第3讲-地下结构稳定问题1

4、地下结构稳定问题包括五个方面的问题4.1地下洞室开挖引起围岩应力变化4.2影响地下结构稳定的主要因素4.3地下洞室结构失稳的主要型式4.4地下结构稳定分析的主要方法4.5地下洞室的支护4.1地下洞室开挖引起的围岩应力变化1、围岩由人工开挖或自然作用形成的地下洞室周围一定范围内的岩体，称为围岩，它是天然材料的地下结构，而衬砌只能称为人工构筑的人工材料的地下结构。所谓的“一定范围”是指洞室周围原始应力场受到扰动的范围，这个范围的直径一般为洞室最大线度的3～5倍。2、圆形隧洞围岩中的弹性应力分布基本假定：材料均匀、连续、无限体力学性质为各向同性、线弹性应力场为均匀分布（垂直为p、水平为q）隧洞断面为圆形、长度为无限长(平面应变问题)施工过程为一次瞬时成洞根据弹性力学，洞周应力分布为：2sin321212cos31211212cos3412112144224422442222rarapqrapqraqprarapqraqprrr当p=q时，上式简化为：0112222rrrraprap当pq，＝q/p，且r＝a时0/2cos212cos21/,2cos212cos21/,0/arrarararrpporqp值对洞周应力分布影响很大设＝0，代入上式，可得：0＝p(1+2cos2)+p(1-2cos2)在洞顶＝90º，洞底＝－90ºcos2均等于－1，得：0＝p(1－2)+p(1＋2)，得：3＝1，＝1/3即1/3时，洞顶和洞底出现拉应力3、洞室断面的形状对洞周应力分布的影响平直的周边容易出现拉应力，因而更容易发生破坏转角处容易形成很大剪应力，应尽量避免出现尖角4、洞室断面的高跨比对应力的影响5、圆形洞室围岩塑性解采用摩尔－库仑强度理论其它条件同弹性解列出微小单元的微分方程：消去d和高阶无穷小量，得到：（-r)dr=rdr即：dr/r=dr/(-r)（A）这就是塑性区内应力应满足的微分方程22sin02sin2ddddrrdddrrdrrr根据摩尔圆与强度包线相切的关系可得出塑性区应力与强度的关系整理后得：（B）sin2222,sinrrrrrrCctgCctgAOBOAOBOsin1sin2rrCctg将(B)代入(A)，分离变量，两边积分,得到方程的通解（C）将r＝a处的边界条件r＝pb代入上式求出C1将求出的C1代回C式，求出特解：1lnsin1sin2)ln(CrCctgraCctgpCblnsin1sin2)ln(1CctgarCctgpbrsin1sin2CctgarCctgpbsin1sin2sin1sin1上述两式给出了塑性区中任一点的应力值。以下求塑性区的半径R，这要用到在此边界上，应力表达式同时满足塑性及弹性关系：r＋＝2p……………弹性……塑性整理后得：解出支护力pb的表达式：CctgarCctgpbr2sin12sin1sin2sin2sin1sin1CctgpCctgpaRb上式就是著名的Kastner公式还有两个重要的物理量就是隧洞周边及塑性区周边的径向位移：sinsin1sin12sin2sinCctgpCctgpGCctgpauGCctgpRubarRrCctgRaCctgppbsin1sin2sin16、圆形洞室围岩中的松弛压力除了洞周围岩的弹塑性变形产生对支护的压力外，围岩松动圈内的岩石还会对支护产生所谓松弛压力：1、pi=(R-a)(太保守，极值）2、科卡公式sin11sin3sin1sin211sin3sin1RaaRaCctgCctgpi讨论：松弛压力与弹模E和泊松比无关松弛压力与容重呈正比与地应力有无关系？与C、有什么关系？变形压力与松弛之和为支护所受到的压力。变形压力随洞周位移增大而减小，若想使位移趋于零，变形压力会趋于无穷大松弛压力随洞周位移增大而增大，最大＝？时间因素的影响…岩体的流变由于岩体可能具有的流变性质，实际工程中围岩变形和松弛还与时间有关。围岩流变性质不明显时，开挖后很快达到新的平衡，变形稳定，不再增长。围岩不好时，开挖后在一段时间内变形逐渐增加，松弛压力逐渐增加，因此有一个适时支护的问题。支护得太早，变位尚未充分发展，形变压力会较大。支护得太晚，松弛范围太大，松弛压力太大。4.2影响地下结构工程稳定的主要因素1、地应力2、岩体结构和材料特性3、地下水的存在及其活动4、工程因素1、2、3是岩体内在因素，或天然因素；4是外在因素，或人为因素1、岩体原始应力场地应力是岩体中原已存在的应力。一般情况下，地应力很大的地区，对洞室围岩稳定不利。无论是选择洞室位置还是决定洞轴方位，均应仔细考虑地应力。由于岩体构造复杂，变化大，少数测点的地应力实测结果带有一定的局限性，不一定能确切代表该区域的地应力状态，因此，有人采用有限元回归分析方法来推求某一区域的地应力场。以此作为洞室布置和围岩稳定分析的依据。岩体应立场是影响地下结构稳定的重要因素，应该指出的是，各个应力分量的比值，比应力分量量值的大小对稳定性起着更为关键的作用和影响。应力场的大小和分布规律是复杂的，往往难以准确确定。但是它对于地下结构的位置、轴线的走向、断面的形状、结构群体之间的相互关系的选择，都有着决定性的作用。2、岩体结构和材料特性现在常说的岩石力学，实际上早已扩展为岩体力学。岩体是一个复杂的结构体，离弹塑性力学中所定义的均质、连续、各向同性的理想弹塑性体相去甚远。岩体常为节理面，层面，片理面甚至断层带等结构面所切割。这些结构面的强度较低，是影响洞室稳定的主要因素之一。这些软弱结构面常常分成很多组，各组的特点不同，即间距，连续性，宽度，充填情况，强度，成因都可能不同，要分辨其对洞室稳定影响的程度，然后决定洞室的布置。要指出的是，被地质构造面所切割的危险块体除受重力作用外，尚与构造地应力相互影响，深埋洞室或水平构造应力较大的情况下尤其如此。围岩结构的状态通常分为整体状，块状，层状，互层簿层，碎裂结构，散粒结构等，围岩的完整程度常用岩体完整性系数属表示，它是岩体和岩石的弹性纵波速度之比。岩体的强度和变形指标是影响稳定的主要指标，一般情况下，岩体结构的状态是控制性的，单论岩块强度的意义不大，只有对于整体状结构，岩体强度和岩块强度才有相近之处。3、地下水的存在及其活动地下水的存在使洞室稳定性恶化。地下水的渗透压力对于洞室是不利荷载；地下水的长期作用又会使岩石软化，泥化，降低其强度。尤其弱面中的填充物又容易被地下渗流溶蚀、带走，形成空穴，造成岩体整体弱化。地下水的处理历来是困难的令人头痛的问题。4、工程因素包括地下结构布置设计的合理性，洞室形状、大小、洞群间距、开挖顺序、支护措施等等是否得到充分的优化。地质条件越差，工程因素的影响就越突出。施工队伍的技能、素质、责任心和团队精神、施工方法和机具的先进程度，施工管理水平等等。4.3地下结构失稳的主要型式1、局部失稳2、整体失稳3、塌方4、岩爆1、局部失稳指地下结构围岩局部性破坏：发生在多组节理切割的较坚硬岩体中，一般是非扩展性的。当结构面与临空面切割岩体，形成不稳定块体时，容易产生此种破坏；要结构面与开挖面平行或小角度相交时，易形成片帮、吊块等局部失稳破坏。采用锚固方式加固作用明显。2、整体失稳又称为“强度破坏”，即由大范围内岩体的地应力值超过了围岩允许的极限强度而引起的破坏。表现型式为大范围坍塌、弯曲开裂、边墙挤出、底板鼓起、断面产生严重的收缩等。一般容易发生在地应力高且偏差应力大、岩体强度低的软岩中。3、塌方指大规模岩体塌落、地下结构完全破坏、地下洞室埋没。主要发生在较大范围的断层影响带、强风化带、碎裂松动区。由弱面和开挖面切割形成的孤立无限制块体、存在多组无胶结结构面或有夹泥层、又有地下水活动时，容易发生塌方甚至冒顶。4、岩爆又称为“冲击地压”，片状剥落及破碎的岩块与岩体分离，并以弹射的形式突然离开开挖面，并伴随有巨大声响。对人员设备有较大威胁。多发生在以构造应力为主的高地应力硬脆性岩体中。岩石新鲜、完整、干燥、裂隙连通性不高，宜于积蓄能量。变形特性属于硬脆性破坏类型。开挖后即会出现，一天之内最明显，可延续1～2个月。