地下工程围岩与结构特性分析

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论1．1地下结构及其特点在地面以下开挖出一定的断面形状尺寸，并有较大的延伸长度，能提供某种用途，支撑围岩(荷载)的建筑物，称为地下结构。例如，隧道、地下铁道、地下厂房等，如图1l所示。图1．1地下结构物由于地下结构是埋入在地层中的建筑物，四周都与地层紧密接触。衬砌结构上承受荷载来自于洞室开挖后引起的周围地层的变形和坍塌而产生的作用力，同时结构在荷载作用下发生的变形又受到地层给予的约束。由此可知，地下结构体系的力学行为同时兼有岩土力学与变形固体力学(弹性力学、建筑力学)的内容，与地面结

2、构相比有着不同的特点，主要表现为以下几个方面。1．11地质环境的影响由于地下结构是处在各种地质环境的建筑物，因此，它必将受到周围地质环境的强烈影响。这里所谓的地质环境包括：地质体形成及其经历；初始地应力场(构造应力、覆岩土体的自重应力、温度应力、地震力等)；各种西南交通大学硕士研究生学位论文第2页地质体的物理、力学、构造时间特性及其分类等。1．1．2结构体系的形成及其应力状态地下结构的荷载主要来自于围岩(即洞室周围的岩体)。它具有两重性，围岩既是荷载又是支承荷载的结构体系的一部分。例如我国陕北的黄土窑洞，在无支护的条件下能提供

3、某种用途，这就说明了围岩本身也是承载结构。因此，地下结构体系由两部分构成，即地下结构体系=周围地质体+衬砌结构地下结构体系形成过程分是：原始状态一开挖一支护一稳定四个过程，其对应的应力状态分为：初始应力状态一开挖应力状态～支护应力状态一稳定应力状态，它们是：(1)初始应力状态洞室开挖前，岩土体一般处于天然应力平衡状态，称为初始应力场或原岩应力场。地质体处于三向应力状态，如图1．2a所示。(2)开挖应力状态洞室的开挖，使地质历史时期中已经形成的地质体受到扰动。洞室空间相应位置的地质实体被移走，形成了空洞，实体对空洞周围围岩作用力

4、消失，如图1．2开挖后周边应力状况的变化图1．2b所示。围岩相对平衡条件(原始应力平衡条件)条件被打破，洞室周边围岩失去了原有的支撑，就会向洞室空间产生变形，形成新的应力状态。作用在洞室围岩上的外载荷，～般不是建筑物的重量，而是岩土体所具有的天然应力(包括自重应力和构造应力等)。这种由于洞室的开挖，围岩中应力、应变调整而引起原有天然应力大小、方向和性质改变的过程和现象，称为围岩应力重新分布。它直接影响围岩的稳定性。洞室内若有高压水流作用，对围岩便产生一种附加应力，它叠加到开挖或衬砌后面的围岩中的应力上，也是影响洞西南交通大学硕

5、士研究生学位论文第3页室围岩稳定性的一种因素。一般来说，洞室开挖后，根据对围岩影响程度的不同，可将围岩分为四个区(由洞室壁向外延伸方向)：破裂区、塑性区、弹性区和原岩应力区，如图1．3a所示。为了便于进行弹性及极限平衡分析方法的应用，常将破裂区和塑性区合并为极限平衡区，如图1．3b所示，其内部分布的特点是：应力恰好满足屈服条件或强度条件，即所有点的物理状态都处于极限平衡状态，但各点的应力与位移则不相等。原岩应力多一L、／、屏竖：}-、、、／．童垂碰、、11』．尘凇∑LL原岩应力区／一～、，／／并性墨4、、＼、’上．盛-一‘_．

6、1f’．I1．1：l图1．3开挖后洞室围岩状态分区‘11(3)支护应力状态当围岩的强度能够适应变化后的应力状态，可不采取任何人为的措施，便能保持洞室的稳定。但有时因围岩的强度过低，或其中应力状态的变化过大，以致围岩不能适应变化后的应力状态，洞室将失去稳定，若不加固或加固未保证质量，都会引起破坏事故，对施工、运营造成危害。由图1．3a可知，在洞室周围出现塑性松动圈的情况下，为使松动圈内岩土保持塑性应力平衡，就需要在洞室周边上对围岩施加一定的反力，而且围岩稳定时所形成的塑性圈半径越大，所需提供的支护反力越小。由于塑性圈半径的大小也

7、表现围洞室周边位移的大小，因此使洞室围岩保持稳定所需的支护反力也可表达为洞室周边位移的函数关系，即尸=／p)(1．1)式中：P一表示支护反力；U一表示洞室周边的径向位移。上式说明围岩达到稳定时洞室周边的径向位移U越大，所需的支护力P越小，反之，如U值越小，则P值越大，可用图1．4中的曲线1所示，它称为围岩的位移特性曲线。图中2为支护的工作特性曲线。西南交通大学硕士研究生学位论文第4页图1．4支护一围岩相互作用原理示图【1】洞室施加支护后，在理论上可以把它抽象为相当在洞室周边施加一阻止围岩变形的阻力，在这个支护阻力的作用下，改变

8、了开挖的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有很大的影响。(4)稳定应力状态由地质体的性质及图1．4所示可知，一次支护并不能使“支护一围岩"体系达到力学平衡，因此一次支护后围岩必然且允许产生一定的变形，以便继续释放掉一些能量，以后等围岩变形和能量释放到一定程度后