工程地质学之 地下工程课件.ppt

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1、第六章地下工程1第六章地下工程§6.1概述§6.2围岩重分布应力计算§6.3围岩的变形与破坏§6.4地下建筑稳定性评价§6.5地下工程地质超前预报2地下工程：人工开挖或天然存在于岩土体内的构筑物，也称为地下建筑或地下洞室。分类按其用途可分为：交通隧道、水工隧道、矿山巷道，地下厂房和仓库、地下铁道及地下军事工程等类型按其内壁是否有内水压作用：无压洞室、有压洞室按其断面形状：圆形、矩形、马蹄形等按洞室轴线与水平面对关系：水平洞室、竖井、倾斜洞室按围岩介质类型：土洞、岩洞6.1概述36.1概述地下工程的共同特点:都要在岩土体内开挖出具有一定断面形状和尺寸，并具有较大的延伸长度的洞室。洞室

2、开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态;洞室开挖使洞室周围岩体发生卸荷回弹和应力重新分布。围岩足够强固，不会因卸荷回弹和应力状态的变化而发生显著变形和破坏，开挖出的洞室就是稳定的。围岩适应不了回弹应力和重分布应力的作用，随着时间的推移，开挖出的洞室就会逐渐丧失其稳定性。456.1概述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——计算围岩抗力洞室围岩力学问题hV56第六章地下工程§6.1概述§6.2围岩重分布应力计算§6.3围岩的变形与破坏§6.4地下建筑稳定性评价§6.5地下工程地质超前预报

3、66.2围岩重分布应力计算应力重分布作用:地下开挖以后，由于围岩质点应力、应变调整而引起起天然应力大小、方向和性质改变的作用。重分布应力状态:经应力重分布作用后形成的新的应力状态。围岩:把重分布应力影响范围内的岩体。重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。76.2围岩重分布应力计算8围岩重分布应力计算：①开挖前岩体天然应力状态的确定②开挖后围岩重分布应力的计算③支护衬砌后围岩应力状态的改善8一、弹性围岩重分布应力坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一半时，围岩呈弹性变形。可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可根据弹性力学计算。如

4、果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑，概化为两侧受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。91、圆形洞室假定一半径为R0的水平圆形洞室，深埋于均质、连续、各向同性的弹性岩体中，开挖后仍保持弹性。一、弹性围岩重分布应力如果洞室半径相对于洞长很小时，可按平面应变问题考虑，设岩体中的铅直与水平天然应力分别为σv和σh则可概化出如图的力学模型，围岩中任意一点M(r，θ)的重分布应力状态可用弹性理论求得。10围岩中任意一点M(r，θ)的重分布应力状态可用弹性理论求得：式中，σr:径向应力、σθ:环向应力、τrθ:剪应力θ:M点的极角，自水平轴(x轴)起始，反时钟方向为正r:极距

5、一、弹性围岩重分布应力11一、弹性围岩重分布应力洞壁上的应力，令r=R0可得：围岩内一点（r，θ）的重分布应力：表明：洞壁上的τrθ=0，σr=0，仅有σθ作用，为单向应力状态，其大小与水平应力、铅直应力和θ有关。12当水平应力与铅直应力均等于σ0时，即当λ=l时，有σh=σv=σ0，则有:13式表明：天然应力为静水压力状态时,即当λ=l时，有σh=σv=σ0，圆形洞室围岩内的重分布应力，因τrθ=0，σr，σθ均为主应力，且σθ恒为最大主应力，σr恒为最小主应力，其分布状态如图所示。14洞壁位置即r=R0时，径向应力=0，环向应力σθ=2σ0。随着离洞壁越远，即r增大，径向应力逐

6、渐增大，环向应力逐渐减小。当距离为6R0时，有σr≈σθ≈σ0，环向与径向应力均接近天然应力状态。所以围岩应力重分布的6R0范围的岩体，称为围岩。15讨论1：洞壁上的重分布应力洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，为单向应力状态σθ大小与与洞室尺寸R0无关，取λ=σh/σv当θ=0、180o，σθ=3σV-σh=(3-)σV当θ=90、270o，σθ=3σh-σV=(3-1)σV当λ＜1/3时，σθ=洞顶底σθ<0,将出现拉应力当1/3＜λ＜3时，σθ为压应力且分布较均匀当λ＞3时，洞壁两侧σθ<0,出现拉应力；洞顶底出现较高的压应力集中洞壁，即r=R016由右式，取λ=σh/σv为1

7、/3，1，2，3，…等不同数值时，可求得洞壁上0°，90°，180°，270°四点的应力σθ。1718当λ<1/3时，洞顶和洞底都将出现拉应力；当1/3<λ<3时，洞壁上的全为压应力；当λ>3时洞壁两侧出现拉应力，洞顶和洞底则出现较高的压应力集中。18讨论2：静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力围岩内重分布应力与θ角无关，仅与R0和σ0有关由于τrθ=0，则σr、σθ均为主应力，且σθ恒为最大主应力，σr恒为最小主应力当r＝R0(洞壁)时，σr=0，σθ=2σ0，可