工程地质与水文地质课件6

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1、第6章地下工程第一节概述第二节洞室围岩应力的重分布第三节围岩的变形与破坏第四节地下建筑围岩稳定性评价第五节保障洞室围岩稳定的措施第一节地下工程概述定义：人工开挖或天然存在于岩土体内的构筑物，统称为地下工程。地下工程的特征：开挖前处于应力平衡状态，开挖后硐室周围的岩体发生卸荷回弹和应力重分布，可能因此发生变形和破坏。研究意义：正确估计围岩应力和岩体强度，及时合理地对地下工程进行维护，是保证地下工程安全、经济地修建和运营的前提。返回第二节洞室围岩应力的重分布一、原岩应力二、地下洞室围岩重分布应力返回（一）基本概念（二）弹性围岩重分布应力（三）塑性围

2、岩重分布应力1、圆形洞室2、非圆形断面洞室1、围岩松动圈与承载圈2、重分布应力一、原岩应力原岩应力即地应力，一般是指地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，或称为初始应力。地应力是重力和地壳运动等综合作用下形成的应力，主要包括自重应力和构造应力、变异及其他应力等几种形式。在进行地下洞室建筑时，应考虑总地应力的大小和方向。目前在工程上多采用现场测定方法(应力解除法)来确定地应力的大小。国内外大量实测资料表明：绝大多数地区的地应力，其水平应力常常大于垂直应力。λ一般为1.2~5，个别地区有的可达20以上。返回1、自重应力σz=γH式中:

3、γ—岩土的容重;H—岩土的埋深;μ—岩土的泊松比;λ—岩土的侧压力系数。一般岩石的μ=0.1~0.3，λ=0.11~0.42λσz返回由于地壳运动等作用在地壳内造成的应力称为构造应力。构造应力以弹性应变能的形式储存在地壳内，当构造应力逐渐增大并超过岩体强度或岩体中原有断裂的抵抗阻力时，便可能引起地层变形、蠕滑、破坏，甚至有可能由于构造应力的突然释放而导致地震的发生。这种由于构造应力的作用而导致的地层变形和破坏的过程称为构造运动。根据构造运动活动状态，构造应力又可分为活动的构造应力和剩余的构造应力两种。活动的构造应力一般是指目前正在活动的构造运动

4、在地壳内形成的地应力；剩余的构造应力是指构造运动结束后，由构造运动过程中尚未释放完的弹性应变能在地壳内形成的地应力。2、构造应力返回3、变异及其他应力变异及其他应力是指岩体受岩浆活动，变质作用以及侵蚀卸荷等而受到的温度、应力、化学应变能以及重力场改变等而形成的地应力。返回（一）基本概念硐室开挖之前，岩土体一般处于天然应力平衡状态，称为原岩应力场或初始应力场；硐室开挖后破坏了这种平衡。地下开挖以后，由于围岩质点应力、应变调整而引起的天然应力大小、方向和性质改变的作用称为应力重分布；经应力重分布作用后形成的新的应力状态，称为重分布应力状态。通常将洞

5、室周围发生应力重分布的这一部分岩体叫做地下洞室围岩（简称围岩），狭义上，围岩常指硐室周围受到开挖影响，大体相当于地下硐室宽度或平均直径的3~5倍范围内的岩土体。返回1、圆形洞室重分布应力式中：r0---洞室半径r---自洞中心算起的径向距离θ---自水平轴算起的极坐标中的角度Ph、Pv---分别表示垂直与水平正应力，如果岩体的初始应力反由重力形成，则Pv=γHPh=λγH(H为洞室平均埋深)σr、σθ---分别为径向应力和切向应力；τrθ---剪应力r02r04r06r0Ph2Ph应力σθσr距离埋深大于20r0返回2、非圆形断面洞室重分布应力

6、利用弹性试验可测定各种非圆形洞室的应力。定义切向应力与垂直应力之比为应力集中系数，王建宁《地下工程喷锚支护原理与设计》列出了不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)（表)自表中查出切向应力集中系数α值后，有下式即可计算切向应力值：σt=αPv返回不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)不同形状的洞室边界切向应力集中系

7、数α(=σt/Pv)本表摘自王建宁《地下工程喷锚支护原理与设计》返回1、围岩松动圈与承载圈洞室开挖后由于应力的重分布，将使洞室周围产生应力集中现象。当周边应力小于岩体的强度极限(脆性岩石)或屈服极限(塑性岩石)时，洞室围岩稳定。否则，周边岩石首先破坏或出现大的变形，并向深部扩展到一定的范围形成松动圈。在松动圈形成的过程中、原来硐室周边集中的高应力逐渐向松动圈外转移，形成新的应力升高区。该区岩体被挤压紧密，宛如天然加固的岩体，故称承载区。应当指出，如果岩体非常软弱或处于朔性状态地，则洞空开挖后，由于塑性松动圈的不断扩展，自然承载圈很难形成。在这种

8、情况下，岩体始终处于不稳定状态，开挖洞室十分困难。如果岩体坚硬完整，则洞室围岩始终处于弹性状态，围岩稳定，不形成松动圈，在生产实践中。确定洞室围岩松动