岩石力学(地下工程)5

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1、岩石力学与工程ROCKMECHANICSANDENGINEERING地下工程1本节主要内容1相关基本概念2深埋圆形洞室弹性围岩二次应力状态3深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态4深埋矩形洞室弹性围岩二次应力状态25岩体地下工程5.1岩体二次应力状态的基本概念围岩：由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，应力状态被改变了的岩体叫围岩。二次应力状态：开挖后，无支护时，调整后的应力状态（原始应力，又称一次应力状态）。求二次应力状态时，要给出的基本条件：①原始应力②本构关系③岩体性质参数3二次应力状态主要特征状态①二次应力为弹性分布（岩体坚

2、硬，原岩应力小，不要支护）。②二次应力为弹塑分布围岩分两部：弹性区、塑性区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理。4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。5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6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

3、护7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R0或其宽、高之半的20倍以上时，巷道影响范围（3~5R0）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）；λP0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；8（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。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9深埋地下工程

4、力学模型105.2深埋圆形洞室弹性围岩二次应力状态一、侧压力系数（1）计算模型11（2）应力和位移（5－9）平面应力时12（5－10）平面应变时13圆形洞室二次应力分布14（3）洞室的径向位移（平面应变时）轴对称、切向位移：V=0径向位移：开挖前，岩体产生的位移（ra=0）由上式得：（5—12）由于开挖引起的位移15（4）洞周的应变开挖前，岩体已完成应变开挖引起的应变：可见，说明时，岩体的体积不发生变化的特点。ra=0代入（5-10）式得：16（5）洞壁的稳定性评弹塑破碎弹塑破稳定条件围岩可能出现的情况塑破碎洞室周边，处于单向应

5、力状态，最容易破坏。周边最大切应力：17二、时，二次应力状态(1)计算模型I轴对称II反对称18（2）应力—位移分析III加二次应力埸等于(5-15)19(5-16)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：20（3）洞室周边应力洞室周边，处于单向应力状态，最容易破坏。代入(5-15)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(5-5)2122（3）洞室周边位移将r=ra代入式(5-16)，得由于开挖

6、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!235.3深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态图5-6椭圆洞室单向受力计算简图(1)计算模型24(2)洞壁应力计算公式－－－－－－－（5-20）25选择3个关键点（）代入（5-20）式得，3个关键点，在不同侧压力系数下的应力，见表5-1。洞壁应力分布特点：2627(3)最佳轴比（谐洞）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

7、最佳轴比或诣洞。最佳轴比应满足如下三个条件：①巷道周边应力均匀分布；②巷道周边不出现拉应力；③最大应力值是各种截面中的最小值。28对式（5－20）两边求导，并令其等于零，求应力分布极值状态，即：把k=1/λ,代入式（5－20）得：295.4深埋矩形洞室弹性围岩的二次应力状态孔边应力分布：Kx，Kz-分别为水平、垂直方向的应力集中系数表5-2。3031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32结束语33