深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态优质PPT.ppt

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对地面建筑工程而言，地质条件一般仅影响其基础的设计和施工，如条形基础、箱形基础、桩基础，不影响工程本身。

地下工程的设计和施工则需迁就地质条件，如改线、改变结构形式、改变支护方式等。

受力结构：

地面建筑工程在地表建筑基础，在基础上建结构，受力结构明确。

地下工程则是围岩与支护共同组成承载体，受力结构不明确。

材料特性：

主要结构材料一般是人造的（如钢筋混凝土），具有均质性和连续性，在正常荷载下表现为线弹性，可忽略其流动性。

岩石是地下工程结构材料的一部分，有时甚至是主体。

岩体一般是非均质、非连续、非线性、有流变性的。

外载条件地面建筑工程的结构荷载包括永久荷载（如结构自重等）和可变荷载（如风载、移动承载物重量等），这些荷载一般是确知的。

地下工程的主要荷载是初始地应力，其大小和方向变化较大且不宜确定；

支护结构承受的压力不是定值而是变值，支护压力不仅与围岩性质有关，还与支护结构的性质有关。

计算参数：

对地面建筑工程而言，材料的计算参数通常可通过室内试验获得，一致性较好。

地下工程往往需要借助原位试验和测试，离散性较大。

工程施工：

地面建筑工程场地开阔，便于组织，工期短。

地下工程作业面窄，工期长。

地下工程学科的发展正是由于地下工程的复杂性，导致地下工程的设计和施工长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。

随着现代土力学和岩石力学的发展，这种局面已被突破。

20世纪50年代以来，随着理论研究的进展、新支护方式的提出和新施工技术的兴起，现在已形成了以岩石力学理论为基础考虑支护与围岩共同作用的地下工程现代理论。

理论进展：

围岩弹性、弹塑性和粘弹性解答逐渐出现。

新支护方式：

锚杆与喷射混凝土支护；

新施工技术：

与锚杆与喷射混凝土支护相应的新奥法（NATM）。

5.2地下工程围岩分类及地下工程类型一、地下工程围岩分类一、地下工程围岩分类国内外围岩分类（级）及分类因素表国内外围岩分类（级）及分类因素表（52）公路隧道围岩分类。

公路隧道围岩分类。

围岩分类的必要性：

岩体长期经历地质营力（造岩、构造运动、风化等）作用，力学性质十分复杂，具有多种多样性。

在地下工程建设中，无论怎样仔细研究都不可能把工程区域内岩体的力学性质的细节完全搞清楚。

即使能搞清楚，在设计和施工中也不可能对千差万别的情况一一进行区别对待。

围岩分类的作用骨架作用：

根据不同的围岩分类体系，可以将前人进行的、以地质条件为主的分散的实践经验进行梳理和概略量化的总结。

桥梁作用：

借助围岩分类，可以继承或借鉴前人的宝贵经验，指导新工程的支护设计和施工方法选择。

概算依据：

为计算工程造价和投资提供依据。

地下工程围岩分类发展简介目前国内外提出了许多地下工程围岩分类方法，但得到广泛应用的并不多，主要有几种方法。

地下工程围岩分类方法研究的发展，大致可以以上世纪70年代为分界线，划分为两个阶段：

70年代以前，围岩分类多数为单一因素（或少数因素）的定性分类或半定量分类，其局限性比较明显。

70年代后，逐渐过渡到能考虑各种重要因素、定性描述与定量评价相结合的分类。

地下工程围岩分类发展简介70年代后期至90年代，我国在地下工程分类研究上有了很大进展，提出了多种分类方案，为地下工程的建设和发展作出了重大贡献。

表5-2列出了17种国内外不同的围岩分类方法（了解）。

可以看出，虽然不同部门有自己不同的围岩分类标准，但考虑的因素，指标相差并不大，但不同分类系统之间有一定的联系。

如RufledgeT.C.（1978）等人根据新西兰多个工程的经验，对RMR、RSR和Q系统三者得出如下关系式：

RMR=1.35lgQ+43RSR=0.77RMR+12.4RSR=13.3lgQ+46.5公路隧道围岩分类表5-3给出了我国现行的公路隧道围岩分类。

此分类体系包括以下内容：

将围岩分为六类，即：

、（类最差，类最好，这与一般分类法正好相反）从两个大方面对围岩进行评判，即：

围岩主要工程地质条件，又分为主要工程地质条件（定性与定量相结合）；

结构特征和完整状态（定性评判）；

围岩开挖后的稳定状态（定性评判）。

公路隧道围岩分类此分类体系中，又根据岩（土）体的硬软进行了不同的细分，其中：

类分为2个次类：

粘性土及粉细砂等；

石质。

粘性土、砾土及黄土；

类分为3个次类

（1）粘性土及砂性土；

胶结土，黄土；

（2）软质岩石；

（3）硬质岩石。

类分为2个次类；

类没有分次类。

二、地下工程的类型从不同的角度区分，可得到不同的分类方法:

1、Barton分类（1974，挪威地质学家）地下工程分为地下工程分为:

（11）临时性矿山坑洞；

）临时性矿山坑洞；

（22）竖井；

）竖井；

（33）永久性矿山坑洞、引水隧洞（不包括高水头）永久性矿山坑洞、引水隧洞（不包括高水头涵洞）、导挖隧道、平巷、大型开挖工程的导坑；

涵洞）、导挖隧道、平巷、大型开挖工程的导坑；

（4）地下储藏室、地下储藏室、污水处理站、公污水处理站、公路和铁路支线的路和铁路支线的隧道、水电工程隧道、水电工程的的调压室及进出隧道；

地下电站主洞室、公路和铁路干线的隧道、民防硐室、隧道入口及交叉点。

地下核电站、地铁车站、地下体育场及公共设施、地下厂房。

22、按地下工程埋置深度分类、按地下工程埋置深度分类深埋：

荷载等效高度深埋：

荷载等效高度HHPP=（2.0-2.5）h=（2.0-2.5）hqq对于山岭区地下工程，一般埋深超过对于山岭区地下工程，一般埋深超过50m50m的的可以划分为深埋地下工程。

可以划分为深埋地下工程。

按用途可分为：

交通地下工程；

如公路及铁路隧道、海底隧道、地下铁道、人行隧道等。

水工地下工程；

如引水及尾水隧洞、排沙隧洞、地下水电站厂房等。

市政地下工程；

如给排水隧道、人防洞室等。

矿山地下工程。

按位置：

山地地下工程；

城市地下工程；

水下地下工程。

按地层：

岩石地下工程；

土质地下工程。

3、地下工程围岩压力

（1）围岩应力重分布问题计算重分布应力地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。

（2）围岩变形与破坏问题计算位移、确定破坏范围在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。

如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。

（3）围岩压力问题计算围岩压力围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力（或称山岩压力、地压等）。

（4）有压洞室围岩抗力问题计算围岩抗力在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。

概念概念围围岩岩：

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。

二二次次应应力力状状态态：

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）。

求二次应力状态求二次应力状态时，要给出的基本条件：

原始应力本构关系岩体性质参数二次应力状态主要特征状态二次应力状态主要特征状态二次应力为弹性分布（岩体坚硬，原岩应力小，不要支护）。

二次应力为弹塑分布围岩分两部：

弹性区、塑性区结构面的处理方法结构面的处理方法大结构面单独处理；

小密集结构面用包容方法处理。

地下工程稳定地下工程稳定稳定定义稳定定义：

地下工程工作期限内，安全和所需最小断面得以保证，称为稳定。

稳定条件稳定条件：

地下工程岩体或支护体中危险点的应力和位移；

岩体或支护材料的强度极限和位移极限。

地下工程稳定地下工程稳定性可分为两类性可分为两类自稳自稳：

不需要支护围岩自身能保持长期稳定人工稳定：

人工稳定：

需要支护才能保持围岩稳定稳定性问题稳定性问题的力学本质的力学本质自稳自稳不自稳不自稳围岩内围岩内危险点危险点的应力的应力和位移和位移计算围岩压力计算围岩压力支护中危险点的应力或位移大于支大于支护极限护极限小于支小于支护极限护极限人工稳定人工稳定改革支护深埋地深埋地下工程下工程地下工程自身影响达不到地表的，称为深埋深埋。

反之浅埋浅埋

（2）当埋深等于或大于巷道半径R0或其宽、高之半的20倍以上时，巷道影响范围（35R0）以内的岩体自重可以忽略不计；

原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（10以下）；

深埋地下工程的特点深埋地下工程的特点为：

（1）可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力；

（33）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，或作为全平面应变问题处理。

解析方法数值方法试验方法地下工程地下工程稳定性分稳定性分析途径析途径本章主本章主要内容要内容弹性弹-塑性松散围岩应力、支护上的压力第2节深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态1、侧压力系数为1时基本假设：

（1）计算单元无自重；

（2）初始应力仅考虑自重。

基本方程1静力平衡方程利用对d的平分线取投影，取得静力平衡方程：

忽略高阶无穷小量，且忽略高阶无穷小量，且则：

则：

22几何方程几何方程表示微元环变形之后，位移与应变之间的关系。

开挖后表示微元环变形之后，位移与应变之间的关系。

开挖后微元环向内产生径向位移微元环向内产生径向位移u,u,微元环自身产生径向位移微元环自身产生径向位移dudu。

则开挖后的单元环的半径变为。

则开挖后的单元环的半径变为r-u,r-u,因为因为=1=1，岩体，岩体的切向位移的切向位移v=0.v=0.微元环产生径向位移微元环产生径向位移u,u,将改变微元环的周长，引起切向将改变微元环的周长，引起切向应变。

应变。

引起微元环的周长的改变量为：

2r-22r-2（r-ur-u）=2u=2u微元环的切向应变为：

微元环的切向应变为：

微元环的径向应变为：

33物理方程物理方程服从虎克定律，用平面应力问题其表达式：

服从虎克定律，用平面应力问题其表达式：

或用应力表示为应变的函数：

用位移表示的应力公式为：

边界条件如下：

时，时，（洞壁的径向应力为（洞壁的径向应力为00）时时,（无穷远处的径向应力与岩体的初始应力相无穷远处的径向应力与岩体的初始应力相等等）.将其带入求出将其带入求出:

的表达式。

（22）应力和位移）应力和位移（79）平面应平面应力时力时（710）平面应平面应变时变时圆形洞室二次应力分布圆形洞室二次应力分布（33）洞室的径向位移）洞室的径向位移（平面应变时）轴对称、切向位移：

V=0径向位移：

开挖前开挖前，岩体产生的位移（ra=0）由上式得：

（712）由于开挖引由于开挖引起的位移起的位移（44）洞周的应变）洞周的应变开挖前开挖前，岩体已完成应变开挖引起开挖引起的应变的应变：

可见，说明时，岩体的