第五章岩石地下工程岩石力学ppt课件.ppt

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1、（1）围岩应力重分布问题——计算重分布应力地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。（2）围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。（3）围岩压力问题——计算围岩压力围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。（4）有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力在有压洞室中

2、，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。1§5.3地下工程围岩应力2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3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护围岩稳定性问题的力学本质4地下工程围岩应力重分布的特点主要取决于地下工程的形状和岩体的初始应力状态。围岩应力集中系数→←重分布应力↓↑∧++++++++++++++++++原岩应力5圆形洞室围岩中的应力分布无限大平板中的孔口的应力分布问题古典弹性理论

3、平面应变在距圆形洞室中心为r的某点取一单元体A（r，θ）（θ为OA与水平轴的夹角），采用极坐标求解围岩应力。圆形洞室的应力一般可按基尔西公式求解，其求解应力的公式为：6水平应力作用垂直应力作用789围岩的塑性或破坏状态有两种情况：一是围岩局部区域的拉应力达到了抗拉强度，产生局部受拉分离破坏；二是局部区域的剪应力达到了岩体抗剪强度，从而使这部分围岩进入塑性状态，但其余部分围岩仍然处于弹性状态。（1）轴对称条件下的平衡方程(不考虑体力)10假设岩体服从库仑-莫尔准则，是理想塑性体。11边界条件（内边界、周边）r＝a修正的芬纳（Fenner）公式弹、塑性分析应力边界条件与原岩

4、应力P无关12平衡方程几何方程本构方程通解外边界内边界塑性区外边界（弹塑性区交界面）13卡斯特纳（H.Kastner，1951）方程14塑性区围岩应力分布状态1~2—塑性区；3~4—弹性区；1—松动区；2~3—承载区；4—原岩应力区的最大值从洞室周边转移到弹、塑性区的交界处。1－松动区：岩体被切割、强度明显降低、应力低于原岩应力；2－塑性强化区：岩体呈塑性状态、应力高于原岩应力；3－弹性承载区：岩体处于弹性变形阶段，应力高于原岩应力；（2、3承载区）4－原岩应力区：未受开挖影响、处于原岩应力状态。151617弹塑性区的交界18强度线塑性区内任一点的应力圆均与该线相切塑性

5、区切向应力分布曲线弹性区切向应力分布曲线塑性区径向应力分布曲线弹性区径向应力分布曲线弹性状态切向应力分布曲线弹性状态径向应力分布曲线塑性区弹性区应力升高区原岩应力区围岩原岩应力降区191.椭圆形断面洞室的围岩弹性应力椭圆形洞室202122方形－矩形洞室周边上最大压应力集中均产生于角点上，洞室系直线型周边，最易出现受拉区，所以受力状态较差。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235.4.1拉伸破坏机理5.4.2剪切破坏机理拉伸破坏的破坏角等于零，裂缝在平行于最大主应力的方向上扩展2425当隧道轴线与褶曲轴线平行时，由

6、于褶曲轴部地层受到构造应力拉伸与挤压，岩层破碎，常形成洞顶坍落，而且向斜轴部常富集丰富的地下水，危害隧道的安全，这些都对隧道建造不利。为此，隧道位置应选择在两翼地层中穿越。当隧道轴线与褶曲轴线垂直时，背斜(b)褶曲的岩层呈拱状，岩层常被切割成上大下小的楔体，隧道结构岩体比较稳定，而向斜(c)褶曲，岩层呈侧拱状，所切割的岩体呈上小下大的楔体，容易出现洞顶坍落。因此，隧道位置应尽量避免横穿向斜褶曲。26整体状和块状岩体围岩：块体滑移层状岩体围岩：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓27碎裂状岩体围岩：塌方和滑动散体状岩体围岩：拱顶冒落、局部塌方、塑性挤入及滑动285.5.1概述地

7、下工程开挖后，围岩发生变形，当开挖后的二次应力超过围岩强度时，围岩就产生塑性变形和松弛，如不加支护，隧道将坍塌破坏。地下工程支护设计的主要目的在于发挥岩体的自承能力。以参照过去地下工程实践经验进行工程模拟为主的经验设计法；以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，如以地下工程净空量测位移为依据的收敛－约束法；作用与反作用模型，即荷载－结构模型，如弹性地基梁、弹性地基框架计算法等；连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。29围岩压力分类：1、塑性变形压力：阻止围岩塑性变形时，作用在支护上的压力。2、松动压力：松动脱