岩体力学-第六章 地下坑硐PPT

1、第六章地下坑硐地下坑硐：隧道，巷道和竖井统称为地下坑硐，是一种有围岩及支护结构组成的岩体工程结构地下坑道：隧道和巷道的力学问题相同，统称为地下坑道。地下坑硐的稳性性问题：是一个重要的研究内容，满足最大应力和位移小于所允许最大应力和最大位移。第六章地下坑硐围岩和次生应力场：在岩体中的各种坑道，开挖打破了岩体原始应力平衡状态，在其周围一定范围内的岩体中发生应力重分布，通常将这部分岩体叫围岩。围岩中的应力场叫次生应力场。应力重分布：从原岩应力到新的平衡应力的过程叫应力重分布，经应力重分布后形成的新的平衡应力交次生应力或诱发应力。围岩应力计算方法：弹性力学方法，有限元和边界元方法计算假定：岩体均质连续

2、各向同性。地下坑道无内压圆形坑道围岩应力分布设计坑道断面形状时，断面长轴最好平行于原岩最大主应力方向较好，在坑道断面轴比为等应力轴比最好。坑道围岩与衬砌的应力分布计算圆形坑道围岩无内压坑道围岩椭圆形坑道围岩有内压坑道围岩矩形和其他形状坑道围岩无裂隙围岩有裂隙围岩地下坑道模式二模式一边界条件()0 ()2()0 ()0rrrrqprarbrarb()0 ()cos22()0 ()sin22rrrrqprarbqprarb 边界条件2qp2qp2qp2qp( ) r2211 0rrrddr drr dr2221()0dddrr dr相容方程应力函数应 力221 ln ( )1( )( ) ( )(

3、 )( )( )( )( ) ( )( ) ( )tre tr t rrrt t rtrttrt t rt t rr22222222223422222344324321()0()0()2()0440ttttttdddrr drddeedtdtdddeeeedtdtdtddddtdtdt22lnlnArBrrCrD22(12ln )2(32ln )20rrrABrCrABrCr 应力函数模式一模式一边界条件()0 ()2()0 ()0rrrrqprarbrarb2222(1)2(1)20 rrraqpraqpr( )cos2f r22222211(+)0rrrr相容方程应力函数422DArBrC

4、r242422446cos2 (2)6cos2 (122)26sin2 (62)rrrCDBrrDArBrCDArBrr 边界条件()0 ()cos22()0 ()sin22rrrrqprarbqprarb 2222442424(1)(1 3)cos22(1 3)cos22(123)sin22rrqpaarrqparqpaarr 模式二22322323232424(1)(1 43)cos222(1)(1 3)cos222(123)sin22rrpqaqpaarrrpqaqparrpqaarr 采用叠加方法求得：2222(1)2(1)20rrraqpraqpr2222442424(1)(1 3)

5、cos22(1 3)cos22(123)sin22rrqpaarrqparqpaarr 模式一模式二22322323232424(1)(1 43)cos222(1)(1 3)cos222(123)sin22rrpqaqpaarrrpqaqparrpqaarr 0(1)2(1)cos2 rrpp q为侧应力系数r cos222cos222sin22rrpqqppqqppq 0a ra3.不出现拉应力条件1331.2.4 .12222(1)(1)0rraprapr讨论：.切向应力和法向应力的分布和角度无关，都为主应力.应力大小与弹性常数无关，因为假定为匀质弹性体。.坑道周边法向应力为零，切向应力最

6、大，应力集中系数为。.通常认为，考虑岩体的构造的影响，地下坑道影响区为坑道直径的倍范围，在这个范围之外，岩体处于原岩应力状态。围岩应力分布图：轴对称情况下圆形巷道围岩应力变化曲线。p2pr(3 5)aa无内压椭圆形坑道周边应力分布图（具体推导弹性力学吴家龙高等教育出版社，第八章平面问题的复变函数解答）222222220 (2)cossin(21)sincossincosrrp m mpmmmmb a等应力轴比：使巷道周边应力均匀分布时的椭圆竖向轴与水平轴长之比。椭圆水平竖向轴长比为侧应力系数的倒数结论：等应力轴比：设计坑道断面形状时，断面长轴最好平行于原岩最大主应力方向较好，在坑道断面轴比为等

7、应力轴比最好。011(1) rrpmm等应力轴比时切向应力：无内压矩形形坑道周边应力分布图.可用复变函数方法求解，但是比较复杂.顶底板中点水平应力在周边附近一定范围内为拉应力，越往围岩内部，拉应力逐渐减小，然后又转化为压应力，到围岩与原岩边界处。.顶底板中点铅垂应力为零，越往围岩内部，应力越大。到围岩与原岩交界处.两帮中点水平应力为零，越往围岩内部，应力越大。.两帮中点铅垂应力达到最大值，往围岩内部，应力逐渐减小。小结：无内压坑道周边应力分布规律.断面形状的影响对应力集中的影响。周边附近应力集中系数最大，远离周边应力大小朝原岩应力靠拢，倍坑道半径处围岩应力接近原岩应力。. 围岩应力受侧应力系数

8、和断面轴比的影响。即外力和坑道断面形状的影响，与弹性常数无关。3.断面形状的影响围岩应力分布均匀性的影响。4.坑道影响半径随着坑道半径增大而增大5.爆破对其的影响有内压坑道围岩和衬砌应力计算.内压引起的时围岩附加应力计算222222222222222222222222()()()()()()()()iiiiiriaiiiiaiirararrpprarrarrararrpprarrar.无裂隙围岩刚度系数法：围岩的刚度系数k，在衬砌外围处，围岩变形和衬砌变形相等。1(1)caccrcuE 2222422221(1 2)1(1 2)(1)(1) s=ccccaiacciitst stuapapEs

9、 tEs tartrr22222212222222222221222222()()()()()()()()iiiiiriiiiiiirararrkprarrarrararrkprarrar222 s=(1)(1)2(1)(1)iicciaacartstrrpp tuaEtt.无裂隙围岩刚度系数法：围岩的刚度系数k，在衬砌外围处，围岩变形和衬砌变形相等。aapuk212222(1)(1)(1)(12)cccckakE tttka()zcr 围岩和衬砌位移相等:.内压分配法内压分配系数:内压通过衬砌传到围岩上去的一部分内压。围岩不破坏，围岩对衬砌不会产生主动力，仅会被动承受衬砌传来的压力。aipp

10、1aauapE222212(1)121(1)(1)ccccttaaEttE22222(1)(12)(1)(1)(1)ccccEttaEtE有裂隙围岩有径向裂隙时，环向应力为零，径向应力不变围岩和衬砌位移相等:坑道围压稳定性分析与计算原则：根据不同围岩结构采用不同的方法完整结构采用弹塑性力学分析方法；块状结构采用块体平衡理论分析方法；碎裂和散体结构采用松散体力学额分析方法围岩破坏方式：一是在坚硬、 脆性整体的围岩中， 产生岩爆、 剥离等脆性破坏； 二是在坑道附近围岩内形成塑性应力区域， 产生塑性剪切滑移破坏塑性(plastic)应力区域的形成是由多数围岩具有塑性这一性质造成的剪切破坏面(曲线)计

11、算：各向同性岩体围岩破坏形式 剪切体长度坑道围压稳定性分析与计算c()cotraetanrddr02cos(1)2(1)cos21 sinCp0(1)cos22 (1)cpp边界条件： 等角螺线 坑道围压稳定性分析与计算0()cot2Laea0()cot rae02()cot 2r ae 水平投影长度：20()cot2Laea水平投影长度：01,取最大值，得破坏从顶板开始1,取最大值，得破坏从两帮开始圆形坑道围岩应力弹塑性分析：假定：深埋圆形平巷无限长；原岩应力各向相等；围岩为理想弹塑体各向同性或横观各向同性；各向同性圆形坑道围岩应力分析也称为卡斯特纳方程塑性区应力满足径向平衡条件和摩尔库仑破

12、坏准则以及应力边界条件弹性区应力满足应力平衡条件和应力边界条件。2sin(cot )1 sinrrc()22rdrddrdrrddrr径向平衡条件摩尔库仑破坏准则应力边界条件00RR塑性区弹性区 2sin(cot )1 sinrrddrrc2sin1 sin2sin1 sincot( )cot1 sincot( )cot1 sinriirpccarpcca(cot )2sin1 sin(cot )rrdcdrrc2sinlnln(cot )1 sinrrc2sin1 sin(cot )rcAr2sin1 sin(cot )( )(cot )ricrpca弹性区应力塑性区半径2200002222

13、000022(1)(1 sin )cos(1)(1 sin )cosrRRppcrrRRppcrr2sin1 sin2sin1 sincot( )cot1 sincot( )cot1 sinriirpccarpccaR0a(p0ccot)(1sin)(piccot)2sin1sin塑性区应力交界处径向应力相等22000022002sin21 sin0(1)(1 sin )coscot()cotiRRppcRRRpcca1 sin2sin00(1 sin )coscotcotipccRapc塑性区内，径向压力和切向压力均随着半径增大而增大，弹性区内，径向应力随半径增大而增大，切向相应随半径增大而

14、减小。松弛区：在坑道周边半径为的范围内塑性区切向应力小于，意味着这部分围岩中应力已经发生了松弛，不能承受比原岩应力更大的力，称为松弛区。松弛区半径：切向应力等于原岩应力Rap0ccotpiccot1sin1sin1sin2sinaR0RiPr0P弹性区总承压区松弛区承压区R0a(p0ccot)(1sin)(piccot)2sin1sin1.围岩分为塑性区和弹性区，塑性区分为松弛区和承压区。2.围岩圈的三个半径：a（坑道半径）,R0(塑性区半径)，R1(围岩半径)3.围岩塑性区分为松弛区和承压区,相应的半径我a(坑道半径)，R(松弛区半径) ,R0(塑性区半径)4.三个半径处对应的径向和切向应力

15、大小围岩与支护相互作用原理及围岩压力计算：围岩应力:当围岩变形达到稳定时，围岩对支护结构的作用力叫围岩应力。 在支架与围岩紧密接触的情况下，围岩与支架共同承担原岩应力。为了充分发挥原岩的自支承作用，应根据围岩变形特性，在不是围岩发生松脱的情况下，尽量采用柔性支架，并及早进行支护。pi(p0ccot)(1sin)(xaua)1sin2sinccotx32E(p0sinccos)ua32E(p0sinccos)R0a2a支架特征曲线和支架刚度系数：222(1)(1) 12ccaccccpk uE tkatt围岩围岩特征曲线：根据变形协调条件和塑性区体积不变的假定，得到围岩位移与支护反力之间的关系，

16、称为围岩位移特征曲线。围岩位移特征曲线：横向各向同性体横观各向同性体：层状结构中的岩体，如板岩、薄层沉积岩等等，在沿着板理和层理方向的力学性质相同，但与垂直板理和层理方向的力学性质不同，可看成横观各向同性体。围岩破坏形式：顶板弯折模型，底板鼓起模型，斜顶弯折模型，边墙弯曲溃屈模型四种222232m ax222 (tan)1 2tan6 (sin)2 4sin32 (1co s)8co s6fo o tcen tMq LVVMVVq LVVMVVPVLE dq LVMVVMppd总边墙弯曲溃屈模型简化为板条模型的稳定分析，用欧拉稳定公式计算顶板弯折模型简化为两端固定的均布荷载梁，用结构力学方法计

17、算2212crEJPqLL 硐室顶板围岩结构实体比例投影硐室顶板围岩结构实体比例投影预测结构体的大小及其稳定性总的步骤.作断层的赤平投影图.作结构体的水平投影图.作结构体的横剖面4.初步稳定性分析3T2T1T1B1A1C1F3F2F1O1D1G2D2G2OT2B2A2H1H已知三个断层F1、F2、F3，导硐中心线T，过顶点的横断面DG；断层F1、F2、F3与导硐中心线T的交点之间的距离。硐室顶板围岩结构实体比例投影硐室顶板围岩结构实体比例投影1F2F3FABCDGTO硐室顶板围岩结构实体比例投影硐室顶板围岩结构实体比例投影；预测结构体的大小及其稳定性预测结构体的大小及其稳定性作图步骤作图步骤作

18、断层F1、F2、F3，导硐中心线T，过顶点的横断面DG的赤平投影图，得到断层交线哦OA,OB,OC,OD,OG作导硐的中心的平行线，量取迹线长度,交于导线上T1,T2,T3点； 过T1,T2,T3作断层与赤平面交线平行线，交于1,B1,C1。过A1,B1,C1作断层之间交线的平行线，交于O1点;过O1点作横断面与赤平面交线的平行线，交于GD点;过G、D点作垂直投影，交横断线与G2、D2点，过G2、D2作等于GD赤平投影的倾角大小的角度，交与O2作A1 B1的垂直投影与A2 B2；作导硐的中心线的垂直投影T，量取TH1=TH21.初步分析稳定性块体平衡理论分析法顶板危岩稳定分析：01102201

19、02122(sintan )(sintan )(sintansintan) cotcot122 cotcotVVFWFcLcLS ccSWSh两帮危岩稳定分析：122121221211120210122212021012coscos1122sin()coscossinsin2sin()cossin()coscostancostan2sin()TTTSWShSTWc STc BCSTW顶板危岩稳定分析： 松散体力学分析方法普氏平衡理论：基于自然平衡拱的存在而建立的方法。该需要假定拱形状曲线，如抛物线，双曲线等等拱线圈内的岩体满足静力平衡条件和摩尔库仑破坏条件0(cot(45)222vaHpaqa

20、f太沙基理论：在自重应力作用下，坑道两帮发生剪切破坏，形成直达地表的倾斜破坏面，引起坑道上方垂直岩柱体下沉，导致形成垂直破裂面。也叫谷仓理论。适合于软弱破坏岩体以及土体。11tan111(1)tancot(45)2 tanHavvacqeaa HacHq 坑道支护及监测技术坑道围岩与支护组合结构：坑道围岩与支护组成一个承载结构，相互作用，共同承担原岩应力，并维持自身的稳定。支护的力学作用原理是设计支护的基础，围岩压力，应力，变形和移动的测量，是设计支护和检验支护效果和可靠性的依据。支护类型和力学作用：离壁式支护：木支架，钢支架，混凝土砌碹以及钢筋混凝土支架很难与围岩紧密结合，支架与围岩一般只有

21、部分点接触和部分面接触。承受围岩的变形压力或松脱压力。喷锚支护：喷射混凝土使得裂隙和结构体重新粘接起来，起到了良好的加固作用，提高了表面围岩的整体性和强度；同时改善围岩应力状态，由二维应力状态变为三维应力状态。坑道支护及监测技术支护类型和力学作用：锚杆支护：按锚杆的受力状态分端部锚固式锚杆和全长锚固式锚杆端部锚固式锚杆：楔缝式、胀壳式和倒楔式锚杆都是将锚杆前端锚固在稳固围岩中，后端加垫板和螺帽，达到加固效果。全长锚固式锚杆：砂浆锚杆和摩擦式锚杆，锚杆全长与孔壁围岩之间具有粘接力和摩擦力。没有预应力，靠砂浆粘接力或锚杆与孔壁的摩擦力加固围岩。坑道支护及监测技术支护类型和力学作用：悬吊作用：在块状

22、结构岩体中，坑道开挖后，在顶板或洞壁往往出现危险结构体，可用锚杆群将其悬吊在稳固岩层上。 组合作用：层状结构中，锚杆如同连接螺栓，将薄岩层组合成厚梁，加之锚杆的拉剪作用销子作用，增大其抗弯刚度和承压能力。称为组合作用。挤压加固作用：在碎裂结构岩体中，以一定方式布置预应力锚杆群，各锚杆的预应力在锚杆两端产生一个锥形压缩区，连接起来。两端锥形压缩区之间岩体收到挤压，形成一个挤压加固带。喷锚联合支护：是软弱破碎岩体中一种最有效的支护方式。具有主动加固围岩，充分发挥围岩的自支承能力，良好的抗震性能等优点。围岩压力测量：弦测法和扁千斤顶法弦测法：(钢弦压力盒和频率仪）是一个广泛使用的测量方法。扁千斤顶法又称压力枕。扁千斤顶埋设后将测的油压和率定曲线对比，直接求得压力。围岩应力测量:光应力测量法和空腔包体三轴应变计测量法围岩变形和位移测量:围岩表面相对位移、围岩内部位移围岩表面相对位移：收敛测量(钢尺重锤型，弹簧张力型，钢丝扭矩平衡型)围岩内部位移:钻孔多点位移计测量。岩层移动喷锚支护测量锚杆拉拔抗力测量:直接测量法，电阻测量法锚杆轴向力测量: 全部粘附世锚杆轴向力,预应力端部锚固式锚杆轴向力测量喷锚混凝土层与岩石粘结力测量(抗拉强度):劈裂法和拉拔试验法喷锚混凝土