圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用課件

1、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,1,第3章 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,3.1 地下洞室圍巖穩(wěn)定分析方法 3.2 圍巖分類(lèi)法定性分析 3.3 塊狀圍巖穩(wěn)定性分析 3.4 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析 3.5 洞室圍巖失穩(wěn)類(lèi)型 3.6 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用 3.7 圍巖壓力理論,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,2,3.1 地下洞室圍巖穩(wěn)定分析方法,圍巖穩(wěn)定性分析是根據(jù)不同的巖體結(jié)構(gòu)、不同的力學(xué)特性，簡(jiǎn)化成不同的力學(xué)計(jì)算模型，應(yīng)用相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算方法，定性或定量地分析圍巖的變形破壞過(guò)程,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,3,3.2 圍巖分類(lèi)法定性分析,圍巖分類(lèi)法是一種間接的工程類(lèi)比法。按照一定的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圍巖進(jìn)行定性的、辦量化的

2、整理分析，歸納總結(jié)圍巖的宏觀(guān)特性及其規(guī)律性，綜合研究評(píng)價(jià)圍巖的好壞程度，同時(shí)提出帶有普遍意義的各段圍巖的穩(wěn)定性評(píng)分值以及支護(hù)形式與支護(hù)參數(shù)，供設(shè)計(jì)、施工使用。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及部門(mén)標(biāo)準(zhǔn)（鐵路、公路、水利、國(guó)防等）的 圍巖分類(lèi)方法及具體內(nèi)容在第2章都有涉及,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,4,3.3 塊狀巖體圍巖穩(wěn)定性分析,地下工程圍巖中存在的節(jié)理、層理、裂隙、軟弱夾層、破碎帶及斷層等地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，是巖體介質(zhì)的間斷面，強(qiáng)度弱，直接影響到圍巖的穩(wěn)定性。 赤平極射投影分析方法就是通過(guò)作圖的方法來(lái)分析巖體結(jié)構(gòu)面之間以及結(jié)構(gòu)面與開(kāi)挖臨空面之間的組合關(guān)系，計(jì)算出不同部位可能形成塊體的邊界、形狀以及體積搜索關(guān)鍵塊體，

3、通過(guò)關(guān)鍵塊體的平衡計(jì)算可以分析圍巖的穩(wěn)定性,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,5,3.3.1 塊狀巖體的失穩(wěn)特點(diǎn) （1）墜落 沿重力作用方向失穩(wěn)的破壞方式，常發(fā)生在洞頂表面巖體，其臨空面與重力作用方向近直角相交。 （2）滑落 滑移面與重力作用方向呈一角度，塊體失穩(wěn)時(shí)需要克服滑移面的摩擦阻力，常發(fā)生在邊墻表面巖體,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,6,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,7,3.3.2 塊狀圍巖不穩(wěn)定塊體的赤平極射投影確定方法 根據(jù)洞室開(kāi)挖前或開(kāi)挖過(guò)程中圍巖結(jié)構(gòu)面露頭產(chǎn)狀，利用赤平極射投影與實(shí)體比例的垂直投影相結(jié)合的方法，確定臨空面上不穩(wěn)定塊體的位置、形狀與大小,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,8,3.4 連續(xù)

4、介質(zhì)力學(xué)分析方法,3.4.1 洞室開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)特征 總述：巖體中開(kāi)挖洞室，出現(xiàn)了臨空面使巖體有了變形的空間，由于初始地應(yīng)力的局部釋放，使巖體發(fā)生卸載而向隧道內(nèi)變形，原來(lái)平衡的三維初始應(yīng)力狀態(tài)必然要引起應(yīng)力的重新分布，重分布的應(yīng)力主要發(fā)生在洞周有限范圍內(nèi)，在此范圍外仍保持著初始應(yīng)力狀態(tài)。 洞室開(kāi)挖后，產(chǎn)生的重分布應(yīng)力場(chǎng)稱(chēng)為二次應(yīng)力場(chǎng),圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,9,3.4.2 二次應(yīng)力場(chǎng)的影響因素 特征：徑向應(yīng)力釋放，切向應(yīng)力集中。 （1）初始地應(yīng)力的影響,1）自重應(yīng)力場(chǎng)：頂拱、底板可能出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，邊墻出現(xiàn)切向壓應(yīng)力區(qū)； 2）水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)：頂拱、底板可能出現(xiàn)壓應(yīng)力區(qū)，邊墻出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū),

5、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,10,2）開(kāi)挖斷面形式的影響 1）圓形斷面受力狀態(tài)最好； 2）橢圓斷面，隨著長(zhǎng)軸與短軸比值的增大，洞頂?shù)睦瓚?yīng)力區(qū)隨之?dāng)U大，拐角處應(yīng)力集中現(xiàn)象也愈明顯,斷面形狀對(duì)切向應(yīng)力的影響,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,11,3）巖體結(jié)構(gòu)的影響 結(jié)構(gòu)面的方向與二次應(yīng)力場(chǎng)的分布有很大關(guān)系,圖 巖體結(jié)構(gòu)方向?qū)鷰r二次應(yīng)力場(chǎng)的影響,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,12,4）巖體力學(xué)性質(zhì)的影響 彈 性：應(yīng)力應(yīng)變線(xiàn)性關(guān)系，假定圍巖承受很高應(yīng)力也不破壞；隧道開(kāi)挖后，洞周徑向應(yīng)力變?yōu)?，切向應(yīng)力集中。 彈塑性：應(yīng)力應(yīng)變非線(xiàn)性關(guān)系，假定圍巖應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到屈服條件時(shí)巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)；洞周應(yīng)力為0，在塑性區(qū)內(nèi)，隨

6、著塑性半徑的增大，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力都逐漸增大，在彈塑性交界面上切向應(yīng)力達(dá)到最大，在彈性區(qū)內(nèi)又逐漸減小回歸到初始狀態(tài),圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,13,a）彈性 （b）彈塑性,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,14,5）圍巖的空間效應(yīng)影響 隧道端部開(kāi)挖面對(duì)圍巖的應(yīng)力釋放和變形發(fā)展有很大的約束作用，使得沿隧道縱向各斷面上的二次應(yīng)力狀態(tài)和變形都不相同。當(dāng)距開(kāi)挖面（2-3）D時(shí)，開(kāi)挖面支承的空間效應(yīng)可以忽略不計(jì),圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)的空間效應(yīng),圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,15,6）時(shí)間效應(yīng)的影響 一般巖體都具有流變特性。隧道開(kāi)挖后圍巖初始應(yīng)力的重新分布以及圍巖的變形都不是瞬時(shí)就達(dá)到其最終值，而是隨著時(shí)間的推移逐漸完成

7、，我們稱(chēng)這種現(xiàn)象為“時(shí)間效應(yīng)”。有些體的時(shí)間效應(yīng)不明顯，有些則相反，延滯變形所經(jīng)歷的時(shí)間很長(zhǎng)，最終可能導(dǎo)致巖體失穩(wěn)破壞。 （7）施工方法的影響 開(kāi)挖方式(鉆爆或TBM)和開(kāi)挖方法(全斷面或分部開(kāi)挖法) 對(duì)圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)都有著強(qiáng)烈的影響。好的開(kāi)挖作業(yè)可減少對(duì)遺留巖體的破壞，使圍巖的二次應(yīng)力場(chǎng)更接近理論,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,16,3.4.3 圍巖應(yīng)力和位移的解析法分析 模型：彈性分析，彈塑性分析。 （1）彈性分析,適用：完整、均勻、堅(jiān)硬巖體 對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)圓形隧洞（=1,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,17,由彈性平面問(wèn)題的吉爾希解，可得彈性應(yīng)力,當(dāng)軸對(duì)稱(chēng)時(shí)，p = q 。即側(cè)壓系數(shù)=1時(shí)，則有,

8、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,18,當(dāng) r = a時(shí)，則,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,19,周邊r = , r =0, =2P0；周邊的切向應(yīng)力為最大,當(dāng) =2P0的值超過(guò)圍巖的彈性極限時(shí)，圍巖進(jìn)入塑性,如果把巖石看作為脆性材料，當(dāng) =2P0的值超過(guò)圍巖的彈性極限，則圍巖發(fā)生破壞,定義應(yīng)力集中系數(shù)K： K = 開(kāi)挖巷道后圍巖的應(yīng)力/開(kāi)挖巷道前圍巖的應(yīng)力 = 次生應(yīng)力/原巖應(yīng)力 軸對(duì)稱(chēng)圓巷周邊的次生應(yīng)力為2P0 , 所以，K =2,若定義以 高于1.05P0為巷道影響圈邊界，從而得到r5,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,20,水平軸線(xiàn)上圍巖的環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力分布,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,21,圍巖的彈性

9、位移,彈性位移的特點(diǎn)：周邊徑向位移最大，但量級(jí)小（以毫米計(jì)），完成速度快（以聲速計(jì)），一般不危及斷面使用與s隧道穩(wěn)定。 計(jì)算原理：按彈性理論可求得軸對(duì)稱(chēng)圓形隧洞洞周彈性位移。由下式計(jì)算,有內(nèi)水壓力或支護(hù)阻力時(shí)軸對(duì)稱(chēng)圓洞洞周位移計(jì)算,洞周位移與支護(hù)阻力之間的彈性關(guān)系,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,22,對(duì)于一般圓形隧洞（不等于1,周邊應(yīng)力情況 r= , 則 r = 0， r=0,隧道周邊切向應(yīng)力狀態(tài)分布曲線(xiàn),=（1+）P +2（1-）P cos2,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,23,在水平直徑處，= 0，有 說(shuō)明水平直徑處的切向應(yīng)力較初始值提高了（3-）倍，表現(xiàn)出應(yīng)力集中現(xiàn)象,（3-）P,在頂拱處，=

10、90，有,（3-1）P,a）當(dāng)=1/3時(shí)，洞頂處切向應(yīng)力為0； （b）當(dāng)1/3時(shí)，洞頂不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，說(shuō)明洞周切向應(yīng)力全部變?yōu)閴簯?yīng)力,-P,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,24,沿圓形隧道水平、垂直軸上的應(yīng)力分布,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,25,一般圓形隧洞的彈性位移（徑向,為側(cè)壓系數(shù)。 r 為圍巖內(nèi)一點(diǎn)到隧道中心距離,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,26,洞周切向應(yīng)力的集中系數(shù),不同值情況下圓形隧道周邊位移分布,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,27,2）彈塑性分析,適用：深埋隧道或埋深較淺但圍巖強(qiáng)度較低時(shí)，圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)超出屈服準(zhǔn)則，該部分巖體進(jìn)入塑性狀態(tài),1） 峰前區(qū)彈塑性力學(xué)分析 彈塑性力學(xué)處理的對(duì)象

11、的應(yīng)力-應(yīng)變圖形如圖所示,軸對(duì)稱(chēng)圓洞的理想彈性塑性分析卡斯特納方程 基本假設(shè)： （1）深埋圓形隧道； （2）原巖應(yīng)力各向等壓（=1） ； ( 3 ) 圍巖為理想彈塑性體,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,28,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,29,2）彈塑性應(yīng)力求解 基本方程,彈性區(qū)：強(qiáng)度準(zhǔn)則方程摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則,塑性區(qū)：軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的平衡方程,r,r,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,30,p,求解微分方程，再代入邊界條件分別得到彈塑性區(qū)的應(yīng)力,邊界條件：r ，r = = P0 在彈塑性交界面r=Rp ， re = rp , e = p,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,31,塑性區(qū)的應(yīng)力,彈性區(qū)的應(yīng)力,塑性區(qū)半徑,圍巖與支

12、護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,32,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,33,當(dāng)隧道內(nèi)有支護(hù)反力P1時(shí)，則彈塑性區(qū)的應(yīng)力可以表達(dá)為,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,34,塑性區(qū),彈性區(qū),塑性區(qū)半徑,支護(hù)反力,則圍巖的彈塑性表達(dá)式為,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,35,彈塑性交界面上的應(yīng)力（r = Rp,應(yīng)力分布規(guī)律： 1）徑向應(yīng)力在塑性區(qū)直至彈性區(qū)，隨著距開(kāi)挖面距離的增大而增大，在一定范圍內(nèi)接近初始應(yīng)力狀態(tài)。 2）切向應(yīng)力在塑性區(qū)內(nèi)，隨著距開(kāi)挖面距離的增大而增大；在彈性區(qū)內(nèi)，隨著距離的增大而減小。 3）在塑性區(qū)和彈性區(qū)交界面上，切向應(yīng)力達(dá)到最大值,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,P0,P0,P0,P0,水平軸線(xiàn)上圍巖的環(huán)向應(yīng)力和徑

13、向應(yīng)力分布,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,37,塑性區(qū)半徑,支護(hù)反力,塑性區(qū)半徑或支護(hù)反力計(jì)算公式就是卡斯特納方程或修正的芬納方程,1）Rp與R0成正比，與P0成正比關(guān)系,與c, ，P1成反比關(guān)系,2）塑性區(qū)內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力與原巖應(yīng)力P0無(wú)關(guān)，且其應(yīng)力圓均與 強(qiáng)度曲線(xiàn)相切； （3）支護(hù)反力P1=0時(shí)，Rp最大； （4）隨著P1的增大，塑性區(qū)半徑相應(yīng)減小，即支護(hù)阻力的存 在限制了塑性區(qū)域的發(fā)展,討論,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,38,松動(dòng)區(qū)定義：松動(dòng)區(qū)邊界上的切向應(yīng)力為初始應(yīng)力，即 = P0 由此可得,可得松動(dòng)區(qū)半徑,可見(jiàn),圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,39,若想使得塑性區(qū)不出現(xiàn)，即Rp=R0，則求出的支護(hù)阻力

14、為硐室開(kāi)挖保持彈性不出現(xiàn)塑性區(qū)所需的最小支護(hù)阻力,但是一般硐室開(kāi)挖都是允許出現(xiàn)一定范圍的塑性區(qū)的，因此，所需的支護(hù)阻力一般都小于此計(jì)算式,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,40,3）彈塑性位移 隧道圍巖的彈塑性位移，量級(jí)較大，通常以cm計(jì)，是支護(hù)主要應(yīng)解決的問(wèn)題,塑性邊界位移計(jì)算,up,R 0,u0,R p,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,41,隧道周邊位移計(jì)算: 設(shè)塑性區(qū)體積不變，則有,Rp2-(Rp-up)2 = R02-(R0-u0)2,塑性區(qū)的形狀和范圍是確定加固方案、錨桿布置和松散地壓的主要依據(jù)。彈塑性位移是設(shè)計(jì)隧道斷面尺寸，確立變形地壓的主要依據(jù),圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,42,將含有支護(hù)阻力P

15、1的塑性區(qū)半徑Rp的表達(dá)式帶入位移計(jì)算式，可以得到洞室周邊徑向位移與支護(hù)阻力之間的關(guān)系式： 或者寫(xiě)為,洞周塑性位移與支護(hù)阻力之間的關(guān)系，非線(xiàn)性,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,43,3.4.4 圍巖應(yīng)力和位移的數(shù)值分析,理想圓形隧道計(jì)算模型，開(kāi)挖半徑為1.0m，初始地應(yīng)力在三個(gè)方向均為30MPa，計(jì)算范圍25m*25m。巖體物理力學(xué)參數(shù)為： 體積模量K=3.9GPa，剪切模量G=2.8GPa，內(nèi)聚力c=3.45MPa，內(nèi)摩擦角=30 （1）用彈性模型計(jì)算 （2）用彈塑性模型計(jì)算（M-C屈服準(zhǔn)則,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,44,軸對(duì)稱(chēng)圓形隧洞彈性解,切向應(yīng)力分布,徑向應(yīng)力分布,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用

16、,45,水平軸線(xiàn)上圍巖的環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力分布,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,46,位移分布,網(wǎng)格變形圖,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,47,軸對(duì)稱(chēng)圓形隧洞彈塑性解 （M-C準(zhǔn)則,切向應(yīng)力分布,徑向應(yīng)力分布,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,48,最大、最小主應(yīng)力矢量圖,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,49,水平軸線(xiàn)上圍巖的環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力分布,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,50,位移分布,網(wǎng)格變形圖,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,51,破壞區(qū)分布圖,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,52,3.5 地下洞室圍巖失穩(wěn)類(lèi)型,洞室開(kāi)挖后，在一定地質(zhì)作用和工程荷載作用下，巖體產(chǎn)生剪切、滑移、掉塊、彎折等破壞現(xiàn)象，稱(chēng)為圍巖失穩(wěn)。 （1）脆

17、性破壞 堅(jiān)硬巖體局部的脆性斷裂、掉塊，如爆破、開(kāi)挖巖爆等引起劇烈的彈性應(yīng)變能突然釋放等。 （2）塊狀運(yùn)動(dòng) 節(jié)理、裂隙巖體經(jīng)過(guò)多組結(jié)構(gòu)面切割成塊體，在開(kāi)挖臨空情況下松弛、滑移、墜落。 （3）彎曲折斷破壞 對(duì)于薄層狀巖體，在開(kāi)挖卸荷回彈過(guò)程中，切向應(yīng)力集中超過(guò)薄層狀巖層的抗彎折強(qiáng)度，引起巖層彎折內(nèi)鼓的現(xiàn)象,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,53,4）松動(dòng)解脫 在破碎松散巖土體結(jié)構(gòu)中，圍巖自承能力低，開(kāi)挖時(shí)容易形成坍塌。 （5）塑性變形和剪切破壞 洞室周邊產(chǎn)生了過(guò)度的塑性位移，導(dǎo)致變形過(guò)大。一般采用變形準(zhǔn)則來(lái)表示： e 圍巖的彈性應(yīng)變 p 圍巖的塑性應(yīng)變 lim 巖石的極限應(yīng)變,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,5

18、4,塊狀運(yùn)動(dòng)破壞,彎曲折斷破壞,松動(dòng)解脫破壞,塑性變形破壞,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,55,概念：支護(hù)所受的壓力及變形，來(lái)自于圍巖在自身平衡過(guò)程中的變形或破裂，而導(dǎo)致的對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。因此，圍巖性態(tài)及其變化狀態(tài)對(duì)支護(hù)的作用有重要影響。另一方面，支護(hù)以自己的剛度和強(qiáng)度抑制巖體變形和破裂的進(jìn)一步發(fā)展，而這一過(guò)程同樣也影響支護(hù)自身的受力。于是，圍巖與支護(hù)形成一種共同體；共同體兩方面的耦合（coupling）作用和互為影響的情況稱(chēng)為圍巖-支護(hù)共同作用（interaction between rock and supports,3.6 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,56,3.6.

19、1 圍巖的變形特征曲線(xiàn)（支護(hù)需求曲線(xiàn)） 又稱(chēng)為圍巖收斂曲線(xiàn)。 （1）彈性收斂曲線(xiàn) （2）彈塑性收斂曲線(xiàn),1）不考慮塑性區(qū)體積擴(kuò)容的修正芬納公式曲線(xiàn),圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,57,圍巖收斂曲線(xiàn) 1彈性 2修正芬納彈塑性 3考慮擴(kuò)容的彈塑性,2）考慮體積擴(kuò)容的收斂曲線(xiàn),圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,58,3.6.2 支護(hù)特性曲線(xiàn)（支護(hù)補(bǔ)給曲線(xiàn)） 支護(hù)阻力：支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖變形提供的約束能力。 任何一種支護(hù)，都有一定的剛度，同時(shí)假定支護(hù)和圍巖緊密接觸，并且壓力徑向均勻分布。 支護(hù)特性曲線(xiàn)：指作用在支護(hù)上的荷載與支護(hù)變形的關(guān)系曲線(xiàn)。支護(hù)阻力隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度而增加，可以認(rèn)為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的徑向壓力和它的

20、徑向位移成正比,支護(hù)特性曲線(xiàn),圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,59,不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)有不同的支護(hù)剛度。 （1）混凝土或噴射混凝土 當(dāng)噴層厚度ds較小時(shí)（ds0.04r0），采用厚壁圓筒計(jì)算公式,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,60,2）灌漿錨桿 灌漿錨桿對(duì)圍巖變形的支護(hù)抗力是通過(guò)錨桿與膠結(jié)材料之間的剪應(yīng)力傳遞的，約束能力與灌漿的質(zhì)量有關(guān)。一般通過(guò)錨桿的拉拔試驗(yàn)得到的荷載與位移的關(guān)系來(lái)確定。 pamax 最大軸力，可由下列情況中最小值決定,量測(cè)表明：錨桿的粘結(jié)力沿其長(zhǎng)度是非均勻分布的。軸力最大值分布在錨桿長(zhǎng)度的1/2處左右，假定為三角形分布。錨桿的最大位移可表達(dá)為,灌漿錨桿軸力、剪應(yīng)力及位移分布,圍巖與支護(hù)結(jié)

21、構(gòu)的相互作用,61,1）當(dāng)錨桿體本身屈服時(shí),錨桿鋼筋的屈服強(qiáng)度和面積； my工作條件系數(shù)，取0.91.0,2）當(dāng)鋼筋與膠結(jié)材料脫離時(shí),2膠結(jié)材料與鋼筋的單位粘結(jié)力； db 錨桿直徑； k，my修正系數(shù),3）當(dāng)孔壁與膠結(jié)材料脫離時(shí),3膠結(jié)材料與孔壁圍巖的單位粘結(jié)力； db 錨桿孔直徑； my工作條件修正系數(shù),圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,62,錨桿的剛度可近似為,Eb錨桿的彈性模量； Sa 、Sb 錨桿布置間排距,3）組合支護(hù)體系,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,63,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,錨桿支護(hù)曲線(xiàn) 、混凝土支護(hù)曲線(xiàn) 組合結(jié)構(gòu)支護(hù)曲線(xiàn),圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,64,3.6.3 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜

22、力平衡狀態(tài)的建立 支護(hù)結(jié)構(gòu)特性曲線(xiàn)與圍巖支護(hù)需求曲線(xiàn)交點(diǎn)處的橫坐標(biāo)為形成平衡體系時(shí)洞周發(fā)生的位移。交點(diǎn)的縱坐標(biāo)以下的部分為支護(hù)結(jié)構(gòu)上承受的荷載，以上的部分由圍巖來(lái)承擔(dān)。 （1）支護(hù)結(jié)構(gòu)不同剛度的影響 剛度大的支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的圍巖作用力；反之，柔性較好的支護(hù)結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的圍巖壓力要小得多。工程中強(qiáng)調(diào)采用柔性支護(hù)來(lái)節(jié)約成本，但是也要求柔性支護(hù)有一定的剛度，以便有效控制圍巖變形。 （2）支護(hù)時(shí)間的影響 原則上要盡早架設(shè)初期支護(hù)，以控制圍巖的初始變形；但是也不能過(guò)早支護(hù)，可能因?yàn)閼?yīng)力繼續(xù)釋放而承擔(dān)過(guò)大荷載而破壞,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,65,3.7.1 圍巖壓力基本概念 （1）狹義上 圍巖作用在支護(hù)

23、結(jié)構(gòu)上的壓力。 （2）廣義上 圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)的全部作用，包括隧道頂板、底板或兩側(cè)的移近（收斂convergence）,底鼓（floor heaving），圍巖的微觀(guān)或宏觀(guān)破裂，巖層移動(dòng)，片幫冒頂、支護(hù)破壞，垮塌等。 對(duì)于毛洞（無(wú)支護(hù)）：圍巖壓力作用在圍巖中。 對(duì)于支護(hù)洞室：圍巖壓力表現(xiàn)為圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，荷載的分配過(guò)程在圍巖結(jié)構(gòu)計(jì)算模式中得以體現(xiàn)。 （3）工程上 指由于洞室開(kāi)挖后的二次應(yīng)力狀態(tài)使圍巖產(chǎn)生變形或破壞引起的作用在襯砌上的壓力,3.7 圍巖壓力理論,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,66,3.7.2 圍巖壓力的種類(lèi) 由圍巖的支護(hù)需求曲線(xiàn)可知，只要在洞周達(dá)到極限位移之前，圍巖與支護(hù)結(jié)

24、構(gòu)可以形成穩(wěn)定的支護(hù)體系，這時(shí)支護(hù)上承受的是變形壓力。 如果洞周已經(jīng)達(dá)到極限位移，圍巖已經(jīng)松弛坍塌，這時(shí)再支護(hù)的話(huà)，就承擔(dān)的是松動(dòng)壓力。 這是兩種最常見(jiàn)的圍巖壓力。 有些巖石具有積水膨脹的特性，由膨脹崩解而引起的壓力稱(chēng)為膨脹壓力。 在高地應(yīng)力地區(qū)，由于開(kāi)挖圍巖聚集的大量能量釋放，導(dǎo)致巖爆，由此產(chǎn)生的壓力為沖擊壓力,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,67,3.7.3 變形壓力 由于開(kāi)挖，圍巖變形受到支護(hù)的抑制而產(chǎn)生的壓力。 1）彈性變形壓力：圍巖條件較好、支護(hù)及時(shí)、由彈性變形產(chǎn)生的。 2）塑性變形壓力：圍巖一般都是彈塑性介質(zhì)，開(kāi)挖后一般都會(huì)產(chǎn)生彈塑性變形。 3）流變壓力：圍巖變形表現(xiàn)出的隨時(shí)間增長(zhǎng)很快的

25、一類(lèi)變形，稱(chēng)為流變，有顯著的時(shí)間效應(yīng),圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,68,一）變形壓力的統(tǒng)計(jì)分析 變形壓力多發(fā)生在噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中,表 噴錨支護(hù)接觸應(yīng)力實(shí)地量測(cè)數(shù)據(jù)一覽,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,69,1）接觸應(yīng)力 1）噴錨支護(hù)與圍巖有較高的粘結(jié)力，在接觸面上不僅產(chǎn)生徑向應(yīng)力r，還產(chǎn)生切向應(yīng)力。 2）r遠(yuǎn)小于，一般 /r約在1.514之間，平均為7.24；圍巖條件越好，比值越大，地質(zhì)條件越差，其比值越小。 3）在噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算中，必須計(jì)入切向荷載的作用和影響，這是噴錨支護(hù)的重要特征。 4）混凝土襯砌與圍巖之間的接觸不能保證有足夠的粘結(jié)，計(jì)算作用在襯砌上的荷載時(shí)只計(jì)徑向應(yīng)力,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用

26、,70,2）徑向應(yīng)力統(tǒng)計(jì)值 r的統(tǒng)計(jì)平均值為297kPa，其值與地質(zhì)條件、洞室跨度、埋深以及噴層厚度等因素有關(guān)。 1）r與跨度B 之間的回歸分析,徑向應(yīng)力比較穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)。說(shuō)明，噴錨支護(hù)與圍巖共同作用的實(shí)質(zhì)，在于能充分發(fā)揮巖體自身的承載能力和更好地調(diào)節(jié)巖體與支護(hù)之間的應(yīng)力狀態(tài),不同巖體r穩(wěn)定在同一水平的狀態(tài)圖,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,71,2）埋深H 的影響 K為埋深影響系數(shù)。 當(dāng)H50m時(shí)，K=0.85； 當(dāng)50H100m時(shí)， K=1.0； 當(dāng)H500m時(shí)， K=1.25,3）噴層厚度ds 的影響 ds20cm， r顯著變化,r與襯砌相對(duì)剛度（ds/B）之間的回歸： 隨著襯砌厚度的

27、增大， r非線(xiàn)性增大 。因此，噴層厚度不宜過(guò)大（一般取820cm），以充分發(fā)揮圍巖的承載能力，保證噴層的柔性力學(xué)特征,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,72,3）變形壓力計(jì)算 1）彈性變形壓力pa的計(jì)算 考慮側(cè)壓力系數(shù)為=1、半徑為r0的圓形隧道。 當(dāng)噴層厚度ds較小時(shí)（ds0.04r0），采用厚壁圓筒公式計(jì)算結(jié)構(gòu)剛度,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,73,2）塑性變形壓力pa的計(jì)算(將支護(hù)阻力作為塑性變形壓力) 考慮側(cè)壓力系數(shù)為=1、半徑為r0的圓形隧道。 圍巖洞壁的位移 應(yīng)等于支護(hù)結(jié)構(gòu)外壁的位移 和支護(hù)前圍巖洞壁已釋放了的位移 之和，即： 式中， 和 均未知，還需一個(gè)方程求解。 當(dāng)噴層厚度ds較小時(shí)（d

28、s0.04r0），采用厚壁圓筒公式,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,74,將Pa 求出后，可以求得洞周位移和塑性半徑。 3）最大支護(hù)阻力的計(jì)算 薄壁圓筒： 厚壁圓筒： 式中， fc為混凝土抗壓強(qiáng)度,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,75,4）最小支護(hù)阻力pamin的計(jì)算（P102 最小圍巖壓力？） 與極限變形 對(duì)應(yīng)的圍巖壓力為最大變形壓力，要求支護(hù)提供的支護(hù)阻力為最小支護(hù)阻力pamin。支護(hù)提供的支護(hù)阻力Pa必須滿(mǎn)足,當(dāng)圍巖塑性區(qū)內(nèi)的滑移發(fā)展到一定程度，位于松動(dòng)圈的圍巖可能由于重力而形成松動(dòng)壓力。要維持圍巖穩(wěn)定，既要維持圍巖的極限平衡，還要維持松動(dòng)區(qū)內(nèi)滑移體的重力平衡。 把維持松動(dòng)區(qū)內(nèi)滑移體平衡所需的支護(hù)力

29、等于維持極限平衡狀態(tài)的力，作為圍巖出現(xiàn)松動(dòng)塌落和確定Pamin的條件,松動(dòng)區(qū)滑移體示意圖,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,76,假定松動(dòng)區(qū)內(nèi)巖體強(qiáng)度大大降低，滑移體無(wú)絲毫自支撐作用，其重力由支護(hù)阻力pamin來(lái)承擔(dān)，同時(shí)考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力應(yīng)當(dāng)是重力與變形壓力的疊加，因此可以近似寫(xiě)為： 滑移體的重力可按三角形近似計(jì)算： 因此，可得： Rmax為與Pamin相應(yīng)的允許最大松動(dòng)半徑（解方程或試算） 與此相應(yīng)的最大塑性區(qū)半徑,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,77,二）松動(dòng)壓力 由于開(kāi)挖而松動(dòng)或塌落的巖體，以重力形式直接作用在支護(hù)上的壓力稱(chēng)為松動(dòng)壓力。塌落過(guò)程： 開(kāi)挖應(yīng)力重分布變形開(kāi)裂松動(dòng)塌落 在隧道的上方形成

30、的近似拱的空間后停止塌落，保持相對(duì)穩(wěn)定，稱(chēng)為“自然平衡拱”。拱內(nèi)已經(jīng)破壞了的巖體重量直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，成為松動(dòng)壓力。 自然平衡拱范圍的影響因素： 1）圍巖地質(zhì)條件 2）支護(hù)時(shí)間 3）圍巖與支護(hù)的接觸狀態(tài) 4）隧道的跨度 5）隧道的埋深 6）施工方法,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,78,1）深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算 1）統(tǒng)計(jì)法鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的方法 豎向均布?jí)毫Γ?ha為計(jì)算圍巖高度： 當(dāng)為單線(xiàn)隧道時(shí)， （S為圍巖級(jí)別的等級(jí)） 當(dāng)為雙線(xiàn)隧道時(shí)， 為開(kāi)挖寬度影響系數(shù)，以B=5.0m為基礎(chǔ)： 水平均布?jí)毫?圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,79,荷載不均勻性的考慮 非均勻分布的荷載用等效壓力驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。 等效原則：非均勻分布的壓力總和與均勻分布?jí)毫Φ目偤拖嗟取?局部不均勻的較大荷載可以校核結(jié)構(gòu)的