第5章-岩石地下工程(zhang).ppt

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1、掌握次生应力的概念了解深埋圆形洞室二次应力状态的弹性分布了解椭圆形及矩形巷道周边应力状态了解古典和现代地压理论掌握围岩与支护共同作用原理掌握维护地下工程稳定的基本原则了解地下工程的监测第五章岩石地下工程本章主要内容及要求：具有一定断面和尺寸，在地应力条件下构筑的洞室；地下工程结构载荷不确定性；受开挖影响，原岩应力重新分布（次生应力场）；地下工程周围岩体(围岩)的稳定性决定着地下工程的安全和正常使用。§5.1概述1地下工程定义：岩石地下工程是指在地下岩石中开挖并临时或永久修建的各种工程，（如地下井巷、隧道、地下仓库，地下发电厂，地下飞机等）

2、。2地下工程特点：（P117，表5-1)与地面工程所处环境条件截然不同围岩：应力重分布影响范围的岩石稳定：在服务年限内，安全所需最小断面得以保证地下工程自身影响达不到地表的，称为深埋。反之浅埋②当埋深大于或等于巷道半径R0(或其宽、高)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）；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；3地下工程分类3.1按地下工程影响范围分类③深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。

3、3.2地下工程稳定性分类自稳：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地下工程开挖打破平衡寻求平衡（应力重分布）(人工稳定)自稳不自稳围岩内危险点的应力和位移计算围岩压力稳定问题4地下工程的实质：在巷道侧帮，愈接近自由表面，径向应力越小，至洞壁处变为零；切向应力愈大，至洞壁处达最高值，即产生所谓压应力集中。在巷道顶部，愈接近自由表面，切向应力愈低，有时甚至于在洞壁附近出现拉应力，产生所谓拉应力集中。理论与实验表明：地下洞室开挖，洞壁处的应力集中现象最明显；地下工程围岩应力重分布特点主要取决于地下工程的形状和岩体的

4、初始应力状态。围岩应力重分布主要特征(圆形巷道）：λ=0.25λ=0.25R0λP0P0在应用解析方法时，对于不同的物理状态应选用不同的物理关系式：对于地下工程围岩能够自稳，围岩状态一般处于全应力应变曲线的峰前段，可采用变形体力学方法。(当岩体的应力不超过弹性范围时，最适宜用弹性力学方法；否则宜采用弹塑性力学或损伤力学方法。)当围岩应力进入峰后段，岩体可能发生刚体滑移或者张裂状态，变形体方法不适宜，宜采用块体力学或一些初等力学方法。§5.3地下工程围岩应力分析1弹性应力分析2弹塑性应力分析（轴对称圆巷）§5.3地下工程围岩应力分析轴对称

5、圆形巷道问题一般圆巷道弹性应力分析椭圆巷道弹性应力分析矩形和其它形状巷道周边弹性应力1弹性应力分析R0p0p0轴对称圆形巷道问题基本假设1)轴对称条件：圆形巷道，地应力呈静水压力分布2)线弹性平面问题条件均质各向同性、线弹性岩体长巷道（平面应变）3)无限体问题条件(深埋,Z＞20R0)弹性力学：轴对称平面应变圆孔问题1)通解：r/=AB/r22)边界条件：基本方法：弹性力学问题通解+定值(边界)条件基本方程：平衡方程：几何方程：本构方程（平面应变）：待求：r∞，r=p0;r=R0,r=03)解析解：p0rr1)次生应

6、力场也是轴对称场(与无关)；2）巷道周边处于单轴受压(r=0)状态，并有最大应力集中(θ=2p0，即应力集中系数k=2)，且与巷道半径大小无关；3)如岩石是弹脆性材料，当=Sc（单轴抗压强度）时巷道周边岩石将发生破坏；4)新应力场分布和弹性常数E，υ无关，与相对半径的平方(R0/r)2相关；巷道影响范围为(3~5)R0。讨论：应力重分布结果次生应力场计算模型I轴对称II基本方法：弹性力学迭加原理Z＞20R0一般圆巷弹性应力分析讨论：1)当=1时，公式和轴对称情况一致；基尔希(G.Kisrch)解析解公式（1898）：p0p

7、0(公式5-3，p.125)2)周边应力（r=R0）：径向应力r=0,剪应力r=0切向应力与有关，不再轴对称分布。当<1时，在巷道横轴位置(=00，1800)有最大压应力（集中）；在竖轴位置(=900，2700)有最小应力，可能为拉应力；（当λ＜1/3时，则出现拉应力；越小，越易出现拉应力；=0，对稳定最不利;当1/3时，0。）当>1时，坐标轴转动900后，讨论同上；可见，值对洞室周边切向应力分布起着决定性作用(见下页图示)椭圆巷道弹性应力分析讨论椭圆巷道的意义：维护巷道椭圆巷道周边弹性应力公式：（p.1

8、28,公式5-14）k为椭圆轴比，k=b/a;为洞室周边某一计算点和椭圆中心连线与垂直轴的夹角。显然，与P，，k，有关。2）当不能满足最佳轴比，若能找到满足不出现拉应力的轴比，即零应