第六章1-支护结构的岩体力学计算方法.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,隧道工程力学原理,做你该做的事情，,不要问结果如何。,英国诗人 赫伯特,第六章 支护结构的岩体力学计算方法,主要对锚喷支护进行设计,计算模型：,地层,结构模式,，即结构处于无限,或半无限介质中，支护结构镶嵌在围岩空洞上（相,当于加劲环）所组成的复合模式。此模式中，支护,结构与围岩相互作用，组成一个共同承载体系，其,中围岩为主要的承载结构。,将衬砌结构、回填层及围岩视为一个在外荷载,作用下互相制约的受力变形体系,地层,-,结构模式,-,整体分析模式。,荷载,-,结构模式将支护结构与围岩“分割”开,来，即把围岩视为产生荷载，而支护结构（衬,砌）则承受围岩产生的荷载，这是不尽合理的，,隧道工程力学原理,例如，在无支护坑道中，坑道围岩本身就是承,载结构，其工作状态接近于半无限或无限介质中的,孔洞。,“新奥法”的根本点就是充分调动围岩自身承受荷,载的积极性，或者说充分利用围岩自身承受荷载的,能力。,支护结构与围岩的相互作用与下列因素有关：,岩体的初始应力状态 岩体的特性,支护结构的特性,支护结构与围岩的接触条件,支护结构参与工作的时间,施工技术,此模式的求解方法主要有数值法、剪切滑移破坏,法和特征曲线法。,隧道工程力学原理,6.1,数值法,有限单元法，取,3,5,倍洞径范围进行分析。,可简化为平面应变问题，各向同性的均质弹性,体，或弹塑性体，或粘弹塑性体。,单元类型：三角形、四边形、回填的弹簧单,元、锚杆的梁单元、防水层的节理单元、衬砌,梁单元、各种体单元。,6.2,剪切滑移破坏法,60,年代初，奥地利的拉布塞维奇教授，首先提出了剪切滑移破坏理论，指出锚喷柔性支护破坏,形态主要是剪切破坏而不是挠曲破坏，且在剪切破,坏前没有出现挠曲开裂。,一、剪切滑移体的形成,开挖一圆形坑道，在荷载（垂直荷载大于侧向荷载）作用下，在水平直径的两侧形成压应力集中而产生剪切滑移面。随着压应力的不断增加，剪切滑移面不断地向水平直径的上下方且与最大主应力轨迹线成,45,o,-/2,（,是围岩的内摩擦角）方向扩展。由于围岩受剪而松弛，产生应力释放。当围岩的应力较小，剪切滑移面不再继续扩展时，则在坑道水平直径两端形成两个剪切楔形滑移块体。,在无支护情况下,，,两楔形滑移块体，由于剪切面与围岩体分离，向坑道内移动。之后，上下部分围岩体由于楔形块体滑移失去支撑力，产生挠曲破坏而坍塌。最后形成一个暂时稳定的垂直椭圆形洞室。,当水平侧向压力大于垂直压力时，则形成水平椭圆形洞室。,剪切滑移体一定位于塑性范围内。,剪切滑移面与最大主应力轨迹线成,45-,（是围岩的内摩擦角），计为：,设在剪切滑移线上任取一点,i,，,该点处的半径为,r,，,与垂直轴的夹角为 ，当 增加一个 时，,r,的增量为 ，由于 和 值很小，近似求得：,积分：,得,故：,可见剪切滑移体为一对对数螺旋线组成，其曲线方程式为：,为阻止剪切滑移体向坑道内滑移，需修筑锚喷,支护以稳定坑道。,二、剪切滑移破坏法的计算,锚喷支护所提供的支护抗力必须与剪切滑移体的滑移力相平衡，即总支护抗力：,为阻止剪切滑移体滑移所需要的最小支护抗,力值。,确定 的途径有：,由现场实测的塑性区半径,r,求（按重力平衡,条件求）；,根据坑道周边的允许位移值求 ；,实地量测形变压力作为 ；,根据围岩特征曲线求 。,假定,P,的作用方向为水平方向,喷砼提供的支护抗力值,喷砼抗力是指沿剪切面喷层所提供的平均分配,在剪切区高度,b,上的抗剪力。,剪切滑移体向坑道方向移动时对喷层产生水平,推力，此时，如喷层强度不足，则在剪切滑移体的,上下边缘处（应力集中区）形成两个剪切滑移面。,当处于受力极限平衡时，其水平推力与两个剪切面,上的水平抗剪分力相平衡，,即：,而,故,式中 为喷砼层的厚度,为喷砼抗剪强度，取,（为抗压强度）,为喷砼的剪切角，取,=30,b,为剪切区高度,为剪切滑移面的平均倾角，,为岩体内摩擦角,钢支撑提供的支护抗力值,计算时可换算成相应的喷混凝土支护抗力，即：,式中 为每米隧道钢材的当量面积,为钢材的抗剪强度，一般取,（或,=15,）,为钢材的允许抗拉强度,为钢材的剪切角，一般取,=45,锚杆提供的支护抗力值,锚杆的受力破坏有两种情况：,锚杆体本身的强度不足而被拉断。此时锚杆,提供的平均径向支护抗力 为：,式中,F,锚杆的断面积,锚杆的抗拉强度,锚杆纵向及横向间距,锚杆的粘结破坏，即砂浆锚杆与锚杆孔壁之,间粘结力不足而破坏。此时锚杆提供的平均径向支,护抗力 为：,式中，,S,为锚杆拉拔力，由锚杆拉拔试验求得,对于 的取值，在围岩好时取第一种情况，否则取第二种情况。,由于在,0,范围内的锚杆才能对剪切滑移体产生抗力，则：,为集中力，现化成为剪切区高度上,b/2,的分布,力，则：,将代入上式有：,或,围岩本身提供的支护抗力值,剪切滑移体滑动时，围岩在滑面上的抗滑力，,其水平方向的分力在剪切区高度,b/2,上的抗力 为：,式中 为剪切滑移体长度，其值为,=,为加固带宽度,由剪切滑移体曲线方程有：,即：,两边取对数有：,取,l,为形成加固带时锚杆的有效长度，,t,为锚杆横向间距，有,：,为剪切滑移面的平均倾角，取经验数据：,l,为形成加固带时锚杆的有效长度。,、分别为沿滑移面的剪切应力和垂直于滑移面,的正应力，它们按摩尔包络线为直线时的假定求,出。,由于,将 代入上式得：,上式中的径向主应力 值随剪切滑移面上的位置,而变化，难以确定，所以假定 等于各支护结构,所提供的径向支护抗力之和。,即：,式中：喷砼层提供的径向支护抗力,钢支撑提供的径向支护抗力,锚杆提供的径向支护抗力,计算实例：已知某隧道的数据：岩石内摩擦角,=30,，,a=2.9m,，,=0.2m,，,=30,，,钢拱支撑为,H150150,型钢，截面积,=40.14,，,=9100,剪切角,=45,l=2.12m,（,粘结式锚杆），纵向间距,e=1.0m,，,横向间距,t=1.139m,，锚杆拉拔力取,15t,。,解：,求剪切角,=45-15=30,做楔体型滑动岩块的剪切滑动轨迹。,用公式,以 为变量取 由 之间的不同数值算,出对应的,r,值，则可做出滑动曲线。,求剪切滑动区域宽度,=5.02m,计算,计算钢拱架承载力,计算锚杆对围岩的径向平均压应力,计算岩石支撑环的承载力，先求 、,再求 、,计算锚杆的承载力,计算初期支护结构对围岩的总承载力,