围岩稳定问题.docVIP

第二章围岩稳定计算的基本理论及锚杆受力分析 2.1围岩稳定问题 地下洞室是修筑在应力岩体中的，也就是在一定的应力履历和应力场的岩体 中修筑的。所以应力状态会极大地影响在其中所发生地一切力学现象。由于岩体 的自重和地质构造作用，在开挖洞室前岩体中就已存在的地应力场，人们称之为 围岩的初始应力场。它是经历了漫长的应力历史而逐渐形成的，并处于相对稳定 和平衡状态。洞室开挖后，使得围岩在开挖边界处解除了约束，失去平衡，此时 洞室周边应力重分布，其结果引起周围岩体的变形或破坏，形成围岩新的应力场。 围岩在新的应力场的作用下，会产生变形或破坏来达到新的平衡。 影响围岩稳定性的因素很多，就其性质来说，基本上可以归纳为两大类:第 一类属于地质环境方面的自然因素，是客观存在的，它决定了洞室围岩的质量; 第二类则属午工程活动的人为因素，如洞室的形状、跨度、施工方法、洞室轴线 与岩层产状的关系等，它们虽然不能决定围岩质量的好坏，但却能给围岩的质量 和稳定性带来不可忽视的影响。 2.1.1岩石材料的非线性特征 岩石材料在外力作用下，其变形与外力的关系表现出非线性特征。其非线性 特性主要表现在两个方面:一类是由材料特性引起的非线性，称为材料非线性; 另一类是由结构的大变形所导致的非线性，称为几何非线性。 材料非线性的应力一应变关系为图2一1所示的非线性性状，它反映到本 构关系上，表现为材料的弹性参数E、r是随应力或应变而改变的变量。 在结构产生了变形所导致的几何非线性情况中，几何方程，即应变与位移的 关系表现出非线性。 对于实际岩体材料，在荷载作用下上述两类非线性都是存在的，但影响较大 的是材料非线性。 图2-1非线性应力一应变状态 材料非线性又可分为非线性弹性和非线性弹塑性两类。非线性弹性的表现特 征是:材料在加荷过程中，应力一应变呈现出非线性特征;卸荷后，应变又能随 应力的降低沿加荷曲线完全恢复，如图2一2a所示，对非线性弹性，变形仍是 弹性的，非线性变形是可恢复的，应变仅随应力的大小改变，而与加荷的应力路 径无关，因而是可逆过程。非线性弹性与线弹性的区别仅在于弹性参数E、v是 变量。但岩体介质大多表现为非线性弹塑性，非线性弹塑性的表现特性是:当应 力超过材料的屈服极限后，材料产生非线性的塑性变形。卸荷后，应变则以一条 大致平行线弹性段的直线随应力的降低而恢复，其结果留下不可恢复的塑性变 形，如图2一2(b)所示。对于弹塑性材料，其变形不仅与荷载的大小有关，而且还与加荷的应力路径有关。也就是说，达到某一应力的途径不同，其所产生的变形是不一样的，是非可逆过程。 岩石具有明显的流变效应，表现在一定应力条件下，变形具有随时间增长而变大 (蠕变)，或在一定应变条件下，应力随时间增长而减小(松弛)的流变效应。 对埋藏较深的软弱岩体或夹层，如粘土、页岩、盐岩、泥灰岩等流变特性表现的 更为显著。 2.1.2岩石介质的弹塑性模型 岩石材料的应力应变特性是非常复杂的，建立完全符合岩石变形的本构关系 表达式非常困难，迄今为止，人们仅能使这些表达式部分地满足岩石材料的变形 特性。目前，在岩土工程上应用的最多的就是弹塑性模型。 弹塑性体可以分为理想弹塑性、应变硬化及应变软化三种应力状态。弹塑性 材料的一个显著特点是应力超过屈服点后，应力应变关系呈非线性状态，且加载 与卸载的应力路径不一样。对于复杂应力状态材料进行弹塑性分析要有三个基本 要求:1)需要建立一个符合材料特性的屈服准则;2)需要一个确定应力和塑性 应变增量相对关系的流动法则;3)需要一个确定屈服后应力状态的硬化定律。 在增量弹塑性理论中，对类属硬化材料的岩体，弹性与塑性变形的表述包含 以下几个方面: (1)存在一个与应力状态和变形历史有关的屈服函数(加载函数)，在应力 空间中可将其表述为 （2-2） 上式定义了弹性区域的边界，若0，则相应的应力状态为弹性受 力状态，岩土介质材料的变形为纯弹性变形。处在屈服面的点对应的应力状态为 塑性状态，与之相应的外界荷载在无限小作用可分为加载、中心变载和卸载三种 情况，且仅在加载时才会使介质产生新的塑性变形，中性变载和卸载时仍为纯弹 性变形。 (2)加载时的无限小应变增量今可分解为弹性部分()和塑性部分 ()且: = （2-3） 其中弹性部分满足 （2-4） 式中：为四阶弹性系数张量。 (3)存在塑性势函数。应力空间与应变空间相重合时，无限小塑 性应变增量的方向即为势函数的梯度方向。 (4)加载和中性变载时，与应力状态相应的点保持在屈服面上，卸载时应 力点退回到现时屈服面内侧。 在任意剪切面上，推动剪切滑移的力是该面上的剪切力，而阻止剪切滑移的 力是: l）材料的粘聚力c，2)内摩擦力，它取决于该面上正应力的大小，通常 假定为氏，切为内摩