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[工学]71地下工程-概述
7.1 概述 7.2 围岩应力解析法分析 7.3 围岩变形与破坏 7.4 围岩压力与控制 地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。 地下洞室的分类 按用途:矿山巷道(井)、交通隧道、水工隧道、地下厂房(仓库)、地下军事工程 按洞壁受压情况:有压洞室、无压洞室 按断面形状:圆形、矩形、城门洞形、椭圆形 按与水平面关系:水平洞室、斜洞、垂直洞室(井) 按介质类型:岩石洞室、土洞 按应力情况:单式洞室、群洞 岩体二次应力状态的基本概念 围岩:由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化,应力状态被改变了的岩体叫围岩。 二次应力状态(重分布应力状态):开挖后,无支护时,调整后的应力状态(原始应力,又称一次应力状态)。 (3)深埋的水平巷道长度较大时,可作为平面应变问题处理。其它类型巷道,或作为空间问题。 围岩应力重分布问题——计算重分布应力 围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围 围岩压力问题——计算围岩压力 有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力 重分布应力:地下开挖扰动后在围岩中形成的新的应力。 重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。 围岩重分布应力计算: ①开挖前岩体天然应力状态的确定 ②开挖后围岩重分布应力的计算 ③支护衬砌后围岩应力状态的改善 1、弹性围岩 坚硬致密的块状岩体,当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一半时,围岩呈弹性变形。 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根据弹性力学计算。 如果洞室半径相对洞长很小,按平面应变问题考虑,概化为两侧受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。 2、圆形洞室-柯西课题 设无限大弹性薄板,在边界上受有沿x方向的外力p作用,薄板中有一半径为R0的小圆孔,按平面问题考虑,不计体力,M点的各应力分量为: 边界条件 M点的应力分量 讨论 洞壁上的τrθ=0,σr=0,为单向应力状态 σθ大小与与洞室尺寸R0无关 当θ=0、180o,σθ=3σV-σh=(3-?)σV 当θ=90、270o,σθ=3σh-σV=(3?-1)σV 当λ<1/3时,洞顶底将出现拉应力 当1/3<λ<3时,σθ为压应力且分布较均匀 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 围岩内重分布应力与θ角无关,仅与R0和σ0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。 3、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。 ①椭圆形洞室长轴两端点应力集中最大,易引起压碎破坏;短轴两端易拉应力集中,不利于围岩稳定 ②各种形状洞室的角点或急拐弯处应力集中最大,如正方形或矩形洞室角点等。 ③长方形短边中点应力集中大于长边中点,而角点处应力集中最大,围岩最易失稳。 ④当岩体中天然应力σh和σv相差不大时,以圆形洞室围岩应力分布最均匀,围岩稳定性最好。 ⑤当岩体中天然应力σh和σv相差较大时,则应尽量使洞室长轴平行于最大天然应力的作用方向。 ⑥在天然应力很大的岩体中,洞室断面应尽量采用曲线形,以避免角点上过大的应力集中。 1)围岩中有一条垂直于σv、沿水平直径与洞壁相交的软弱结构面 对于θ=0,沿水平直径方向上所有的点τrθ均为0。因此,沿结构面各点的σθ和σr均为主应力,结构面上无剪应力作用。所以不会沿结构面产生滑动,结构面存在对围岩重分布应力的弹性分析无影响。 2)围岩中存在一平行于σv、沿铅直方向直径与洞壁相交的软弱结构面 结构面上无剪应力作用,不会因结构面存在而改变围岩中弹性应力分布情况。 当λ<1/3时,在洞顶底将产生拉应力,结构面将被拉开,并在顶底形成一个椭圆形应力降低区。 椭圆短轴与洞室水平直径一致,为2R0,长轴平行于结构面,为2R0+2Δh 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由零逐渐增大,应力状态由洞壁的单向应力状态逐渐转化为双向应力状态,围岩也就由塑性状态逐渐转化为弹性状态。围岩中出现塑性圈和弹性圈。 塑性松动圈的出现,使圈内一定范围内的应力因释放而明
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