《地下结构稳定问题》PPT课件

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1、4、地下结构稳定问题包括五个方面的问题4.1地下洞室开挖引起围岩应力变化4.2影响地下结构稳定的主要因素4.3地下洞室结构失稳的主要型式4.4地下结构稳定分析的主要方法4.5地下洞室的支护4.1地下洞室开挖引起的围岩应力变化1、围岩由人工开挖或自然作用形成的地下洞室周围一定范围内的岩体，称为围岩，它是天然材料的地下结构，而衬砌只能称为人工构筑的人工材料的地下结构。所谓的“一定范围”是指洞室周围原始应力场受到扰动的范围，这个范围的直径一般为洞室最大线度的3～5倍。2、圆形隧洞围岩中的弹性应力分布基本假定：材料均匀、连续、无限体力学性

2、质为各向同性、线弹性应力场为均匀分布（垂直为p、水平为q）隧洞断面为圆形、长度为无限长(平面应变问题)施工过程为一次瞬时成洞根据弹性力学，洞周应力分布为：当p=q时，上式简化为：当pq，＝q/p，且r＝a时值对洞周应力分布影响很大设＝0，代入上式，可得：0＝p(1+2cos2)+p(1-2cos2)在洞顶＝90º，洞底＝－90ºcos2均等于－1，得：0＝p(1－2)+p(1＋2)，得：3＝1，＝1/3即1/3时，洞顶和洞底出现拉应力3、洞室断面的形状对洞周应力分布的影响平直的周边容易出现拉应

3、力，因而更容易发生破坏转角处容易形成很大剪应力，应尽量避免出现尖角4、洞室断面的高跨比对应力的影响5、圆形洞室围岩塑性解采用摩尔－库仑强度理论其它条件同弹性解列出微小单元的微分方程：消去d和高阶无穷小量，得到：（-r)dr=rdr即：dr/r=dr/(-r)（A）这就是塑性区内应力应满足的微分方程根据摩尔圆与强度包线相切的关系可得出塑性区应力与强度的关系整理后得：（B）将(B)代入(A)，分离变量，两边积分,得到方程的通解（C）将r＝a处的边界条件r＝pb代入上式求出C1将求出的C1代回C式，求出特解：

4、上述两式给出了塑性区中任一点的应力值。以下求塑性区的半径R，这要用到在此边界上，应力表达式同时满足塑性及弹性关系：r＋＝2p……………弹性……塑性整理后得：解出支护力pb的表达式：上式就是著名的Kastner公式还有两个重要的物理量就是隧洞周边及塑性区周边的径向位移：6、圆形洞室围岩中的松弛压力除了洞周围岩的弹塑性变形产生对支护的压力外，围岩松动圈内的岩石还会对支护产生所谓松弛压力：1、pi=(R-a)(太保守，极值）2、科卡公式讨论：松弛压力与弹模E和泊松比无关松弛压力与容重呈正比与地应力有无关系？与C、有什么关系

5、？变形压力与松弛之和为支护所受到的压力。变形压力随洞周位移增大而减小，若想使位移趋于零，变形压力会趋于无穷大松弛压力随洞周位移增大而增大，最大＝？时间因素的影响…岩体的流变由于岩体可能具有的流变性质，实际工程中围岩变形和松弛还与时间有关。围岩流变性质不明显时，开挖后很快达到新的平衡，变形稳定，不再增长。围岩不好时，开挖后在一段时间内变形逐渐增加，松弛压力逐渐增加，因此有一个适时支护的问题。支护得太早，变位尚未充分发展，形变压力会较大。支护得太晚，松弛范围太大，松弛压力太大。4.2影响地下结构工程稳定的主要因素1、地应力2、岩体结构

6、和材料特性3、地下水的存在及其活动4、工程因素1、2、3是岩体内在因素，或天然因素；4是外在因素，或人为因素1、岩体原始应力场地应力是岩体中原已存在的应力。一般情况下，地应力很大的地区，对洞室围岩稳定不利。无论是选择洞室位置还是决定洞轴方位，均应仔细考虑地应力。由于岩体构造复杂，变化大，少数测点的地应力实测结果带有一定的局限性，不一定能确切代表该区域的地应力状态，因此，有人采用有限元回归分析方法来推求某一区域的地应力场。以此作为洞室布置和围岩稳定分析的依据。岩体应立场是影响地下结构稳定的重要因素，应该指出的是，各个应力分量的比值，

7、比应力分量量值的大小对稳定性起着更为关键的作用和影响。应力场的大小和分布规律是复杂的，往往难以准确确定。但是它对于地下结构的位置、轴线的走向、断面的形状、结构群体之间的相互关系的选择，都有着决定性的作用。2、岩体结构和材料特性现在常说的岩石力学，实际上早已扩展为岩体力学。岩体是一个复杂的结构体，离弹塑性力学中所定义的均质、连续、各向同性的理想弹塑性体相去甚远。岩体常为节理面，层面，片理面甚至断层带等结构面所切割。这些结构面的强度较低，是影响洞室稳定的主要因素之一。这些软弱结构面常常分成很多组，各组的特点不同，即间距，连续性，宽度，

8、充填情况，强度，成因都可能不同，要分辨其对洞室稳定影响的程度，然后决定洞室的布置。要指出的是，被地质构造面所切割的危险块体除受重力作用外，尚与构造地应力相互影响，深埋洞室或水平构造应力较大的情况下尤其如此。围岩结构的状态通常分为整体状，块状，层状，