工程地質(zhì)學(xué)-第十二章-地下建筑穩(wěn)定性與破壞-1-地下建筑圍巖應(yīng)力分布課件

第十二章地下建筑變形破壞工程地質(zhì)研究一.概述人工開挖或天然存在于巖土體中作為各種用途的構(gòu)筑物，統(tǒng)稱為地下建筑。地下建筑按用途可分為交通隧道、水工隧洞、礦山巷道、地下廠房、地下倉(cāng)庫(kù)及地下軍事工程等類型。地下建筑按其內(nèi)壁是否有內(nèi)水壓力作用可分為無壓洞室和有壓洞室兩類。圍巖的破壞：由于地下開挖，破壞了巖土體原有的平衡條件，引起圍巖內(nèi)應(yīng)力重分布。如果這種重分布超過了圍巖的強(qiáng)度，將使圍巖產(chǎn)生破壞。支護(hù)襯砌：為了維護(hù)圍巖的穩(wěn)定性，就要進(jìn)行支護(hù)襯砌。交通隧道水工隧洞地下軍事工程地下廠房平窿石門沿脈穿脈豎井斜井暗井礦山巷道二.地下建筑圍巖應(yīng)力分布巖體中的天然應(yīng)力天然應(yīng)力定義：地下開挖前存在于巖體中的應(yīng)力，也稱作初始應(yīng)力。主要由自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力兩

部分組成。自重應(yīng)力是由重力場(chǎng)引起的，在地表近水平的情況下，重力場(chǎng)在巖體內(nèi)任意點(diǎn)形成的鉛直自重應(yīng)力等于其上覆巖體的重量；而水平自重應(yīng)力等于鉛直自重應(yīng)力與側(cè)壓力系數(shù)的乘積。二.地下建筑圍巖應(yīng)力分布巖體中的天然應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力是地殼運(yùn)動(dòng)形成的應(yīng)力，又可分為活動(dòng)的和殘余的兩類?；顒?dòng)的構(gòu)造應(yīng)力即狹義的地應(yīng)力，是地殼內(nèi)現(xiàn)代正在積累的，能夠?qū)е聨r層變形和破裂的應(yīng)力（主要在板塊邊界和板塊內(nèi)的新構(gòu)造活動(dòng)區(qū)）。殘余構(gòu)造應(yīng)力則是古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘留下來的應(yīng)力。已有的實(shí)測(cè)資料表明，多數(shù)地區(qū)的天然

應(yīng)力以水平壓應(yīng)力為主，這表明構(gòu)造運(yùn)

動(dòng)在巖體天然應(yīng)力形成中起著主導(dǎo)作用。二.地下建筑圍巖應(yīng)力分布1.巖體中的天然應(yīng)力世界現(xiàn)今的地震帶二.地下建筑圍巖應(yīng)力分布圍巖內(nèi)的重分布應(yīng)力由于地下開挖，使洞室周圍的巖體失去了原有的支撐，破壞了原來的受力平衡狀態(tài)，圍巖將向洞內(nèi)產(chǎn)生松脹位移。其位移的結(jié)果，又改變了鄰近巖體的相對(duì)平衡關(guān)系，從而引起圍巖一定范圍內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變及能量的調(diào)整，以達(dá)到新的平衡，形成新的應(yīng)力狀態(tài)。地下開挖后，由于圍巖質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變調(diào)整而引起天然應(yīng)力大小、方向和性質(zhì)改變的作用，稱為應(yīng)力重分布作用。經(jīng)應(yīng)力重分布作用后新的應(yīng)力狀態(tài)，稱為重分布應(yīng)力狀態(tài)。二.地下建筑圍巖應(yīng)力分布2.圍巖內(nèi)的重分布應(yīng)力（圓形洞室）式15-1中，σV、σH分別為為天然鉛直應(yīng)力和水平應(yīng)力；σr、σθ、σrθ分別為M點(diǎn)的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和剪應(yīng)力；θ為M點(diǎn)的極角，

r為極距；R0為隧洞半徑。圓形洞室，由彈性理論推導(dǎo)。二.地下建筑圍巖應(yīng)力分布2.圍巖內(nèi)的重分布應(yīng)力（圓形洞室）令r=

R0，則可獲得洞壁上的應(yīng)力，見式15-2。這表明，洞壁上的應(yīng)力σr、σrθ都為0，僅有環(huán)向應(yīng)力σθ作用，其大小與洞室尺寸R0無關(guān)，僅與計(jì)算點(diǎn)的位置θ有關(guān)。二.地下建筑圍巖應(yīng)力分布圍巖內(nèi)的重分布應(yīng)力（圓形洞室）令σV=σH

=σ0，式15-1可變?yōu)槭?/p>

15-3。這表明，天然應(yīng)力為靜水壓力狀態(tài)時(shí)，圓形洞室圍巖內(nèi)的重分布應(yīng)力中，σrθ為0，σr、σθ為主應(yīng)力。二.地下建筑圍巖應(yīng)力分布2.圍巖內(nèi)的重分布應(yīng)力（圓形洞室）洞壁處λ＜1/3時(shí)，洞頂?shù)讓⒊霈F(xiàn)拉應(yīng)力；λ＞3時(shí)，洞兩側(cè)壁將出現(xiàn)拉應(yīng)力，洞頂?shù)讋t出現(xiàn)較高的壓應(yīng)力集中。二.地下建筑圍巖應(yīng)力分布洞壁處圍巖內(nèi)的重分布應(yīng)力（圓形洞室）負(fù)值，為拉

應(yīng)力，巖石

的抗拉強(qiáng)度

很低，容易

造成拉裂；

正值，很高，為壓應(yīng)力，

如果超過巖

石的抗壓強(qiáng)

度，也造成

破壞。二.地下建筑圍巖應(yīng)力分布各種洞形洞壁的應(yīng)力集中參數(shù)表3.常見洞形二.地下建筑圍巖應(yīng)力分布各種洞形洞壁的應(yīng)力集中參數(shù)表（續(xù)）3.常見洞形二.地下建筑圍巖應(yīng)力分布3.常見洞形應(yīng)力集中系數(shù)，是指地下開挖后，洞壁上一點(diǎn)的應(yīng)力與開挖前該點(diǎn)的天然應(yīng)力的比值。前述常見洞形的應(yīng)力集中系數(shù)是根據(jù)彈性理論及光彈試驗(yàn)求得的，有如下特點(diǎn)：橢圓形洞室長(zhǎng)軸兩端點(diǎn)壓應(yīng)力集中最大，易出現(xiàn)壓碎破壞，而短軸兩端最易出現(xiàn)拉應(yīng)力集中；正方形洞室的4個(gè)角點(diǎn)的應(yīng)力集中最大，圍巖易發(fā)生破壞；矩形洞室長(zhǎng)邊中點(diǎn)應(yīng)力集中較小，短邊中點(diǎn)的圍巖壓力加大，而角點(diǎn)上應(yīng)力集中最大；因此，巖體天然應(yīng)力σV和σH