均質(zhì)隧洞破壞機(jī)理及其設(shè)計方法ppt課件

1、滑動力抗滑力sF20042004年鄭穎人等運用有限元強(qiáng)度折減法求年鄭穎人等運用有限元強(qiáng)度折減法求隧洞圍巖平安系數(shù)隧洞圍巖平安系數(shù)1ccF 有限元強(qiáng)度折減法計算過程：有限元強(qiáng)度折減法計算過程：不斷降低巖土不斷降低巖土C C、 值和抗滑力，直到破壞。值和抗滑力，直到破壞。1arctan(tan )F 強(qiáng)度降低的倍數(shù)就是隧洞的平安系數(shù)強(qiáng)度降低的倍數(shù)就是隧洞的平安系數(shù)并能求出圍巖的破裂面并能求出圍巖的破裂面水泥、石膏、滑石粉的比例為水泥、石膏、滑石粉的比例為0.2：0.6：0.2 4040525215cm 15cm 模型尺寸：模型尺寸： 隧洞模型隧洞模型 實驗方案實驗方案 (a)方案一方案一 (b)方

2、案二方案二(c)方案三方案三(d)(d)方案四方案四(e)(e)方案五方案五模型實驗?zāi)Ｐ蛯嶒灁?shù)值模擬數(shù)值模擬圍巖等效塑性應(yīng)變與潛在破裂面(a)1號途徑(b)2號途徑(c)3號途徑(d)4號途徑等效塑性應(yīng)變與X坐標(biāo)關(guān)系曲線圖(e)5號途徑 (a)(a)模型破壞模型破壞 ( (壓力壓力28KN) (b)28KN) (b)數(shù)值模擬壓力數(shù)值模擬壓力26KN26KN淺埋隧洞破壞面淺埋隧洞破壞面洞跨洞跨8m8m，埋深，埋深3m3m埋深埋深1 1米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.3 0.3 埋深埋深3 3米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.52 0.52 洞跨12m 高5m2 2 埋深1米，在頂部中間破壞。埋深3m，在肩

3、部破壞，平安系數(shù)隨埋深增大。c=40kpa埋深埋深7 7米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.65 0.65 埋深埋深8 8米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.64 0.64 埋深埋深9 9米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.66 0.66 隨埋深添加逐漸構(gòu)成淺埋壓力拱埋深9m構(gòu)成淺埋壓力拱平安系數(shù)逐漸增大埋深埋深1010米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.69 0.69 埋深埋深1212米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.7 0.7 埋深10m淺埋壓力拱逐漸消逝構(gòu)成深埋壓力拱拱高5M)埋深910m是深淺埋的分界限按規(guī)范公式hq為12m埋深埋深1515米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0. 7 0. 7 逐漸構(gòu)成兩個破裂面壓力拱高不變平安系數(shù)不

4、變埋深埋深1818米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.7 0.7 埋深埋深3030米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.67 0.67 埋深埋深5050米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.61 0.61 平安系數(shù)根本不變拱頂與側(cè)壁出現(xiàn)兩破裂面平安系數(shù)隨深度減少明顯出現(xiàn)兩側(cè)先破壞平安系數(shù)隨深度減少兩側(cè)破壞埋深埋深4 4米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.87 0.87 埋深埋深7 7米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.84 0.84 埋深1m拱頂中間破壞埋深4m，拱腰破壞 埋深7m，拱肩破壞與矩形不同，隨深度添加平安系數(shù)減少。拱形洞室受力優(yōu)于矩形洞室。埋深埋深3.53.5米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.88 0.88 埋深埋深1010米，平

5、安系數(shù)米，平安系數(shù)0.82 0.82 埋深埋深8 8米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.82 0.82 淺埋壓力拱逐漸構(gòu)成拱頂破壞埋深埋深9 9米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.82 0.82 埋深9m,淺埋壓力拱構(gòu)成拱頂破壞埋深10m,淺埋壓力拱逐漸消逝同時出現(xiàn)側(cè)向破壞,不構(gòu)成深埋壓力拱埋深埋深1212米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.81 0.81 埋深埋深1515米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.8 0.8 埋深12m 、15m,淺埋壓力拱逐漸消逝隧洞側(cè)向破壞，埋深10米是深淺埋分界限規(guī)范為12米埋深埋深3030米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.77 0.77 埋深埋深2020米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.78 0.78

6、 先側(cè)向破壞隨埋深添加，平安系數(shù)不斷減少側(cè)向破壞后構(gòu)成塌落平衡拱埋深埋深5050米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.750.75埋深埋深4 4米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.87 0.87 埋深埋深4 4米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)1.32 1.32 3 3不同強(qiáng)度時拱形洞室等效塑性應(yīng)變圖比較不同強(qiáng)度時拱形洞室等效塑性應(yīng)變圖比較強(qiáng)度不同，平安系數(shù)不同，圖形根本一樣。強(qiáng)度不同，平安系數(shù)不同，圖形根本一樣。 2222埋深埋深3.53.5米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.88 0.88 埋深埋深3.53.5米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)1.37 1.37 c=40kpac=70kpa埋深埋深8 8米，平安系數(shù)為米，平安系數(shù)為1

7、.22 1.22 埋深埋深8 8米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.82 0.82 埋深埋深9 9米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)1.20 1.20 埋深埋深9 9米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.82 0.82 埋深埋深7 7米，平安系數(shù)為米，平安系數(shù)為1.25 1.25 埋深埋深7 7米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.84 0.84 埋深埋深1010米，平安系數(shù)為米，平安系數(shù)為1.18 1.18 埋深埋深1010米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.82 0.82 埋深埋深1212米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)1.15 1.15 埋深埋深1212米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.81 0.81 埋深埋深1515米，平安系數(shù)為米，平安系數(shù)為

8、1.12 1.12 埋深埋深1515米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.8 0.8 埋深埋深2020米，平安系數(shù)為米，平安系數(shù)為1.07 1.07 埋深埋深2020米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.78 0.78 埋深埋深3030米，平安系數(shù)為米，平安系數(shù)為1.03 1.03 埋深埋深3030米，平安系數(shù)米，平安系數(shù)0.77 0.77 埋深埋深5050米，平安系數(shù)為米，平安系數(shù)為0.90.9 深、淺埋分界限取決于洞形與洞跨深、淺埋分界限取決于洞形與洞跨 埋深埋深5050米，平安系數(shù)為米，平安系數(shù)為0.75 0.75 規(guī)范，按規(guī)范公式為規(guī)范，按規(guī)范公式為12m 開挖后塑性區(qū)開挖后塑性區(qū) 破壞時塑性區(qū)破壞時塑性

9、區(qū) .彈性模量彈性模量 ( ) 2030405060拱頂最大垂直位移拱頂最大垂直位移(cm)9.47.34.74.43.6側(cè)墻最大水平位移側(cè)墻最大水平位移(cm)7.65.13.83.02.5安全系數(shù)安全系數(shù)1.62 1.62 1.62 1.62 1.62表表1 不同彈性模量的計算結(jié)果不同彈性模量的計算結(jié)果巖土的彈性模量很難測準(zhǔn)，嚴(yán)重影響計算結(jié)果巖土的彈性模量很難測準(zhǔn)，嚴(yán)重影響計算結(jié)果MPa類圍巖不同斷面的相對收斂位移界限規(guī)范類圍巖不同斷面的相對收斂位移界限規(guī)范 三心圓拱三心圓拱扁平直墻拱扁平直墻拱窄高直墻拱窄高直墻拱小斷面小斷面57.55大斷面大斷面(101510)圍巖圍巖類別類別毛洞毛洞斷

10、面斷面部位部位隧洞斷面形狀隧洞斷面形狀三心圓三心圓直拱扁平直拱扁平直拱窄高直拱窄高小斷面小斷面大斷面大斷面拱頂拱頂0.290H0.559H0.257H0.481H0.164H0.310H0.134H0.258H側(cè)墻側(cè)墻0.350D0.672D0.192D0.362D0.472D0.896D0.212D0.410D圖圖1開挖后圍巖開挖后圍巖的塑性區(qū)的塑性區(qū) ( =0.20) 圖圖2開挖后圍巖開挖后圍巖 的塑性區(qū)的塑性區(qū) =0.25圖圖3開挖后圍巖開挖后圍巖 的塑性區(qū)的塑性區(qū) ( =0.30) 圖圖4開挖后圍巖開挖后圍巖 的塑性區(qū)的塑性區(qū) ( =0.35) 圖圖5開挖后圍巖開挖后圍巖 的塑性區(qū)的塑

11、性區(qū) ( =0.40)圖圖6開挖后圍巖開挖后圍巖 的塑性區(qū)的塑性區(qū) ( =0.45) 泊松比不易測準(zhǔn)，對塑性區(qū)大小影響很大泊松比不易測準(zhǔn)，對塑性區(qū)大小影響很大,但對平安系數(shù)影響很小但對平安系數(shù)影響很小0.200.250.300.350.400.45圍巖塑性區(qū)圍巖塑性區(qū)面積面積( ()294.5638.3912.858.968.718.68圍巖塑性區(qū)圍巖塑性區(qū)最大深度最大深度(m(m)14.006.262.761.571.281.20安全系數(shù)安全系數(shù)1.6241.6261.6251.6251.6261.627泊松比泊松比 ANSYS軟件軟件計算的塑性區(qū)計算的塑性區(qū) PLASIX軟件軟件計算的塑性

12、區(qū)計算的塑性區(qū) FLAC軟件軟件計算的塑性區(qū)計算的塑性區(qū) PLAXIS FLAC ANSYS分析軟件分析軟件ANSYS PLAXISFLAC圍巖塑性區(qū)面積圍巖塑性區(qū)面積( ()8.9624.7822.40圍巖塑性區(qū)最大圍巖塑性區(qū)最大深度深度(m(m)1.573.092.80安全系數(shù)安全系數(shù)1.621.601.64cctanarc()表表5 土體物理力學(xué)參數(shù)土體物理力學(xué)參數(shù)彈性彈性模量模量泊松比泊松比容容 重重粘聚力粘聚力內(nèi)摩內(nèi)摩擦角擦角( ) 抗拉抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度400.35170.05250.02()MPa3(/)KNm()MPa()MPa)(MPa表表6 不同矢跨比條件的下剪切平安系數(shù)不同矢跨

13、比條件的下剪切平安系數(shù) 、矢跨矢跨比比拱高拱高（m）只折減只折減 、 折減折減 、抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度00.01.721.731/60.51.711.711/31.01.671.681/21.51.641.642/32.01.591.59ccc不同矢跨比的剪切平安系數(shù)不同矢跨比的剪切平安系數(shù) ANSYS 、粘聚力粘聚力( )內(nèi)摩擦角內(nèi)摩擦角（ ）跨度跨度( m )拱高拱高( m )矢跨比矢跨比 剪切安全剪切安全系數(shù)系數(shù)0.052530.51/61.69(1.71)11/31.65(1.68)1.51/21.62(1.64)0.021830.51/60.9311/30.901.51/20.88兩種軟

14、件計算誤差小于兩種軟件計算誤差小于2%MPa老黃土中洞室平安，新黃土中洞室不平安老黃土中洞室平安，新黃土中洞室不平安開挖后的塑性區(qū)開挖后的塑性區(qū) 破壞時的塑性區(qū)破壞時的塑性區(qū) 拱高拱高0.5米米等效塑性應(yīng)變和潛在破裂面等效塑性應(yīng)變和潛在破裂面 開挖后的塑性區(qū)開挖后的塑性區(qū) 破壞時的塑性區(qū)破壞時的塑性區(qū) 等效塑性應(yīng)變和潛在破裂面等效塑性應(yīng)變和潛在破裂面 拱高拱高1米米開挖后的塑性區(qū)開挖后的塑性區(qū) 破壞時的塑性區(qū)破壞時的塑性區(qū) 等效塑性應(yīng)變和潛在破裂面等效塑性應(yīng)變和潛在破裂面 拱高拱高1.5米米(1) (1) 對初期支護(hù)：圍巖應(yīng)力釋放對初期支護(hù)：圍巖應(yīng)力釋放50%50%后，后，施加初期支護(hù)施加初期

15、支護(hù), ,要求圍巖具有要求圍巖具有1.151.151.201.20的的平安系數(shù)，初襯建議平安系數(shù)平安系數(shù)，初襯建議平安系數(shù)1.301.30左右左右, , 確保施工平安確保施工平安. .(2) (2) 對二次支護(hù)：在初期支護(hù)以后施加二對二次支護(hù)：在初期支護(hù)以后施加二襯，要求圍巖平安系數(shù)高于襯，要求圍巖平安系數(shù)高于1.151.151.201.20。對于襯砌按現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定平安系數(shù)大于對于襯砌按現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定平安系數(shù)大于2.02.02.42.4，確保長期平安，確保長期平安 表表 土膂力學(xué)物理參數(shù)土膂力學(xué)物理參數(shù)變形變形 模量模量泊泊松松比比容重容重粘聚力粘聚力內(nèi)摩內(nèi)摩 擦角擦角 抗拉抗拉 強(qiáng)度強(qiáng)度4

16、00.35170.05250.02圖圖 開挖后圍巖塑性區(qū)開挖后圍巖塑性區(qū)支護(hù)支護(hù)圍巖安全系數(shù)圍巖安全系數(shù)未支護(hù)時未支護(hù)時0.840.84采用強(qiáng)度折減法求圍巖平安系數(shù)采用強(qiáng)度折減法求圍巖平安系數(shù)n彎矩圖 軸力圖襯砌平安系數(shù)無初期支護(hù)時無初期支護(hù)時, ,襯砌構(gòu)造平安系數(shù)表襯砌構(gòu)造平安系數(shù)表襯襯砌厚砌厚度度h/m開挖開挖后應(yīng)后應(yīng)力釋力釋放率放率最不最不利利位置位置彎距彎距/(KNm軸軸力力/MN偏心偏心距距e0/m襯砌襯砌安全安全系數(shù)系數(shù)圍巖圍巖安全安全系數(shù)系數(shù)0.25 50%拱腳拱腳4282.74 0.151.621.22表表 襯砌以及圍巖平安系數(shù)表襯砌以及圍巖平安系數(shù)表初期支初期支護(hù)應(yīng)力護(hù)應(yīng)力釋

17、放率釋放率二次襯二次襯砌應(yīng)力砌應(yīng)力釋放率釋放率最不最不利利位置位置彎距彎距/(KNm)軸力軸力/MN偏心偏心距距襯砌襯砌安全安全系數(shù)系數(shù)圍巖圍巖安全安全系數(shù)系數(shù)初期初期 50%1.32 1.21二次二次50%0拱腳拱腳5191.620.3203.21 1.42洞跨洞跨12m12m初襯厚度初襯厚度為為30cm30cm二襯厚度二襯厚度60cm60cm老黃土老黃土, C= 0.05 = 25, C= 0.05 = 25新黃土新黃土, C= 0.022 = 20, C= 0.022 = 20 老黃土襯砌以及圍巖平安系數(shù)表老黃土襯砌以及圍巖平安系數(shù)表初期支護(hù)初期支護(hù)應(yīng)力釋放應(yīng)力釋放率率二次襯砌二次襯砌應(yīng)

18、力釋放應(yīng)力釋放率率彎彎距距/(KNm)軸力軸力/MN偏偏心心距距e0/m襯砌襯砌安全安全系數(shù)系數(shù)圍巖圍巖安全安全系數(shù)系數(shù)0（未支護(hù)）（未支護(hù)）0.750（只加錨桿）（只加錨桿）0.8350%（加錨（加錨桿）桿）0（不做（不做二襯）二襯）470.9034.460.1061.951.18初期支護(hù)平安系數(shù)初期支護(hù)平安系數(shù)50%（加錨（加錨桿）桿）二襯二襯厚厚40cm016303.060.5333.15 1.3150%（加錨（加錨桿）桿）二襯二襯厚厚60cm023603.430.6883.60 1.37初期支初期支護(hù)應(yīng)力護(hù)應(yīng)力釋放率釋放率二次襯砌二次襯砌應(yīng)力釋放應(yīng)力釋放率率彎距彎距/(KNm)軸力軸力/MN偏心偏心距距e0