岩体力学ppt课件第五章 地下硐室围岩稳定性分析教学幻灯片.ppt

第五章 地下洞室围岩稳定性分析;地下工程稳定性可分为两类： 1）自稳——能长期自行稳定的情况，如天然石灰岩溶洞、某些金属采矿场等。通常不需要进行支护。 2）人工稳定——需要依靠支护才能达到稳定的情况，如煤矿中的软岩巷道、表土洞室等，由于次生应力场的作用形成破碎带。;地下工程自身影响范围达不到地面的，称为深埋，否则称为浅埋。 深埋地下工程存在如下力学特点： 1）可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向的无穷远处仍为原岩体； 2）当埋深Z达到巷道半径或宽高之半的20倍及以上时，巷道影响范围内的岩体自重可忽略不计；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（在10%以下）； 3）深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。其他类型巷道或作为空间问题，或作为全平面应变问题处理。;对于地下工程稳定性问题，首先要分析研究岩体在工程??挖后的应力、位移的分布特征及其规律，并作出稳定性评价；然后根据评价结果，决定是否采取支护加固措施以及如何支护加固和加固的形式。 ? 地下工程的稳定性问题目前主要通过三个途径来分析解决，即解析分析方法、数值分析方法和实验方法。;解析方法是指用一般数学力学方法通过计算可以取得闭合解的方法。当地下工程围岩能自稳时，围岩处于全应力-应变的峰前曲线段，岩体属于变形体范畴，可以使用任何变形体力学方法研究。对于应力应变不超过弹性范畴时，适宜用弹性力学方法研究；否则采用弹塑性力学或损伤力学方法研究。一旦岩体的应力应变超过峰值应力和极限应变，围岩进入全应力应变的峰后曲线段，岩体处于刚性滑移和张裂状态，此时适宜采用刚性块体力学的方法，或实验力学的方法，有时甚至可采用初等力学的方法研究。;能自稳的岩体，当然不需要支护。岩体处于峰后破坏状态时，不可能自稳，要依靠支护才能达到人工稳定。因此，凡有支护的场合，支护背靠的或紧邻的岩体一定是破碎的，而不会是弹性状态或弹塑性状态没有破裂的岩体。 解析方法可以解决的实际工程问题是很有限的，但通过对解析方法及其结果的分析，可以获得一些规律性的认识。;围岩应力重分布问题——计算重分布应力 围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围 围岩压力问题——计算围岩压力 有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力;第六章 地下洞室围岩稳定性分析;洞室开挖后，周围的岩石在一般情况下（侧压力系数3）必然会在半径方向上发生伸长变形，在切线方向上发生压缩变形，这就使原来径向上的压缩应力降低，切向上的压缩应力增高，而这种降低和增高的程度随着远离洞壁逐渐减弱，达到一定距离后基本无影响。通常将应力的这种变化称为应力重分布（即原始的应力状态变化到新的平衡的应力状态的过程）。 把应力重分布影响范围内的岩体称为围岩。 围岩内的应力称为围岩应力或二次应力（相对与天然应力）或重分布应力，也就是地下开挖扰动后在围岩中形成的新的应力。 重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。;一、无压洞室围岩重分布应力计算;1、静水压力式天然应力场;由于是轴对称的平面问题，为便于研究，通常将要研究的对象置于极坐标系中，坐标原点在圆形巷道的中心。在围岩中一点（r，?）处取一微小单元体，是宽度为dr、内弧长为rd?、厚度为单位厚度的圆环体的一小段，如右图（仅考虑自重应力，且侧压力系数K0=1）。对这个微元体进行受力分析，建立平衡方程为： 其中，?r、??——径向应力、切(环)向应力，压为正，拉为负。;微元体在应力的作用下必然要发生位移，位移与应变之间根据应变的定义有： ——几何方程 几何方程与平衡方程通过广义虎克定律（本构方程）联系起来： 其中，ur——径向位移；?r、??——径向和环向应变。;在上述假设条件下，边界条件可表示为： 内边界：r=R0，?r=0（无支护，在巷道壁面上，径向应力完全解除，临空，径向上无约束）； 外边界：r??，?r=p0（p0为原岩应力。远离巷道的地方，应力不受开挖影响，保持原岩应力状态，由于是静水压力状态，因此，各方向应力相等，显然半径方向上应力也等于原岩应力）。 对上述方程进行联立求解，得任意点r处应力计算公式为：;公式讨论（关于原岩应力为静水压力式条件下圆形洞室围岩应力分布规律的几点结论）：;（5）巷道周边壁面上，径向应力?r=0，切向应力?θ=2p0，为单向应力状态，切向应力?θ在巷道壁面处达到最大，且与巷道的尺寸无关。如果2p0超过岩石弹性强度极限时，围岩将进入塑性状态。如果岩石是弹脆体，则当2p0超过围岩的单轴抗压强度时，围岩将破坏； （6）如果定义应力集中系数k： 则周边的k=2。为次生应力场的最大应力集中系数； （7）如果定义以??1.05p0或?r0.95p0为巷道影响圈边界，则影响圈半径约为5R0；工程上有时以10%作为影响边界，则影响半径约为3 R0。;2、一般天然应力场;对于这样的