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:開挖前天然應(yīng)力開挖后重分布應(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)的巖體稱圍巖。開挖洞室，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)力計算示意圖巖土工程勘察第三章地下建筑工程勘察說明：天然應(yīng)力狀態(tài)時，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，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)力開挖后洞壁處應(yīng)力集中最大。當(dāng)洞壁應(yīng)力超過巖體的屈服極限時，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所謂塑性松動圈洞室圍巖中出現(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，塑圈上重分布應(yīng)力為：此組公式說明：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)圍巖分類第5節(jié)圍巖壓力第6節(jié)圍巖穩(wěn)定性評價第7節(jié)地下工程地質(zhì)超前預(yù)報第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，抓變形破壞的始發(fā)點(diǎn)，連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)。預(yù)測發(fā)展規(guī)律，早期處理、控制，以確保圍巖穩(wěn)定性。開挖，洞壁圍巖失去支撐，向洞內(nèi)松脹，變形超過強(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：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4崩塌破壞形式：巖爆-高地應(yīng)力區(qū)開挖使應(yīng)力高度集中，突發(fā)破壞。脆性開裂-拉應(yīng)力集中部位，λ<1/3時，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斷層帶遇斷層破碎帶塌方巖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

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