《岩体的力学行为》PPT课件

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1、只有勇敢付诸于行动而不是瞻前顾后，才能掌握这个世界。手比眼睛更重要......手是思想的利剑！前苏联作家布洛夫斯基隧道工程力学原理第三章岩体的力学行为§3.1岩体的初始应力状态一、概述地应力（岩体的初始应力）：岩体在天然状态下所具有的内在应力。在岩体开挖洞室，破坏了岩体的初始应力，产生了应力重分布，洞室周围岩体产生变形，形成对支护结构的围岩压力，或是导致洞室的崩塌或破坏。岩体的初始应力，主要是由于岩体的自重和地质作用引起的。影响岩体初始应力状态的因素有：①岩体本身的因素：如岩性、岩体的物理力学性质、地质构造形态和地形位置等。②外界因素

2、：如地壳运动、地下水活动、地下温度而引起的地震力、水压力、热应力等。主要考虑的是自重应力和构造应力。目前主要研究岩体自重力所形成的应力场。二、重力应力场假定岩体是均匀连续介质，体力、将单元体各应力对形心c的力矩平衡方程有：将上式除以，合并相同的项有：略去微量不计，得出以x为投影轴，列出投影的平衡方程：将X=0代入，并除以得：⑴以y轴为投影轴，列出投影的平衡方程：将代入，并除以得：⑵相容方程⑶式中为拉普拉斯算子，当y=0时，，式⑴、⑵、⑶的一组解为：⑷式中为一常数，成为侧压力系数处于静力平衡状态的岩体单元，由于周围受到约束，因而水平方向

3、的变化可以认为是零，即，在材料力学中根据虎克定律已导出的物理方程式知：即：为岩石的泊松比联立上式，即可求得自重应力和：与⑷式中对比可知：对于地表浅埋层岩体，约在0.15～0.35的范围内，则在0.18～0.54范围内。三、构造应力场构造应力：由于构造运动的作用，积存在岩体内的应力。由于地壳运动，岩体中积有构造应力，产生弹性，储存弹性变形能。当岩体再次受到新的破坏性扰动时，构造应力或储存的弹性变形能可能一部分或全部地释放出来，或者由于岩体的流变性质，在相当长的时间内，也会部分把积存的能量释放出来，这时，构造应力就指残余应力可言。由于地壳

4、运动历时长久，情况错综复杂，岩体的构造应力目前还不能以数学、力学的方法进行分析计算，而只能采取现场应力量测的方法来求得。构造应力的特点：①构造应力与埋深密切相关，它随着深度的增加而增加；②构造应力中，其水平应力大于垂直应力；③坚硬岩体中的构造应力较大。四、影响岩体初始应力状态的因素⒈地形对自重应力的影响试验的结果证明：①山体内沿着水平面上的地应力分布状况并不和地表形状完全一致；②地应力的数值大小，比按岩体容重与山顶到岩层中各点的高差的乘积要小得多。以上结果说明，岩体的地应力并不只是埋深y的函数，还很大程度受到构造的影响。⒉地质构造对自

5、重应力的影响当岩层经受构造作用而产生变形后，其地应力的分布亦发生了变化。背斜、向斜构造。⒊岩体不连续面对自重应力的影响结构面：指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低的地质界面（或带）。由于结构面的存在，把整体的岩体分割成若干不连续的块体—楔块。⒋岩性对自重应力的影响岩体的不均匀性、各向异性、裂隙性或孔洞性、节理性、以及软硬不同、容重不同等都会使地应力的分布不均匀。⒌地下水压力对自重应力的影响水处于静止状态→静水压力→浮力作用→降低地应力水处于流动状态时→动水压力⒍热应力对自重应力的影响岩浆侵入→周围岩体受热膨胀→冷却而收缩→形成岩体裂

6、隙而消耗，并可能会保留部分的残余应力随着岩体埋深的增加，地温也逐渐上升（地温梯度也为33m左右），温度的升高有利于岩体塑性增大，使极限深度减小。在一般情况下只考虑自重应力，忽略其它影响。只有在特定情况下，才分别予以考虑。§3.2坑道开挖后岩体的二次应力及位移状态二次应力状态（或叫围岩应力状态）：坑道开挖后，坑道周围一定范围的岩体产生应力重分布的状态。影响岩体二次应力状态的因素：①岩体的初始应力状态；②岩体的构造：如结构面、岩块的组合形态③坑道的形状和尺寸；④埋深；⑤坑道开挖的施工技术。研究岩体的二次应力状态时的假设：①视岩体为均质的、

7、各向同性的连续介质；②只考虑自重造成的初始应力场；③坑道形状以圆形为主；④坑道位于一定深度，可简化为无限体中的孔洞问题；⑤岩体初始应力为弹性应力状态。坑道开挖后周围岩体的应力、位移状态：①弹性二次应力及位移状态：坑道开挖后围岩仍处于弹性状态，此时，围岩除破坏产生稍许松弛外，其本身是稳定的。②弹塑性二次应力及位移状态：坑道开挖后，在其周围一定范围内的应力超过了围岩的单轴抗压（拉）强度而处于塑性（甚至松动）状态，而在此范围以外的岩体仍处于弹性状态。一、坑道开挖后的弹性二次应力及位移状态㈠弹性二次应力状态设岩体的初始垂直应力，侧向应力为，其

8、侧压力系数，在岩体中开挖一个半径为a圆形坑道后，其二次应力状态可用弹性力学的吉尔西解来表达。其中，，径向应力切向应力，a坑道开挖半径r坑道中心到所求应力点的径向距离坑道中心垂直轴所求应力点方向的夹角⒈坑道周边的应力状态将