洞室开挖后围岩应力集中系数的特征分析_吴瑞国

《洞室开挖后围岩应力集中系数的特征分析_吴瑞国》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、后围岩应力集中系数的特征分析吴瑞国仇文革张俊儒（西南交通大学土木工程学院四川成都610031）摘要通过对洞室开挖后应力集中系数的研究，讨论了该系数与开挖后隧道洞室稳定性的关系，并重点分析了影响洞室开挖后应力集中系数的因素。关键词围岩洞室稳定性应力集中系数1基本理论及计算模型洞室开挖后,由于围岩在开挖面解除了约束,洞室周围一定范围内的岩体发生应力重分布，从而产生应力集中区域。一般，应力集中区的围岩更易达到岩体强度丧失稳定。所以定义应力集中系数为洞室开挖后应力升高区的应力与原岩应力的比值⑴，即K=O3m/O3yo其中,K为洞室开挖后围岩的应力集中系

2、数，6y为原岩应力，6m为毛洞应力。对圆形坑道，根据解析可知，只有当侧压力系数小于1/3时,拱顶局部才会产生拉应力。当切向拉应力超过其抗拉强度时，拱顶可能发生局部掉块和落石，但不会造成整个坑道的破坏［2）。所以用第三主应力6（亦即最大压应力）来定义应力集中系数，并用来评判无支护洞室围岩的稳定性是合理的。计算的洞室轮廓参考了某公路隧道的设计断面，见图1,其开挖高跨比为0.82。为便于对比分析，选取了两种围岩，其参数见表1。数值分析按弹塑性考虑，屈服准则用Drucker-Prager准则。计算单元选取四节点等参平面应变单元，假定地层为各向同性的连续

3、介质，只考虑自重形成的地应力场。计算范围为水平方向取开挖跨度的5倍，下部亦取为5倍，上部取至地表面。约束条件为左右边界节点水平固定，底部边界节点竖直固定，上部地表面节点自由。图1隧道计算轮廓图表1物理力学参数取值表围岩级别容重/(kN-m-3)弹模/GPa内摩擦角粘聚力泊松比/（°）/MPa公路隧道II级26250.20552公路隧道III级2570.25401吴瑞国，男,硕士硏究生。2应力集中系数的研究2.1与侧压力系数的关系（1）本文讨论七种侧压力系数，见表2。根据文献［3］侧压力系数入与泊松比p具有：入二1-从，故路基工程侧压力系数通过改

4、变泊松比实现。经过42种工况的计算,得到每种工况下洞室开挖后围岩的最大应力集中系数,见表3。表2侧压力系数取值表0.25003330.4290.6130.8181.0000表3洞室开挖后围岩的最大应力集中系数Kmax（入改变）表围岩埋深/m入Q0.2500.3330.4290.6130.8181.000203.0193.0033.0123.0253.0553.1073.277II级1202.9963.0163.0383.0663丄273.2443.452围岩2003.0223.0243.0473.0763.1403.2623.473203.01

5、93.0033.0123.0253.0553.1073.277III级1202.4123.0173.0393.0673.1273.2443.451围岩2002.2622.6673.0413.0773.1403.2623.473（2）从表3看出，在围岩E、C、（p和洞室埋深不变前提下，随侧压力系数增大，毛洞的最大应力集中系数增大。文献［3］指出，侧压力系数小说明围岩好，侧压力系数大说明围岩条件差。最大应力集中系••122全国中文核心期刊数的变化反映了围岩条件的变化。本文绘制了III级围1-1-4石200m埋深条件下的应力集中系数等值线（应用软件S

6、urfer）,结果见图2e图2中，（a）至（d）应力集中最大的位置为偏角6=20°z（e）和（）为偏角f0=24.8。。应力集中中心的位置均在隧道开挖边界上,且位于墙脚范围。随侧压力系数增加，应力集中中心位置略有下降。（3）最大应力集中系数随侧压力系数的变化曲线，见图3,该图反映了其间的变化规律。对II级围岩，洞室开挖后，围岩的Kmax随埋深增加而增大，埋深20m和200m的曲线分别位于最下方和最上方，埋深120m的曲线居于中间。并且埋深120m和200m两者的曲线已经基本平行并接近,这说明当埋深增加到一定程度时，其对围岩稳定性的影响愈来愈小。

7、对III级围岩，洞室开挖后，围岩的Kmax亦均随埋深增加而增大。当侧压力系数较小（入＜0.33）时，最大应力集中系数随埋深增大而减小；当侧压力系数较大（入＞0.33）时，最大应力集中系数随埋深增大而增加，2009年第2期（总第143期）(a)A=O(b)A=0250(c)入=0.429(c)A^18图2狈！］压力系数改变的应力集中系数等值线图(d)A^Q613(DA^l.000(a)11级围岩(b)III级围岩图3最大应力集中系数随侧压力系数的变化规律图但增幅很小，并且埋深120m和200m两者的曲线已经基本平行并接近。由此得出，与洞身埋深比较

8、，侧压力系数的变化更敏感地影响到应力集中程度。2.2与洞室埋深的关系本文讨论了6种洞室埋深情况，埋深分别为20m、40m、60m、90m、120m和2