北科大巖石力學課件-李長洪51巖石地下工程tanxingc

巖石力學與工程ROCKMECHANICSANDENGINEERING地下工程q1本節(jié)主要內容1相關基本概念2深埋圓形洞室彈性圍巖二次應力狀態(tài)

3深埋橢圓洞室彈性圍巖二次應力狀態(tài)

4深埋矩形洞室彈性圍巖二次應力狀態(tài)

25巖體地下工程

5.1巖體二次應力狀態(tài)的基本概念圍巖：由于人工開挖使巖體的應力狀態(tài)發(fā)生了變化，應力狀態(tài)被改變了的巖體叫圍巖。二次應力狀態(tài)：開挖后，無支護時，調整后的應力狀態(tài)（原始應力，又稱一次應力狀態(tài)）。求二次應力狀態(tài)時，要給出的基本條件：①原始應力②本構關系③巖體性質參數3二次應力狀態(tài)主要特征狀態(tài)①二次應力為彈性分布（巖體堅硬，原巖應力小，不要支護）。②二次應力為彈塑分布圍巖分兩部：彈性區(qū)、塑性區(qū)結構面的處理方法大結構面單獨處理；小密集結構面用包容方法處理。4地下工程穩(wěn)定穩(wěn)定定義：地下工程工作期限內，安全和所需最小斷面得以保證，稱為穩(wěn)定。穩(wěn)定條件：

地下工程巖體或支護體中危險點的應力和位移；巖體或支護材料的強度極限和位移極限。

5地下工程穩(wěn)定性可分為兩類自穩(wěn)：不需要支護圍巖自身能保持長期穩(wěn)定人工穩(wěn)定：需要支護才能保持圍巖穩(wěn)定6穩(wěn)定性問題的力學本質自穩(wěn)不自穩(wěn)圍巖內危險點的應力和位移計算圍巖壓力支護中危險點的應力或位移大于支護極限小于支護極限人工穩(wěn)定改革支護7深埋地下工程地下工程自身影響達不到地表的，稱為深埋。反之淺埋（2）當埋深等于或大于巷道半徑R0或其寬、高之半的20倍以上時，巷道影響范圍（3~5R0）以內的巖體自重可以忽略不計；原巖水平應力可以簡化為均勻分布，通常誤差不大（10％以下）；λP0深埋地下工程的特點為：（1）可視為無限體中的孔洞問題，孔洞各方向無窮遠處，仍為原巖應力；8（3）深埋的水平巷道長度較大時，可作為平面應變問題處理。其它類型巷道，或作為空間問題。解析方法數值方法試驗方法地下工程穩(wěn)定性分析途徑本章主要內容彈性彈-塑性松散圍巖應力、支護上的壓力9深埋地下工程力學模型105.2深埋圓形洞室彈性圍巖二次應力狀態(tài)

一、側壓力系數（1）計算模型11（2）應力和位移（5－9）平面應力時12（5－10）平面應變時13圓形洞室二次應力分布14（3）洞室的徑向位移（平面應變時）

軸對稱、切向位移：V=0徑向位移：開挖前，巖體產生的位移（ra=0）由上式得：

（5—12）由于開挖引起的位移15（4）洞周的應變

開挖前，巖體已完成應變開挖引起的應變：可見，說明時，巖體的體積不發(fā)生變化的特點。ra=0代入（5-10）式得：16（5）洞壁的穩(wěn)定性評

彈塑破碎彈塑破穩(wěn)定條件圍巖可能出現(xiàn)的情況塑破碎洞室周邊，處于單向應力狀態(tài)，最容易破壞。周邊最大切應力：17二、時，二次應力狀態(tài)

(1)計算模型I軸對稱II反對稱18（2）應力—位移分析

III加二次應力埸等于(5-15)19(5-16)有工程應用價值的位移是由于開挖引起的位移，可用類似方法求出：20（3）洞室周邊應力洞室周邊，處于單向應力狀態(tài)，最容易破壞。代入(5-15)得洞室周邊應力：可見洞室周邊只有切向應力：式中：K-圍巖內的總應力集中系數Kz、Kx-分別為垂直和水平應力集中系數洞室周邊應力集中系數與側壓力系數有關見圖(5-5)2122（3）洞室周邊位移將r=ra代入式(5-16)，得由于開挖引起的洞室周邊位移：影響洞壁位移的因素很多，有巖體性質、初始應力、開挖半徑、位移與徑向夾角等。徑向位移比切向位移稍大些，因此，徑向位移，對圍巖穩(wěn)定性起主導作用。徑向位移便于測量與控制!235.3深埋橢圓洞室彈性圍巖二次應力狀態(tài)

圖5-6橢圓洞室單向受力計算簡圖(1)計算模型24(2)洞壁應力計算公式

－－－－－－－（5-20）25選擇3個關鍵點（）代入（5-20）式得，3個關鍵點，在不同側壓力系數下的應力，見表5-1

。洞壁應力分布特點：2627

(3)最佳軸比（諧洞）

最有利于巷道圍巖穩(wěn)定的巷道斷面尺寸，可用它的高跨比表征（軸比），稱為最佳軸比或詣洞。最佳軸比應滿足如下三個條件：①巷道周邊應力均勻分布；②巷道周邊不出現(xiàn)拉應力；③最大應力值是各種截面中的最小值。28對式（5－20）兩邊求導，并令其等于零，求應力分布極值狀態(tài)，即：把k=1/λ,代入式（5－20）得：295.4深埋矩形洞室彈性圍巖的二次應力狀態(tài)

孔邊應力分布：

Kx，Kz-