第3講-地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題2ppt課件

1、l1、地質(zhì)分析法l2、工程類(lèi)比法l3、巖體結(jié)構(gòu)分析法l4、數(shù)值分析法l5、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法l通過(guò)地質(zhì)勘測(cè)手段，了解與圍巖穩(wěn)定有關(guān)的巖石、巖體特性，區(qū)域與局部地質(zhì)構(gòu)造、巖體地應(yīng)力場(chǎng)、地下水等等幾個(gè)主要因素的特點(diǎn)，通過(guò)區(qū)域綜合分析，確定洞室穩(wěn)定性。l這往往是地質(zhì)人員使用的主要方法l根據(jù)擬建的工程區(qū)域的地質(zhì)條件、巖體特性和工程特征，通過(guò)與類(lèi)似條件下已經(jīng)建成的、成功或失敗的地下工程實(shí)例的對(duì)比，進(jìn)行驗(yàn)算和綜合分析，從而判斷擬建的地下結(jié)構(gòu)工程的圍巖穩(wěn)定性。l了解巖體結(jié)構(gòu)和弱面強(qiáng)度性質(zhì)，以及地應(yīng)力分布情況后，可根據(jù)地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案確定所謂“工程力”，即由施工開(kāi)挖、建造引起的卸載或加載力。l再借助赤平

2、極射投影、實(shí)體比例投影、或塊體坐標(biāo)投影法等進(jìn)行圖解分析，初步從幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)學(xué)角度判斷巖塊的穩(wěn)定。l在上述步驟的基礎(chǔ)上，再采用極限平衡理論，對(duì)由“弱面和凌空面組成的“可能的布穩(wěn)定塊體進(jìn)行穩(wěn)定性校核計(jì)算，求出塊體上的抗滑力和滑動(dòng)力之間的比值，即得到塊體的穩(wěn)定安全系數(shù)。l這種方法實(shí)際上也形成了數(shù)值方法中的塊體分析理論的基礎(chǔ)。l(1)數(shù)值分析方法的類(lèi)型l伴隨電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)數(shù)值分析方法，現(xiàn)在已經(jīng)成為地下洞室圍巖穩(wěn)定分析的最重要的手段之一，在近三十年的時(shí)間里，發(fā)展速度之快、應(yīng)用范圍之廣都是驚人的。用于連續(xù)介質(zhì)的有：有限單元法FEM）、邊界單元法(BEM)、拉格郎日元法(FLAC

3、，F(xiàn)ast Lagrangion Analysis for Continua, 2D and 3D)；l用于非連續(xù)介質(zhì)的有：關(guān)鍵塊體理論KBT, Key Block Theory）、離散元法(DEM, Discrete Element Method)、不連續(xù)變形分析法(DDA, Discontinued Deformation Analysis)；可同時(shí)用于連續(xù)介質(zhì)和非連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值流形法(MEM, Numerical Manifold Method )等等。l上述各種方法之間的耦合方法(Coupling)，基于逆向思維而提出的上述各種方法的反演分析(Inverse Analysis)方法，以

4、及與優(yōu)化理論相結(jié)合的反饋分析(Feedback Analysis ) 方法，目前也在地下洞室穩(wěn)定分析中得到廣泛的應(yīng)用。但是，應(yīng)用最廣、最可靠、結(jié)果最穩(wěn)定的還當(dāng)屬有限元方法。l(a)二維分析時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)廠區(qū)的地質(zhì)資料做好廠房橫剖面的選定工作，要注意尋找最危險(xiǎn)的地質(zhì)橫剖面，尤其應(yīng)注意那些不利的地質(zhì)構(gòu)造面的位置。l (b)根據(jù)地質(zhì)資料，確定巖體及構(gòu)造面的力學(xué)參數(shù)，及可能的變動(dòng)范圍。 l(c)地應(yīng)力的確定，可根據(jù)有限的地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料對(duì)廠區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)作回歸分析，結(jié)果正確與否，在于對(duì)試驗(yàn)洞或初期開(kāi)挖階段實(shí)測(cè)位移的擬合情況。l(d)由于巖體類(lèi)型的差異，其變形及強(qiáng)度性質(zhì)干變?nèi)f化，相應(yīng)的本構(gòu)模型也種類(lèi)繁多。所

5、用有限元程序的本構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)則應(yīng)能模擬巖體的實(shí)際情況。理想的模擬比較困難，但應(yīng)使模型和巖體實(shí)測(cè)資料在大部分巖體的工作范圍內(nèi)可較好地?cái)M合。l數(shù)值方法研究的最新進(jìn)展不但體現(xiàn)在對(duì)較為成熟的數(shù)值方法，如有限元、邊界元、離散元法等的不斷更新和發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有大型商業(yè)程序的二次開(kāi)發(fā)，同時(shí)也體現(xiàn)在不斷有新的算法和程序的出現(xiàn)。如對(duì)三維離散元和三維DDA程序成功開(kāi)發(fā)，以及剛體有限元法、廣義有限元法、運(yùn)動(dòng)單元法、界面元法、無(wú)單元法的提出等等。用于系統(tǒng)優(yōu)化和人工智能方法的遺傳算法、蟻群算法、細(xì)胞發(fā)生器算法和模擬退火算法等等。 l試驗(yàn)研究方法包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法和室內(nèi)模型試驗(yàn)方法，也是保證地下工程正確設(shè)計(jì)、安全施工的必不可

6、少的一種研究方法。它與數(shù)值計(jì)算方法相輔相成，互相驗(yàn)證，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。近年來(lái)也有很大進(jìn)展。l大型三軸剛性伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)已經(jīng)較廣泛地用于巖石材料全應(yīng)力路徑參數(shù)測(cè)定。電鏡掃描和CT技術(shù)已用于巖體材料的微觀或細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究。l各種地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，如應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)變解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、X射線法、重力法等也廣泛應(yīng)用于地下洞室工程。 l就二維和三維物理模型試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，由于模型是真實(shí)的客觀物理實(shí)體，更能真實(shí)地全面地反映出各種結(jié)構(gòu)在空間和時(shí)間上的相對(duì)關(guān)系，以及它們?cè)谑┕せ蜻\(yùn)行過(guò)程模擬中的力學(xué)性征，因而歷來(lái)在水利水電工程設(shè)計(jì)中受到重視。水力學(xué)模型試驗(yàn)、泥沙模型試驗(yàn)、研究壩體和基礎(chǔ)共同作用的地

7、質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)等，已經(jīng)有了較為成熟的試驗(yàn)技術(shù)，并取得了豐富的成果。 l即按照一定的相似理論，采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒牧?，模擬實(shí)際的巖體結(jié)構(gòu)、材料特性、地應(yīng)力場(chǎng)分布和地下結(jié)構(gòu)工程開(kāi)挖及支護(hù)方式。通過(guò)接觸或非接觸測(cè)量手段，了解地下結(jié)構(gòu)圍巖的變形分布、應(yīng)力分布、屈服破壞形態(tài)和破壞過(guò)程，從而對(duì)地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。l但是地下洞室工程的模型試驗(yàn)卻由于難度太大而相對(duì)發(fā)展較慢。以往的地下工程的模型試驗(yàn)規(guī)模很小，大都是二維的，試驗(yàn)條件也進(jìn)行了很大的簡(jiǎn)化。例如1985年進(jìn)行的二灘地下廠房的二維平面應(yīng)變模型試驗(yàn)，模型幾何比尺為1:350，應(yīng)力場(chǎng)是均勻應(yīng)力場(chǎng)，模型平面倒置在地面，不考慮自重應(yīng)力等。還有的模型洞室是事

8、先制作好的，洞室內(nèi)部充填剛性塊體，模擬開(kāi)挖時(shí)，將塊體逐一抽出。這些當(dāng)然都與工程實(shí)際相差過(guò)大。究其原因，最主要的則是模擬地下洞室施工過(guò)程的三維模型試驗(yàn)難度太大。例如三維地應(yīng)力場(chǎng)的模擬原理和技術(shù)、洞室群開(kāi)挖尤其是內(nèi)部洞室隱蔽開(kāi)挖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)、內(nèi)部物理量量測(cè)方法等等，因而幾十年來(lái)一直沒(méi)有顯著進(jìn)展。 l由于地下水電站向超大型、多洞室、高地應(yīng)力方向的發(fā)展，進(jìn)行地下廠房洞室群大型三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)這一極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，提到了議事日程。l國(guó)家電力公司成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院和清華大學(xué)水利水電工程系在這一點(diǎn)上達(dá)成共識(shí)，為開(kāi)展超大型地下洞室群三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究工作創(chuàng)造了條件。 l通過(guò)發(fā)揮清華大學(xué)綜合性大學(xué)的優(yōu)勢(shì)

9、，與清華大學(xué)機(jī)械學(xué)院、中國(guó)水科院以及國(guó)際研究機(jī)構(gòu)合作，采用離散化多主應(yīng)力面三維加載系統(tǒng)、步進(jìn)機(jī)械臂和微型掘進(jìn)機(jī)技術(shù)、微型高精度位移量測(cè)技術(shù)、聲波測(cè)試技術(shù)、光纖測(cè)量及內(nèi)窺攝影技術(shù)等，解決了地下洞室群地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中的復(fù)雜三維地應(yīng)力場(chǎng)仿真、隱蔽開(kāi)挖模擬及內(nèi)部量測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，取得了突破性重要成果。 l對(duì)于中等強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面不發(fā)育的較完整巖體，可以看作均質(zhì)、各向同性材料；如果地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，可以作如下經(jīng)驗(yàn)判斷設(shè)巖體強(qiáng)度為Ro，自重應(yīng)力為oh）條件穩(wěn)定性支護(hù)措施o/Ro 0.120.15穩(wěn)定薄層噴砼510cm0.12 o/Ro 0.3基本穩(wěn)定噴砼1015cm0.3 o/Ro 0.5臨界狀態(tài)錨桿

10、掛網(wǎng)噴砼15cmo/Ro 0.5不穩(wěn)定封閉式鋼筋砼襯砌l為保證施工的安全和地下結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定，適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)是完全必要的。l近30年來(lái)，對(duì)支護(hù)的認(rèn)識(shí)發(fā)生了革命性的改變，過(guò)去盛行了50多年的普氏理論被新奧法的新概念所代替。人們認(rèn)識(shí)到支護(hù)并非唯一的保持地下結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定的手段，發(fā)揮圍巖的自承能力，使支護(hù)與圍巖相互作用，共同形成穩(wěn)定的復(fù)合承載環(huán)，才是最為經(jīng)濟(jì)有效的支護(hù)方式。l但是究竟采用哪一種支護(hù)方式，應(yīng)該視地質(zhì)構(gòu)造、巖體強(qiáng)度、原始應(yīng)力、洞室布置的不同而分別考慮。l一般支護(hù)型式有三種：l1、柔性支護(hù)l2、剛性支護(hù)l3、復(fù)合型支護(hù)l如噴砼、鋼纖維噴砼、鋼筋網(wǎng)噴砼、自應(yīng)力錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索等等，以及

11、它們的組合l如現(xiàn)澆混凝土襯砌、鋼筋混凝土襯砌、預(yù)制鋼筋混凝土襯砌管片、鋼拱架配合較厚的噴混凝土等剛度很大的支護(hù)l即采用柔性支護(hù)作為初期支護(hù)或稱(chēng)為一次支護(hù)，以保證施工期的穩(wěn)定和安全；待圍巖變形趨于穩(wěn)定后，采用剛性支護(hù)作為永久性支護(hù)或稱(chēng)為二次支護(hù)，以保證運(yùn)行期的長(zhǎng)期穩(wěn)定，同時(shí)增加運(yùn)行人員的安全感。對(duì)過(guò)水隧洞則又起到減少糙率的作用。l1、系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)是根據(jù)地質(zhì)條件、巖石分類(lèi)和工程規(guī)模等指標(biāo)，不作精確的計(jì)算，采用工程類(lèi)比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出噴砼的厚度、錨桿的長(zhǎng)度、間距、直徑、布置方式、預(yù)應(yīng)力值一般給張力值，以噸為單位等。l2、隨機(jī)支護(hù)則是在施工過(guò)程中根據(jù)新揭示的地質(zhì)現(xiàn)象、巖體材料性質(zhì)以及施工監(jiān)測(cè)資料等數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行的修正、補(bǔ)充或緊急處理措施。一般通過(guò)監(jiān)測(cè)反饋分析結(jié)論作出。l1、一般首先考慮柔性支護(hù)l2、完整堅(jiān)硬的巖體一般主要控制表面松動(dòng)的巖塊，選用柔性支護(hù)，特別注意應(yīng)力集中部位和拉應(yīng)力區(qū)的支護(hù)適當(dāng)加強(qiáng)l3、軟弱破碎、節(jié)理裂隙密集發(fā)育的巖體