地下結(jié)構(gòu)工程第講講稿六

5、圓形洞室圍巖塑性解采用摩爾－庫侖強度理論其它條件同彈性解列出微小單元的微分方程：消去d和高階無窮小量，得到：（-r)dr=rdr即：dr/r=dr/(-r)（A）這就是塑性區(qū)內(nèi)應力應滿足的微分方程根據(jù)摩爾圓與強度包線相切的關系可得出塑性區(qū)應力與強度的關系

整理后得：

（B）將(B)代入(A)，分離變量，兩邊積分,得到方程的通解

（C）將r＝a處的邊界條件r＝pb代入上式求出C1

將求出的C1代回C式，求出特解：

上述兩式給出了塑性區(qū)中任一點的應力值。以下求塑性區(qū)的半徑R，這要用到在此邊界上，應力表達式同時滿足塑性及彈性關系：r＋＝2p……………彈性

……塑性整理后得：解出支護力pb的表達式：

上式就是著名的Kastner公式還有兩個重要的物理量就是隧洞周邊及塑性區(qū)周邊的徑向位移：6、圓形洞室圍巖中的松弛壓力除了洞周圍巖的彈塑性變形產(chǎn)生對支護的壓力外，圍巖松動圈內(nèi)的巖石還會對支護產(chǎn)生所謂松弛壓力：1、pi=(R-a)(太保守，極值）2、科卡公式討論：松弛壓力與彈模E和泊松比無關松弛壓力與容重呈正比與地應力有無關系？與C、有什么關系？變形壓力與松弛之和為支護所受到的壓力。變形壓力隨洞周位移增大而減小，若想使位移趨于零，變形壓力會趨于無窮大松弛壓力隨洞周位移增大而增大，最大＝？時間因素的影響…巖體的流變由于巖體可能具有的流變性質(zhì)，實際工程中圍巖變形和松弛還與時間有關。圍巖流變性質(zhì)不明顯時，開挖后很快達到新的平衡，變形穩(wěn)定，不再增長。圍巖不好時，開挖后在一段時間內(nèi)變形逐漸增加，松弛壓力逐漸增加，因此有一個適時支護的問題。支護得太早，變位尚未充分發(fā)展，形變壓力會較大。支護得太晚，松弛范圍太大，松弛壓力太大。4.2影響地下結(jié)構(gòu)工程穩(wěn)定的主要因素

1、地應力2、巖體結(jié)構(gòu)和材料特性3、地下水的存在及其活動4、工程因素1、2、3是巖體內(nèi)在因素，或天然因素；4是外在因素

，或人為因素1、巖體原始應力場地應力是巖體中原已存在的應力。一般情況下，地應力很大的地區(qū)，對洞室圍巖穩(wěn)定不利。無論是選擇洞室位置還是決定洞軸方位，均應仔細考慮地應力。由于巖體構(gòu)造復雜，變化大，少數(shù)測點的地應力實測結(jié)果帶有一定的局限性，不一定能確切代表該區(qū)域的地應力狀態(tài)，因此，有人采用有限元回歸分析方法來推求某一區(qū)域的地應力場。以此作為洞室布置和圍巖穩(wěn)定分析的依據(jù)。巖體應立場是影響地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素，應該指出的是，各個應力分量的比值，比應力分量量值的大小對穩(wěn)定性起著更為關鍵的作用和影響。應力場的大小和分布規(guī)律是復雜的，往往難以準確確定。但是它對于地下結(jié)構(gòu)的位置、軸線的走向、斷面的形狀、結(jié)構(gòu)群體之間的相互關系的選擇，都有著決定性的作用。2、巖體結(jié)構(gòu)和材料特性現(xiàn)在常說的巖石力學，實際上早已擴展為巖體力學。巖體是一個復雜的結(jié)構(gòu)體，離彈塑性力學中所定義的均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的理想彈塑性體相去甚遠。巖體常為節(jié)理面，層面，片理面甚至斷層帶等結(jié)構(gòu)面所切割。這些結(jié)構(gòu)面的強度較低，是影響洞室穩(wěn)定的主要因素之一。這些軟弱結(jié)構(gòu)面常常分成很多組，各組的特點不同，即間距，連續(xù)性，寬度，充填情況，強度，成因都可能不同，要分辨其對洞室穩(wěn)定影響的程度，然后決定洞室的布置。要指出的是，被地質(zhì)構(gòu)造面所切割的危險塊體除受重力作用外，尚與構(gòu)造地應力相互影響，深埋洞室或水平構(gòu)造應力較大的情況下尤其如此。圍巖結(jié)構(gòu)的狀態(tài)通常分為整體狀，塊狀，層狀，互層簿層，碎裂結(jié)構(gòu)，散粒結(jié)構(gòu)等，圍巖的完整程度常用巖體完整性系數(shù)屬表示，它是巖體和巖石的彈性縱波速度之比。巖體的強度和變形指標是影響穩(wěn)定的主要指標，一般情況下，巖體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)是控制性的，單論巖塊強度的意義不大，只有對于整體狀結(jié)構(gòu)，巖體強度和巖塊強度才有相近之處。3、地下水的存在及其活動地下水的存在使洞室穩(wěn)定性惡化。地下水的滲透壓力對于洞室是不利荷載；地下水的長期作用又會使巖石軟化，泥化，降低其強度。尤其弱面中的填充物又容易被地下滲流溶蝕、帶走，形成空穴，造成巖體整體弱化。地下水的處理歷來是困難的令人頭痛的問題。4、工程因素包括地下結(jié)構(gòu)布置設計的合理性，洞室形狀、大小、洞群間距、開挖順序、支護措施等等是否得到充分的優(yōu)化。地質(zhì)條件越差，工程因素的影響就越突出。施工隊伍的技能、素質(zhì)、責任心和團隊精神、施工方法和機具的先進程度，施工管理水平等等。4.3地下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要型式1、局部失穩(wěn)2、整體失穩(wěn)3、塌方4、巖爆1、局部失穩(wěn)指地下結(jié)構(gòu)圍巖局部性破壞：發(fā)生在多組節(jié)理切割的較堅硬巖體中，一般是非擴展性的。當結(jié)構(gòu)面與臨空面切割巖體，形成不穩(wěn)定塊體時，容易產(chǎn)生此種破壞；要結(jié)構(gòu)面與開挖面平行或小角度相交時，易形成片幫、吊塊等局部失穩(wěn)破壞。采用錨固方式加固作用明顯。2、整體失穩(wěn)又稱為“強度破壞”，即由大范圍內(nèi)巖體的地應力值超過了圍巖允許的極限強度而引起的破壞。表現(xiàn)型式為大范圍坍塌、彎曲開裂、邊墻擠出、底板鼓起、斷面產(chǎn)生嚴重的收縮等。一般容易發(fā)生在地應力高且偏差應力大、巖體強度低的軟巖中。3、塌掙方指大規(guī)模牌巖體塌落喘、地下結(jié)遭構(gòu)完全破咐壞、地下群洞室埋沒艦。主要發(fā)蝦生在較大味范圍的斷千層影響帶去、強風化攪帶、碎裂戲松動區(qū)。由弱面和細開挖面切義割形成的懇孤立無限諷制塊體、剛存在多組餐無膠結(jié)結(jié)戚構(gòu)面或有驢夾泥層、慢又有地下違水活動時侵，容易發(fā)誼生塌方甚紛至冒頂。4、巖委爆又稱為神“沖擊殖地壓”糾，片狀堆剝落及融破碎的傻巖塊與盡巖體分扛離，并梯以彈射還的形式快突然離雪開開挖鵲面，并煩伴隨有賀巨大聲念響。對據(jù)人員設巨備有較于大威脅柔。多發(fā)生