地下洞室围岩稳固的分析方式

学号
年级 15级工程地质
硕士课程结课论文
地下洞室围岩稳固的分析方式
专业 15级工程地质
姓名彭大伟
指导教师张发明
评阅人
2021年12月
中国南京
地下洞室围岩稳固的分析方式
摘要：随着科技进展的进步，关于大型水利水电工程除在坝体结构方面要有严格的要求和分析方式外，水电站的地下厂房洞室也要具有必然的分析方式。

地下洞室围岩稳固性在整个工程中发挥着重要的作用，现在关于地下洞室围岩稳固的分析方式有很多，本文依照前人所总结出的方式及文献从头进行归纳和分析，要紧针关于洞室整体性和局部性稳固的分析，并对这些方式的现状进行了综述。

关键词：地下洞室围岩稳固分析方式
未开挖的天然地下岩体在自重及地质构造运动后形成的初始应力场状态下维持相对稳固。

当在岩体内开挖洞室后，洞室周围必然范围的岩体（围岩）相对稳固的应力场受到破坏，发生应力重散布。

随着具体围岩部位、产状等情形的不同，应力重散布的结果既可能仍归于稳固，也可能显现洞顶崩塌等失稳现象。

对此，地下洞室的设计时必需做出分析，并相应付工程方法做出选择，要求从各个层面关于地下洞室围岩稳固做出分析，提出各类分析方式。

地下洞室的稳固性分析要紧包括洞室的整体稳固性分析和洞室局部块体的稳固性分析。

随着有关于岩石方面的理论和运算机技术的进展，为地下洞室的开挖和稳固性分析提供了新的方式，取得了一系列的功效，可是围岩稳固性分析理论作为地下工程的全然问题之一，由于地质条件的复杂性，各个方式的准确性应用仍很困难，始终没有形成一个系统的理论，工程上为此还常常依托于体会判别。

因此有必要对现有的分析方式进行比较，了解它们各自的优势与不足，有助于对分析功效进行正确的判定。

1. 围岩整体性分析方式的比较
解析分析法
当前应用解析分析法在求解有关洞室围岩稳固性问题时，通常采纳弹性和弹塑性两种方式进行，且均按平面问题的极坐标进行解答。

当围岩的岩性均匀，岩体坚硬完整，且其应力水平未超过弹性极限时，可将围岩视为均匀、各项同性的弹性体，按弹性理论分析围岩应力。

关于某些实验研究说明，岩体的应力应变关系有明显的非线性关系，这时宜采纳弹塑性理论进行分析。

解析法尽管不能准确地描述围岩的失稳、破坏进程，但大致上仍能对成洞条件做出评判，对各类洞型方案及处置方法进行对照分析。

另外，解析法具有精度高、分析速度快和宜于进行规律性研究等优势，因此在工程实践中仍不失为一种大体的围岩稳固分析方式。

但在岩体的应力、应变超过峰值应力和极限应变，围岩进入全应力、应变曲线峰后段的刚体滑移和张裂状态时，解析法便再也不适用了。

另外，对工程实际中常常碰到的多孔、不均匀及各向异性等问题，现今的解析方式几乎是无法解决的，只能借助数值法来求解。

数值模拟法
现代数值模拟的方法主若是利用运算机软件来对实验或搜集的数据进行辅助计算，通过计算实际模拟出的地下洞室模型，从模型中得出地下洞室围岩处应力的散布情形，对围岩的整体性稳固进行分析。

关于此类方式要紧有有限元法，边界元法和离散单元法。

有限元法
此方式是目前应用最为普遍的数值模拟方式。

通过几十年的进展，有限元已经成为一种相当做熟的数值分析技术，要紧用来求解线弹性、弹塑性、粘弹塑性、
粘塑性等问题，是地下工程岩体应力-应变分析最经常使用的方式。

该方式的优势是能够部份地考虑地下结构岩体的非均质、非持续特点，能够给出岩体的应力、变形大小和散布，并可近似地依据应力、应变规律去分析地下结构的变形破坏机制。

为了模拟岩体中存在的断层、节理、裂隙等结构面，考虑其非持续性，可按结构面的特点采纳不同的处置方式，能够幸免将岩体视为刚体、过于简化边界条件的缺点，能够超级直观地模拟岩体的变形和破坏进程。

其不足的地方是：数据预备工作量大，原始数据易犯错，不能保证某些物理量在整个区域内的持续性。

边界元法
该法只在求解区域的边界上进行离散(剖分单元)，把域内未知量化为边界未知量来求解，如此就把考虑问题的维数降低了一维，使得自由度数量大大减少。

另外，边界元法计算精度高，应力和位移具有一样的精度。

当仅需要明白物体内部个别点的解时，有限元仍不能不剖分整个物体才能确信个别点的解，而边界元那么能够在已知边界上的解后，依照需要去求物体内部预知点的解，这就能够够比有限元大大地节省计算量和费用。

可是，边界元法最后形成的系数矩阵是非对称满阵，远比有限元刚度矩阵(带状稀疏阵)的结构复杂。

关于面体比较大的薄壁结构等物体，边界元法就不如有限元优越了，而且边界元法对奇异边界难于处置。

另外，边界元法对变系数、非线性等问题较难适应，且它的应用是基于所求解的方程有无大体解，因此限制了边界元法在更普遍领域的应用。

离散元法
离散单元法是一种适用于模拟离散介质的数值方式。

自提出以来一直在工程中的应用不断深切。

该方式专门适用于节理岩体及其与锚杆（索）的应力分析。

在反映块体之间的接触面的滑移、分离与倾覆等大位移的情形下表现突出，同时又能够计算块体内部的变形和内力散布情形。

采纳该方式分析边坡及裂隙发育地域工程的坍方和支护等仍是十分有效的，但当岩体并未被结构面切割成块体的集合时，该方式就不太适合。

2. 围岩局部块体分析方式的比较
矢量分析法
块体理论矢量运算法是分析岩质边坡稳固性的有效方式。

该方式计算结果准确，通过度析结构面的空间位置关系和相应块体的几何参数和物理参数，可准确的寻觅目标块体和可能的滑动方向。

这为岩质边坡的加固设计提供了靠得住的依据。

基于块体理论的某些假定，在工程应用中，可结合场地条件和岩体的自身变形等因素进行综合评判。

图解法（实体比例投影法）
实体比例投影是用垂直投影的原理，按必然比例将各类形状的结构体的各个面的交线和交点按原位投影在水平面上，以反映结构体在平面上的形态作图分析方式。

能够通过作图方式求出结构体在工程岩体中的具体散布位置、它的几何形状、体积和重量；确信其滑动方向、滑动面及其面积；也能够进行空间共点力系的合成和分解，对结构体在自重力和工程力作用下的稳固性进行分析计算。

体会法
围岩分类法
依照国内外体会，依照围岩工程地质特点和地下水状态所决定的围岩稳固程度，我国将地下洞室的围岩分为稳固、大体稳固、稳固性差、不稳固和极不稳固
五类。

此类分类方式在水工地下洞室中运用很常见，在此五类中也有部份能够依照节理裂隙、岩石软硬程度、地质构造等方面继续划分为其他小类型，此方式直观的，简单的判别围岩稳固的稳固性情形。

可是关于在洞室中建筑水电站厂房情形下，此方式不具有说服性。

岩体质量指标评估法
国外很多工程单位用岩体质量指标评估洞室围岩好坏，并由此确信洞室最大开挖跨度。

岩体质量指标是指勘探钻孔中所取长度不小于10cm的岩芯长度总和钻孔总进尺中所占百分比。

岩体质量指标越大，围岩稳固性越好，开挖跨度越大。

这一方式具有概念清楚、定量明确的优势，但对岩体某些质量因素如节理发育情形、充填材料特点、裂隙水阻碍等考虑不很全面。

3. 综述
洞室围岩稳固性分析是多学科理论方式、专家体会、监测量与运算机技术综合集成的科学。

洞室失稳是一个极为复杂的力学进程，在实际工程中更是受到了许多因素的阻碍。

在进行地下洞室稳固性判按时，必需参考既有洞室稳固性判据的实践体会，同时结合实际工程中各量测值随时刻转变的规律，才能作出正确的判定。

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