岩石力学课件---9._围岩稳定.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,*,第八章,地下工程围岩稳定性分析,引言,安全生产,是关系国计民生的头等大事,隧道（洞）工程是,高风险行业,每年，地下工程施工中由于设计、施工不当引发的塌方事故造成的,人员伤亡上万,、国家,财产损失几十亿,如何评判隧洞围岩的稳定性？,8.,地下工程围岩稳定性,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,8.2,弹塑性力学分析法,8.3,围岩压力,8.4,隧道支护与新奥法,8.5,块体理论应用实例,8.6,存在的问题,8-1,地下工程围岩稳定性分析与压力计算,根据围岩的结构不同，地下工程可采用不同分析方法。,完整结构的岩体：弹性,/,弹塑性力学分析,块状结构岩体：块体平衡理论分析,碎裂和松散结构岩体：松散体力学分析,各向同性岩体,各向异性岩体,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,围岩,：坑道周围发生应力重新分布的岩体称为围岩。,次生应力状态,（二次应力状态）,：原岩因受开挖扰动，其应力重新分布，围岩中重新分布后的应力状态，称为次生应力状态，或二次应力状态。,基本假定,：岩体为均质、连续和各向同性的介质。,研究围岩应力状态的方法,：将巷道和围岩视为无重量的有孔平板的平面应变问题。平板所受到的外力即为原岩应力。,1,、圆形坑道围岩应力分布,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,1,、圆形坑道围岩应力分布,设原岩垂直应力为,p,，水平应力为,q,，作用在围岩边界，忽略围岩自重的影响，按弹性理论中的基尔希公式计算围岩中任一点,M,（,r,，,）,的应力（,a,为洞半径）：,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,1,、圆形坑道围岩应力分布,（,1,）当,r,时，,上式即为极坐标中的原岩应力。,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,1,、圆形坑道围岩应力分布,（,2,）当,r,a,时，即坑道周边的应力为：,式中：,=,q,/,p,为侧压力系数。,或：,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,1,、圆形坑道围岩应力分布,（,3,）当,p=q,即,=1,时，,=1,（轴对称）时对圆形坑道围岩应力分布最有利。,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,当,r=a,，坑道周边应力为：,当,r,时，坑道原岩应力为：,圆形坑道开挖应力扰动范围为坑道半径的,3,5,倍。,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,2,、椭圆形坑道周边应力分布,设椭圆形断面长轴为水平方向，,长半轴为,a,，短半轴为,b,，原岩垂直应力为,p,，水平应力为,q=,p,，坑道周边任一点的径向应力,r,切向应力,剪应力,r,，根据弹性力学计算公式为：,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,2,、椭圆形坑道周边应力分布,式中：,m=b/a,叫轴比,；,周边计算点的偏心角。,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,例：,1/4,条件下，不同轴比,m,对应的顶底板和两帮中点处的,：,可见，椭圆形长轴与原岩最大主应力方向一致时，坑道周边不出现切向拉应力，应力分布较合理，,等应力轴比时最好,。,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,2,、椭圆形坑道周边应力分布,满足上式的轴比叫等应力轴比。在等应力轴比的条件下，椭圆形坑道顶底板中点和两帮中点的切向应力相等，周边应力分布比较均匀。,可见，在原岩应力,(,p,p,）一定的条件下，,随轴比,m,而变化。为了获得合理的应力分布，可通过调整轴比,m,来实现。,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,返回,当 时，矩形洞室周边均为压应力,当 时，洞室周边出现拉应力,矩形洞室周边角点应力远大于其它部位的应力,a,8.2,弹塑性力学分析法,围岩应力的变化规律及其分布状态,根据围岩应力分布状态，可将坑道周围岩体分为,4,个区域：,1,、应力松弛区,2,、塑性强化区,3,、弹性区,4,、原岩应力区,围岩与支护相互作用原理,8.2,弹塑性力学分析法,围岩应力分布的共同特点,（,1,）,无论坑道断面形状如何，,周边附近应力集中系数最大,，远离周边，应力集中程度逐渐减小，在距巷道中心为,3-5,倍坑道半径处，围岩应力趋近于与原岩应力相等。,（,2,）,坑道围岩应力受侧应力系数,、坑道断面轴比的影响，一般坑道,断面长轴平行于原岩最大主应力方向时，能获得较好的围岩应力分布,；而当坑道,断面长轴与短轴之比等于长轴方向原岩最大主应力与短轴方向原岩应力之比时，坑道围岩应力分布最理想,。这时在巷道顶底板中点和两帮中点处切向应力相等，并且不出现拉应力。,（,3,）,坑道,断面形状影响围岩应力分布的均匀性,。通常平直边容易出现拉应力，转角处产生较大剪应力集中，都不利于坑道稳定。,（,4,）,坑道影响区随坑道半径增大而增大,，相应应力集中区也随坑道半径增大而增大。如果应力很高，在周边附近应力超过岩体承载能力而产生破裂区半径也将较大。,（,5,）,上述特征都是在假定坑道周边围岩完整,(,弹性,),的情况下才具备的。在采用爆破方法开挖的坑道中，由于爆破的松动和破坏作用，坑道周边往往不是应力集中区，而是应力降低区，此区域又叫,爆破松动区,。该区域的范围一般在,0.5 m,左右；往内分别为,应力集中区（塑性强化区）、弹性区、原岩应力区,。,返回,一、围岩压力的基本概念,狭义围岩压力：围岩作用于支护上的压力，也称山岩压力。（围岩和支护被看成独立的两个体系）,广义围岩压力：支护与围岩是一个共同体，二次应力的全部作用力视为围岩压力。,1,、,松动压力,：松动脱落围岩，作用在支护上的岩体的自重荷载（自然拱、掉块，,）及时支护减小松动范围、控制松动区发展。,2,、,变形压力,阻止围岩塑性变形时，作用在支护上的压力。,3,、,冲击压力,：岩体中的能量突然释放（岩爆）所形成的压力。,4,、,膨胀压力,：围岩膨胀所形成的压力,只有松动压力和塑性变形压能够计算。,8.3,围岩压力,二、太沙基的围岩压力计算方法,由单元体的平衡条件推出围岩压力,1,、基本假设,（,1,）认为岩体是松散体，但存在一定的粘聚力，且服从库仑准则：,（,2,）围岩的滑移模式和外力情况如图所示,2,、围岩压力计算,边界条件：,微元体的平衡条件,：,图,7-16,垂直地层压力计算图,（,3,）适用条件：,H50m,。,解该微分方程，并令,z=H,得洞顶压力,：,-,原,岩,应力侧压力系数,洞室两邦的压力,:,三、影响围岩压力的因素,1,、地质方面的因素（自然属性）,（,1,）完整性或破碎程度。,（,2,）结构面的产状、分布密度、力学性质、充填物性质及其充填状态。,（,3,）地下水的活动状况。,（,4,）岩体的性质和强度。,2,、工程方面的因素,（,1,）洞室的形状和尺寸,（,2,）支护结构的形式和刚度,支护作用：阻止围岩变形，维护围岩稳定,支护,外部支护,内承支护,刚性,柔性,（,3,）洞室的位置、尺度和覆盖层厚度。,（,4,）施工中的技术措施。,例如，控制爆破（光、预裂）,开挖顺序,（,5,）洞室的轴线走向,2,、工程方面的因素,1,、围岩整体稳定，可能有局部掉落。,（爆破震动、局部裂隙切割）,2,、脆性断裂破坏,拉裂破坏，一般在洞顶。,3,、松散、冒顶、片帮自然拱,4,、围岩膨胀底鼓,5,、形成塑性滑移面,四、水平洞室围岩的主要破坏形式,自然冒落拱,水平或缓倾斜坚硬岩层,巷道开挖轮廓线,急倾斜坚硬岩层,高边墙塌落取决于节理分布,脆性裂隙岩体巷道围岩顶部掉块模型,软岩巷道严重底鼓现象,软岩巷道围岩的膨胀现象,返回,岩体作为支护结构的组成部分，构成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力。,8.4,隧道支护与,新奥法简介,8.4.1,隧道支护,8.4.2,新奥法简介,8.4.1,隧道支护,一、离壁式支护的力学作用,特点：离壁式支护结构如木支架、钢支架、混凝土砌碹以及钢筋混凝土支架等与围岩部分点接触和部分面接触。,1,、被动承受围岩压力。,2,、支护及时时，在点接触或面接触处承受围岩所产生的压力（变形压力），未与围岩接触处承受围岩松脱冒落的自重应力（松动压力）。,3,、在完全不接触的情况下，或支护不及时时，围岩已发生松脱，则只承受松动压力。,二、喷锚支护的力学作用,特点：喷锚支护是喷射混凝土支护与锚杆支护的联合支护，其特点是通过加固围岩，提高围岩的自承能力达到维护坑道的目的。,1,、喷射混凝土的力学作用,（,1,）加固围岩。,（,2,）改善围岩的应力状态,。,2,、锚杆支护的力学作用,（,1,）锚杆的受力状态,端部锚固式锚杆,全长粘结式锚杆,8.4.1,隧道支护,二、喷锚支护的力学作用,2,、锚杆支护的力学作用,（,1,）锚杆群的力学作用,8.4.1,隧道支护,二、喷锚支护的力学作用,2,、锚杆支护的力学作用,（,1,）锚杆群的力学作用,A,、组合悬吊作用,8.4.1,隧道支护,二、喷锚支护的力学作用,2,、锚杆支护的力学作用,（,1,）锚杆群的力学作用,B,、挤压加固作用,8.4.1,隧道支护,二、喷锚支护的力学作用,3,、喷锚联合支护的力学作用,（,1,）开挖后，在坑道周边形成松动圈和塑性变形区。喷射混凝土支护，一方面水泥砂浆的胶结作用提高了松动圈的整体稳定性，另一方面喷射混凝土层的柔性，允许围岩发生较大的位移而不发生松脱，能充分发挥围岩的自支承能力。,（,2,）锚杆的挤压加固与围岩变形的相互作用，进一步加固围岩，提高其整体承压能力。,喷锚联合支护是软弱破碎岩体的一种最有效的支护形式，具有主动加固围岩、充分发挥围岩的自支承能力、良好的抗震性能等优点。,8.4.1,隧道支护,“新奥地利隧道施工法”（,NATM,N,ew,A,ustralia,T,unnelling,M,ethod,）法，由奥地利学派创始人之一米勒教授提出的。包括三方面的内容：,1,、支护,-,围岩共同作用原理。,2,、柔性支护观点,/,锚喷网综合支护主要支护手段。,3,、设计、施工、监测一条龙作业方式。,优点：较好利用岩体力学特性，充分发挥围岩的自身的承载能力，合理设计支护结构和施工顺序。,8.4.2,新奥法简介,岩体作为支护结构的组成部分，构成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力。,1,、支护,-,围岩共同作用原理,围岩既是生产支护荷载的主体，又是承受岩层荷载的结构，支护,-,围岩作为整体相互作用，共同承担围岩压力。摒弃了过去岩体作为对支护结构的荷载采用厚衬砌的传统做法。,围岩压力是变形压力和松动压力的组合，大部分压力,(,特别是变形压力,),由围岩自身承担，只有少部分转移到支护结构上；支护荷载既取决于围岩的性质，又取决于支护结构的刚度和支护时间；围岩的松动区和围岩内的二次应力状态又与支护结构的性质和支护时间有关。,支护,-,围岩共同作用原理图,围岩特性曲线,支护特性曲线,支护,时间,刚度,早,晚,刚,柔,2,、柔性支护观点,支护刚度不必太大，当支护做完后，能与岩体一起生产一定的位移，释放部分变形能，但又能使支护足以保持平衡，保持围岩稳定。,柔性支护，尽早支护，既及时封闭围岩，防止风化，又能释放变形能，合理利用围岩与支护共同承担应力调整过程中的所有作用。,支护结构为闭合环，,锚喷网综合支护主要支护手段,。,设计、施工、监测一条龙作业方式,工程地质调查与相关实验,工程开挖与支护设计,施工与监测,是否稳定,地下工程稳定,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,：,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。,地下工程稳定性可分为两类,自稳,：不需要支护围岩自身能保持长期稳定,人工稳定：,需要支护才能保持围岩稳定,稳定性问题的力学本质,自稳,不自稳,围岩内危险点的应力和位移,计算围岩压力,支护中危险点的应力或位移,大于支护极限,小于支护极限,人工稳定,改革支护,深埋地下工程,地下工程自身影响达不到地表的，称为,深埋,。反之,浅埋,（,2,）当埋深等于或大于巷道半径,R,0,或其宽、高之半的,20,倍以上时，巷道影响范围（,35 R,0,）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,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；,（,3,）,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,地下工程稳定性分析途径,本章主要内容,弹性,弹,-,塑性,松散,围岩应力、支护上的压力,返回,8.5,块体理论应用实例,荒沟抽水蓄能电站地下厂房系统洞室群围岩稳定性分析,作为地下洞室工程直接作用对象的岩体，宏观上可以视为由结构面和临空面切割形成的块体的集合体。洞室开挖使岩体内原始的应力平衡状态遭到破坏，应力重新分布。在局部应力集中区，当应力超过岩体强度极限时，某些块体就会失去原有的静力平衡状态，沿着结构面滑移并导致局部掉块，进而产生连锁反应，造成一定范围内岩体的局部失稳。因此块体稳定性是研究地下工程围岩整体稳定性的一项极为重要的内容，应给予高度的重视。,块体理论是近年来发展和完善起来的一种岩体工程稳定性分析方法，它最早是由石根华先生在,20,世纪,70,年代提出的。块体理论是基于自然界中岩体为由含大量结构面的岩石所组成的结构体，针对过去将岩体作为弹性的均质连续体而提出的一种完全不同的认识。块体理论认为，在坚硬和半坚硬的地层中，岩体被结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体。在自然状态下，这些块体是稳定的，但当进行地下工程的开挖时，开挖造成的卸荷作用改变了块体原有的平衡，使得块体出现失稳的现象。首先失稳的块体被称作关键块体，其对工程的安全性构成严重威胁。因此，研究块体的稳定性实质就是研究结构面的空间展布特征，进而找出关键块体。,8.5.1,理论依据,一,基本概念,1.1.,块体分类,1.2.,块体定义,(1),块体：块体，泛指被各类结构面和临空面所切割的岩体。,(2),无限块体：是指未被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体，这类块体虽受结构面和临空面切割，但仍有一部分与母岩相连。,(3),有限块体：被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体，亦可称为分离体。有限块体又分为不可动块体和可动块体两类。,(4),不可动块体：不可动块体或称倒楔块体，这类块体沿空间任何方向移动皆受相邻块体阻碍，如果相邻块体不发生移动，它也不可能移动。,(5),可动块体：可动块体是指沿空间某一方向或若干方向移动而不受相邻块体阻碍的块体，可动块体又分为稳定块体、可能失稳块体和关键块体。,(6),稳定块体：指在工程力和自重作用下，即使滑动面的抗剪强度为零也能保持稳定的块体。,(7),可能失稳块体：可能失稳块体指在工程力和自重作用下，由于滑动面有足够的抗剪强度才保持稳定的块体，若滑动面上的抗剪强度降低，这类块体可能失稳。,(8),关键块体：关键块体是指在工程力和自重作用下，由于滑动面上的抗剪强度不足于抵御滑动力，若不施加工程锚固措施。必将失稳的块体。,(a),无限块体,(b),倒楔块体,(c),稳定块体,(d),可能失稳块体,(e),关键块体,二,分析手段,块体理论按其性质可大致分为作图法和矢量解析法。,2.1.,赤平投影解析法,在岩体工程地质力学研究和实践中，主要应用的是,通过投影球心的平面和直线的赤平极射投影,，用于表示岩体中的,结构面、工程开挖面、工程作用力、岩体的滑移方向、滑动力和抗滑力等,，在作图时，不考虑直线和平面的空间位置，只表示它们的空间方向。,2.3.,程序,VATS,原理,在实际应用中，输入三组结构面的,x,、,y,、,z,、倾角、倾向、,c,、,七个参数进行计算。依次分析围岩内顶点，结构面与临空面交点，各结构面的面积，结构面切割块体体积、重心坐标等数据，从而得到的块体确切位置、是否滑动以及可能滑动时的净滑动力和稳定系数等。同时，本软件也支持输入多个块体的计算参数计算，方便了数据的处理。其详细情况请参看下面的流程图：,(1),在详细调查的基础上，认真整理勘探平硐实测资料，从中选取本次研究中所需延伸出的揭露断层和节理的产状和展布特征，对水电站内规模较大的地下厂房系统通过地质勘探资料确定其中心位置、走向、倾向和洞室群的空间布置，以及可能结构块体的选取等。,(2),依据探硐揭露的节理、断层结构产状，选用对应位置的玫瑰节理图，运用赤平极限投影法和矢量分析法对地下厂房系统的洞室群中的可动块体和关键块体进行定性的分析，来获取生成可动块体和关键块体的节理组和断层的可能组合和在洞室群的剖面上的位置,。,三 工作步骤,(3),运用块体理论方法和数值计算软件,Matlab,编制隧道洞室围岩块体的,矢量解析计算,程序,VATS(Vector,Analysis for Tunnel Stability),，该程序充分利用适量解析方法的优点，通过对块体结构的数学描述，判断洞室围岩块体的稳定性，直接输出关键块体的出露位置、体积、滑动力及其稳定性参数。,(4),根据洞顶、边墙的结构面展布图及结构面倾向、倾角，测点等数据，运用所编制的矢量解析程序,VATS(Vector,Analysis for Tunnel Stability),，对,PD04,，,PD05,探硐内的在拱顶和边墙内完全出露的节理、断层进行无限延伸并任意组合，研究地下厂房系统的拱顶和边墙的块体稳定性和关键块体的出露位置、体积、滑动力及其稳定性参数，并以图形展示。,(5),根据分析出的地下厂房系统洞室群的围岩稳定性结果，提出对其进行整体支护设计和关键块的特殊支护处理的建议方法。,三 工作步骤,1.,计算条件,(,一,),赤平极射投影法和矢量分析法分析,PD01,、,PD05,、,PD04(,桩号,1+235-1+272,总共,89,条,),裂隙走向玫瑰花图,2.,计算结果,(1).,地下主厂房,地下厂房结构面赤平投影,3.,工程评价：,这里我们应用探硐揭露的结构面的实际产状，将节理、断层进行概化分组形成玫瑰节理图，分为考虑各洞室结构面的全部组合和依据各洞室地质剖面图具体情况考虑结构面的组合这两种情况，通过,赤平投影法和矢量解析法,相互验证，对洞室围岩中的可动块体和关键块体进行了定性的搜索，得出了各洞室围岩中可动块体和关键块体的个数、参与的结构面的组合及其在预挖临空面剖面上的位置。,结构面组合在左边墙有两个交点,主厂房左边墙,-,拱顶位置块体编号的三维色谱图,两两结构面组合交点均位于在左边墙,主厂房左边墙位置块体的三维色谱图,两两结构面三个交点均位于拱顶,主厂房拱顶位置不同编号块体的三维色谱图,返回,目前围岩稳定性评判指标,目前对洞室稳定性的评价,尚无统一的理性方法,收敛变形,是围岩稳定状态的最直接表现，常被当作重要指标,经验公式,由抗压强度与洞室尺寸,估算最大允许变形,式中：,B,为洞室跨度,H,为洞室高度,R,b,为岩体单轴饱和抗压强度,规范方法,锚杆喷射混凝土支护技术规范,(GB50086-2001),允许的洞周相对收敛量,围岩类别,隧洞埋深（,m,）,50,50300,300500,III,0.10.3,0.20.5,0.41.2,IV,0.150.5,0.41.2,0.82.0,V,0.20.8,0.61.6,1.03.0,注：,(1),洞周相对收敛量,指,实测收敛量,与,两点间距离,之比,(2),适用于,高跨比为,0.81.2,和,III,类围岩跨度小于,20 m,、,IV,类小于,15 m,、,V,类小于,10 m,(3),脆性岩体,取表中,较小值，塑性岩体,取表中,较大值,工程上主要采用,经验公式,和,规范的规定,目前围岩稳定性评判指标,以上两种方法均与围岩的力学参数 、,变形模量,E,、围岩埋深,H,等因素没有直接关系，显然不科学。,没有能够反映围岩力学特性、隧洞的埋深以及隧洞尺寸的围岩稳定性评价指标，更没有理性的、明确的围岩稳定性评价标准与方法,围岩类别,III,IV,V,经验公式,3.79,10.73,120.00,规范的规定,1025,2060,3080,洞径,10m,时不同评判指标允许的拱顶最大沉降量,(mm),弹性模量,（,GPa,）,泊松比,凝聚力,（,MPa,）,内摩擦角,（,）,5.010.0,0.250.30,0.61.5,3545,1.05.0,0.300.35,0.10.6,3035,0.31.0,0.350.45,0.050.1,2030,返回,核军事工业也产生高放废物,1945,年,8,月,6,日,:,轰炸广岛,1964,年,10,月,16,日,:,中国,第一颗原子弹爆炸,中国的核电站已建成,9,套，在建,2,套，在,2020,年前再建,25,套,大亚湾,岭澳,秦山,1,，,2,秦山,-3,田湾,高放废物处置的方法,唯一可行的处置方案,深地质处置,地质处置库的特征,处置库是安全处置高放废物的矿山式地下工程，距地表,500-1000,米深,由多重屏障组成,有效阻挡高放废物中放射性核素的迁移，确保安全,多重屏障之一：工程屏障,废,物体、废物罐、外包装、和缓冲材料膨润土,多重屏障之二,:,天然屏障,经过精心选择的位于稳定地质体中的岩石,如花岗岩、粘土岩等,高放废物地质处置：科学挑战,处置库中的废物：,放射性强,毒性大,半衰期长,处置库的寿命至少要达到,1,万年。这一要求是,目前任何工程所没有的。,并且要求有科学、可信的手段评价处置库是,安全的,地质处置：地质学难题,1,.,处置库场址地质演化的预测,2.,深部地质环境的特点和演化,3.,地质处置库多因素耦合条件下（中高温、高压、地壳应力、还原条件、水流作用和化学作用）深部岩石和岩体的行为,4.,地质处置库多因素耦合条件下材料的行为：缓冲回填材料,膨润土等材料的行为,5.,深部地质环境下放射性核素（主要是超铀核素）的地球化学行为,6.,各种因素对处置系统的影响,7.,地质处置系统的性能评价方法及计算机仿真,HUMBOLDT,COUNTY,PERSHING,COUNTY,ELKO,COUNTY,WHITE PINE,COUNTY,NYE,COUNTY,LANDER,COUNTY,EUREKA,COUNTY,CHURCHILL,COUNTY,WASHOE,COUNTY,MINERAL,COUNTY,STOREY,LYON,DOUGLAS,ESMERALDA,COUNTY,LINCOLN,COUNTY,CLARK,COUNTY,LAS,VEGAS,INYO COUNTY,CALIFORNIA,NELLIS,AIR FORCE,RANGE,NV,TEST,SITE,YUCCA,MOUNTAIN,100 miles northwest of Las Vegas,Located on western boundary of the Nevada Test Site,a DOE facility,Location of Yucca Mountain,Nevada,高放废物地质处置：美国进展,人文、政治,、经济、,旅游资源、,地震与地质,地壳稳定性,地球化学,核设施布局,大地构造,未来自然变化趋势,运输条件,自然资源,初步选址,甘肃北山,（,100 Km,2,）,地质体的地质、水文、地震、岩性、力学分析、,断裂构造和裂隙、地球化学、气候及气象,深部地下储存库稳定性,地下试验室研究,岩石力学,与工程,储存场址的建议,人大审批,甘肃北山,10 Km,2,建库,具有历史意义的甘肃北山,1,号孔开工典礼,（,2000/07/08,，,18:00,）,返回,（一）数值分析方法的分类,在岩石力学有关领域的数值分析方法应用中，主要使用的方法为有限元法，边界单元，离散单元法，拉格朗日单元法及块体理论等,（,二）有限元法原理及其应用要点,原理：通过变分原理（或加权余量法）和分区插值的离散化处理把基本支配方程转化为线性代数方程，把待解域内,的连续函数转化为求解有限个离散点（节点）处的场函数值。,9.,数值计算方法及新进展简介,应用要点：,.,正确划分计算范围与边界条件,2.,正确输入岩体参数及初始地应力场,3.,采用特殊单元来考虑岩体的非连续性和边界效应,（,三）岩石力学问题的其他数值分析方法,1.,边界单元法,有限元法是对问题的微分近似表达式,给出了精确解，它实质上属于微分法。,与微分法相对应的是积分法，积分法所涉及的边界可包围整个问题域，而数值分析的离散化仅在边界上近似。下图表示了在外部问题模拟时微分法与积分法之间的区别。,2.,离散单元法,离散单元法完全强调岩体的非连续性。它认为，岩体中的各离散单元，在初始应力作用下各块体保持平衡。岩体被表面或内部开挖以后，一部分岩体就存在不平衡力，离散单元法对计算域内的每个块体所受的四周作用力及自重进行不平衡计算，并采用牛顿运动定律确定该岩块内不平衡力引起的速度和位移。反复逐个岩块进行类似计算，最终确定岩体在已知荷载作用下是否将破坏或计算出最终稳定体系的累计位移。,离散单元法算例：研究地下煤层开挖引起冒落和岩层移动，研究冒落带深度与节理间距的关系,。,3.,块体理论,块体理论就是针对个性各异的岩体中具有结构面这一共性，根据集合论柘朴学原理，运用矢量分析和全空间赤平投影图形方法，构造出可能有的一切块体类型，进而将这些块体和开挖面的关系分成可移动块体和不可移动块体，对几何可移动块体在按力学条件分为稳定块体、潜在关键块体、关键块体。,此外，在计算方法上，还有半解析法、加,权残余法以及松弛法中的经松弛法以及上述方法的耦合应用。,例子,五、位移反分析法在岩体力学中的应用,1.,位移反分析法：在岩体工程施工开挖过程中，通过测量位移、应变或应力，来确定岩体的初始地应力或岩体力学参数。,2.,应用,反问题法不仅是参数估计，它的进一步推广应用是工程预测和险情预报、反馈动态设计、调整施工方案以及可靠度评价等,六、新的数学计算方法和软科学在岩石力学中的应用,1.,分形几何及其在岩石力学中的应用,分形几何是近十年来发展起来的研究非线性现象和图形不规律性的理论和方法，它在处理岩石断裂形貌、岩石破碎、岩体结构、岩石颗粒特征等过去认为难以解决的复杂问题，得到了一系列准确的解释和定量结果。下面图表是分形几何在岩体结构的分维中的应用。,2,.,统计岩石力学,3.,系统分析、控制论等软科学在岩石力学与工程中的应用,4.,人工智能与专家系统在岩石力学中的应用,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,围岩,：坑道周围发生应力重新分布的岩体称为围岩。,次生应力状态,（二次应力状态）,：原岩因受开挖扰动，其应力重新分布，围岩中重新分布后的应力状态，称为次生应力状态，或二次应力状态。,基本假定,：岩体为均质、连续和各向同性的介质。,研究围岩应力状态的方法,：将巷道和围岩视为无重量的有孔平板的平面应变问题。平板所受到的外力即为原岩应力。,1,、圆形坑道围岩应力分布,当,r=a,，坑道周边应力为：,当,r,时，坑道原岩应力为：,圆形坑道开挖应力扰动范围为坑道半径的,3,5,倍。,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,2,、椭圆形坑道周边应力分布,由,(,c),(f,),可得：,满足上式的轴比叫等应力轴比。在等应力轴比的条件下，椭圆形坑道顶底板中点和两帮中点的切向应力相等，周边应力分布比较均匀。,可见，在原岩应力,(,p,p,）一定的条件下，,随轴比,m,而变化。为了获得合理的应力分布，可通过调整轴比,m,来实现。,8.1,围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析,8.2,弹塑性力学分析法,围岩应力的变化规律及其分布状态,根据围岩应力分布状态，可将坑道周围岩体分为,4,个区域：,1,、应力松弛区,2,、塑性强化区,3,、弹性区,4,、原岩应力区,一、围岩压力的基本概念,狭义围岩压力：围岩作用于支护上的压力。（围岩和支护被看成独立的两个体系）,广义围岩压力：支护与围岩是一个共同体，二次应力的全部作用力视为围岩压力。,1,、,松动压力,：松动脱落围岩，作用在支护上的岩体的自重荷载（自然拱、掉块，,）及时支护减小松动范围、控制松动区发展。,2,、,变形压力,阻止围岩塑性变形时，作用在支护上的压力。,3,、,冲击压力,：岩体中的能量突然释放（岩爆）所形成的压力。,4,、,膨胀压力,：围岩膨胀所形成的压力,只有松动压力和塑性变形压能够计算。,8.3,围岩压力,围岩应力分布的共同特点,（,1,）,无论坑道断面形状如何，周边附近应力集中系数最大，远离周边，应力集中程度逐渐减小，在距巷道中心为,35,倍坑道半径处，围岩应力趋近于与原岩应力相等。,（,2,）,坑道围岩应力受侧应力系数,、坑道断面轴比的影响，一般说来，坑道断面长轴平行于原岩最大主应力方向时，能获得较好的围岩应力分布；而当坑道断面长轴与短轴之比等于长轴方向原岩最大主应力与短轴方向原岩应力之比时，坑道围岩应力分布最理想。这时在巷道顶底板中点和两帮中点处切向应力相等，并且不出现拉应力。,（,3,）,坑道断面形状影响围岩应力分布的均匀性。通常平直边容易出现拉应力，转角处产生较大剪应力集中，都不利于坑道的稳定。,（,4,）,坑道影响区随坑道半径的增大而增大，相应地应力集中区也随坑道半径增大而增大。如果应力很高，在周边附近应力超过岩体承载能力而产生的破裂区半径也将较大。,（,5,）,上述特征都是在假定坑道周边围岩完整的情况下才具备的。在采用爆破方法开挖的坑道中，由于爆破的松动和破坏作用，坑道周边往往不是应力集中区，而是应力降低区，此区域又叫爆破松动区。该区域的范围一般在,0.5 m,左右。,返回,