公路隧道围岩压力共81页文档

导论
➢坑道开挖后的弹性二次应力场弹性理论基础 小孔口问题（基尔斯解答） 按直接加载法求解初始应力状态下围岩二次应力场和位移场 若以开挖前的位移状态为基准，则真实的围岩二次位移场和应力场为：
u2 u u0 2 0
导论
➢坑道开挖后的弹性二次应力场
z
2
12 1 142 34 1cos2
z
2
1 2 1 1 3 4 1 cos2
z
2
11 22
3 4
sin 2
a, z x
注：此处应力正方向的规定与弹性力学应力正方向规定相反。
导论
➢坑道周边应力状态（ρ=a）
0
z121co2 s
✓坑道的开挖使坑道周边的围岩从二向（或三向）应力状 态变成单向（或二向）应力状态，沿坑道周边的应力值及 其分布主要取决于λ值。
围岩的塑性判据为：采用摩尔库伦条件。假设所分析的问题侧压力系数λ=1.0，圆形隧道，为轴 对称，剪切应力为0，所以围岩内的切向应力和径向应力就成为最大和最小主应力。
当λ=1时，坑道周边位移成轴对称分布，有
ur0
1
E
r0z
z
2G
r0
vr0 0
当λ≠1时，坑道周边位移为
u r0 1 E 2 zr 0 1 1 3 4 co 2 s4 G zr 0 1 1 3 4 co 2 s v r0 1 E 2 zr 01 3 4 si2 n 4 G zr 01 3 4 si2 n
围岩为均质的、各向同性的连续介质； 只考虑自重造成的初始应力场； 坑道形状是圆形的； 坑道位于一定深度，简化为无限体中的孔洞问题。
➢坑道开挖后围岩中应力、位移，视围岩强度可分为两种情况， 一种是开挖后的围岩仍处于弹性状态，此时坑道围岩除产生稍许松弛外，一般是稳定的； 一种是开挖后的应力状态超过围岩的单轴抗压强度，此时围岩一部分处于塑性甚至松弛 状态，围岩将产生塑性滑移、松弛和破坏。
✓侧压力系数λ的变化意味着围岩条件的变化，侧 压力系数小说明围岩条件好，侧压力系数大说明围 岩条件差。
导论
➢毛洞弹性位移状态（无支护洞室围岩位移状态）
✓围岩内任一点的位移：开挖所引起的位移，径向位移以向隧道内为正，切向位移以 顺时针为正。
u1 E2zr011412co2s
u1 E2zr012122si2 n
公路隧道围岩压力
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
导论
➢构造应力场
地质力学认为，地壳各处发生的一切构造变形与断裂都是地应力作用的结果，因而地质力学就 把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称之为构造应力场，它是动态的。
导论
➢毛洞弹性位移状态（无支护洞室围岩位移状态）
✓在不同的λ值条件下，开挖后的断面收敛状态如图所示，当λ=1时隧道断面是均匀缩 小的，随着λ的减小，隧道上下顶点继续向隧道内挤入，水平直径处则减小，变成扁 平的断面形状。
✓隧道开挖后围岩基本上是向隧道内移动的。只是在一定的λ值条件下（λ≤0.25），在 水平直径处围岩有向两侧扩张的趋势。而且在大多数情况下，拱顶位移均大于侧壁位 移。
导论
➢围岩应力向深处变化的规律
✓侧壁中点，在λ=0~1.0时坑道周边的切向应力都为 正值（压应力），最大值为3σz，最小值为2σz。 ✓拱顶处应力值随着ρ的增加，逐渐接近于初始应 力状态。坑道开挖后二次应力分布范围是很有限的。 视λ值其范围大致在（5~7）a左右。λ愈大，影响范 围愈大。
✓拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为0.58a， 尔后转变为压应力。这也说明坑道围岩内拉应力区 域是有限的，而且只在λ小于1/3的情况下出现。
由于构造应力场的不确定性，很难用函数形式表达。它在整个初始地应力场中的作用只能通过某 些量测数据加以分析。构造应力场具有如下特征：
✓地质构造形态不仅改变了重力应力场，而且除以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在 围岩内，这种残余构造应力将对隧道工程产生重大影响。
✓构造应力场在不深的地方已普遍存在，而且最大构造应力的方向多近似为水平，其值通常大于自 重应力场中的水平应力分量，甚至也大于垂直应力分量，这与自重应力场有很大不同。
✓构造应力场很不均匀，它的参数无论在时间上还是在空间上都有很大的变化，特别是在它的主应 力轴的方向上绝对值变化很大。
在理论分析中，常把初始地应力场按静水应力场来处理。在某些重要的工程中，多采取实地测量的 方法来判断主应力的大小及其方向的变化规律。
导论
（2）毛洞（二次）应力及位移状态
➢开挖后周边围岩的应力状态，受开挖方式（爆破、非爆破）和方法（全断面开挖、分 部开挖法等）的强烈影响。 ➢基本假定
✓λ=0时，即只有初始垂直应力时，拱顶出现最大切向拉应 力，并分布在拱顶一定范围内。拉应力范围约出现在与垂 直轴左右各300的范围内。
✓随着λ的增加，拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小。当 λ=1/3时，拱顶切向拉应力等于0。大于1/3后，整个坑道周 边的切向应力皆为压应力。λ在0~1/3之间时，拱顶（拱底） 范围是受拉的。拱顶可能发生局部掉块和落石，但不会造 成整个坑道的破坏。
✓在侧壁范围内，λ在0~1.0之间时，周边切向应力总是压 应力，而且总比拱顶范围的应力值大。侧壁处较大的压应 力是造成侧壁剪切破坏或岩爆（分离破坏）的主要原因之 一，而且常常是整个坑道丧失稳定的主要原因。
✓当λ=1时，坑道周边围岩各点的应力皆相同。 为一常数（2σz）对圆形坑道稳定有利。
✓通常围岩的侧压力系数λ变动在0.2~0.5之间。 在பைடு நூலகம்个范围内，坑道周边切向应力大都是压 应力，要注意切向应力的变化，它是造成坑 道破坏的主要原因。
导论
➢坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态
在深埋隧道或埋深较浅但围岩强度较低时，上述应力状态可能超过围岩的抗压强度，此时坑道或 发生脆性破坏，如岩爆、剥离等（坚硬、脆性、整体的围岩中），或在坑道附近围岩内形成塑性 应力区域，发生塑性剪切滑移或塑性流动。塑性区的围岩因而变得松弛，其物理力学性质也发生 变化。对设计有实际意义的是塑性区内的应力应变状态和塑性区范围的大小、形状。