巖體力學-4地下硐室的圍巖應力計算及應力分布

巖體力學-4地下硐室的圍巖應力計算及應力分布本節(jié)介紹了巖體中地下硐室的圍巖應力計算和應力分布分析。通過對應力場的研究,可以更好地理解巖體的力學行為,為地下工程設計提供科學依據(jù)。byJerryTurnersnull巖體力學概述基礎學科巖體力學是基于巖石力學、地質(zhì)力學、土力學等基礎學科,研究巖體中應力-變形-滲流等力學行為的交叉學科。研究對象巖體力學的研究對象是巖體,包括自然巖體和受人工活動影響的巖體系統(tǒng)。研究內(nèi)容巖體力學主要研究巖體的應力-變形特性、滲透性、穩(wěn)定性,以及巖體的開采和工程利用行為。應用領域巖體力學廣泛應用于礦山開采、隧道與地下洞室工程、巖質(zhì)邊坡工程、巖體注水開采等相關工程領域。巖體力學研究對象巖體是由巖石、斷裂等組成的自然地質(zhì)體，是地球表面及地下的主要組成部分。巖體力學研究巖體各種工程活動的力學行為，如巖石破壞、巖層彎曲、巖體變形等。通過理論分析、實驗研究和現(xiàn)場觀測等方法，探討巖體在自然狀態(tài)和人工干擾下的力學性質(zhì)和力學響應。巖石力學基本理論1基本假設巖石力學的基本假設包括連續(xù)介質(zhì)假設、線性彈性理論、小應變假設等。這些假設建立了描述巖體行為的數(shù)學模型。2應力應變關系巖石遵循h(huán)ooks定律,即應力與相應的應變成正比。這種線性關系構(gòu)成了巖石的基本力學模型。3斷裂理論巖石通常具有各向異性和缺陷,容易發(fā)生斷裂失效。斷裂力學理論描述了巖石失效的機理和過程。巖體應力狀態(tài)巖體中存在著復雜的應力狀態(tài)。水平應力和垂直應力相互作用形成復雜的應力場。這些應力受地質(zhì)構(gòu)造、地形、地層分布、工程活動等諸多因素的影響而發(fā)生變化。準確識別和評估這些應力狀態(tài)對于工程設計和開挖非常重要。巖體應力分類巖體應力可根據(jù)其形成機理和作用特點分為以下幾類:初始地應力:由于地層沉積和構(gòu)造變形形成的原位地應力。超應力:由于地質(zhì)作用和施工作用引起的超出初始地應力的額外應力。附加應力:由于坑道或隧道開挖造成的應力擾動。支護應力:由于支護系統(tǒng)作用產(chǎn)生的應力。巖體應力測量方法原位測量方法原位測量方法通過在實際巖體內(nèi)部直接測量應力,可以得到準確的實際應力狀態(tài)信息。常用的方法有水力壓裂法和應力釋放法。巖心測試法巖心測試法通過在實驗室對巖心進行測試,可以得到巖體內(nèi)的應力狀態(tài)。測試方法包括三軸壓縮試驗和聲波法。地質(zhì)勘查法地質(zhì)勘查法通過對巖體的地質(zhì)構(gòu)造進行觀測和分析,可以推測巖體內(nèi)的應力狀態(tài)。常用的方法有破裂構(gòu)造分析和地形地貌分析。理論計算法理論計算法通過建立數(shù)學模型,利用巖體力學理論對應力狀態(tài)進行計算分析。這種方法可以預測未測區(qū)域的應力分布。應力測量儀器應力測量儀器概述應力測量是巖體力學研究的重要環(huán)節(jié),需要利用專業(yè)的測量儀器。這些儀器可以直接測量巖石和巖體內(nèi)部的應力狀態(tài),為后續(xù)分析評價提供數(shù)據(jù)支撐。常見應力測量儀器應變儀應力鉆孔儀CSIRO應力測試儀水壓式應力計超聲波應力測試儀儀器安裝及使用這些儀器在使用時需要特殊的安裝和操作技巧,確保測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。同時還需要對測量過程中出現(xiàn)的各種干擾因素進行分析和補償。儀器性能特點不同類型的應力測量儀器在測量范圍、精度、測量方法等方面存在一定差異,需要根據(jù)實際測量需求進行選擇。應力測量步驟1現(xiàn)場勘查對測量區(qū)域的地質(zhì)條件、地形地貌、施工狀況等進行仔細的現(xiàn)場調(diào)查和勘查。2測量方案制定根據(jù)測量目的和測量區(qū)域的實際情況,制定詳細的測量方案。3儀器安裝調(diào)試對測量儀器進行安裝和調(diào)試,確保其能夠正常工作。4數(shù)據(jù)采集分析嚴格按照測量方案進行數(shù)據(jù)采集,并對采集的數(shù)據(jù)進行初步分析。應力測量數(shù)據(jù)處理1數(shù)據(jù)整理對測量得到的應力數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)性整理2應力計算根據(jù)數(shù)據(jù)計算主應力、剪應力等3應力分析解釋應力分布規(guī)律及變化趨勢4應力評估結(jié)合工程實際評估應力狀態(tài)5優(yōu)化調(diào)整根據(jù)評估結(jié)果提出優(yōu)化調(diào)整措施應力測量數(shù)據(jù)處理是一個系統(tǒng)性的流程,包括對原始測量數(shù)據(jù)進行整理歸納,計算分析主應力和剪應力,解釋應力分布規(guī)律及變化趨勢,并結(jié)合工程實際情況對應力狀態(tài)進行評估,最終提出優(yōu)化調(diào)整建議。這一過程確保測量數(shù)據(jù)能夠為工程決策提供有效支持。硐室圍巖應力計算1原位應力狀態(tài)確定硐室周圍的原位應力狀態(tài)2應力集中因子算出應力集中因子3應力分布計算計算不同部位的應力分布4應力監(jiān)測通過監(jiān)測實測應力變化情況硐室開挖后,圍巖應力狀態(tài)會發(fā)生改變。需要通過計算原位應力狀態(tài)、確定應力集中因子,并結(jié)合有限元等方法計算不同部位的應力分布情況。同時還需要進行應力監(jiān)測,對實際應力變化情況進行跟蹤分析,為支護設計提供依據(jù)。硐室斷面形狀對應力分布的影響硐室斷面形狀的不同會對周圍巖體的應力分布產(chǎn)生重大影響。斷面形狀越復雜,應力集中越嚴重,越容易引發(fā)圍巖破壞。圓形斷面是理想形狀,能最好地均勻分散應力,減小應力集中。矩形斷面次之,四角較容易產(chǎn)生應力集中。不規(guī)則斷面最不理想,會導致嚴重的應力分布不均。在設計中,應盡量選用圓形或近似圓形的斷面形狀。對于不可避免的其他形狀,則應采取相應的支護措施,如設置圓角,增加初期支護強度等,以減小應力集中效應,確保圍巖穩(wěn)定。硐室開挖深度對應力分布的影響深度增加,應力升高隨著硐室開挖深度的增加,周圍巖體承受的垂直應力也隨之升高。這是由于更深的硐室會受到更大的地應力作用。應力集中區(qū)位置變化隨著開挖深度的增加,應力集中區(qū)的位置也會發(fā)生變化。通常在淺層開挖時,應力集中區(qū)位于頂部和底部,而深層開挖時,集中區(qū)會向內(nèi)移動。影響支護設計開挖深度對應力分布的影響需要在硐室支護設計中充分考慮,以確保圍巖穩(wěn)定性。更深的開挖可能需要更加有效的支護措施。硐室開挖順序?qū)Ψ植嫉挠绊戫鲜议_挖順序?qū)鷰r應力分布有著重要影響。一般采用分期開挖的方式,先開挖主洞后再開挖其他附屬硐室。這種順序可以有效避免應力集中,減小圍巖應力,保證開挖安全。開挖順序應力分布特點先開挖主洞應力集中在主洞周圍,附屬硐室周圍應力較小先開挖附屬硐室應力集中在附屬硐室周圍,主洞周圍應力較小合理的開挖順序可以有效控制應力分布,減小應力集中,從而提高工程的整體穩(wěn)定性。原地應力場對硐室應力分布的影響原地應力狀態(tài)原地應力場反映了區(qū)域內(nèi)的應力分布特點,對硐室應力分布有重要影響。應力集中硐室開挖會導致應力集中,原地應力場的差異會影響應力集中的程度。區(qū)域差異不同區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造和巖性差異會導致原地應力場存在較大差異。圍巖性質(zhì)對應力分布的影響巖體的力學性質(zhì),如強度、變形性、應變性等,對于隧道或地下洞室的應力分布有很大影響。不同類型的巖石具有不同的密度、強度、彈性模量等特性,這些特性直接決定了周圍巖體對應力的分擔和傳遞方式。硐室支護對應力分布的影響支護措施通過采取不同的支護措施,如錨桿、襯砌、噴錨等,可以改變硐室圍巖的應力分布特征。支護時間支護的及時性也會影響應力分布,合理的支護時間可降低開挖初期的應力集中。支護強度支護的強度越大,其對應力的調(diào)控作用也越明顯,可減小圍巖應力峰值。支護剛度支護的剛度會影響圍巖應力的重新分布,合理的支護剛度有助于應力的平穩(wěn)分布。應力分布的數(shù)值模擬通過數(shù)值模擬技術可以更好地分析和預測地下硐室的應力分布情況。常用的數(shù)值模擬方法包括有限元法、邊界元法等。這些方法可以模擬不同形狀斷面、開挖順序、原位應力場以及圍巖性質(zhì)對應力分布的影響。數(shù)值模擬可以得到硐室周圍的詳細應力場分布,為后續(xù)的支護設計和應力監(jiān)測提供重要依據(jù)。應力分布的分析與評價1數(shù)據(jù)分析對收集的應力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析,了解應力分布的變化趨勢、時空特征及其影響因素。2理論驗證將實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比,檢驗理論計算的準確性和合理性,找出差異并進行分析。3安全評價綜合分析應力狀態(tài),評估圍巖穩(wěn)定性,判斷是否存在超限應力,提出相應的安全管控措施。圍巖應力監(jiān)測圍巖應力監(jiān)測是了解和評估地下工程圍巖應力狀態(tài)的重要手段。通過安裝監(jiān)測設備,定期收集應力數(shù)據(jù),分析應力變化規(guī)律,對工程設計和施工提供支撐。監(jiān)測可采用不同方法,如應力釋放法、應力記錄法、應變法等,使用各類傳感器如應力計、應變計等進行實時觀測。合理布設監(jiān)測點,采集全面數(shù)據(jù),是確保監(jiān)測結(jié)果準確可靠的關鍵。應力監(jiān)測方法巖體應力監(jiān)測主要包括鉆孔應力法、應變測量法、應力浪法、水壓致裂法等方法。各種監(jiān)測方法針對不同的巖體狀態(tài)和監(jiān)測目的有各自的適用范圍和優(yōu)缺點?？茖W合理選擇監(jiān)測方法是保證監(jiān)測結(jié)果準確可靠的前提。應力監(jiān)測設備液壓式應力計通過測量壓力變化來間接獲得應力狀態(tài)的儀器。具有高精度和穩(wěn)定性,廣泛應用于巖體應力監(jiān)測。孔內(nèi)應變計安裝在鉆孔內(nèi)部,通過測量圍巖的微小位移變形來計算應力水平。適用于深部應力測量。便攜式荷載單元采用壓電傳感器直接測量荷載大小,結(jié)構(gòu)緊湊輕便,可在狹小空間內(nèi)進行應力測量。振弦式應力計測量巖體內(nèi)部引起鋼絲振動頻率變化從而間接計算應力大小,具有高靈敏度和長期穩(wěn)定性。應力監(jiān)測數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采集通過應力監(jiān)測設備,如應變儀和壓力盒等,采集硐室周圍巖體的應力變化數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要仔細記錄,并進行適當編碼和存儲,以便后續(xù)分析。數(shù)據(jù)校驗在數(shù)據(jù)分析之前,需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行仔細檢查,識別和剔除異常數(shù)值,確保數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。數(shù)據(jù)分析利用專業(yè)軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,繪制應力變化曲線,并結(jié)合實際施工進度,分析應力變化規(guī)律和趨勢。結(jié)果解釋根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,結(jié)合巖體力學理論,對應力變化的原因和影響進行深入分析和解釋,為后續(xù)的支護優(yōu)化和安全評估提供支撐。應力監(jiān)測結(jié)果分析1分析監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢仔細分析應力監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間的變化趨勢,識別關鍵變化點和異常情況。這有助于及時發(fā)現(xiàn)問題并采取針對性措施。2與設計值對比分析將實際監(jiān)測的應力數(shù)據(jù)與預設的設計參數(shù)進行對比分析,評估圍巖承載能力是否符合要求。3結(jié)合工程實際情況結(jié)合工程現(xiàn)場的施工進度、支護措施和周圍環(huán)境變化等實際情況,深入分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的原因和影響。4尋找影響因素系統(tǒng)地找出影響應力分布的主要因素,為后續(xù)優(yōu)化設計和完善支護方案提供依據(jù)。應力監(jiān)測結(jié)果應用1預警監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)異常情況2趨勢分析判斷圍巖穩(wěn)定性變化3指導支護完善支護計劃與措施應力監(jiān)測結(jié)果的應用主要體現(xiàn)在三個方面:預警監(jiān)測、趨勢分析和指導支護。通過持續(xù)監(jiān)測獲得的應力數(shù)據(jù),可以及時發(fā)現(xiàn)圍巖應力異常情況,為工程管理提供預警;對監(jiān)測結(jié)果進行趨勢分析,可以判斷圍巖的穩(wěn)定性變化趨勢;最后,監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以為支護方案的優(yōu)化提供依據(jù),指導支護設計與調(diào)整,降低圍巖災害風險。硐室圍巖應力調(diào)控措施1預應力支護通過預先加載支護結(jié)構(gòu),減小初始應力2精細開挖分階段開挖,控制應力集中3合理布置調(diào)整硐室位置和構(gòu)型,優(yōu)化應力分布4主動調(diào)控通過注漿等措施,改變地應力場通過采取預應力支護、精細開挖、合理布置硐室以及主動調(diào)控地應力場等措施,可