全和正常使用。,围岩：应力重分布影响范围的岩石,初始应力影响(载荷先于结构)开挖是第一道工序洞室的几何形状,4,一、概述地下工程的特点,地下工程特点：,与地面工程所处环境条件截然不同,地质条件：地质条件不完全清楚；工程涉及范围大荷载特性：地应力不确定，受结构影响、施工影响；结构特性：受力结构不明确，几何不稳定结构可能与围岩共同作用稳定材料特性：岩体非均质、非连续、各向异性、时间效应施工影响：在荷载不确定下施工，开挖、施工影响围岩稳定性,5,地下工程围岩分类(围岩分级)：根据地下工程的性质与要求，将围岩体的某些属性加以概略的划分。,围岩分类的目的：整理和传授复杂岩石环境中开挖地下工程的经验；可将以地质条件为主的分散的实践经验加以概略量化；是应用前人经验进行支护设计、选择施工方法的桥梁；是计算工程造价和投资的依据。,二、地下工程围岩分类及地下工程类型,6,地下工程围岩分类,7,二、地下工程围岩分类及地下工程类型,地下工程埋深,浅埋地下工程,深埋地下工程,深埋地下工程,地下工程自身影响达不到地表的，称为深埋。反之浅埋,埋问题,浅,深,8,地下工程围岩稳定定义：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。,地下工程围岩稳定性可分为两类,自稳：不需要支护围岩自身能保持长期稳定,人工稳定：需要采取措施才能保持围岩稳定,围岩内危险点的应力和位移,三、地下工程围岩应力,9,在巷道侧帮，愈接近自由表面，径向应力越小，至洞壁处变为零；切向应力愈大，至洞壁处达最高值，即产生所谓压应力集中。在巷道顶部，愈接近自由表面，切向应力愈低，有时甚至于在洞壁附近出现拉应力，产生所谓拉应力集中。,理论与实验表明：地下洞室开挖，洞壁处的应力集中现象最明显；地下工程围岩应力重分布特点主要取决于地下工程的形状和岩体的初始应力状态。,=0.25,=0.25,切向应力,径向应力,35r0,三、地下工程围岩应力,10,三、地下工程围岩应力,地下工程稳定中的力学概念本构关系概念：在力学范畴内讨论变形的相应关系基本力学关系根据材料性质及其工程影响，可分为：1)弹性(线弹性、完全弹性与滞弹性)2)塑性或弹塑性(理想弹塑性和弹脆性；具有硬化、软化性)3)粘性(粘弹性、粘塑性、弹-粘塑性、粘弹塑性),11,三、地下工程围岩应力,地下工程中的一些力学分析特点：1)弹性、塑性(理想塑性)、破碎体2)强度条件与破坏条件：具有软化性的不一致性3)平面问题的概念及其意义平面应变与平面应力问题概念，隧道与长巷道4)半无限体与无限体问题地基和浅埋的地下工程，深埋的地下工程,平面应变,平面应力,12,三、地下工程围岩应力,地下工程围岩应力分析：,轴对称圆形巷道弹性应力分析一般圆形巷道弹性应力分析椭圆形巷道弹性应力分析矩形和其它形状巷道周边弹性应力分析,弹塑性应力分析（轴对称圆巷）,13,三、地下工程围岩应力轴对称圆形巷道,1)基本假设轴对称条件(圆巷、原岩应力轴对称(静水压力)分布)线弹性平面问题条件(长巷道(平面应变)、均质连续、各向同性、线弹性围岩体)无限体问题条件(深埋,Z20R0),弹性力学：轴对称平面应变圆孔问题,14,三、地下工程围岩应力轴对称圆形巷道,2)基本方程平衡方程：几何方程：物理方程：3)边界条件r=R0，r=0；r=，r=p0(Z)4)结论,通解,待求：,15,三、地下工程围岩应力轴对称圆形巷道,应力重分布结果,次生应力场,1)次生应力场也是轴对称场(与无关)；2）巷道周边处于单轴受压(r=0)状态，并有最大应力集中(=2p0，即应力集中系数k=2)，且与巷道半径大小无关；3)如岩石是弹脆性材料，当=Sc（单轴抗压强度）时巷道周边岩石将发生破坏；4)新应力场分布和弹性常数E，无关，与相对半径的平方(R0/r)2相关；巷道影响范围为(35)R0。,讨论：,16,三、地下工程围岩应力一般圆形巷道,I轴对称,II,Z20R0,基尔希(G.Kisrch)解的迭加(1898年),17,三、地下工程围岩应力一般圆形巷道,公式5-3，p.126,讨论：1)当=1时，公式和轴对称情况一致；,18,2)周边应力（r=R0）：径向应力r=0,剪应力r=0切向应力与有关，不再轴对称分布。当1时，坐标轴转动900后，讨论同上；可见，值对洞室周边切向应力分布起着决定性作用(见下页图示),一般圆形巷道弹性应力分析,19,三、地下工程围岩应力一般圆形巷道,20,三、地下工程围岩应力椭圆形巷道,椭圆巷道弹性应力分析1)讨论椭圆巷道的意义：维护巷道2)椭圆巷道周边切向应力公式：（注意：p0和椭圆竖轴一致）,p0p0p0p01,椭圆轴比,为洞室周边某一计算点和椭圆中心连线与垂直轴的夹角,21,三、地下工程围岩应力椭圆形巷道,k=1/,=p0+p0,等应力轴比,p0p0p0p01,=1时，k=1，a=b，最佳断面为圆形=1/2时，k=2，a=b/2，最佳断面为b=2a的竖椭圆=2时，k=1/2，a=2b，最佳断面为a=2b的横椭圆,最佳轴比,22,三、地下工程围岩应力椭圆形巷道,当不能满足最佳轴比，若能找到满足不出现拉应力的轴比，即零应力（无拉应力）轴比也是很不错的。方法：通常使巷道顶点和两帮中点要害处切向应力为0结论：当1时，横轴顶端最危险，k2/(-1)。,p0p0p0p01,顶点,中点,23,三、地下工程围岩应力矩形和其它形状巷道,基本方法：弹性力学复变函数方法一般特点：周边应力大小与弹性常数E，无关,与巷道断面的绝对尺寸无关。直线段容易出现拉应力；拐角处容易有应力集中。应用方法：查表计算(数值方法),24,三、地下工程围岩应力弹塑性应力分析,轴对称圆巷围岩弹塑性分析解析过程基本假设：深埋、圆巷、原岩应力(静水压力)轴对称线弹性-理想塑性体强度条件：库伦准则,r=R0,r,25,三、地下工程围岩应力弹塑性应力分析,塑性区：,基本方程：,弹性区：,库伦准则：,边界条件：r=R0r=0(不支护)；r，r=p0弹塑性边界r=Rp：,r=R0,通解特解解答,两个方程两个未知数,Rp,rp,re,26,三、地下工程围岩应力弹塑性应力分析,代入,塑性区应力,弹性区应力,r=Rp时,r=Rp时,可求得塑性区半径,27,三、地下工程围岩应力弹塑性应力分析,塑性区半径：,28,三、地下工程围岩应力弹塑性应力分析,r=R0r=0(不支护)r=R0r=P1(支护),1)塑性区内应力分布情况和p0无关，且各点应力圆和强度曲线相切2)RP和p0成为正变关系，RP和R0成正比关系；3)P1=0时，RP有最大值4)RP和岩石性质有关。,29,四、地下工程围岩体的破坏机理,地下工程开挖使围岩性状发生很大变化，如果围岩体承受不了重分布应力的作用，围岩就会发生塑性变形或破坏。,围岩体主要破坏形式：1、围岩整体稳定，可能有局部掉落。（爆破震动、局部裂隙切割）2、脆性断裂破坏拉裂破坏，一般在洞顶。3、松散、冒顶、片帮自然拱4、围岩膨胀底鼓5、形成塑性滑移面,30,四、地下工程围岩体的破坏机理,地下工程开挖使围岩性状发生很大变化，如果围岩体承受不了重分布应力的作用，围岩就会发生塑性变形或破坏。,在一些软岩岩层中，洞室开挖后，洞侧壁围岩在二次应力下，由于压剪力作用侧壁围岩也可能从洞侧两边因挤压而滑落出来，形成压剪破坏，破坏区在洞两侧对称破坏,31,四、地下工程围岩体的破坏机理,地下工程开挖使围岩性状发生很大变化，如果围岩体承受不了重分布应力的作用，围岩就会发生塑性变形或破坏。,自然冒落拱,松散岩层中的冒顶现象,脆性裂隙岩体巷道围岩顶部掉块,32,四、地下工程围岩体的破坏机理,地下工程开挖使围岩性状发生很大变化，如果围岩体承受不了重分布应力的作用，围岩就会发生塑性变形或破坏。,软岩巷道围岩的膨胀现象,软岩巷道严重底鼓现象,33,四、地下工程围岩体的破坏机理,HOEK(1965)认为当-3-Rt时发生拉伸破坏。,破坏主要表现为：拉伸和剪切破坏。地下工程围岩体的变形破坏，取决于：(a)初始应力；(b)开挖断面形状；(c)围岩的岩性和结构。,剪切破坏机理：,34,五、地下工程支护设计,地下工程围岩将产生变形、松弛、错动、挤压、断裂、下沉或坍塌等破坏现象，为了防止围岩变形破坏现象，必须对地下工程围岩进行必要的支护或衬砌，以约束围岩变形或破坏的继续扩展，那么洞室的支护或衬砌必然要受到围岩的压力。,35,五、地下工程支护设计围岩-支护共同作用原理,岩石会破碎，围岩可能出现两种极限情况：1)支护及时作用，围岩变形受到支护作用而平衡2)支护不及时，围岩破碎冒落；,围岩-支护共同作用概念：支护所受压力和所产生的变形来自破裂岩体对支护的作用，反过来，支护以自己的刚度和强度抑制岩体变形和破碎的进一步发展。这种相互耦合或相互影响的情况称为“围岩支护共同作用”。,围岩-支护共同作用原理：围岩既是支护荷载的主体，又是承受岩层荷载的结构，支护-围岩作为整体相互作用，共同承担围岩压力。摒弃了过去岩体作为对支护结构的荷载采用厚衬砌的传统做法。,36,五、地下工程支护设计围岩-支护共同作用原理,围岩压力是支护结构与围岩之间相互作用、共同变形的产物。围岩压力的大小不仅与围岩性质及变形有关，还与支护时机及支护结构的刚度有关。支护越早、支护刚度越大，越能有效抑制岩体变形，但围岩压力较大；适当延后支护，或降低支护结构的刚度，允许岩体剪胀变形得到一定程度的发展，围岩压力将较小，对支护材料要求降低。,Umax,充分发挥和增强围岩的自承能力,37,五、地下工程支护设计围岩压力的计算,围岩压力(地压)的确定是地下工程支护设计的重要步骤，如果没有对地压的正确估计，也就不可能合理设计支护衬砌的尺寸。虽然有了许多探索，但由于围岩压力复杂的影响因素，至今为止，关于围岩压力的计算问题仍没有得到圆满解决。然而从工程实用角度出发，总需要一种简便方法，虽不能精确估计，但能对工程上所需要的主要数据给出其近似估计值也好。所以，前人在一定的假定或简化条件下，给出了围岩压力的计算公式，这些公式都是在特定的条件下满足工程要求，也有待在实践中加以完善。,38,五、地下工程支护设计围岩压力的计算,a)普氏理论压力拱理论,基本假定：岩体因纵横交错节理裂隙及各种软弱结构面的切割，破坏了岩体的整体性。因此，可将岩体看成具有一定黏聚力的松散体，其次认为洞室开挖后其顶部破坏岩体塌落形成压力拱。支护的围岩压力就是拱内岩石的重量。,普氏系数：f=tan=c/10c为岩石单轴抗压强度(MPa),39,五、地下工程支护设计围岩压力的计算,地压计算：公式的推导原理：拱平衡，确定拱曲线两帮稳定时计算公式：顶压集度简化公式：p=h=b1/f顶压：Q=2b1p=2b12/f其中h：免压拱(定义)高度3)结论：普氏地压就是免压拱内岩石重量,a)普氏理论压力拱理论,yT=1/2(px2)hT=1/2(pb12),MM=0,Fy=0,Fx=0,MA=0,V=pb1,T=F,F-岩石对拱脚向外移动的最大摩阻力，FfV=fPb1,/,为安全起见，TF，采用T=0.5F,T=0.5fpb1,h=b1/f,b1,40,五、地下工程支护设计围岩压力的计算,顶压集度：q=h=b1/f,顶压集度：q=h=b2/f,两帮稳定时,两帮不稳定时,Q=2b1q,Q=2b2q,侧压按土力学中朗肯土压力公式,a)普氏理论压力拱理论,41,五、地下工程支护设计围岩压力的计算,普氏估算公式应用1)围岩破碎2)地压与巷道的深度无关（由公式可知）3)由巷道宽度确定,a)普氏理论压力拱理论,q=h=b1/f,42,五、地下工程支护设计围岩压力的计算,b)太沙基理论,基本假定：由于岩体一般总是有节理裂隙、层理等软弱结构面切割，又由于洞室开挖施工的影响，洞室围岩不是一个非常完整的整体，因而假定岩土体为具有一定黏聚力的散粒体，然后再从应力传递概念出发推导作用于衬砌上的垂直围岩压力。,2b,假设洞顶部AB处出现垂直破裂面AD和BC，并延伸至地表，在这种柱状松散体ABCD中，切取厚度为dZ的薄片，当薄片向下产生滑移时，其两端的摩阻力dF就将薄片的位移影响传至两侧岩体，从而引起所谓的应力传递现象。,43,五、地下工程支护设计围岩压力的计算,b)太沙基理论,据库伦准则：,2b,据薄片单元在垂直方向上的平衡条件，可得：,44,五、