西南交大隧道力學(xué)第一次作業(yè)

1、隧道1班 戴龍欽 隧道力學(xué) 2014年10月不同地形自重應(yīng)力場分布規(guī)律淺析 戴龍欽（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 成都 610031）摘 要：首先對背斜、斷層兩種種不同因素影響下的的地應(yīng)力的分布情況進(jìn)行分析。分析表明，由于背斜、斷層和地形等的影響，地應(yīng)力分布與地表水平，土體成層時分布不一樣，應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，應(yīng)力大小不嚴(yán)格與深度成線性關(guān)系。說明地質(zhì)構(gòu)造的改變，改變了重力應(yīng)力的初始狀態(tài)，在實際情況中需要對其影響進(jìn)行考慮。分析結(jié)果對于合理確定山嶺隧道設(shè)置位置具有積極作用，可供隧道實際工程設(shè)計的隧道位置確定提供參考。 關(guān)鍵詞：自重應(yīng)力；構(gòu)造應(yīng)力；地質(zhì)構(gòu)造；應(yīng)力分布Different terrain gra

2、vity field distribution rule is analysedDailongqin(School of civil engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)Abstract: First of anticline, fault of two different factors under the influence of in-situ stress distribution are analyzed. Analysis shows that because of the influe

3、nce of the anticline, fault and terrain, ground stress distribution and the surface level, distribution in different soil layers, stress shift, stress is not a linear relationship with strict and depth. Shows that geological structure changes, the initial state of gravity stress, in the actual situa

4、tion need to consider its impact. Analysis result plays a positive role for the determination of rational location mountain tunnel, tunnel engineering design of tunnel position to provide the reference.Key words: gravity stress;ectonic stress;Geological structure;The stress distribution61 引言隧道是在具有一定

5、應(yīng)力履歷和應(yīng)力場的應(yīng)力巖體中進(jìn)行的，而評定應(yīng)力巖體有重要意義的就是巖體的初應(yīng)力場，初應(yīng)力場是在工程施工前就存在于巖體中的應(yīng)力1。初應(yīng)力的概念最早是由瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆在 19051912年提出的。根據(jù)海姆假說2，巖體中有應(yīng)力存在，并處于近似靜水應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力大小相當(dāng)于上覆巖層的重量。前述理論因為是在以自重考慮因素的情況下建立的，因此所得到的初應(yīng)力在實際情況下是關(guān)于自重應(yīng)力的計算公式。巖土的自重應(yīng)力分布由巖體的物理性質(zhì)的變化而發(fā)生改變，而這種變化也恰好可以將巖土中自重應(yīng)力場的分布規(guī)律定性地反映出來。因此，正確認(rèn)識巖體中自重應(yīng)力的分布規(guī)律，將其應(yīng)用于有利于工程建設(shè)的方面，是研究自重應(yīng)力的的關(guān)鍵所在。

6、本文通過使用巖土物理力學(xué)指標(biāo)的實測資料，應(yīng)用ansys軟件進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)模擬來，分析背斜、斷層和地形三種情況的重力應(yīng)力場的分布規(guī)律，來探索這一個問題的實質(zhì)所在。2背斜構(gòu)造利用有限元分析軟件分析某一具有背斜構(gòu)造的山丘的初始應(yīng)力場基本分布規(guī)律。山丘尺寸及土層分布如圖1所示，假定土層參數(shù)信息見表1。重力加速度取10 m/s2。圖1 背斜構(gòu)造示意圖表1 土層參數(shù)信息表（從外圍至內(nèi)依次排列）序號彈性模量（Pa）密度（kg/m3）泊松比粘聚力（Pa）內(nèi)摩擦角（Pa2551055023110920000.3061054533210924000.3071054042910923000.

7、3051054553510923000.30710540本次數(shù)值模擬采取ANSYS10.0對該地形的初始應(yīng)力場進(jìn)行模擬，采用plane42單元3-5模擬二維單元。2.1 初始應(yīng)力場的二維模擬通過ansys10.0對目標(biāo)進(jìn)行模擬分析（1）建立模型，劃分網(wǎng)格并施加約束。本二維模型在下底面（y=0）施加了X與Y方向的約束。圖2 初始應(yīng)力場二維模型網(wǎng)格劃分及約束圖（2）數(shù)值模擬結(jié)果圖3 初始應(yīng)力場二維模型變形圖圖4 初始應(yīng)力場三維模型X方向應(yīng)力云圖（單位：Pa）圖5 初始應(yīng)力場二維模型Y方向應(yīng)力云圖（單位：Pa）圖6 初始應(yīng)力場二維模型主應(yīng)力跡線圖圖7 初始應(yīng)力場二維模型局部主應(yīng)力跡線圖（3）數(shù)值模擬

8、結(jié)果分析由圖5可知，最大Y方向應(yīng)力在地面中心兩邊附近區(qū)域?qū)ΨQ分布，簡圖如圖8所示，并不是在深度最大處，且該區(qū)域邊界呈弧形；由圖2-6及圖2-7可知，主應(yīng)力跡線在淺層中兩邊幾乎與層交界平行，在交界處與邊界線的夾角從外由內(nèi)依次增大；在巖體上覆土不斷增大的過程主應(yīng)力趨向于豎直，其余區(qū)域主應(yīng)力跡線基本為豎直方向，說明背斜構(gòu)造對其影響減小。圖8 背斜自重應(yīng)力示意圖2.2 分布成因分析在背斜結(jié)構(gòu)中，由于巖層成拱狀分布，由于拱狀結(jié)構(gòu)會沿結(jié)構(gòu)方向傳遞壓力，如圖8所示，因此，使得上覆巖層的重量向兩邊傳遞，而不向豎直方向傳遞，使與其接觸的下層巖層受到的應(yīng)力小于上部覆土的重量。FGF圖9 拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞圖3 斷 層

9、將斷層用ansys10.0建模分析，畫出自重應(yīng)力圖，簡圖如圖10所示，從圖中可以看出，上寬下窄的巖體受兩側(cè)巖體的夾制作用，阻礙其豎向位移，使其重力向兩邊分配，導(dǎo)致兩側(cè)巖體自重應(yīng)力大于本身重力。圖10 斷層自重應(yīng)力示意圖4 結(jié) 論地形構(gòu)造對自重應(yīng)力分布有很大影響，正確把握分布規(guī)律對隧道建設(shè)的安全、經(jīng)濟(jì)有重要意義，通過以上不同地形構(gòu)造下的自重應(yīng)力分布的探討，得出如下結(jié)論：(1)在具有拱狀結(jié)構(gòu)巖層的地形中，拱圈會產(chǎn)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移，下部巖體的受力會減小，甚至?xí)〉揭粋€相對可觀的程度，如按普通地形計算，地下結(jié)構(gòu)可能無法承受自重應(yīng)力，但考慮成拱應(yīng)力轉(zhuǎn)移后，自中國應(yīng)力大大減小，達(dá)到施工允許條件。(2)具有斷層的

10、地形構(gòu)造，由于巖體之間會產(chǎn)生比較有力的相互約束，產(chǎn)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移，改變原有的自重應(yīng)力分布，因此在準(zhǔn)確把握地形的情況下，充分將應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果考慮進(jìn)去，可以增加工程安全性、節(jié)省費用。(3)由于地形構(gòu)造影響的自重應(yīng)力分布改變情況在淺層巖體中的效果比較明顯，甚至?xí)蔀橐粋€至關(guān)重要的影響因素，但在較深的巖體中，自重應(yīng)力的影響很小，原因是應(yīng)為地應(yīng)力包含自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力，在深度較大情況下，一般是構(gòu)造應(yīng)力起控制作用。參考文獻(xiàn)1 關(guān)寶樹.隧道力學(xué)概論M.成都：西南交通大學(xué)版社，19932 Goodman R E.巖石力學(xué)原理及其應(yīng)用M.王鴻儒，王宏碩譯.北京：水利電力出版社，19903 李圍. 隧道及地下工程ANSYS實例分析M. 北京：中國水利水電出版