《巖體的力學(xué)行為》PPT課件.ppt

1、只有勇敢付諸于行動(dòng),而不是瞻前顧后，,才能掌握這個(gè)世界。,手比眼睛更重要.,手是思想的利劍！,前蘇聯(lián)作家 布洛夫斯基,隧道工程力學(xué)原理,第三章 巖體的力學(xué)行為 3.1 巖體的初始應(yīng)力狀態(tài) 一、概述 地應(yīng)力（巖體的初始應(yīng)力）：巖體在天然 狀態(tài)下所具有的內(nèi)在應(yīng)力。 在巖體開挖洞室，破壞了巖體的初始應(yīng)力， 產(chǎn)生了應(yīng)力重分布，洞室周圍巖體產(chǎn)生變形，形 成對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖壓力，或是導(dǎo)致洞室的崩塌 或破壞。 巖體的初始應(yīng)力，主要是由于巖體的自重和 地質(zhì)作用引起的。,影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的因素有： 巖體本身的因素：如巖性、巖體的物理力學(xué) 性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)和地形位置等。 外界因素：如地殼運(yùn)動(dòng)、地下水活動(dòng)、地

2、下 溫度而引起的地震力、水壓力、熱應(yīng)力等。 主要考慮的是自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力。 目前主要研究巖體自重力所形成的應(yīng)力場(chǎng)。 二、重力應(yīng)力場(chǎng) 假定巖體是均勻連續(xù)介質(zhì)，體力 、 將單元體各應(yīng)力對(duì)形心c的力矩平衡方程 有：,將上式除以 ，合并相同的項(xiàng)有： 略去微量不計(jì)，得出 以x為投影軸，列出投影的平衡方程： 將X=0代入，并除以 得： ,以y軸為投影軸，列出投影的平衡方程 ： 將 代入，并除以 得： 相容方程 式中 為拉普拉斯算子， 當(dāng)y=0時(shí)， ，式、的一組解為： 式中 為一常數(shù)，成為側(cè)壓力系數(shù),處于靜力平衡狀態(tài)的巖體單元，由于周圍受到約 束，因而水平方向的變化可以認(rèn)為是零， 即 ，在材料力學(xué)中根據(jù)虎

3、克定律已導(dǎo) 出的物理方程式知： 即： 為巖石的泊松比 聯(lián)立上式，即可求得自重應(yīng)力 和 ： 與式中對(duì)比可知： 對(duì)于地表淺埋層巖體， 約在0.150.35的范圍 內(nèi)，則 在0.180.54范圍內(nèi)。,三、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng) 構(gòu)造應(yīng)力：由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，積存在巖 體內(nèi)的應(yīng)力。 由于地殼運(yùn)動(dòng)，巖體中積有構(gòu)造應(yīng)力，產(chǎn)生彈 性，儲(chǔ)存彈性變形能。當(dāng)巖體再次受到新的破壞性 擾動(dòng)時(shí)，構(gòu)造應(yīng)力或儲(chǔ)存的彈性變形能可能一部分 或全部地釋放出來，或者由于巖體的流變性質(zhì)，在 相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，也會(huì)部分把積存的能量釋放出 來，這時(shí)，構(gòu)造應(yīng)力就指殘余應(yīng)力可言。 由于地殼運(yùn)動(dòng)歷時(shí)長(zhǎng)久，情況錯(cuò)綜復(fù)雜，巖體 的構(gòu)造應(yīng)力目前還不能以數(shù)學(xué)、力學(xué)

4、的方法進(jìn)行分 析計(jì)算，而只能采取現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力量測(cè)的方法來求得。,構(gòu)造應(yīng)力的特點(diǎn)： 構(gòu)造應(yīng)力與埋深密切相關(guān)，它隨著深度的增 加而增加； 構(gòu)造應(yīng)力中，其水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力； 堅(jiān)硬巖體中的構(gòu)造應(yīng)力較大。 四、影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的因素 地形對(duì)自重應(yīng)力的影響 試驗(yàn)的結(jié)果證明： 山體內(nèi)沿著水平面上的地應(yīng)力分布狀況 并不和地表形狀完全一致； 地應(yīng)力的數(shù)值大小，比按巖體容重與山 頂?shù)綆r層中各點(diǎn)的高差的乘積要小得多。 以上結(jié)果說明，巖體的地應(yīng)力并不只是埋深y 的函數(shù)，還很大程度受到構(gòu)造的影響。, 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)自重應(yīng)力的影響 當(dāng)巖層經(jīng)受構(gòu)造作用而產(chǎn)生變形后，其地應(yīng)力 的分布亦發(fā)生了變化。 背斜、向斜構(gòu)造。 巖體不連

5、續(xù)面對(duì)自重應(yīng)力的影響 結(jié)構(gòu)面：指巖體中具有一定方向、力學(xué)強(qiáng)度 相對(duì)較低的地質(zhì)界面（或帶）。 由于結(jié)構(gòu)面的存在，把整體的巖體分割成若 干不連續(xù)的塊體楔塊。 巖性對(duì)自重應(yīng)力的影響 巖體的不均勻性、各向異性、裂隙性或孔洞 性、節(jié)理性、以及軟硬不同、容重不同等都會(huì)使地 應(yīng)力的分布不均勻。, 地下水壓力對(duì)自重應(yīng)力的影響 水處于靜止?fàn)顟B(tài)靜水壓力浮力作用降低地 應(yīng)力 水處于流動(dòng)狀態(tài)時(shí)動(dòng)水壓力 熱應(yīng)力對(duì)自重應(yīng)力的影響 巖漿侵入周圍巖體受熱膨脹冷卻而收縮形 成巖體裂隙而消耗，并可能會(huì)保留部分的殘余應(yīng)力 隨著巖體埋深的增加，地溫也逐漸上升（地溫梯 度也為33m左右），溫度的升高有利于巖體塑性增 大，使極限深度減小

6、。 在一般情況下只考慮自重應(yīng)力，忽略其它影響。 只有在特定情況下，才分別予以考慮。,3.2 坑道開挖后巖體的二次應(yīng)力及位移狀態(tài) 二次應(yīng)力狀態(tài)（或叫圍巖應(yīng)力狀態(tài)）：坑道 開挖后，坑道周圍一定范圍的巖體產(chǎn)生應(yīng)力重分布 的狀態(tài)。 影響巖體二次應(yīng)力狀態(tài)的因素： 巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)； 巖體的構(gòu)造：如結(jié)構(gòu)面、巖塊的組合形態(tài) 坑道的形狀和尺寸；埋深； 坑道開挖的施工技術(shù)。 研究巖體的二次應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的假設(shè)： 視巖體為均質(zhì)的、各向同性的連續(xù)介質(zhì)； 只考慮自重造成的初始應(yīng)力場(chǎng)； 坑道形狀以圓形為主； 坑道位于一定深度，可簡(jiǎn)化為無限體中的 孔洞問題； 巖體初始應(yīng)力為彈性應(yīng)力狀態(tài)。,坑道開挖后周圍巖體的應(yīng)力、位移狀態(tài)

7、： 彈性二次應(yīng)力及位移狀態(tài)：坑道開挖后圍巖 仍處于彈性狀態(tài)，此時(shí)，圍巖除破壞產(chǎn)生稍許松 弛外，其本身是穩(wěn)定的。 彈塑性二次應(yīng)力及位移狀態(tài)：坑道開挖后， 在其周圍一定范圍內(nèi)的應(yīng)力超過了圍巖的單軸抗壓 （拉）強(qiáng)度而處于塑性（甚至松動(dòng)）狀態(tài)，而在此 范圍以外的巖體仍處于彈性狀態(tài)。 一、坑道開挖后的彈性二次應(yīng)力及位移狀態(tài) 彈性二次應(yīng)力狀態(tài) 設(shè)巖體的初始垂直應(yīng)力 ，側(cè)向應(yīng)力為 ，其側(cè)壓力系數(shù) ，在巖體中開挖一個(gè)半徑為a圓形坑道后，其二次應(yīng)力狀態(tài)可用彈性力學(xué)的吉爾西解來表達(dá)。,其中 ， ， 徑向應(yīng)力 切向應(yīng)力 ，a 坑道開挖半徑 r 坑道中心到所求應(yīng)力點(diǎn)的徑向距離 坑道中心垂直軸所求應(yīng)力點(diǎn)方向的夾角 坑道

8、周邊的應(yīng)力狀態(tài) 將r=a，即 1代入式有： 可見坑道周邊的切向應(yīng)力值的大小及其分布情況主 要取決于側(cè)壓力系數(shù) 值。, =0,即只有垂直應(yīng)力 拱頂處（ =0）出現(xiàn)最大切向拉應(yīng)力，其 值 ，相當(dāng)于初始垂直應(yīng)力值。 側(cè)壁處（ =90）的切向應(yīng)力 ，為最 大。 令 ，則 ， 即受拉區(qū)范圍出現(xiàn)，在與垂直軸成30角的范圍內(nèi) 拱頂處（ ）的切向拉應(yīng)力 =0 側(cè)壁處（ ）, 拱頂（ ）處 側(cè)壁（ ）處 即 對(duì)坑道周邊的切向應(yīng)力 的分析表明： 拱頂部位：當(dāng)在01/3之間，坑道拱頂局部范 圍是受拉的，可能發(fā)生局部掉塊或落石，但不會(huì)造 成整個(gè)坑道的破壞；當(dāng) 1/3時(shí)，整個(gè)坑道周邊的 切向應(yīng)力皆為壓應(yīng)力，使坑道變得穩(wěn)

9、定。 側(cè)壁范圍：當(dāng) 值在01.0之間時(shí)，側(cè)壁范圍內(nèi) 總是壓應(yīng)力，而且總比拱頂范圍的應(yīng)力值大。,側(cè)壁中點(diǎn)的切向應(yīng)力值為：當(dāng) =0時(shí)， 。隨 著 值的增大，側(cè)壁中點(diǎn)的壓應(yīng)力逐漸減小，當(dāng) =1時(shí)， 當(dāng) =1時(shí)，坑道周邊的切向應(yīng)力皆相同，為一個(gè) 常數(shù)值, 圍巖應(yīng)力向深度變化情況 =0時(shí)，式變?yōu)椋?在坑道水平軸上（ =90） 式變?yōu)椋?對(duì)于 ，在坑道周邊 =0，隨著r的增加， 值也增 加，當(dāng) 時(shí)， 達(dá)到最大，但r繼續(xù)增 大時(shí)則 變小，最后趨近于0 對(duì)于 ，在坑道周邊等于 ，隨著r的增加， 值 逐漸減小，并趨近于值 。 在坑道垂直軸上（ =0） 式變?yōu)椋?對(duì)于 ，在坑道周邊 =0；隨著r的增加， 值逐漸 變負(fù)，當(dāng) =5/6時(shí)， ，達(dá)到負(fù)值最小，為拉力； =2/3時(shí)， =0；再隨著r增加， 值逐漸增加，并趨近于 值。 對(duì)于 ，在坑道周邊處 = ，當(dāng)r =1.732a時(shí)， =0，隨著r的增加，由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，當(dāng) =1/6時(shí)，壓應(yīng)力達(dá)到最大，此時(shí) ， 然后隨著r的增加， 逐漸變小趨于