23第二十三讲：第七章地下工程之硐室(12).ppt

ZSRock Mass Mechanics岩体工程力学岩体工程力学张盛张盛 副教授副教授能源科学与工程学院能源科学与工程学院ZSRock Mass Mechanics 第六章第六章 岩体的初始应力状态岩体的初始应力状态 地应力分布规律地应力分布规律 岩体初始应力测试方法岩体初始应力测试方法 高地应力地区的主要岩石力学问题高地应力地区的主要岩石力学问题上章回顾（引言）上章回顾（引言）22024/5/4 周六ZSRock Mass Mechanics 第七章第七章 岩体力学在洞室工程中的应用岩体力学在洞室工程中的应用 岩体初始应力测试方法岩体初始应力测试方法 高地应力地区的主要岩石力学问题高地应力地区的主要岩石力学问题本讲主要内容本讲主要内容32024/5/4 周六甘肃引入秦隧洞采用双护盾全断面掘进机进行掘进施工甘肃引入秦隧洞采用双护盾全断面掘进机进行掘进施工ZSRock Mass Mechanics第第第第5 5 5 5章章章章 岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程 南水北调东线穿黄探洞工程，开创南水北调东线穿黄探洞工程，开创70米深处穿越黄河先例米深处穿越黄河先例断面为断面为1620米的瀑布沟水电站泄洪洞米的瀑布沟水电站泄洪洞四川紫坪铺水利枢纽导流隧洞工程四川紫坪铺水利枢纽导流隧洞工程第第第第5 5 5 5章章章章 岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程 二滩水电站发电厂房二滩水电站发电厂房ZSRock Mass Mechanics城市隧道城市隧道广州地铁二号线【赤鹭区间隧道】盾构工程广州地铁二号线【赤鹭区间隧道】盾构工程第第第第5 5 5 5章章章章 岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程 重庆轻轨二号线（较场口重庆轻轨二号线（较场口-新山村）新山村）18公里，投资公里，投资43亿（亿（2000-2005年）年）2024/5/4 周六ZS828米381 米492 米ZSRock Mass Mechanics 基本要求：了解岩体基本要求：了解岩体二次应力二次应力状态的基本概念，了状态的基本概念，了解洞室的二次应力状态分布，理解围岩应力及其计解洞室的二次应力状态分布，理解围岩应力及其计算，了解新奥法算，了解新奥法。重点与难点：二次应力状态的基本概念和二次应力重点与难点：二次应力状态的基本概念和二次应力状态分布规律。状态分布规律。ZSRock Mass Mechanics 第一节第一节 基本概念基本概念 围围岩岩：由由于于人人工工开开挖挖使使岩岩体体的的应应力力状状态态发发生生了变化，应力状态被改变了的岩体叫围岩。了变化，应力状态被改变了的岩体叫围岩。二二次次应应力力状状态态：巷巷道道开开挖挖后后，无无支支护护时时，调调整整后后的的应应力力状状态态（原原始始应应力力，又又称称一一次次应应力力状状态）。态）。求二次应力状态求二次应力状态时，要给出的时，要给出的基本条件：基本条件：原始应力原始应力 本构关系本构关系 岩体性质参数岩体性质参数ZSRock Mass Mechanics 二次应力状态主要特征状态二次应力状态主要特征状态二二次次应应力力为为弹弹性性分分布布（岩岩体体坚坚硬硬，原原岩岩应应力力小小，不要支护）。不要支护）。二次应力为弹塑分布。二次应力为弹塑分布。围岩分两部分：弹性区、塑性区围岩分两部分：弹性区、塑性区 结构面的处理方法结构面的处理方法大结构面单独处理；小密集结构面用包容方法处大结构面单独处理；小密集结构面用包容方法处理。理。地下工程稳定地下工程稳定稳定定义稳定定义：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。地下工程稳定地下工程稳定性可分为两类性可分为两类自稳自稳：不需要支护围岩自身能保持长期稳定人工稳定：人工稳定：需要支护才能保持围岩稳定稳定性问题稳定性问题的力学本质的力学本质自稳自稳不自稳不自稳围岩内围岩内危险点危险点的应力的应力和位移和位移计算围岩压力计算围岩压力支护中危险点的应力或位移大于支大于支护极限护极限小于支小于支护极限护极限人工稳定人工稳定改进支护深埋地深埋地下工程下工程地下工程自身影响达不到地表的，称为深埋深埋。反之称为浅埋。浅埋。（2）当埋深等于或大于巷道半径R0或其宽、高之半的20倍以上时，巷道影响范围（35 R0）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；ZSRock Mass Mechanics（3 3）深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理，其它类型巷道作为空间问题处理变问题处理，其它类型巷道作为空间问题处理。解析方法数值方法试验方法地下工程地下工程稳定性分稳定性分析途径析途径研究内容研究内容弹性弹-塑性松散围岩应力、支护上的压力ZSRock Mass Mechanics第二节第二节 深埋圆形洞室弹性分布的深埋圆形洞室弹性分布的 二次应力状态二次应力状态一、侧压力系数一、侧压力系数（1 1）计算计算模型模型ZSRock Mass Mechanics弹性区的基本方程与求解弹性区的基本方程与求解 平衡方程平衡方程 几何方程几何方程 物理方程物理方程 通解通解 外边界外边界内边界内边界平面应变时：平面应变时：ZSRock Mass Mechanics（2 2 2 2）应力和位移）应力和位移）应力和位移）应力和位移（79）平面应平面应力时力时ZSRock Mass Mechanics（710）平面应平面应变时变时圆形洞室二次应力分布圆形洞室二次应力分布26ZSRock Mass Mechanics（3 3）洞室的径向位移（平面应变时）洞室的径向位移（平面应变时）轴对称、切向位移：轴对称、切向位移：V V=0=0 径向位移：径向位移：开挖前开挖前，岩体产生的位移（，岩体产生的位移（r ra a=0=0）由上式得：）由上式得：（712）由于开挖引由于开挖引起的位移起的位移ZSRock Mass Mechanics（4 4）洞周的应变）洞周的应变 开挖前开挖前，岩体已完成的应变，岩体已完成的应变开挖引起开挖引起的应变的应变：可见 ，说明 时，岩体的体积不发生变化的特点。ra=0代入（7-10）式得：不同半径圆形洞室二次应力分布比较不同半径圆形洞室二次应力分布比较(1)半径为ra(2)半径为rb rb=2ra 当r=4ra时rbra 径向应力 切向应力（1）（2）（1）（2）比较：比较：在洞室围岩内一点的应力，开挖半径越大，径向应力越小，切向应力越大。（5 5）洞壁的稳定性评）洞壁的稳定性评 弹弹塑塑破碎破碎弹弹塑塑破破稳定条件稳定条件围岩可能出围岩可能出现的情况现的情况塑塑破碎破碎洞室周边，处于单向应力状态，最容易破坏。周边最大切应力：二、二、时，二次应力状态时，二次应力状态(1)计计算模型算模型I I轴对称轴对称IIII反对称反对称ZSRock Mass Mechanics（2 2）应力）应力位移分析位移分析 I IIIII加加二次应力二次应力埸埸等于等于(7-15)(7-16)有工程应用价值的位移是由于开挖引起的位移，可用 类似 方法 求出：ZSRock Mass Mechanics（3 3）洞室周边洞室周边应力应力 洞室周边，处于单向应力状态，最容易破坏 。代入(7-15)得洞室周边应力：可见洞室周边只有切向应力：式中：K-围岩内的总应力集中系数 Kz、Kx-分别为垂直和水平应力集中系数 洞室周边应力集中系数与侧压力系数有关见图(7-5)围岩应力集中系围岩应力集中系数数 ZSRock Mass Mechanics（3 3）洞室周边位移洞室周边位移将r=ra代入式(7-16)，得由于开挖引起的洞室周边位移：影响洞壁位移的因素很多，有岩体性质、初始应力、开挖半径、位移与径向夹角等。径向位移比切向位移稍大些，因此，径向位移，对围岩稳定性起主导作用。径向位移便于测量与控制径向位移便于测量与控制!ZSRock Mass Mechanics三、深埋椭圆洞室的二次应力状态三、深埋椭圆洞室的二次应力状态 图7-6 椭圆洞室单向受力计算简图(1)计计算模型算模型ZSRock Mass Mechanics(2)(2)(2)(2)洞壁应力计算公式洞壁应力计算公式洞壁应力计算公式洞壁应力计算公式 可能出现拉应力的（0，b）（0，-b），顶底 板中点，即(3)(3)洞壁应力分布特点洞壁应力分布特点最大压应力点（a，0）（-a，0）两帮中点，即若ab，最大压应力点为：选择3个关键点关键点（）代入（7-20）式得，3个关键点，在不同侧压力系数下的应力。见表7-1 (3)(3)最佳轴比最佳轴比 最有利于巷道围岩稳定的巷道断面尺寸，可用它的高跨比 表征（轴比），称为最佳轴比或【诣洞】。最佳轴比应满足如下三个条件：最佳轴比应满足如下三个条件：-最大拉应力点为：ZSRock Mass Mechanics巷道周边应力巷道周边应力 对称对称均匀分布；均匀分布；巷道周边不出现拉应力；巷道周边不出现拉应力；应力值是各种截面中的最小值。应力值是各种截面中的最小值。当当 时，满足此条件故时，满足此条件故 为最佳轴比。为最佳轴比。此时此时 （与（与 无关无关）小于）小于 当当 时时，圆圆形形硐硐室室（K K=1=1）的的切切向向应应力值，力值，最优。最优。ZSRock Mass MechanicsZSRock Mass Mechanics2024/5/4 周六ZSZSRock Mass Mechanics2024/5/4 周六ZSZSRock Mass Mechanics四、深埋矩形洞室的二次应力状态四、深埋矩形洞室的二次应力状态 用复变函数方法求解。用复变函数方法求解。孔边应力分布：孔边应力分布：K Kx x，K Kz z-分分别别为为水水平平、垂垂直直方方向向的的应应力力集集中中系系数数表表7-27-2。时，由表可见多点出现拉应力。时，由表可见多点出现拉应力。ZSRock Mass MechanicsZSRock Mass Mechanics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ZSRock Mass Mechanics2024/5/4 周六ZSZSRock Mass Mechanics2024/5/4 周六ZSZSRock Mass Mechanics2024/5/4 周六ZSZSRock Mass Mechanics课后思考课后思考 硐室二次应力分布状态与其形状的关系。硐室二次应力分布状态与其形状的关系。ZSRock Mass Mechanics美国风光美国风光1 12024/5/4 周六ZSZSRock Mass Mechanics 预习第七章第预习第七章第3535节。节。本讲作业本讲作业2024/5/4 周六ZSZSRock Mass Mechanics 下一讲再见！