地下洞室围岩稳定性分析.ppt

第9章地下洞室围岩稳定性分析§9.1概述开挖完成后的结构图围岩应力重分布问题——重分布应力计算
围岩变形与破坏问题——位移计算、破坏区确定
围岩压力问题——围岩压力计算
有压洞室围岩抗力问题——围岩抗力计算§9.2围岩重分布应力计算一、无压洞室围岩重分布应力计算M（1）圆形洞室边界条件：M点的应力分量由σv引起的
重分布应力σv和σH同时作用时圆形洞室围岩重分布应力讨论：1）洞壁上的重分布应力2）洞壁上的重分布应力随λ变化
当λ＜1/3时，洞顶底将出现拉应力；
当1/3＜λ＜3时，洞壁的σθ全为压应力且应力分布较均匀；
当λ＞3时，两侧壁将出现拉应力，洞顶底则出现高压应力集中。
每种洞形的洞室都有一个不出现拉应力的临界λ值，这对不同天然应力场中合理洞形的选择很有意义。3）λ=1（σH=σv=σ0）时的围岩重分布应力4）σr、σθ随着离洞壁距离r的变化
随着离洞壁距离r增大，σr逐渐增大，σθ逐渐减小，并都渐渐趋近于天然应力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相差仅2.8%。因此，一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。在该范围以外，不受开挖影响，这一范围内的岩体就是常说的围岩，是有限元计算模型的边界范围。5）σr、σθ为主应力的条件（2）其他形状洞室特点：2塑性围岩重分布应力塑性松动圈的出现，使圈内一定范围内的应力因释放而明显降低，而最大应力集中由原来的洞壁移至塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明显升高。
弹性区以外则是应力基本未产生变化的天然应力区(或称原岩应力区)。弹塑性理论求解塑性圈内的围岩重分布应力平衡方程当r=R0时塑性圈与弹性圈交界面(r＝R1)
该面上：弹性应力=塑性应力二、有压洞室围岩重分布应力计算弹性厚壁筒理论若使b→∞，pb＝σ0(天然应力)时，则b2/(b2－a2)≈1，a2/(b2＋a2)＝0；
a→R0,；Pa内水压力使围岩产生负的环向应力，即拉应力。当这个环向应力很大时，则常使围岩产生放射状裂隙。
内水压力使围岩产生附加应力的影响范围大致也为6倍洞半径。§9.3围岩的变形与破坏围岩变形破坏形式取决于围岩应力状态、岩体结构及洞室断面形状等因素一、各类结构围岩的变形破坏特点岩爆是高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩产生突发性变形破坏的现象。
脆性开裂出现在拉应力集中部位2、层状岩体围岩在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。
在倾斜层状围岩中，常表现为现为沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移等破坏形式，形成不对称的塌落拱。将出现偏压现象。
在直立层状围岩中，当天然应力比值系数λ＜1/3时，洞顶发生沿层面纵向拉裂，被拉断塌落。侧墙则因压力平行于层面，常发生纵向弯折内鼓，进而危及洞顶安全。3、碎裂状岩体围岩4、散体状岩体围岩围岩的变形破坏是渐进式逐次发展的。
开挖-->应力调整-->变形、局部破坏-->再次调整
-->再次变形-->较大范围破坏分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的始发点和发生连锁反应的关键点，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。
在围岩变形破坏的早期就加以处理，这样才能有效地控制围岩变形，确保围岩的稳定性。二、围岩位移计算平面应变与应力的物理方程洞壁的弹性位移当天然应力为静水压力状态(σh＝σv＝σ0)时洞壁的弹性位移(2)由重分布应力与天然应力之差引起
天然应力引起的位移在洞室开挖前就已经完成了，开挖后洞壁的位移仅是由于开挖卸荷(开挖后重分布应力与天然应力的应力差)引起的。
假设岩体中天然应力为σh＝σv＝σ0，则开挖前洞壁围岩中一点的应力为σr1＝σθ1＝σ0，而开挖后洞壁上的重分布应力为σr2＝0，σθ2＝2σ0。因开挖卸荷引起的应力差为是否考虑天然应力对位移的影响，计算出的洞壁位移是不同的。
若开挖后有支护力pi作用，则其洞壁的径向位移为2、塑性位移计算弹、塑性圈交界面上的径向应变εR1为塑性圈变形前后体积不变三、围岩破坏区范围的确定方法当岩体天然应力比值系数λ＜1/3时，洞顶、底将出现拉应力。若拉应力大于围岩的抗拉强度σt，则围岩就要发生破坏。

在λ＞1/3的天然应力场中，洞壁围岩均为压应力集中，当大于围岩的抗压强度σc时，洞壁围岩就要破坏。破坏圈厚度2、弹塑性力学方法由σ0引起的应力弹性圈内的重分布应力为界面上弹性应力与塑性应力相等地下洞室开挖后，围岩塑性圈半径R1随天然应力σ0增加而增大，随支护力pi、岩体强度Cm增加而减小。§9.4围岩压力计算一种特殊的形变围岩压力2、松动围岩压力

松动围岩压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏引起的压力，这是一种有限范围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力