隧道支護(hù)體系的巖石力學(xué)PPT課件

1、第十章 隧道支護(hù)體系的巖石力學(xué)計(jì)算方法 剪切滑移破壞法是以構(gòu)造巖體破壞形態(tài)決定支護(hù)體系承載能力的，方法極其簡(jiǎn)單。但這種簡(jiǎn)化不是從空洞的推理來(lái)取得的，而是通過(guò)對(duì)工程破壞的考察及模型試驗(yàn)結(jié)果提出的，它在實(shí)踐中獲得較廣泛的應(yīng)用。這個(gè)方法的實(shí)質(zhì)是:通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞很少是由于彎曲而造成的，一般是由于側(cè)壁的剪切破壞，然后按側(cè)壁荷載和剪切破壞阻力之間的平衡進(jìn)行計(jì)算。 數(shù)值分析法對(duì)分析整個(gè)支護(hù)體系的穩(wěn)定性具有理論的意義，它可以考慮較多的初始條件和巖體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的特征，同時(shí)可以用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，如無(wú)拉分析、粘彈性分析、三維的空間效應(yīng)分析等。但這些分析都是在一定的前提下進(jìn)行的，只有前提是正確的或者是

2、可以接受的，計(jì)算結(jié)果才可能是值得信賴的。此部分內(nèi)容可參閱專門文獻(xiàn)。第1頁(yè)/共24頁(yè)10-1剪切滑移破壞法 Rabcewicz指出過(guò)去一向是把撓曲破壞視為襯砌破壞的主要形態(tài)，實(shí)際上發(fā)現(xiàn)剪切破壞才是崩潰的唯一方式。 1966年Rabcewicz進(jìn)行的試驗(yàn)（圖10-2）。 此次和其他類似的試驗(yàn)，剪切破壞前都沒(méi)有出現(xiàn)最輕微的撓曲開(kāi)裂。 國(guó)內(nèi)的JL組試驗(yàn)也有類似的結(jié)果，這說(shuō)明柔性支護(hù)破壞的主要形態(tài)是剪切破壞。 應(yīng)該指出，這種破壞還與巖體破壞的形態(tài)有關(guān)。 由于坑道開(kāi)挖，巖體的破壞如圖10-3所示。首先兩側(cè)壁的楔形巖塊由于剪切而分離，并向著空洞方向移動(dòng)，之后，上部和下部巖體由于楔形巖塊的滑移，失去支承力造成

3、空洞尺寸加大，使上下巖體向坑道內(nèi)撓曲，甚至移動(dòng)。 依上所述，用剪切滑移法進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是按下述原則進(jìn)行的: 1.坑道周圍形成塑性滑移楔體，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的剪切破壞； 2.支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖粘結(jié)緊密，兩者共同工作，形成無(wú)彎矩結(jié)構(gòu)； 3.由錨桿、鋼支撐、噴混凝土等所提供的支護(hù)阻力恰恰是與塑性滑移楔體之滑移力達(dá)成一干衡時(shí)所需要的。第2頁(yè)/共24頁(yè)第3頁(yè)/共24頁(yè)10-1剪切滑移破壞法 巖體產(chǎn)生剪切滑動(dòng)的條件是：在通過(guò)最大主應(yīng)力 和最小主應(yīng)力 兩點(diǎn)的摩爾應(yīng)力圓與摩爾滑動(dòng)包絡(luò)線相切時(shí)發(fā)生(圖10-4)。這時(shí)作用于滑面上的正應(yīng)力 和剪應(yīng)力 分別等于切點(diǎn)B的坐標(biāo)值?；媾c 作用方向的夾角為 。若摩爾滑動(dòng)包絡(luò)線為

4、一直線，則 為一定值。等于 。如圖10-5 所示，在隴道中心沿垂直線作 角的直線與隧 道表面交于點(diǎn)A,由此出發(fā)繪出與巖體的同心圓 成 角的曲線，即為隧道側(cè)壁巖體的滑移面， 如以極坐標(biāo)表示，該曲線的方程為： 為了阻止這個(gè)楔體滑移，需要修筑相應(yīng)的支護(hù) 結(jié)構(gòu)。設(shè)用錨桿、鋼支撐、噴混凝土等組合支 護(hù)，如圖10-5所示。13nn1a/4/2exptan2cosrab(10 1)圖10-4第4頁(yè)/共24頁(yè)10-1剪切滑移破壞法 圖10-5第5頁(yè)/共24頁(yè)10-1剪切滑移破壞法 噴混凝上的支護(hù)阻力可如下確定。設(shè)沿滑體給與噴層的水平推力為 ，面沿噴層剪切面的杭剪阻力為 ，則 而 因?yàn)?式中， 為噴層的剪切角、

5、抗剪強(qiáng)度及厚度。 故 通常令 。pT2spT20sin2cos2sppdbp apsinssssdTssds、 、2psinssssdb(102)ssos=30 、=0.43第6頁(yè)/共24頁(yè)10-1剪切滑移破壞法 鋼支撐的支護(hù)阻力亦可根據(jù)同詳方法求出， 式中， 為鋼材的剪切角、抗剪強(qiáng)度及每米隧道的鋼材當(dāng)量面積。 一般采用450 。 錨桿所提供的支護(hù)阻力 計(jì)算如下： 設(shè)錨桿間距為 和 則錨桿的平均徑向支護(hù)阻力 為： 式中， 為錨桿斷面積； 為錨桿抗拉強(qiáng)度。 由此可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)合支護(hù)時(shí)提供的支護(hù)阻力 為：2psinstststsFb(103)ststFst、stApetAppAAAFe t(10

6、4)AFAapasstApppp第7頁(yè)/共24頁(yè)10-1剪切滑移破壞法 巖體的抗滑阻力，實(shí)質(zhì)上是巖體本身所提供的支護(hù)阻力 。如設(shè)剪切滑面長(zhǎng)度為 ，沿滑面的剪切應(yīng)力為 ，正應(yīng)力為 則知 式中 為剪切滑面的平均傾角， (10 -5)式的 和 可按摩爾包絡(luò)線為直線的假定求出，設(shè)粘結(jié)力為 ，內(nèi)摩擦角為 則知又上式的 ，可用下式表達(dá)wpsnn2cos2sinnnwsspbb(105)nn0()/2c131313cos2sin22nn1331 sin2(tan )cosc(106)第8頁(yè)/共24頁(yè)10-1剪切滑移破壞法 一般說(shuō)，式中的 ，則是由各種支護(hù)結(jié)構(gòu)分別提供的。 于是，由巖體和初次襯砌所提供的總支護(hù)

7、阻力為： 這個(gè)數(shù)值應(yīng)滿足下述不等式3asstAwppppp(107)minarap第9頁(yè)/共24頁(yè)10-2 特征曲線法 特征曲線法的基本原理是利用巖體特征曲線和支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線交會(huì)的辦法來(lái)決定支護(hù)體系的最佳平衡條件(圖10-6)。式中 架設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間后達(dá)到平衡時(shí)的位移; 支護(hù)結(jié)構(gòu)參與工作前坑道周邊的初始位移; 支護(hù)結(jié)構(gòu)在平衡壓力尸作用下的位移。 圖10-6opuuuuoupu第10頁(yè)/共24頁(yè)10-2 特征曲線法 此方法的關(guān)鍵是合理地確定這兩條曲線的基本性質(zhì)及其隨一些因素的變化以及由兩者相互作用所決定的最佳平衡條件。顯然，圖10-6的概念是明確的，但其內(nèi)在含意是廣泛的.以巖體特征曲線為

8、例，其形態(tài)不僅受到巖體性質(zhì)(瞬時(shí)的及長(zhǎng)期的)、巖體構(gòu)造的影響，還受到施工技術(shù)(對(duì)巖體強(qiáng)度損害程度的影響) 等的影響，其形態(tài)可能是各式各樣的(圖10-7)。例如圖10-7 (1)是代表彈性巖體的，圖10-7 (2)是代表彈塑性巖體的。圖10-7(4)是代表彈塑一剛塑性巖體的。因此，掌握各種巖體的動(dòng)態(tài)是很重要的。 支護(hù)結(jié)構(gòu)的特征曲線也是這樣，視其材料、構(gòu)造也有不同的形態(tài)，例如噴混凝土支護(hù)和點(diǎn)式錨桿的特征曲線就很不相同(見(jiàn)圖10-8),顯然參照巖體特征曲線就可以合理地設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線，使兩者的平衡點(diǎn)(圖10-5上的A點(diǎn))處于最佳位置，即決定在圍巖初始位移 達(dá)到何值時(shí)施設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)。這祥也就具體地體

9、現(xiàn)了兩者的相互作用。 此外，這個(gè)方法還可考慮時(shí)間的影響，以及開(kāi)挖而附近的三維空間影響。ou第11頁(yè)/共24頁(yè)10-2 特征曲線法圖10-7圖10-8第12頁(yè)/共24頁(yè)10-2 特征曲線法 一、圍巖的破壞準(zhǔn)則或塑性判據(jù) 圍巖的破壞準(zhǔn)則是由其本構(gòu)方程決定的，在通常情況下，都采用摩爾一庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，即 在一些著作中，也有采用三軸試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方程的，即 (10-9)式為一拋物線。最簡(jiǎn)單的情況是采用Tpeck公式，即 當(dāng)采用的破壞判據(jù)不同時(shí)，獲得的計(jì)算塑性區(qū)半徑，各區(qū)域的應(yīng)力值及周邊位移的公式也將不同。因此，在特征曲線法中，加強(qiáng)對(duì)圍巖本構(gòu)方程的研究是很重要的。0bR (108)122()bbm Rs R(

10、109)2s(10 10)第13頁(yè)/共24頁(yè)10-2 特征曲線法二、圍巖特征曲線的類型及其表達(dá)式 應(yīng)該指出在前面的分析中是假定圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)后，圍巖性質(zhì)是不發(fā)生變化的，即按圖10-9的a線計(jì)算。顯然，通過(guò)上述分析，這個(gè)假定是不完全符合實(shí)際的。因此，在計(jì)算特征曲線時(shí)，應(yīng)該計(jì)及圍巖物性變化的影響。 在當(dāng)前的計(jì)算中，多數(shù)假定巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)后.圍巖性質(zhì)立即變化到可能的吸值，如圖10-9b線所示。實(shí)際上，巖性的陳化如圖10-9c線所示，是逐步發(fā)生的。 在當(dāng)前的計(jì)算中，多數(shù)假定巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)后.圍巖性質(zhì)立即變化到可能的吸值，如圖10-9b線所示。實(shí)際上，巖性的陳化如圖10-9c線所示，是逐步發(fā)生的。

11、圖10-9第14頁(yè)/共24頁(yè)10-2 特征曲線法當(dāng)考慮圍巖性質(zhì)變化時(shí)，在彈塑性邊界 處應(yīng)滿足下述條件。1.在彈性區(qū)2.在塑性區(qū)式中：3.在邊界上，徑向應(yīng)力相等，即在彈性區(qū)，于 處有應(yīng)滿足原狀圍巖的破壞準(zhǔn)則，即 則or0bR0ppbrR1 sin1 sin2cos1 sinbcR1 sin1 sin2cos1 sinrrrrbrrcR0reporr2pybR 002ybR 第15頁(yè)/共24頁(yè)10-2 特征曲線法所以在塑性區(qū)，于 處有整理后得，當(dāng)用 表示時(shí)，上式可以改寫成當(dāng)有支護(hù)阻力 時(shí)，上述兩式分別為：021ybRor011brorRra11021111rybrbrbrRRaRrcc、 、 、1

12、 sin2sin01 sincoscoscosyrrccac 110211111rybrbrarbrRRapRap第16頁(yè)/共24頁(yè)10-2 特征曲線法或在這種情況下， 與 之間的關(guān)系為：三、重力影響 在前面的所有分析中。都沒(méi)有考慮坑道一定范圍內(nèi)的巖體的重力影響(圖10-10）。當(dāng)考慮重力因素時(shí)，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力不再是主應(yīng)力，因而徑向和切向的平衡方程變?yōu)椋菏街校?巖石單位重量； 剪應(yīng)力。1 sin2sin01 sincoscoscosyrraccacp ap0r1 sin2sin0cos1 sincoscosaryrapccc 圖10-10cos02sin0rrrrr第17頁(yè)/共24頁(yè)10-

13、2 特征曲線法 由于對(duì)豎直軸對(duì)稱，故沿此對(duì)稱軸的平衡條件可簡(jiǎn)化為: 當(dāng)重力項(xiàng)與其他兩項(xiàng)相比很小時(shí)，可以忽略之。但由于隧道塑性區(qū)的發(fā)展，其他兩項(xiàng)的絕對(duì)值都迅速減小，因此，在這種情況下，忽略重力項(xiàng)會(huì)帶來(lái)較大的誤差，不宜再忽略之。 按前述的基本假定，當(dāng)考慮重力影響時(shí)，支護(hù)阻力 與塑性區(qū)半徑 之間的關(guān)系為：0rdrrdrip0r2sin1 sin03sin11 sin01 sincoscot1 sincot11 3sinrrrriyrrrrrrapccracar第18頁(yè)/共24頁(yè)10-2 特征曲線法 當(dāng)考慮重力因素時(shí).頂部和底部的支撐壓力有著明顯的不同，由圖10-11可見(jiàn)，考慮重力影響后，頂部和底部壓

14、力顯著不同。頂部壓力比底部壓力大得多。 因此，重力影響在下述場(chǎng)合不應(yīng)忽略： 1.淺埋隧道; 2.地質(zhì)條件較差，即 角較小的; 3.隧道尺寸較大的。圖10-11第19頁(yè)/共24頁(yè)10-2 特征曲線法 特性曲線法還能定性地說(shuō)明許多現(xiàn)象.例如:在計(jì)算中(應(yīng)力和位移)要考慮內(nèi)摩擦角的可能變化以及 與變形模量的關(guān)系，因?yàn)樘卣髑€由于內(nèi)摩擦角的不同而不同（圖10-12），位移值則與變形模量大小有直接關(guān)系;巖體力學(xué)試驗(yàn)?zāi)芙o出摩擦角和變形模量（ 模量)的關(guān)系。E圖10-12第20頁(yè)/共24頁(yè)10-2 特征曲線法 在新奧法中多數(shù)是在變形逐漸消失之后才修筑二次襯砌的，因此它不應(yīng)是承載的。但實(shí)際情況是：二次襯砌都是

15、在巖體變形還沒(méi)有完全消失的某一時(shí)間內(nèi)修筑的，因此必須搞清作用在二次襯砌上的荷載大小。以圖10-13為例，我們給出已知的支護(hù)阻力 ，設(shè)二次襯砌不是在變形。一條件下修筑的，而是在較早一些時(shí)間，即 時(shí)修筑的，此時(shí)巖體只能在較大的支護(hù)阻力 下才能穩(wěn)定，在摩擦角不變的情況下可求出此 。 由此得出二次襯砌上的荷載1apu1ap12aappp2ap圖10-13第21頁(yè)/共24頁(yè)10-2 特征曲線法 在一定狀態(tài)下巖體強(qiáng)度也會(huì)降低，因此，隨著時(shí)間，荷載要增大，例如滲水、震動(dòng)、支護(hù)阻力的損尖(錨桿失效)等都可使荷載增大。如圖10-14。 錨桿如果要長(zhǎng)期保留，一般應(yīng)灌漿。但是在有地下水的情況下，拱部錨桿灌漿是很困難的。此外。在大變形條件下灌漿會(huì)被破壞而使