地下结构设计-第2-3章课件.ppt

1、第第2章章 地下工程结构物的地下工程结构物的工作环境工作环境 如概论所述，在地下结构体系中，地层起如概论所述，在地下结构体系中，地层起主导作用。主导作用。地下工程的一切活动包括：地下工程的一切活动包括：能否顺利地建成，能否顺利地建成，使用中是否会出现问题，使用中是否会出现问题，建设工期长短，投资多少等都与它所赋建设工期长短，投资多少等都与它所赋存的工作环境存的工作环境地质条件息息相关。地质条件息息相关。作为一个设计者，施工的管理者，始终作为一个设计者，施工的管理者，始终要认识的关键问题是：要认识的关键问题是：围岩具有多大的围岩具有多大的自支护能力自支护能力？自稳自稳的的时间是多少？这涉及到对围

2、岩稳定性的时间是多少？这涉及到对围岩稳定性的判定。判定。需要需要人工支护人工支护？用什么类型的人工支？用什么类型的人工支护和怎样支护，才能保证坑道在施工期护和怎样支护，才能保证坑道在施工期间的暂时稳定和运营期间的长期稳定？间的暂时稳定和运营期间的长期稳定？因此，要做到这一点，需要从理论和实因此，要做到这一点，需要从理论和实践认识：践认识：围岩的稳定性；围岩的稳定性；评价围岩稳定性的标准评价围岩稳定性的标准围岩分级；围岩分级；围岩与支护结构的相互作用。围岩与支护结构的相互作用。本章的主要内容：本章的主要内容：了解地下工程赋存的地质环境；了解地下工程赋存的地质环境；掌握岩体的工程性质；掌握岩体的工

3、程性质；掌握围岩稳定性的评价标准掌握围岩稳定性的评价标准围岩分级。围岩分级。掌握基本概念：与地下工程相关的地质环境，掌握基本概念：与地下工程相关的地质环境，围岩的稳定性。围岩的稳定性。地下工程赋存的地质环境地下工程赋存的地质环境 地层特征；地层特征；地下水状况；地下水状况；开挖洞室前就存在于地层中的原始地应开挖洞室前就存在于地层中的原始地应力状态；力状态；地温梯度等。地温梯度等。但最关心的问题则是地层被挖成洞室后但最关心的问题则是地层被挖成洞室后的稳定程度。的稳定程度。围岩的稳定性：围岩的稳定性：地层被挖成洞室后的稳定程度称为洞室地层被挖成洞室后的稳定程度称为洞室围岩的稳定性。是一个反映地质环

4、境的围岩的稳定性。是一个反映地质环境的综合指标。综合指标。例如：陕北的窑洞、岩石隧道；例如：陕北的窑洞、岩石隧道；裂隙岩体中的洞室；裂隙岩体中的洞室；通过断层破碎带的隧道等。通过断层破碎带的隧道等。洞室围岩的稳定性问题包括：洞室围岩的稳定性问题包括：围岩破坏或稳定的规律；围岩破坏或稳定的规律；影响围岩稳定的主要因素；影响围岩稳定的主要因素；标志围岩稳定性的指标和判断准则；标志围岩稳定性的指标和判断准则；分析围岩稳定性的方法；分析围岩稳定性的方法；为维持围岩稳定而必须采取的工程措施为维持围岩稳定而必须采取的工程措施等。等。本章提纲：本章提纲：2.1 围岩初始应力场围岩初始应力场2.2 围岩的工程

5、性质围岩的工程性质2.3 地下洞室的围岩分级及其应用地下洞室的围岩分级及其应用2.1 围岩初始应力场围岩初始应力场 初始应力场是开挖前围岩内的应力状态；初始应力场是开挖前围岩内的应力状态；是开挖后一系列现象（变形或破坏）的是开挖后一系列现象（变形或破坏）的形形成因素成因素是初始应力场发展的延续；是初始应力场发展的延续；是影响围岩稳定性的重要因素之一。是影响围岩稳定性的重要因素之一。初始应力场的概念：初始应力场的概念：由于由于岩体的自重和地质构造作用岩体的自重和地质构造作用，在开，在开挖隧道前岩体中就已存在的地应力挖隧道前岩体中就已存在的地应力场，场，人们称之为围岩的初始应力场。人们称之为围岩的

6、初始应力场。它是经历了漫长的应力历史而逐渐形成它是经历了漫长的应力历史而逐渐形成的，并处于的，并处于相对稳定和平衡状态相对稳定和平衡状态。1、初始应力场的组成、初始应力场的组成 围岩初始应力场的形成与岩体的结构、围岩初始应力场的形成与岩体的结构、性质、埋藏条件以及地质构造运动的历性质、埋藏条件以及地质构造运动的历史等有密切关系。史等有密切关系。因此，根据地应力场的成因将其分为：因此，根据地应力场的成因将其分为：自重应力场自重应力场；构造应力场构造应力场。（1）自重应力场）自重应力场 是指上覆岩体自重所产生的应力场，它是指上覆岩体自重所产生的应力场，它是是地心引力地心引力和和离心惯性力离心惯性力

7、共同作用的结共同作用的结果果（2）构造应力场）构造应力场 是指地壳各处发生的一切是指地壳各处发生的一切构造变形构造变形与与破裂破裂所形成所形成的地应力，按形成的时间，可以分为：的地应力，按形成的时间，可以分为：构造残余应力构造残余应力：由过去的地质构造运动，但：由过去的地质构造运动，但现在仍残存在岩体中的应力；岩石在形成过程中，现在仍残存在岩体中的应力；岩石在形成过程中，由于热力和构造作用引起的，虽经过风化、卸载由于热力和构造作用引起的，虽经过风化、卸载部分释放，但现在仍残存着的原生内应力。部分释放，但现在仍残存着的原生内应力。新构造应力新构造应力：现在正在活动和变化的构造运现在正在活动和变化

8、的构造运动，称为新构造应力。地震的产生正是新构造应动，称为新构造应力。地震的产生正是新构造应力的反映。力的反映。目前主要研究的是：目前主要研究的是：由岩体的重力形成的应力场，由岩体的重力形成的应力场，而其他因素只认为是改变了由重力造成而其他因素只认为是改变了由重力造成的初始应力状态。的初始应力状态。（1）自重应力场）自重应力场 nnzHHH22110niiiH1niiinnyxH1001侧压力系数和泊松比侧压力系数和泊松比)1/(000zyxHzyx 000yx岩体自重应力场的变化规律为岩体自重应力场的变化规律为 地应力是随深度呈地应力是随深度呈线性增加线性增加的；的；水平应力总是小于垂直应力

9、，最多也水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等只能与其相等(0.5，0.150.35）。）。地壳构造运动改变了重力应力场的状地壳构造运动改变了重力应力场的状态，如背斜、断层；态，如背斜、断层；深度对初始应力状态有重大影响深度对初始应力状态有重大影响；其应力状态可视围岩的强度不同分别处其应力状态可视围岩的强度不同分别处于弹性的、隐塑性的及流动的于弹性的、隐塑性的及流动的3种状态。种状态。背斜初始应力场的影响背斜初始应力场的影响断层对初始应力场的影响断层对初始应力场的影响（2）构造应力场）构造应力场 形成构造应力场的原因非常复杂，属于形成构造应力场的原因非常复杂，属于非非稳定稳定的应力场。的

10、应力场。(空间分布极不均匀空间分布极不均匀)但对工程结构物的使用期限来说，可以忽但对工程结构物的使用期限来说，可以忽略时间因素，将它视为稳定的。略时间因素，将它视为稳定的。需要理解由于构造应力场的存在，使自重需要理解由于构造应力场的存在，使自重应力场发生的变化。应力场发生的变化。构造应力场的变化规律构造应力场的变化规律 地质构造形态的变化不仅地质构造形态的变化不仅改变了自重改变了自重应力场应力场，除了以各种构造形态获得释放，除了以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在岩体内。外，还以各种形式积蓄在岩体内。构造应力场构造应力场在不深的地方已普遍在不深的地方已普遍存在，存在，最大构造应力的方向

11、多近似为最大构造应力的方向多近似为水平水平，且，且水平应力普遍大于自重应力场中的水平水平应力普遍大于自重应力场中的水平应力分量，甚至也大于垂直应力分量应力分量，甚至也大于垂直应力分量。垂直应力与平均水平应力随深度的变化垂直应力与平均水平应力随深度的变化 构造应力场很不均匀构造应力场很不均匀，它的参数无论在，它的参数无论在空间上、时间上都有很大变化，特别是它空间上、时间上都有很大变化，特别是它的的主应力轴的方向主应力轴的方向和和绝对值绝对值有很大变化。有很大变化。水平主应力水平主应力具有明显的各向异性，且具有具有明显的各向异性，且具有很强的方向性很强的方向性（3）影响围岩初始应力场的因素）影响围

12、岩初始应力场的因素 第第1类因素有重力、地质构造、地形、岩体的类因素有重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质以及地温等经常性的因素；物理力学性质以及地温等经常性的因素；第第2类因素有新构造运动、地下水活动、人类类因素有新构造运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。的长期活动等暂时性的或局部性的因素。地形和地貌。地形和地貌。岩体的力学性质。岩体的力学性质。地温变化。地温变化。人类活动。人类活动。2023-1-925第第3章章 围岩与支护结构的相互作用围岩与支护结构的相互作用 涉及到洞室开挖后的应力场特征，包括无涉及到洞室开挖后的应力场特征，包括无支护坑道的破坏形态；支护坑道的

13、破坏形态；围岩应力状态的弹、塑性分析；围岩应力状态的弹、塑性分析；围岩与支护结构的相互作用围岩与支护结构的相互作用 围岩压力围岩压力2023-1-9263.1基本概念：基本概念：1、初始应力场、初始应力场 洞室开挖前，地层处于静止平衡状态，这洞室开挖前，地层处于静止平衡状态，这种平衡状态是由于岩体的自重和地质构造种平衡状态是由于岩体的自重和地质构造作用，在经历了漫长的应力历史逐步构造作用，在经历了漫长的应力历史逐步构造而成的。而成的。通常我们把由于岩体自重和漫长的地质构通常我们把由于岩体自重和漫长的地质构造作用逐步形成的，在洞室开挖之前就已造作用逐步形成的，在洞室开挖之前就已经存在着的处于相对

14、稳定和平衡状态中的经存在着的处于相对稳定和平衡状态中的应力场称为初始应力场或原岩应力场。应力场称为初始应力场或原岩应力场。2023-1-927基本概念：基本概念：2、二次应力状态、二次应力状态 洞室开挖后，由于围岩在开挖面处解除洞室开挖后，由于围岩在开挖面处解除了约束，破坏了这种平衡，洞内各点的了约束，破坏了这种平衡，洞内各点的应力状态发生了变化，其结果引起洞室应力状态发生了变化，其结果引起洞室周围各点的位移，从而适应应力的这种周围各点的位移，从而适应应力的这种变化，这种现象叫做变化，这种现象叫做应力重分布应力重分布。把重新分布后的应力状态叫做二次应力把重新分布后的应力状态叫做二次应力状态或围

15、岩应力状态。状态或围岩应力状态。2023-1-928基本概念：基本概念：3、围岩围岩 通常我们把洞室周围发生应力重分布的通常我们把洞室周围发生应力重分布的这部分岩体叫做围岩；这部分岩体叫做围岩；而在此范围以外仍保持在初始应力状态。而在此范围以外仍保持在初始应力状态。2023-1-929基本概念：基本概念：4、收敛与约束收敛与约束收敛收敛 由于二次应力状态的作用，使围岩发生向由于二次应力状态的作用，使围岩发生向洞内洞内的的位移位移，称之为，称之为收敛收敛 。其结果有二：其结果有二：若岩体强度高，整体性好，断面形状有利，若岩体强度高，整体性好，断面形状有利，岩体的变形到一定程度就将自行终止，围岩是

16、岩体的变形到一定程度就将自行终止，围岩是稳定的。稳定的。反之，岩体的变形将自由地发展下去，最终反之，岩体的变形将自由地发展下去，最终导致隧道围岩整体失稳而破坏。导致隧道围岩整体失稳而破坏。2023-1-930约束约束 在这种情况下，应在开挖后适时地沿隧道在这种情况下，应在开挖后适时地沿隧道周边设置支护结构，对岩体的移动产生阻周边设置支护结构，对岩体的移动产生阻力，形成约束。力，形成约束。相应地，支护结构也将承受围岩所给予的相应地，支护结构也将承受围岩所给予的作用力，并产生变形。作用力，并产生变形。2023-1-931 5、三次应力状态、三次应力状态 一个力学上一个力学上稳定稳定的隧道结构体系的

17、隧道结构体系 如何形成的？如何形成的？2023-1-932 在二次应力状态下，围岩的收敛和支护在二次应力状态下，围岩的收敛和支护结构的约束过程中：结构的约束过程中：v支护结构变形后所能提供的阻力会有所增加-阻力增加v而围岩却在变形过程中释放了部分能量，进一步变形的趋势有所减弱，-变形减弱v如果支护结构有一定的强度和刚度v围岩和支护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围岩作用力之间达到平衡为止.2023-1-9336、三次应力场的影响因素、三次应力场的影响因素 围岩初始应力状态，或称一次应力状态；围岩初始应力状态，或称一次应力状态；开挖洞室后围岩的二次应力场和位移场；开挖洞室后围岩的二次

18、应力场和位移场；判断围岩判断围岩二次应力场二次应力场和和位移场位移场是否符合稳是否符合稳定性条件即围岩稳定性准则。定性条件即围岩稳定性准则。0),(0),(2212RuFRf2023-1-934 设置支护结构后围岩的应力状态，亦称设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应力场和位移场，以及支护结围岩的三次应力场和位移场，以及支护结构的内力和位移；构的内力和位移；判断支护结构安全度的准则，一般可写判断支护结构安全度的准则，一般可写成成 0)K ,(F0)K (M,f21112023-1-935设计框图设计框图2023-1-936本章重点本章重点 掌握：二次应力场的特征；掌握：二次应力场的特征

19、；无支护坑道的破坏形态；无支护坑道的破坏形态；洞室开挖力学效应的模拟方法；洞室开挖力学效应的模拟方法；围岩压力的概况及计算方法。围岩压力的概况及计算方法。了解：二次应力状态和三次应力状态分析了解：二次应力状态和三次应力状态分析原理。原理。2023-1-9373.2 洞室开挖后的应力状态特征及洞室开挖后的应力状态特征及力学效应力学效应 1.洞室开挖后围岩应力状态的特征及破坏洞室开挖后围岩应力状态的特征及破坏形态形态（1）洞室开挖后围岩应力状态的特征及影）洞室开挖后围岩应力状态的特征及影响因素响因素（2）无支护坑道围岩失稳的形式）无支护坑道围岩失稳的形式2023-1-938（1）洞室开挖后围岩应力

20、状态的特征）洞室开挖后围岩应力状态的特征及影响因素及影响因素 初始应力场的影响初始应力场的影响 主应力的方向和数值：主应力的方向和数值：最大主应力的方向不同，洞室的变形和破最大主应力的方向不同，洞室的变形和破坏特征不同；坏特征不同；洞周应力的分布特征不同。洞周应力的分布特征不同。2023-1-939 在一定初始应力场中，开挖断面形在一定初始应力场中，开挖断面形状的影响状的影响 与开挖断面的与开挖断面的高跨比有关高跨比有关 图中表明的是图中表明的是洞周的切向应洞周的切向应力。力。2023-1-940 岩体结构特性的影响岩体结构特性的影响与裂隙的倾角有关与裂隙的倾角有关2023-1-941 岩体力

21、学性质的影响岩体力学性质的影响最大主最大主应力小应力小于岩石于岩石的强度的强度弹弹性应力性应力状态状态最大主最大主应力大应力大于岩石于岩石的强度的强度塑塑性应力性应力状态状态2023-1-942 洞室开挖后围岩应力的空间效应洞室开挖后围岩应力的空间效应隧道端部开挖面对围岩应力释放和变形发展隧道端部开挖面对围岩应力释放和变形发展很大的约束作用很大的约束作用是空间坐标的函数。是空间坐标的函数。2023-1-943 时间效应的影响时间效应的影响 二次应力状态也是时间的函数，是随时间二次应力状态也是时间的函数，是随时间的推移逐渐完成的的推移逐渐完成的流变特性。流变特性。施工方法的影响施工方法的影响 开

22、挖方式（爆破或非爆破）和开挖方法开挖方式（爆破或非爆破）和开挖方法（全断面或分部开挖法（全断面或分部开挖法）的影响；）的影响；好的开挖作业可减少对遗留岩体的破坏。好的开挖作业可减少对遗留岩体的破坏。2023-1-944（1 1）洞室开挖后围岩应力状态的）洞室开挖后围岩应力状态的特征及影响因素（小结）特征及影响因素（小结）初始应力场的影响初始应力场的影响 开挖断面形式的影响开挖断面形式的影响 人为影响人为影响 岩体结构特性的影响岩体结构特性的影响 岩体力学性质的影响岩体力学性质的影响 洞室开挖后围岩应力的空间效应洞室开挖后围岩应力的空间效应 时间效应的影响时间效应的影响 施工方法的影响施工方法的

23、影响人为影响人为影响2023-1-945（2）无支护坑道围岩失稳的形式）无支护坑道围岩失稳的形式 脆性破坏脆性破坏岩爆，发生在高地应力场中的岩爆，发生在高地应力场中的硬岩。硬岩。块状运动块状运动沿结构面产生的松弛、滑移和沿结构面产生的松弛、滑移和坠落，发生在块状，有不利结构面的岩体。坠落，发生在块状，有不利结构面的岩体。弯曲折断破坏弯曲折断破坏，发生在层状（薄层）岩体。，发生在层状（薄层）岩体。松动解脱松动解脱，发生在破碎松散岩体。，发生在破碎松散岩体。塑性变形和剪切破坏塑性变形和剪切破坏，塑性岩体，发生过度，塑性岩体，发生过度位移位移 2023-1-946 块状运动。块状运动。弯曲折断破坏弯

24、曲折断破坏 松动解脱松动解脱 塑性变形和剪切破坏塑性变形和剪切破坏 2023-1-9472.坑道开挖力学效应的模拟方法坑道开挖力学效应的模拟方法（1）计算围岩二次应力场和位移场假定前提：）计算围岩二次应力场和位移场假定前提：视围岩为均质的、各向同性的连续介质；视围岩为均质的、各向同性的连续介质；只考虑自重形成的初始应力场；只考虑自重形成的初始应力场；坑道形状以规则的圆形为主；坑道形状以规则的圆形为主；坑道位于地表下一定深度，问题简化为无限坑道位于地表下一定深度，问题简化为无限平面中的孔洞问题。平面中的孔洞问题。2023-1-948（2）计算围岩的二次应力场和位移场）计算围岩的二次应力场和位移场

25、的步骤的步骤 开挖前围岩的初始应力状态开挖前围岩的初始应力状态；开挖后，可向具有初始应力的围岩，在开挖后，可向具有初始应力的围岩，在隧道周边上反方向施加与初始应力相等的隧道周边上反方向施加与初始应力相等的释放应力；释放应力；2023-1-949 用弹性力学方法计算带有孔洞的无限平用弹性力学方法计算带有孔洞的无限平面在释放应力作用下的应力和位移；面在释放应力作用下的应力和位移；真实的围岩二次应力场即为上述两者之真实的围岩二次应力场即为上述两者之和：和：uu202围岩稳定性判据围岩稳定性判据:围岩的二次应力状态与岩体强度的关系围岩的二次应力状态与岩体强度的关系 当围岩应力状态超过岩体的强度条件，才

26、能造成当围岩应力状态超过岩体的强度条件，才能造成岩体失稳的前兆。因此，满足岩体的岩体失稳的前兆。因此，满足岩体的强度条件强度条件是围岩是围岩失稳和破坏的必要条件失稳和破坏的必要条件.围岩的位移状态和岩体变形能力的关系围岩的位移状态和岩体变形能力的关系 满足围岩的满足围岩的变形条件变形条件是造成围岩失稳破坏的充分是造成围岩失稳破坏的充分条件。条件。围岩围岩局部落石局部落石的稳定性。的稳定性。具体的求解方法有数值法、剪切滑移破坏法和特征曲线法。数值法（有限单无法）：把围岩和支护结构都划分为单元，然后根据能量原理建立起整个系统的虚功方程，也称刚度方程，从而求出系统上各节点的位移以及单元的应力。具体步骤：计算范围的选取；单元类型的选取；开挖效果的模拟；求单元应力；支护结构强度校核。2023-1-9543.3 围岩应力和位移的线弹性分围岩应力和位移的线弹性分析析3.4 围岩应力和位移的弹塑性分围岩应力和位移的弹塑性分析析 3.5 围岩与支护结构的相互作用围岩与支护结构的相互作用