地下結構設計第23章課件

第2章地下工程結構物的

工作環(huán)境

如概論所述，在地下結構體系中，地層起主導作用。地下工程的一切活動包括：①能否順利地建成，②使用中是否會出現(xiàn)問題，③建設工期長短，投資多少等都與它所賦存的工作環(huán)境——地質(zhì)條件息息相關。

第2章地下工程結構物的

工作環(huán)境如概論所述，在地下結構作為一個設計者，施工的管理者，始終要認識的關鍵問題是：①圍巖具有多大的自支護能力？自穩(wěn)的時間是多少？這涉及到對圍巖穩(wěn)定性的判定。②需要人工支護？用什么類型的人工支護和怎樣支護，才能保證坑道在施工期間的暫時穩(wěn)定和運營期間的長期穩(wěn)定？

作為一個設計者，施工的管理者，始終要認識的關鍵問題是：因此，要做到這一點，需要從理論和實踐認識：圍巖的穩(wěn)定性；評價圍巖穩(wěn)定性的標準——圍巖分級；圍巖與支護結構的相互作用。

因此，要做到這一點，需要從理論和實踐認識：本章的主要內(nèi)容：了解地下工程賦存的地質(zhì)環(huán)境；掌握初始地應力場的組成、特征及影響因素；掌握巖體的工程性質(zhì)；掌握圍巖穩(wěn)定性的評價標準——圍巖分級。掌握基本概念：與地下工程相關的地質(zhì)環(huán)境，圍巖的穩(wěn)定性。

本章的主要內(nèi)容：了解地下工程賦存的地質(zhì)環(huán)境；地下工程賦存的地質(zhì)環(huán)境地層特征；地下水狀況；開挖洞室前就存在于地層中的原始地應力狀態(tài)；地溫梯度等。但最關心的問題則是地層被挖成洞室后的穩(wěn)定程度。

地下工程賦存的地質(zhì)環(huán)境地層特征；圍巖的穩(wěn)定性：地層被挖成洞室后的穩(wěn)定程度稱為洞室圍巖的穩(wěn)定性。是一個反映地質(zhì)環(huán)境的綜合指標。例如：陜北的窯洞、巖石隧道；裂隙巖體中的洞室；通過斷層破碎帶的隧道等。

圍巖的穩(wěn)定性：地層被挖成洞室后的穩(wěn)定程度稱為洞室圍巖的穩(wěn)定性洞室圍巖的穩(wěn)定性問題包括：圍巖破壞或穩(wěn)定的規(guī)律；影響圍巖穩(wěn)定的主要因素；標志圍巖穩(wěn)定性的指標和判斷準則；分析圍巖穩(wěn)定性的方法；為維持圍巖穩(wěn)定而必須采取的工程措施等。

洞室圍巖的穩(wěn)定性問題包括：圍巖破壞或穩(wěn)定的規(guī)律；本章提綱：2.1圍巖初始應力場2.2圍巖的工程性質(zhì)2.3地下洞室的圍巖分級及其應用本章提綱：2.1圍巖初始應力場2.1圍巖初始應力場

初始應力場是開挖前圍巖內(nèi)的應力狀態(tài)；是開挖后一系列現(xiàn)象（變形或破壞）的形成因素——是初始應力場發(fā)展的延續(xù)；是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素之一。

2.1圍巖初始應力場初始應力場是開挖前圍巖內(nèi)的應力狀態(tài)初始應力場的概念：由于巖體的自重和地質(zhì)構造作用，在開挖隧道前巖體中就已存在的地應力場，人們稱之為圍巖的初始應力場。它是經(jīng)歷了漫長的應力歷史而逐漸形成的，并處于相對穩(wěn)定和平衡狀態(tài)。

初始應力場的概念：由于巖體的自重和地質(zhì)構造作用，在開挖隧道前1、初始應力場的組成

圍巖初始應力場的形成與巖體的結構、性質(zhì)、埋藏條件以及地質(zhì)構造運動的歷史等有密切關系。因此，根據(jù)地應力場的成因將其分為：自重應力場；構造應力場。1、初始應力場的組成圍巖初始應力場的形成與巖體的結構、性質(zhì)（1）自重應力場

是指上覆巖體自重所產(chǎn)生的應力場，它是地心引力和離心慣性力共同作用的結果（1）自重應力場是指上覆巖體自重所產(chǎn)生的應力場，它是地心引（2）構造應力場

是指地殼各處發(fā)生的一切構造變形與破裂所形成的地應力，按形成的時間，可以分為：①構造殘余應力：由過去的地質(zhì)構造運動，但現(xiàn)在仍殘存在巖體中的應力；巖石在形成過程中，由于熱力和構造作用引起的，雖經(jīng)過風化、卸載部分釋放，但現(xiàn)在仍殘存著的原生內(nèi)應力。②新構造應力：現(xiàn)在正在活動和變化的構造運動，稱為新構造應力。地震的產(chǎn)生正是新構造應力的反映。

（2）構造應力場是指地殼各處發(fā)生的一切構造變形與破裂所形成目前主要研究的是：由巖體的重力形成的應力場，而其他因素只認為是改變了由重力造成的初始應力狀態(tài)。目前主要研究的是：由巖體的重力形成的應力場，（1）自重應力場

（1）自重應力場側壓力系數(shù)和泊松比側壓力系數(shù)和泊松比巖體自重應力場的變化規(guī)律為①地應力是隨深度呈線性增加的；②水平應力總是小于垂直應力，最多也只能與其相等(μ≤0.5，0.15～0.35）。③地殼構造運動改變了重力應力場的狀態(tài)，如背斜、斷層；

④深度對初始應力狀態(tài)有重大影響；其應力狀態(tài)可視圍巖的強度不同分別處于彈性的、隱塑性的及流動的3種狀態(tài)。巖體自重應力場的變化規(guī)律為①地應力是隨深度呈線性增加的；背斜初始應力場的影響背斜初始應力場的影響斷層對初始應力場的影響斷層對初始應力場的影響（2）構造應力場

形成構造應力場的原因非常復雜，屬于非穩(wěn)定的應力場。(空間分布極不均勻)

但對工程結構物的使用期限來說，可以忽略時間因素，將它視為穩(wěn)定的。

需要理解由于構造應力場的存在，使自重應力場發(fā)生的變化。（2）構造應力場形成構造應力場的原因非常復雜，屬于非穩(wěn)定的構造應力場的變化規(guī)律

①地質(zhì)構造形態(tài)的變化不僅改變了自重應力場，除了以各種構造形態(tài)獲得釋放外，還以各種形式積蓄在巖體內(nèi)。

②構造應力場在不深的地方已普遍存在，最大構造應力的方向多近似為水平，且水平應力普遍大于自重應力場中的水平應力分量，甚至也大于垂直應力分量。

構造應力場的變化規(guī)律①地質(zhì)構造形態(tài)的變化不僅改變了自重應垂直應力與平均水平應力隨深度的變化

垂直應力與平均水平應力隨深度的變化③構造應力場很不均勻，它的參數(shù)無論在空間上、時間上都有很大變化，特別是它的主應力軸的方向和絕對值有很大變化。水平主應力具有明顯的各向異性，且具有很強的方向性

③構造應力場很不均勻，它的參數(shù)無論在空間上、時間上都有很大（3）影響圍巖初始應力場的因素第1類因素有重力、地質(zhì)構造、地形、巖體的物理力學性質(zhì)以及地溫等經(jīng)常性的因素；第2類因素有新構造運動、地下水活動、人類的長期活動等暫時性的或局部性的因素。

①地形和地貌。②巖體的力學性質(zhì)。③地溫變化。④人類活動。

（3）影響圍巖初始應力場的因素第1類因素有重力、地質(zhì)構造、地2023/7/2625第3章圍巖與支護結構的相互作用

涉及到洞室開挖后的應力場特征，包括無支護坑道的破壞形態(tài)；圍巖應力狀態(tài)的彈、塑性分析；圍巖與支護結構的相互作用——圍巖壓力2023/7/2425第3章圍巖與支護結構的相互作用涉2023/7/26263.1基本概念：1、初始應力場

洞室開挖前，地層處于靜止平衡狀態(tài)，這種平衡狀態(tài)是由于巖體的自重和地質(zhì)構造作用，在經(jīng)歷了漫長的應力歷史逐步構造而成的。通常我們把由于巖體自重和漫長的地質(zhì)構造作用逐步形成的，在洞室開挖之前就已經(jīng)存在著的處于相對穩(wěn)定和平衡狀態(tài)中的應力場稱為初始應力場或原巖應力場。2023/7/24263.1基本概念：1、初始應力場洞室2023/7/2627基本概念：2、二次應力狀態(tài)

洞室開挖后，由于圍巖在開挖面處解除了約束，破壞了這種平衡，洞內(nèi)各點的應力狀態(tài)發(fā)生了變化，其結果引起洞室周圍各點的位移，從而適應應力的這種變化，這種現(xiàn)象叫做應力重分布。把重新分布后的應力狀態(tài)叫做二次應力狀態(tài)或圍巖應力狀態(tài)。2023/7/2427基本概念：2、二次應力狀態(tài)洞室開挖后2023/7/2628基本概念：3、圍巖通常我們把洞室周圍發(fā)生應力重分布的這部分巖體叫做圍巖；而在此范圍以外仍保持在初始應力狀態(tài)。2023/7/2428基本概念：3、圍巖通常我們把洞室周2023/7/2629基本概念：4、收斂與約束收斂由于二次應力狀態(tài)的作用，使圍巖發(fā)生向洞內(nèi)的位移，稱之為收斂。其結果有二：若巖體強度高，整體性好，斷面形狀有利，巖體的變形到一定程度就將自行終止，圍巖是穩(wěn)定的。反之，巖體的變形將自由地發(fā)展下去，最終導致隧道圍巖整體失穩(wěn)而破壞。2023/7/2429基本概念：4、收斂與約束收斂2023/7/2630約束在這種情況下，應在開挖后適時地沿隧道周邊設置支護結構，對巖體的移動產(chǎn)生阻力，形成約束。相應地，支護結構也將承受圍巖所給予的作用力，并產(chǎn)生變形。2023/7/2430約束在這種情況下，應在開挖后適時地沿隧2023/7/26315、三次應力狀態(tài)

一個力學上穩(wěn)定的隧道結構體系如何形成的？

2023/7/24315、三次應力狀態(tài)

一個力學上穩(wěn)定的隧2023/7/2632

在二次應力狀態(tài)下，圍巖的收斂和支護結構的約束過程中：支護結構變形后所能提供的阻力會有所增加----阻力增加而圍巖卻在變形過程中釋放了部分能量，進一步變形的趨勢有所減弱，----變形減弱如果支護結構有一定的強度和剛度圍巖和支護結構的相互作用會一直延續(xù)到支護所提供的阻力與圍巖作用力之間達到平衡為止.2023/7/2432在二次應力狀態(tài)下，圍巖的收斂和支護結2023/7/26336、三次應力場的影響因素

①圍巖初始應力狀態(tài)，或稱一次應力狀態(tài)；②開挖洞室后圍巖的二次應力場和位移場；③判斷圍巖二次應力場和位移場是否符合穩(wěn)定性條件即圍巖穩(wěn)定性準則。2023/7/24336、三次應力場的影響因素①圍巖初2023/7/2634④設置支護結構后圍巖的應力狀態(tài)，亦稱圍巖的三次應力場和位移場，以及支護結構的內(nèi)力和位移；⑤判斷支護結構安全度的準則，一般可寫成2023/7/2434④設置支護結構后圍巖的應力狀態(tài)，亦稱2023/7/2635設計框圖注意安全度的判斷準則2023/7/2435設計框圖注意安全度的判斷準則2023/7/2636本章重點掌握：二次應力場的特征；無支護坑道的破壞形態(tài)；洞室開挖力學效應的模擬方法；圍巖壓力的概況及計算方法。了解：二次應力狀態(tài)和三次應力狀態(tài)分析原理。2023/7/2436本章重點掌握：二次應力場的特征；2023/7/26373.2洞室開挖后的應力狀態(tài)特征及力學效應

1.洞室開挖后圍巖應力狀態(tài)的特征及破壞形態(tài)（1）洞室開挖后圍巖應力狀態(tài)的特征及影響因素（2）無支護坑道圍巖失穩(wěn)的形式2023/7/24373.2洞室開挖后的應力狀態(tài)特征及力2023/7/2638（1）洞室開挖后圍巖應力狀態(tài)的特征及影響因素①初始應力場的影響主應力的方向和數(shù)值：最大主應力的方向不同，洞室的變形和破壞特征不同；洞周應力的分布特征不同。2023/7/2438（1）洞室開挖后圍巖應力狀態(tài)的特征及影2023/7/2639②在一定初始應力場中，開挖斷面形狀的影響與開挖斷面的高跨比有關圖中表明的是洞周的切向應力。2023/7/2439②在一定初始應力場中，開挖斷面形狀的2023/7/2640③巖體結構特性的影響與裂隙的傾角有關2023/7/2440③巖體結構特性的影響與裂隙的傾角有關2023/7/2641④巖體力學性質(zhì)的影響最大主應力小于巖石的強度——彈性應力狀態(tài)最大主應力大于巖石的強度——塑性應力狀態(tài)2023/7/2441④巖體力學性質(zhì)的影響最大主應力小于巖2023/7/2642⑤洞室開挖后圍巖應力的空間效應隧道端部開挖面對圍巖應力釋放和變形發(fā)展很大的約束作用——是空間坐標的函數(shù)。2023/7/2442⑤洞室開挖后圍巖應力的空間效應隧道端2023/7/2643⑥時間效應的影響二次應力狀態(tài)也是時間的函數(shù)，是隨時間的推移逐漸完成的——流變特性。⑦施工方法的影響開挖方式（爆破或非爆破）和開挖方法（全斷面或分部開挖法）的影響；好的開挖作業(yè)可減少對遺留巖體的破壞。2023/7/2443⑥時間效應的影響二次應力狀態(tài)也是時間2023/7/2644（1）洞室開挖后圍巖應力狀態(tài)的特征及影響因素（小結）①初始應力場的影響②開挖斷面形式的影響——人為影響③巖體結構特性的影響④巖體力學性質(zhì)的影響⑤洞室開挖后圍巖應力的空間效應⑥時間效應的影響——⑦施工方法的影響——人為影響2023/7/2444（1）洞室開挖后圍巖應力狀態(tài)的特征及影2023/7/2645（2）無支護坑道圍巖失穩(wěn)的形式①脆性破壞——巖爆，發(fā)生在高地應力場中的硬巖。②塊狀運動——沿結構面產(chǎn)生的松弛、滑移和墜落，發(fā)生在塊狀，有不利結構面的巖體。③彎曲折斷破壞，發(fā)生在層狀（薄層）巖體。④松動解脫，發(fā)生在破碎松散巖體。⑤塑性變形和剪切破壞，塑性巖體，發(fā)生過度位移2023/7/2445（2）無支護坑道圍巖失穩(wěn)的形式①脆2023/7/2646②塊狀運動。③彎曲折斷破壞④松動解脫⑤塑性變形和剪切破壞

2023/7/2446②塊狀運動。2023/7/26472.坑道開挖力學效應的模擬方法

（1）計算圍巖二次應力場和位移場假定前提：①視圍巖為均質(zhì)的、各向同性的連續(xù)介質(zhì)；②只考慮自重形成的初始應力場；③坑道形狀以規(guī)則的圓形為主；④坑道位于地表下一定深度，問題簡化為無限平面中的孔洞問題。2023/7/24472.坑道開挖力學效應的模擬方法（12023/7/2648（2）計算圍巖的二次應力場和位移場的步驟①開挖前圍巖的初始應力狀態(tài)；②開挖后，可向具有初始應力的圍巖，在隧道周邊上反方向施加與初始應力相等的釋放應力；202