PPT地下结构工程－教学8

4.4地下下结构稳定分分析主要方法法1、地质分析析法2、工程类比比法3、岩体结构构分析法4、数值分析析法5、地质力学学模型试验法法1、地质分析析法通过地质勘测测手段，了解解与围岩稳定定有关的岩石石、岩体特性性，区域与局局部地质构造造、岩体地应应力场、地下下水等等几个个主要因素的的特点，通过过区域综合分分析，确定洞洞室稳定性。。这往往是地质质人员使用的的主要方法2、工程类比比法根据拟建的工工程区域的地地质条件、岩岩体特性和工工程特征，通通过与类似条条件下已经建建成的、成功功或失败的地地下工程实例例的对比，进进行验算和综综合分析，从从而判断拟建建的地下结构构工程的围岩岩稳定性。3、岩体结构构分析法了解岩体结构构和弱面强度度性质，以及及地应力分布布情况后，可可根据地下结结构设计和施施工方案确定定所谓“工程程力”，即由由施工开挖、、建造引起的的卸载或加载载力。再借助赤平极极射投影、实实体比例投影影、或块体坐坐标投影法等等进行图解分分析，初步从从几何关系和和运动学角度度判断岩块的的稳定。在上述步骤的的基础上，再再采用极限平平衡理论，对对由“弱面””和凌空面组组成的“可能能的布稳定块块体”进行稳稳定性校核计计算，求出块块体上的抗滑滑力和滑动力力之间的比值值，即得到块块体的稳定安安全系数。这种方法实际际上也形成了了数值方法中中的块体分析析理论的基础础。4、数值分析析法(1)数值分分析方法的类类型伴随电子计算算机的应用而而发展起来的的现代计算力力学数值分析析方法，现在在已经成为地地下洞室围岩岩稳定分析的的最重要的手手段之一，在在近三十年的的时间里，发发展速度之快快、应用范围围之广都是惊惊人的。用于于连续介质的的有：有限单单元法（FEM）、边界单元法(BEM)、拉格郎日元法法(FLAC，FastLagrangionAnalysisforContinua,2Dand3D)；用于非连续介介质的有：关关键块体理论论（KBT,KeyBlockTheory）、离散元法(DEM,DiscreteElementMethod)、不连续变形分分析法(DDA,DiscontinuedDeformationAnalysis)；可同时用于连连续介质和非非连续介质的的数值流形法法(MEM,NumericalManifoldMethod)等等。上述各种方法法之间的耦合合方法(Coupling)，基于逆向思维维而提出的上上述各种方法法的反演分析析(InverseAnalysis)方法，以及与与优化理论相相结合的反馈馈分析(FeedbackAnalysis)方法，目前也也在地下洞室室稳定分析中中得到广泛的的应用。但是是，应用最广广、最可靠、、结果最稳定定的还当属有有限元方法。。(2)应用用有限元法进进行洞室稳定定分析的注意意点(a)二维分析时，，首先应根据据厂区的地质质资料做好厂厂房横剖面的的选定工作，，要注意寻找找最危险的地地质横剖面，，尤其应注意意那些不利的的地质构造面面的位置。(b)根据地质资料料，确定岩体体及构造面的的力学参数，，及可能的变变动范围。(c)地应力的确定定，可根据有有限的地应力力实测资料对对厂区的地应应力场作回归归分析，结果果正确与否，，在于对试验验洞或初期开开挖阶段实测测位移的拟合合情况。(d)由于岩体类型型的差异，其其变形及强度度性质干变万万化，相应的的本构模型也也种类繁多。。所用有限元元程序的本构构模型和破坏坏准则应能模模拟岩体的实实际情况。理理想的模拟比比较困难，但但应使模型和和岩体实测资资料在大部分分岩体的工作作范围内可较较好地拟合。。数值方法研究究的最新进展展不但体现在在对较为成熟熟的数值方法法，如有限元元、边界元、、离散元法等等的不断更新新和发展，对对现有大型商商业程序的二二次开发，同同时也体现在在不断有新的的算法和程序序的出现。如如对三维离散散元和三维DDA程序成功开发发，以及刚体体有限元法、、广义有限元元法、运动单单元法、界面面元法、无单单元法的提出出等等。用于于系统优化和和人工智能方方法的遗传算算法、蚁群算算法、细胞发发生器算法和和模拟退火算算法等等。5、地质力学学模型试验试验研究方法法包括现场试验方法法和室内模型型试验方法，也是保保证地下工程程正确设计、、安全施工的的必不可少的的一种研究方方法。它与数数值计算方法法相辅相成，，互相验证，，优势互补。。近年来也有有很大进展。。大型三轴刚性性伺服实验机机已经较广泛泛地用于岩石石材料全应力力路径参数测测定。电镜扫扫描和CT技术已用于岩岩体材料的微微观或细观结结构研究。各种地应力测测量技术，如如应力恢复法法、应力解除除法、应变恢恢复法、应变变解除法、水水压致裂法、、声发射法、、X射线法、重力力法等也广泛泛应用于地下下洞室工程。。就二维和三维维物理模型试试验来说，由由于模型是真真实的客观物物理实体，更更能真实地全全面地反映出出各种结构在在空间和时间间上的相对关关系，以及它它们在施工或或运行过程模模拟中的力学学性征，因而而历来在水利利水电工程设设计中受到重重视。水力学学模型试验、、泥沙模型试试验、研究坝坝体和基础共共同作用的地地质力学模型型试验等，已已经有了较为为成熟的试验验技术，并取取得了丰富的的成果。地质力学模型型试验方法即按照一定的的相似理论，，采用适当的的模型材料，，模拟实际的的岩体结构、、材料特性、、地应力场分分布和地下结结构工程开挖挖及支护方式式。通过接触触或非接触测测量手段，了了解地下结构构围岩的变形形分布、应力力分布、屈服服破坏形态和和破坏过程，，从而对地下下结构稳定性性作出评价和和预测。但是地下洞室室工程的模型型试验却由于于难度太大而而相对发展较较慢。以往的的地下工程的的模型试验规规模很小，大大都是二维的的，试验条件件也进行了很很大的简化。。例如1985年进行的的二滩地下厂厂房的二维平平面应变模型型试验，模型型几何比尺为为1:350，应力场是是均匀应力场场，模型平面面倒置在地面面，不考虑自自重应力等。。还有的模型型洞室是事先先制作好的，，洞室内部充充填刚性块体体，模拟开挖挖时，将块体体逐一抽出。。这些当然都都与工程实际际相差过大。。究其原因，，最主要的则则是模拟地下下洞室施工过过程的三维模模型试验难度度太大。例如如三维地应力力场的模拟原原理和技术、、洞室群开挖挖尤其是内部部洞室隐蔽开开挖技术的实实现、内部物物理量量测方方法等等，因因而几十年来来一直没有显显著进展。大型地下洞室室群三维模型型试验由于地下水电电站向超大型型、多洞室、、高地应力方方向的发展，，进行地下厂厂房洞室群大大型三维地质质力学模型试试验这一极具具挑战性的任任务，提到了了议事日程。。国家电力公司司成都勘测设设计研究院和和清华大学水水利水电工程程系在这一点点上达成共识识，为开展超超大型地下洞洞室群三维地地质力学模型型试验研究工工作创造了条条件。通过发挥清华华大学综合性性大学的优势势，与清华大大学机械学院院、中国水科科院以及国际际研究机构合合作，采用离离散化多主应应力面三维加加载系统、步步进机械臂和和微型掘进机机技术、微型型高精度位移移量测技术、、声波测试技技术、光纤测测量及内窥摄摄影技术等，，解决了地下下洞室群地质质力学模型试试验中的复杂杂三维地应力力场仿真、隐隐蔽开挖模拟拟及内部量测测等关键技术术问题，取得得了突破性重重要成果。经验判断地下下洞室的稳定定对于中等强度度、结构面不不发育的较完完整岩体，可可以看作均质质、各向同性性材料；如果果地应力以自自重应力为主主，可以作如如下经验判断断（设岩体强度度为Ro，自重应力为o＝h）条件稳定性支护措施o/Ro0.12~0.15稳定薄层喷砼5～10cm0.12o/Ro0.3基本稳定喷砼10～15cm0.3o/Ro0.5临界状态锚杆＋挂网喷砼15cmo/Ro0.5不稳定封闭式钢筋砼衬砌4.5地下下洞室的支护护为保证施工的的安全和地下下结构的长期期稳定，适当当的支护是完完全必要的。。近30年来，，对支护的认认识发生了革革命性的改变变，过去盛行行了50多年年的普氏理论论被新奥法的的新概念所代代替。人们认认识到支护并并非唯一的保保持地下结构构围岩稳定的的手段，发挥挥围岩的自承承能力，使支支护与围岩相相互作用，共共同形成稳定定的复合承载载环，才是最最为经济有效效的支护方式式。但是究竟采用用哪一种支护护方式，应该该视地质构造造、岩体强度度、原始应力力、洞室布置置的不同而分分别考虑。一般支护型式式有三种：1、柔性支护护2、刚性支护护3、复合型支支护1、柔性支护护如喷砼、钢纤纤维喷砼、钢钢筋网喷砼、、自应力锚杆杆、预应力锚锚杆、预应力力锚索等等，，以及它们的的组合2、刚性支护护如现浇混凝土土衬砌、钢筋筋混凝土衬砌砌、预制钢筋筋混凝土衬砌砌管片、钢拱拱架配合较厚厚的喷混凝土土等刚度很大大的支护3、复合型支支护即采用柔性支支护作为初期期支护或称为为一次支护，，以保证施工工期的稳定和和安全；待围围岩变形趋于于稳定后，采采用刚性支护护作为永久性性支护或称为为二次支护，，以保证运行行期的长期稳稳定，同时增增加运行人员员的安全感。。对过水隧洞洞则又起到减减少糙率的作作用。系统支护及随随机支护1、系统支护护设计是根据据地质条件、、岩石分类和和工程规模等等指标，不作作精确的计算算，采用工程程类比法进行行设计，给出出喷砼的厚度度、锚杆的长长度、间距、、直径、布置置方式、预应应力值（一般般给张力值，，以吨为单位位）等。2、随机支护护则是在施工工过程中根据据新揭示的地地质现象、岩岩体材料性质质以及施工监监测资料等数数据，对系统统支护设计进进行的修正、、补充或紧急急处理措施。。一般通过监监测反馈分析析结论作出。。支护型式选择择的原则1、一般首先先考虑柔性支支护2、完整坚硬硬的岩体一般般主要控制表表面松动的岩岩块，选用柔柔性支护，特特别注意应力力集中部位和和拉应力区的的支护适当加加强3、软弱破碎碎、节理裂隙隙密集发育的的岩体，硬采