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三、围岩压力理论 原岩应力 围岩应力和变形的线弹性分析 围岩应力和变形的弹塑性分析 围岩压力分类 变形压力的计算 松动压力计算 原岩应力 地应力、构造应力及它们的关系? 地应力分为重力应力和构造应力 地心引力引起的应力称为重力应力 由构造运动产生的及正在活动变化的应力称为构造应力 重力应力计算法? 地面以下3000米内地应力有哪些变化规律? 地应力是一种非稳定应力场 垂直应力基本等于上覆压力 水平应力常常大于垂直应力 侧压系数及其变化范围? 0.5—5.5 影响地应力的因素有哪些? 地质构造 地形地貌 岩石力学性质 温度 分析和估算地应力有哪些方法? 结构面力学分析方法 构造应力场分析方法 地应力实测和地质力学综合分析方法 地质构造和岩石强度理论估算方法 高应力区的定性观察方法 围岩应力和变形的线弹性分析 应力重分布和实际围岩应力状态? 应力重分布:山体原本平衡,开挖破坏平衡。 破坏平衡后围岩的应力状态。 线弹性问题的基本方程(包括笛卡尔坐标系和极坐标系)? 直角坐标下的基本方程:平衡方程、几何方程、物理方程、变形协调方程、边界条件。 极坐标系下的基本方程:平衡方程、几何方程、物理方程。 圆形隧道围岩应力及位移的求解结果和分布规律? 无支护的围岩应力和位移公式 围岩应力 洞壁的应力集中情况讨论; 圆形隧道洞周不出现拉应力的条件; 围岩位移 有支护的围岩应力和位移公式 围岩应力 围岩位移 衬砌应力 衬砌位移 非圆形隧道洞周切向应力分布规律? 半圆直墙洞形 椭圆形洞室 周边围岩切向应力: K为短轴与长轴之比。 无衬砌洞室的最佳形状 问题的提出 保证围岩最稳定,衬砌受力最有利,开挖量最少 寻找最小应力集中的洞形 使围岩最大应力集中系数降低到最小 洞顶不出现拉应力的条件 洞壁两侧不出现拉应力的条件 围岩应力和变形的线弹塑性分析 洞周围岩为什么和怎样进入塑性状态? 围岩应力超过弹性极限 洞周围岩应力首先进入屈服状态,应力逐渐向围岩深部转移,同时塑性区应力逐渐解除,达到新的平衡状态。 应力状态、应力状态不变量 适合岩石屈服准则表达式:Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则。 轴对称条件下围岩应力和变形的弹塑性分析过程 塑性区应力和位移的求解:从平衡方程和塑性条件出发 弹性区应力和位移的求解:由基本方程求解 均质围岩中圆形隧道的弹性解 弹性区与塑性区边界上的连续条件 塑性区半径与支护抗力的关系 支护抗力与洞周位移和围岩塑性区半径的关系 由洞周位移计算围岩压力 弹性区引起的应力增量: 围岩引起的径向应变: 由以上关系得: 弹塑性边界上的径向位移: 据弹性区应力和摩尔库仑关系得: 变形过程中假设塑性区体积不变: 用洞周位移 表达的围岩压力: 作 业 在初始地应力场为40Mpa的岩体中开挖一直径为10米的圆形隧道,已知岩体抗剪强度指标,岩体剪切模量G=5000Mpa,试求:1)洞周最大位移;2)不出现塑性区的围岩压力;3)允许洞周位移3厘米时的围岩压力。 在围岩稳定前提下,扩大塑性区半径就可降低支护抗力,节省造价;但这种作用是有限的; 最小围岩压力:围岩刚出现松动塌落时的围岩压力。 围岩塑性区位移及支护后洞周位移? 围岩塑性区位移:考虑塑性区体积变化的求解 围岩塑性区位移及支护后洞周位移? 支护后洞周位移:总位移减去支护前位移 非轴对称条件下围岩塑性区应力及塑性区边界? 一般采用塑性增量理论数值计算 围岩塑性区应力的近似计算:假定与弹性解的相同,用M-C求等 塑性区边界的近似计算:将弹性应力带入塑性条件获得塑性区边界方程,这没有考虑塑性区应力的重分布,塑性区偏小;另一种方法是多次运用Kastner方法求解塑性区边界。 围岩压力分类 松动压力 由于开挖而松动或塌落的岩体以重力形式直接作用在支护上的压力。 变形压力 是由于围岩变形受到支护的抑制产生的压力,除与围岩应力有关外,还与支护时间和支护刚度等有关。按照成因可分为弹性变形压力、塑性变形压力和流变压力 膨胀压力 岩体具有吸水膨胀特性,由于围岩膨胀所引起的压力。 冲击压力 是在围岩积累了大量弹性应变能后突然释放出来时所产生的压力,也称岩暴 变形压力的计算 塑性变形压力计算 弹性变形压力计算:部分围岩弹性变形挤压衬砌形成的压力。 塑性变形压力计算: 流变变形压力计算 粘弹性变形压力: 粘弹塑性压力计算: 膨胀压力的计算:以膨胀实验为基础进行计算 最小围岩压力的计算 最小围岩压力大小取决于松动区半径
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