地下工程-應(yīng)力變形破壞

第四章地下工程4.2圍巖應(yīng)力分布4.2圍巖應(yīng)力分布巖體中天然應(yīng)力圍巖中重分布應(yīng)力彈性狀態(tài)--圍巖范圍--天然應(yīng)力比λ值出現(xiàn)塑性變形圈的重分布應(yīng)力圍巖應(yīng)力可分為:開(kāi)挖前天然應(yīng)力開(kāi)挖后重分布應(yīng)力支襯后調(diào)整應(yīng)力一、巖體中天然應(yīng)力開(kāi)挖前應(yīng)力為初始應(yīng)力→自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力第2節(jié)地下建筑圍巖應(yīng)力分布一、巖體中天然應(yīng)力開(kāi)挖前應(yīng)力為初始應(yīng)力?！话闱闆r：構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)的地區(qū)：自重應(yīng)力自重應(yīng)力（垂向）：構(gòu)造應(yīng)力（水平向）：構(gòu)造應(yīng)力巖土工程勘察第三章地下建筑工程勘察應(yīng)力重分布范圍內(nèi)的巖體稱(chēng)圍巖。開(kāi)挖洞室，應(yīng)力平衡被打破，圍巖向洞內(nèi)松脹位移，引起一定范圍內(nèi)應(yīng)力調(diào)整，使天然應(yīng)力大小、方向和性質(zhì)改變，達(dá)到新的平衡。二、圍巖中重分布應(yīng)力地下建筑穩(wěn)定性主要取決于圍巖穩(wěn)定性。⑴圓形洞室—圍巖中一點(diǎn)的重分布應(yīng)力(按平面問(wèn)題考慮)σr--徑向應(yīng)力σθ--環(huán)向應(yīng)力τrθ

--剪應(yīng)力θ-極角

r--極距

R0--洞徑1、開(kāi)挖后圍巖保持彈性狀態(tài)的重分布應(yīng)力(4-1)圓形洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算示意圖巖土工程勘察第三章地下建筑工程勘察說(shuō)明：天然應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，σθ

：最大主應(yīng)力；σr：最小主應(yīng)力。隨r值增，σr增大，σθ減小令r=R0

有即僅有σθ作用（單向狀態(tài)），則洞壁上應(yīng)力為：當(dāng)λ=1即：時(shí)，有：即6倍洞徑范圍內(nèi)巖體為圍巖。當(dāng)r=6R0,（天然應(yīng)力狀態(tài)）(4-2)隨r值增，σr增大，σθ減小圓形洞室周邊應(yīng)力分布圖6倍洞徑范圍內(nèi)巖體為圍巖。圍巖破壞自洞壁始，向內(nèi)（深部）發(fā)展。應(yīng)力重分布特征：環(huán)向應(yīng)力增或減，并出現(xiàn)拉應(yīng)力；產(chǎn)生分異現(xiàn)象，徑向應(yīng)力趨于零；洞周應(yīng)力差最大（拉應(yīng)力集中）。洞頂?shù)壮霈F(xiàn)拉應(yīng)力；洞壁圍巖內(nèi)σθ全為壓應(yīng)力洞室側(cè)壁出現(xiàn)拉應(yīng)力，洞頂?shù)壮霈F(xiàn)較高壓應(yīng)力集中。取不同的λ值，洞壁應(yīng)力狀態(tài)不同。14σv-2σv511σv-σv48σv035σvσv22σv2σv108/3σv1/3-σv3σv090°，270°0°，180

σθ

θ

λσθ

隨λ變化曲線正方形-4個(gè)角點(diǎn)應(yīng)力集中最大；矩形-角點(diǎn)、短邊中點(diǎn)應(yīng)力增；圓形洞室最有利橢圓-長(zhǎng)軸兩端點(diǎn)應(yīng)力集中（壓），易出現(xiàn)壓碎破壞，短軸兩端點(diǎn)易出現(xiàn)拉斷破壞；總特點(diǎn)--⑵其他洞形⑶相鄰洞室的影響--相鄰洞室引起應(yīng)力集中增高，對(duì)穩(wěn)定不利，應(yīng)設(shè)置安全距離。拐點(diǎn)處，存在較大應(yīng)力集中。規(guī)律：引入應(yīng)力集中系數(shù)，則：圓形：⑵其他洞形各種不同斷面洞室周邊應(yīng)力分布圖“+”為壓應(yīng)力；“-”為拉應(yīng)力開(kāi)挖后洞壁處應(yīng)力集中最大。當(dāng)洞壁應(yīng)力超過(guò)巖體的屈服極限時(shí)，洞壁圍巖由彈性轉(zhuǎn)為塑性，隨半徑r增大，σr

漸增，應(yīng)力狀態(tài)由洞壁處單向轉(zhuǎn)為雙向，至一定距離圍巖由塑性轉(zhuǎn)為彈性，最終形成塑形圈和彈性圈。2、開(kāi)挖后出現(xiàn)塑性變形圈的重分布應(yīng)力在圍巖中形成一個(gè)所謂塑性松動(dòng)圈洞室圍巖中出現(xiàn)非彈性變形區(qū)后應(yīng)力重分布塑圈內(nèi)應(yīng)力釋放而明顯降低，最大應(yīng)力集中由洞壁移至塑圈彈圈交界處。彈性區(qū)應(yīng)力明顯增高，區(qū)外為天然應(yīng)力狀態(tài)。即：R0處σr值由pi（支護(hù)反力）增至σ0（彈性圈外）；σθ

由pi突增至2σ0

（塑性圈外界），再降至σ0

（彈性圈界）。當(dāng)洞壁支護(hù)為

pi時(shí)，塑圈上重分布應(yīng)力為：此組公式說(shuō)明：塑彈交界面上的應(yīng)力取決于天然應(yīng)力σ0

和巖體強(qiáng)度c、φ值，與支護(hù)力pi無(wú)關(guān)。即：支護(hù)力不能改變交界面上的應(yīng)力，只能控制塑性松動(dòng)圈半徑R1的大小。由前組公式可知：塑圈內(nèi)的應(yīng)力與巖體天然應(yīng)力無(wú)關(guān)，而取決于支護(hù)力pi和圈內(nèi)巖體的強(qiáng)度c、φ值。塑彈交界處（r=R1)：

第四章地下工程第1節(jié)概述第2節(jié)圍巖應(yīng)力分布第3節(jié)圍巖變形破壞第4節(jié)圍巖分類(lèi)第5節(jié)圍巖壓力第6節(jié)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)第7節(jié)地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)第3節(jié)圍巖變形破壞變形破壞特征取決于圍巖應(yīng)力狀態(tài)，巖體結(jié)構(gòu)及洞室斷面形狀等。各種圍巖的變形破壞都是漸進(jìn)發(fā)展的。分析時(shí)，抓變形破壞的始發(fā)點(diǎn)，連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)。預(yù)測(cè)發(fā)展規(guī)律，早期處理、控制，以確保圍巖穩(wěn)定性。開(kāi)挖，洞壁圍巖失去支撐，向洞內(nèi)松脹，變形超過(guò)強(qiáng)度極限，圍巖發(fā)生破壞。破壞形式--圍巖變形、失穩(wěn)破壞受巖體結(jié)構(gòu)控制，大致可分為：脆性破裂：整體結(jié)構(gòu)或塊狀結(jié)構(gòu)—巖爆塊體運(yùn)動(dòng)：塊狀結(jié)構(gòu)巖體彎曲折斷破壞：層狀結(jié)構(gòu)，尤其是有軟弱夾層的互層巖體松動(dòng)解脫：碎裂結(jié)構(gòu)巖體塑性變形和剪切破壞：散體結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu)第3節(jié)圍巖變形破壞1塊體滑移2拱形冒落3滑動(dòng)4崩塌破壞形式：巖爆-高地應(yīng)力區(qū)開(kāi)挖使應(yīng)力高度集中，突發(fā)破壞。脆性開(kāi)裂-拉應(yīng)力集中部位，λ<1/3時(shí)，洞頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，易形成塌方。塊體滑移-結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定塊，滑出。受控于結(jié)構(gòu)面性狀。一、整體狀、塊狀巖體圍巖：堅(jiān)硬巖塊體滑移1-層面；2-斷裂；3-裂隙第3節(jié)圍巖變形破壞常為軟硬互層巖體。破壞形式—結(jié)構(gòu)面-層理面、其他軟弱結(jié)構(gòu)面水平巖層-頂部折斷塌落，形成三角形塌落區(qū)。傾斜巖層-一側(cè)彎曲塌落，另側(cè)為塊體滑移。直立巖體-洞頂受拉，塌落；側(cè)墻彎折內(nèi)鼓，發(fā)展危及洞頂。二、層狀巖體圍巖--張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓。斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生夾泥的巖體。塌方、滑動(dòng)破壞規(guī)模取決于破碎程度及夾泥多少。破壞形式—三、碎裂狀巖體圍巖：碎裂巖體塌方示意圖拱形冒落局部塌方造成偏壓側(cè)鼓底鼓強(qiáng)烈構(gòu)造破碎和強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體或新近堆積的土體。破壞形式—拱形冒落、局部塌方、塑性擠入、滑動(dòng)四、松散狀巖體圍巖：松散圍巖變形破壞形式京西煤礦某巷道底圍鼓脹示意圖a-底圍鼓脹；b-側(cè)圍突出與底圍鼓脹底圍隆鼓1944年3月1944年6月圍巖縮徑示意圖沿碎裂巖體沿?cái)鄬訋в鰯鄬悠扑閹綆r爆示意圖下游壁圓形巖爆坑，剪張性破裂面下游壁巖爆的彎曲折斷現(xiàn)象破裂面呈階梯狀、弧形

錦屏二級(jí)電站巖爆特征巖堆蠕動(dòng)造成偏壓及處理措施高場(chǎng)山隧道