均质隧洞破坏机理及其设计方法.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,均质隧洞破坏机理及其设计方法,重庆市地质灾害防治工程技术研究中心,中国人民解放军后勤工程学院,教授,郑颖人,一、传统隧洞破坏机理（基于松散体理论）,1,、深埋隧洞破坏机理,地层形成普氏压力拱,承受压力拱下土体重量,2,、浅埋隧洞破坏机理,隧洞上部土体坍塌，存在应力传递,深埋隧洞的压力拱,太沙基浅埋理论,二、现代隧洞破坏机理,(,基于弹塑性理论,),2004年郑颖人等应用有限元强度折减法求,破,裂,楔,体,拉,布,希,维,兹,楔体,喷混凝土,破裂面,隧洞围岩安全系数,有限元强度折减法计算过程：,不断降低岩土,C、,值和抗滑力，直到破坏。,强度降低的倍数就是隧洞的安全系数,并能求出围岩的破裂面,2 深埋隧洞的滑裂破坏面,水泥、石膏、滑石粉的比例为0.2：0.6：0.2,密度,（kpa）,E(MPa),C(Kpa),1.78,342,70,0.32,116,21.8,隧洞跨度8 cm,洞高12 cm,洞深15cm,405215cm,模型尺寸：,隧洞模型,试验方案,方案,隧洞跨度/cm,侧墙高/cm,拱高/cm,方案一,8,8,2,方案二,8,8,3,方案三,8,8,4,方案四,8,6,4,方案五,8,4,4,模型试验与数值模拟结果对比分析,(a)方案一,(b)方案二,深埋隧洞破裂面位置确定,围岩等效塑性应变与潜在破裂面,(a)1,号路径,破裂面发生在位移或塑性应变突变处，一般是塑性应变最大的地方。,(b)2,号路径,(c)3,号路径,(d)4,号路径,等效塑性应变与,X,坐标关系曲线图,(e)5号路径,土质深埋隧洞侧向破坏的工程监测,（1）隧洞拱顶锚杆受力小，两侧受力大。,（2）钢架水平收敛位移平均19mm，大于,拱顶与拱脚差异沉降平均9.8mm,3 浅埋隧洞的滑裂破坏面,(a),模型破坏,(,压力,28KN),(b),数值模拟（压力,26KN,）,浅埋隧洞破坏面,洞跨8m，埋深3m,4不同埋深下隧洞的破坏过程,（1）矩形洞室,埋深1米，安全系数0.3,埋深3米，安全系数0.52,洞跨12m 高5m,埋深1米，在顶部中间破坏。,埋深3m，在肩部破坏，,安全系数随埋深增大。,c=40,kpa,埋深7米，安全系数0.65,埋深8米，安全系数0.64,埋深9米，安全系数0.66,随埋深增加,逐步形成浅埋压力拱,埋深9m,形成浅埋压力拱,安全系数逐渐增大,埋深10米，安全系数0.69,埋深12米，安全系数0.7,埋深10m,浅埋压力拱逐渐消失,形成深埋压力拱,（拱高5M),埋深910m是,深浅埋的分界线,按规范公式h,q,为12m,埋深15米，安全系数0.7,逐渐形成两个破裂面,压力拱高不变,安全系数不变,埋深18米，安全系数0.7,埋深30米，安全系数0.67,埋深50米，安全系数0.61,安全系数基本不变,拱顶与侧壁出现两破裂面,安全系数随深度减少,明显出现两侧先破坏,安全系数随深度减少,两侧破坏,矩形隧洞破坏机理：,1、随埋深从拱顶破坏到拱肩破坏,2、开始时安全系数增加，逐渐形成浅埋压力拱，最大拱高9m,3、埋深10m后，浅埋压力拱消失，形成深埋压力拱，拱高约5m，安全系数不变,4、9 10m为深浅埋分界标准，按规范公式为12m,5、10 18m,普氏拱高度不变，安全系数不变,6、18m后，破坏逐渐先从侧向开始，随埋深增加，安全系数减少，出现侧向破坏后的塌落拱,（2）拱形洞室,埋深4米，安全系数0.87,埋深7米，安全系数0.84,埋深1m,拱顶中间破坏,埋深4m，拱腰破坏,埋深7m，拱肩破坏,与矩形不同，随深度增加,安全系数减少。,拱形洞室受力优于矩形洞室。,埋深3.5米，安全系数0.88,埋深10米，安全系数0.82,埋深8米，安全系数0.82,浅埋压力拱逐渐形成,拱顶破坏,埋深9米，安全系数0.82,埋深9m,浅埋压力拱形成,拱顶破坏,埋深10m,浅埋压力拱逐渐消失,同时出现侧向破坏,不形成深埋压力拱,埋深12米，安全系数0.81,埋深15米，安全系数0.8,埋深12m、15m,浅埋压力拱逐渐消失,隧洞侧向破坏，,埋深10米是深浅,埋分界线,规范为12米,埋深30米，安全系数0.77,埋深20米，安全系数0.78,先侧向破坏,随埋深增加，,安全系数不断减少,侧向破坏后,形成塌落平衡拱,埋深50米，安全系数0.75,埋深4米，安全系数0.87,埋深4米，安全系数1.32,（3）不同强度时拱形洞室等效塑性应变图比较,强度不同，安全系数不同，图形基本相同,。,埋深3.5米，安全系数0.88,埋深3.5米，安全系数1.37,c=40,kpa,c,=70,kpa,埋深8米，安全系数为1.22,埋深8米，安全系数0.82,埋深9米，安全系数1.20,埋深9米，安全系数0.82,埋深7米，安全系数为1.25,埋深7米，安全系数0.84,埋深10米，安全系数为1.18,埋深10米，安全系数0.82,埋深12米，安全系数1.15,埋深12米，安全系数0.81,埋深15米，安全系数为1.12,埋深15米，安全系数0.8,埋深20米，安全系数为1.07,埋深20米，安全系数0.78,埋深30米，安全系数为1.03,埋深30米，安全系数0.77,埋深50米，安全系数为0.9,深、浅埋分界线取决于洞形与洞跨,埋深50米，安全系数为0.75,拱形隧洞破坏机理：,1、随埋深从拱顶破坏到拱肩破坏,2、拱形洞室受力明显优于矩形洞室，随埋深增加，安全系数减小，先逐渐形成浅埋压力拱，最大拱高9m,3、埋深10m后，浅埋压力拱消失，形成两个破裂面。10为深浅埋分界标准，按规范公式为12m,4、不存在普氏压力拱，随埋深逐渐转为侧向破坏。,5、12m后，破坏明显先从侧向开始，随埋深增加，安全系数减少,6、深浅埋分界与洞形洞跨有关,与强度关系不大,三、目前隧洞设计中存在的问题,1、设计方法不符合实际，如形变压力采用荷载-结构法，使设计偏于保守。,2、采用形变压力法没有客观破坏标准，使设计保守。,开挖后塑性区,破坏时塑性区,3、现行隧洞破坏状态判据研究,1)以洞周位移或收敛位移为判据存在的问题,测点位置不同，位移值不同，位移标准也不同，不知道最敏感的测点位置,力学分析中，没有以位移表述的破坏标准，极限位移值按经验确定.,弹性模量E对洞周位移影响很大,弹性模量,(),20,30,40,50,60,拱顶最大垂直位移(cm),9.4,7.3,4.7,4.4,3.6,侧墙最大水平位移(cm),7.6,5.1,3.8,3.0,2.5,安全系数,1.62,1.62,1.62,1.62,1.62,表1 不同弹性模量的计算结果,岩土的弹性模量很难测准，严重影响计算结果,断面形状、尺寸不同，收敛位移界限不同,类围岩不同断面的相对收敛位移界限标准,三心圆拱扁平直墙拱窄高直墙拱,小断面（57.55）大断面(101510),围岩,类别,毛洞,断面,部位,隧洞断面形状,三心圆,直拱扁平,直拱窄高,小断面,大断面,拱顶,0.290H0.559H,0.257H0.481H,0.164H0.310H,0.134H0.258H,侧墙,0.350D0.672D,0.192D0.362D,0.472D0.896D,0.212D0.410D,2)以塑性区大小为破坏判据的问题,位移值大小主要取决于弹模，塑性区大小主要取决于强度,力学分析中还没有以塑性区大小的破坏标准，塑性区大小的判据也按经验确定,图1开挖后围岩,的塑性区,(=0.20),图2开挖后围岩,的塑性区,（=0.25）,图3开挖后围岩,的塑性区,(=0.30),不同的泊松比对塑性区大小有很大影响,图4开挖后围岩,的塑性区,(=0.35),图5开挖后围岩,的塑性区,(=0.40),（,图6开挖后围岩,的塑性区,(=0.45),表3不同泊松比的计算结果,泊松比不易测准，对塑性区大小影响很大,但对安全系数影响很小,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40,0.45,围岩塑性区面积,(,),294.56,38.39,12.85,8.96,8.71,8.68,围岩塑性区最大深度,(m,),14.00,6.26,2.76,1.57,1.28,1.20,安全系数,1.624,1.626,1.625,1.625,1.626,1.627,泊松比,不同数值分析软件对塑性区大小的影响,ANSYS,软件,计算的塑性区,PLASIX,软件,计算的塑性区,FLAC,软件,计算的塑性区,采用不同软件计算的塑性,区大小,PLAXIS FLAC ANSYS,分析软件,ANSYS,PLAXIS,FLAC,围岩塑性区面积,(,),8.96,24.78,22.40,围岩塑性区最大深度,(m,),1.57,3.09,2.80,安全系数,1.62,1.60,1.64,断面形状尺寸不同,标准不同,塑性区面积比:,三心圆拱扁平直墙拱窄高直墙拱,小断面经验破坏判据,塑性区深度为洞跨的11.5倍,大断面经验破坏判据,塑性区深度为洞跨的0.751倍,四、黄土隧洞剪切安全系数计算,材料破坏分为剪切破坏与拉破坏,黄土隧洞安全系数可分为剪切安全系数与拉裂安全系数,黄土隧洞在施工与运行中破坏主要由土体强度降低引起，建议采用强度储备安全系数,不断降低抗剪强度，直到破坏，求出剪切安全系数。,工程概况,某无衬砌黄土洞室，跨度3米，侧墙高1.5米，埋深30米。,矢跨比取0、1/6、1/3、1/2、2/3，,拱高取 0.0、0.5、1.0、1.5、2.0米；,表5 土体物理力学参数,弹性,模量,泊松比,容 重,粘聚力,内摩,擦角,(),抗拉,强度,40,0.35,17,0.05,25,0.02,折减 、计算结果（FLAC）,表6 不同矢跨比条件的下剪切安全系数,、,矢跨比,拱高,（m）,只折减,、,折减 、,抗拉强度,0,0.0,1.72,1.73,1/6,0.5,1.71,1.71,1/3,1.0,1.67,1.68,1/2,1.5,1.64,1.64,2/3,2.0,1.59,1.59,不同矢跨比的剪切安全系数,（,ANSYS,）,、,粘聚力,(),内摩擦角,（）,跨度,(m ),拱高,(m ),矢跨比,剪切安全系数,0.05,25,3,0.5,1/6,1.69(1.71),1,1/3,1.65(1.68),1.5,1/2,1.62(1.64),0.02,18,3,0.5,1/6,0.93,1,1/3,0.90,1.5,1/2,0.88,两种软件计算误差小于2%,老黄土中洞室安全，新黄土中洞室不安全,开挖后的塑性区,破坏时的塑性区,拱高0.5米,等效塑性应变和潜在破裂面,开挖后的塑性区,破坏时的塑性区,等效塑性应变和潜在破裂面,拱高1米,开挖后的塑性区,破坏时的塑性区,等效塑性应变和潜在破裂面,拱高1.5米,隧洞设计计算方法:,、II级岩体可按风险设计。,III、IV、V级可按稳定性计算设计，一般可采用形变压力计算。,既要保证围岩的一定安全度，又要保证衬砌达到足够安全度，,当不能保证围岩长期稳定时，必须采用松动压力计算。,五、有衬砌时黄土洞室设计,隧洞设计标准（稳定标准）的确定,(1)对初期支护：围岩应力释放50%后，施加初期支护,要求围岩具有1.151.20的安全系数，初衬建议安全系数1.30左右,确保施工安全.,(2)对二次支护：在初期支护以后施加二衬，要求围岩安全系数高于1.151.20。对于衬砌按现行规范的规定安全系数大于2.02.4，确保长期安全,（1）不做初期支护时的设计,黄土洞室毛跨7米，高6.5米，矢跨比1/2，,埋深40米，衬砌厚度25cm，,表 土体力学物理参数,变形,模量,泊,松,比,容重,粘聚力,内摩 擦角,抗拉,强度,40,0.35,17,0.05,25,0.02,图 开挖后围岩塑性区,支护,围岩安全系数,未支护时,0.84,采用强度折减法求围岩安全系数,无论深埋或浅埋，衬砌承受形变压力，但不需求结构上形变压力，可直接求出衬砌内力，由此可得衬砌安全系数。根据规范公式计算：,一般情况下，只考虑抗压安全系数，由材料抗压强度控制结构承载能力,KN,Rabh,（规范要求K2.4或2.0）,特殊情况下，按抗裂要求计算：,当轴向力偏心矩e,0,0.20,h,时，由材料的抗拉强度控制结构承载力,KN,1.75,Rabh/,(,6e,0,/h-1,),弯矩图,轴力图,衬砌安全系数,无初期支护时,衬砌结构安全系数表,衬砌厚度,h/m,开挖后应力释放率,最不利,位置,弯距,/(KNm,轴力,/MN,偏心距,e,0,/m,衬砌,安全,系数,围岩安全,系数,0.25,50%,拱脚,428,2.74,0.15,1.62,1.22,初期支护：,锚喷支护，喷层厚度15cm,计算时，锚杆支护以增加10%粘聚力代替,二次支护：厚25cmC30混凝土,设计安全系数要求：,初期支护围岩安全系数大于 1.151.20,衬砌安全系数大于 1.30,二次支护衬砌安全系数，大于22.4,（2）有初期与二次支护时的设计,表,衬砌以及围岩安全系数表,初期支护应力释放率,二次衬砌应力释放率,最不利,位置,弯距,/(KNm),轴力,/MN,偏心距,衬砌,安全系数,围岩,安全系数,初期 50%,1.32,1.21,二次,50%,0,拱脚,519,1.62,0.320,3.21,1.42,洞跨12m,初衬厚度,为30cm,二衬厚度,60cm,老黄土,C=0.05 =25,新黄土,C=0.022 =20,（3）铁路双线隧道双模筑复合式衬砌计算,老黄土衬砌以及围岩安全系数表,初期支护应力释放率,二次衬砌应力释放率,弯距,/(KNm),轴力,/MN,偏心距,e,0,/m,衬砌安全系数,围岩安全系数,0（未支护）,0.75,0（只加锚杆）,0.83,50%,（加锚杆）,0（不做,二衬）,470.903,4.46,0.106,1.95,1.18,初期支护安全系数,50%,（加锚杆）,二衬,厚40cm,0,1630,3.06,0.533,3.15,1.31,50%,（加锚杆）,二衬,厚60cm,0,2360,3.43,0.688,3.60,1.37,初期支护应力释放率,二次衬砌应力释放率,弯距,/(KNm),轴力,/MN,偏心距,e,0,/m,衬砌安全系数,围岩安全系数,二次支护安全系数,新黄土衬砌以及围岩安全系数表,初期支护应力释放率,二次衬砌应力释放率,弯距,/(KNm),轴力,/MN,偏心距,e,0,/m,衬砌安全系数,围岩安全系数,0（未支护）,0.51,0（只加锚杆）,0.72,50%（加锚杆）,0（未做二衬）,887,6.72,0.131,1.36,1.15,50%（加锚杆）,0（二衬后60cm）,3710,8.30,0.436,2.69,1.33,计算结论,1、老黄土隧洞 安全系数,初期支护 厚度30 cm 围岩1.18 衬砌1.95,二次支护 厚度40 cm 围岩1.31 衬砌3.15,2、新黄土隧洞,初期支护 厚度30 cm,围岩1.15,衬砌1.36,二次支护 厚度60 cm 围岩1.33 衬砌2.69,结 语,一、隧洞破坏机理，深埋与浅埋不同；,二、隧洞有剪切破坏与拉破坏，一般情况,下只考虑剪切破坏；,三、围岩的剪切安全系数可采用有限元强,度折减法计算；,四、初衬与二衬的安全系数可按结构安全,系数计算，可由有限元法自动求得；,五、隧洞设计既要保证围岩安全，又要保证衬砌安全；既要保证施工安全，又要保证运行安全。,