第十五章 地下建筑2.ppt

第十五章 地下建筑工程地质勘察 第一节 概述 第二节 地下建筑围岩应力分布 第三节 地下建筑围岩的变形与破坏 第四节 地下建筑围岩压力 第五节 有压隧洞围岩抗力与上覆岩层的最小厚度问题 第六节 地下采空区围岩变形破坏形成的地面塌陷 第七节 地下建筑围岩稳定性因素分析及位址选择的工 程地质论证 第八节 地下建筑围岩分类 第九节 地下建筑施工方法与支衬结构设计的工程地质论证 第十节 地下建筑工程地质勘察要点 地下洞室按其用途可分为交通隧道、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房和仓库、地下铁道及地下军事工程等类型；按其内壁是否有内水压力作用可分为无压洞室和有压洞室两类；按其断面形状可分为圆形、椭圆形、拱形、城门洞形、矩形及梯形等类型(图11.1)；按洞室轴线与水平面的关系可分为水平硐室、竖井和倾斜洞室三类；按围岩介质类型可分为土洞和岩洞两类，另外还有人工洞室与天然洞室之分。 第二节 地下建筑围岩应力分布 天然应力是指天然存在于岩土体内而与人为因素无关的应力，也称初始地应力、原岩应力、一次应力。天然应力由自重应力和构造应力构成。 地下洞室开挖前，岩土体处于天然地应力平衡状态。称为一次应力状态或初始应力状态。 洞室开挖后，由于在岩土体内形成了自由表面，岩主体中的应力平衡状态受到破坏而产生应力重分布，以达到新的平衡，形成新的应力状态，称为重分布应力状态，也叫二次应力。 研究地下建筑围岩应力主要包括开挖前岩体中的天然应力、开挖后围岩中的重分布应力及支护衬砌后围岩内的应力改善等三个方面。 一、岩体中的天然应力 天然岩体中应力分布：自重应力、构造应力、热应力、地下水应力等。 一般认为天然应力主要由自重应力、构造应力组成。 自重应力——铅直应力σv=γH 构造应力——水平应力σh=kσv K侧向膨胀系数，K=μ/1—μ 二、围岩内的重应力分布 围岩：受重分布应力影响范围内的岩体称为围岩。 在地下洞室周边一定范围内（相当于3倍左右洞直径）的岩土体，会因为应力释放而产生松驰并向开挖空间变形、位移以达到新的平衡。所以一般把大约3倍洞直径的岩土体称为围岩。 围岩内重分布应力状态与岩体的力学属性、天然应力及洞室断面形状等因素密切相关。 (一)开挖后围岩保持弹性时的重分布应力 对于那些坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单独抗压强度的一半时，地下洞室开挖后围岩将呈弹性变形。因此这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可用弹性力学方法计算。这里以水平圆形洞室为重点进行讨论。 1、圆形洞室 在弹性岩体中开挖一圆形洞室，设天然铅直与水平应力分别为σV 和σh，洞室半径为R0，如图15-1所示。由弹性理论推导，围岩中任一点M（r，θ）的应力状态可表示如下：公式15-1 讨论1：洞壁上的重分布应力：令r= R0 ，公式15-2 上式说明洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，只有σθ，为单向应力状态。σθ大小与与洞室尺寸R0无关，仅与计算点θ位置有关。 若σh /σV=λ 取σh /σV=λ为1/3、1、2、3等不同数值时，可求得洞壁（r= R0），上θ为 0 o、90 o、180o、270o等四点处的环向应力σθ如表15-1和图15-3所示。 当λ＜1/3时，洞顶底将出现拉应力 当1/3＜λ＜3时，洞壁围岩内的σθ 全为压力且分布较均匀 当λ＞3时，洞壁两侧出现拉应力，洞顶底出现较高的压应力集中 讨论2：静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力令σh =σV=σ0时 ，公式15-3 围岩内重分布应力与θ角无关，仅与R0、σ0和r有关 由于τrθ=0，则σr，σθ均为主应力，且σθ恒为最大主应力，σr恒为最小主应力 当r＝R0(洞壁)时，σr=0，σθ=2σ0，可知洞壁上的应力差最大，且处于单向受力状态，说明洞壁最易发生破坏 r增大，σr增大，σθ减小，都渐趋于σ0值。 在理论上，σr，σθ要在r→∞处才达到σ0值，但实际上σr，σθ趋近于σ0的速度很快，当r=6R0时，σr和σθ与σ0接近。 一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。 2、其他形状洞室 应力集中系数 地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点天然应力的比值，称为应力集中系数。该系数反映了洞壁各点开挖前后应力的变化情况。 （二）开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力 1、塑性松动圈的形成 地下开挖后，洞壁的应力集中最大,当它超过围岩屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态转化为塑性状态，并在围岩中形成一个塑性松动圈。 随着距洞壁距离增大，径向应力σr由零