隧道支护体系的岩石力学..课件

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1、第十章 隧道支护体系的岩石力学计算方法 这种方法不再依靠任何一种荷载假定，而是依靠结构与岩体之间的相互作用，在这类方法中目前得到应用的有:1.特征曲线法(收敛约束法)；2.剪切滑移破坏法;3.数值分析法(有限元法)。特征曲线法的实质是(图10-1）;1.决定隧道衬砌的变形特征曲线;2.决定岩体的变形特征曲线;3.建立和求解隧道衬砌在岩体产生的荷载作用下的变形和岩体在衬砌反作用的阻止下变形之间的协调平衡，这可用分析法，也可用图示法来进行，后者比较直观。第1页，共24页。第十章 隧道支护体系的岩石力学计算方法 剪切滑移破坏法是以构造岩体破坏形态决定支护体系承载能力的，方法极其简单。但这种简化不是从

2、空洞的推理来取得的，而是通过对工程破坏的考察及模型试验结果提出的，它在实践中获得较广泛的应用。这个方法的实质是:通过试验认为支护结构的破坏很少是由于弯曲而造成的，一般是由于侧壁的剪切破坏，然后按侧壁荷载和剪切破坏阻力之间的平衡进行计算。数值分析法对分析整个支护体系的稳定性具有理论的意义，它可以考虑较多的初始条件和岩体及支护结构的特征，同时可以用电子计算机进行计算，如无拉分析、粘弹性分析、三维的空间效应分析等。但这些分析都是在一定的前提下进行的，只有前提是正确的或者是可以接受的，计算结果才可能是值得信赖的。此部分内容可参阅专门文献。第2页，共24页。10-1剪切滑移破坏法 Rabcewicz指出

3、过去一向是把挠曲破坏视为衬砌破坏的主要形态，实际上发现剪切破坏才是崩溃的唯一方式。1966年Rabcewicz进行的试验（图10-2）。此次和其他类似的试验，剪切破坏前都没有出现最轻微的挠曲开裂。国内的JL组试验也有类似的结果，这说明柔性支护破坏的主要形态是剪切破坏。应该指出，这种破坏还与岩体破坏的形态有关。由于坑道开挖，岩体的破坏如图10-3所示。首先两侧壁的楔形岩块由于剪切而分离，并向着空洞方向移动，之后，上部和下部岩体由于楔形岩块的滑移，失去支承力造成空洞尺寸加大，使上下岩体向坑道内挠曲，甚至移动。依上所述，用剪切滑移法进行支护结构设计是按下述原则进行的:1.坑道周围形成塑性滑移楔体，造

4、成支护结构的剪切破坏；2.支护结构与围岩粘结紧密，两者共同工作，形成无弯矩结构；3.由锚杆、钢支撑、喷混凝土等所提供的支护阻力恰恰是与塑性滑移楔体之滑移力达成一干衡时所需要的。第3页，共24页。第4页，共24页。10-1剪切滑移破坏法 岩体产生剪切滑动的条件是：在通过最大主应力 和最小主应力 两点的摩尔应力圆与摩尔滑动包络线相切时发生(图10-4)。这时作用于滑面上的正应力 和剪应力 分别等于切点B的坐标值。滑面与 作用方向的夹角为 。若摩尔滑动包络线为一直线，则 为一定值。等于 。如图10-5 所示，在陇道中心沿垂直线作 角的直线与隧 道表面交于点A,由此出发绘出与岩体的同心圆 成 角的曲线

5、，即为隧道侧壁岩体的滑移面，如以极坐标表示，该曲线的方程为：为了阻止这个楔体滑移，需要修筑相应的支护 结构。设用锚杆、钢支撑、喷混凝土等组合支 护，如图10-5所示。图图10-4第5页，共24页。10-1剪切滑移破坏法 图图10-5第6页，共24页。10-1剪切滑移破坏法 喷混凝上的支护阻力可如下确定。设沿滑体给与喷层的水平推力为 ，面沿喷层剪切面的杭剪阻力为 ，则 而 因为 式中，为喷层的剪切角、抗剪强度及厚度。故 通常令 。第7页，共24页。10-1剪切滑移破坏法 钢支撑的支护阻力亦可根据同详方法求出，式中，为钢材的剪切角、抗剪强度及每米隧道的钢材当量面积。一般采用450。锚杆所提供的支护

6、阻力 计算如下：设锚杆间距为 和 则锚杆的平均径向支护阻力 为：式中，为锚杆断面积；为锚杆抗拉强度。由此可知，支护结构联合支护时提供的支护阻力 为：第8页，共24页。10-1剪切滑移破坏法 岩体的抗滑阻力，实质上是岩体本身所提供的支护阻力 。如设剪切滑面长度为 ，沿滑面的剪切应力为 ，正应力为 则知 式中 为剪切滑面的平均倾角，(10-5)式的 和 可按摩尔包络线为直线的假定求出，设粘结力为 ，内摩擦角为 则知又上式的 ，可用下式表达第9页，共24页。10-1剪切滑移破坏法 一般说，式中的 ，则是由各种支护结构分别提供的。于是，由岩体和初次衬砌所提供的总支护阻力为：这个数值应满足下述不等式第1

7、0页，共24页。10-2 特征曲线法 特征曲线法的基本原理是利用岩体特征曲线和支护结构特征曲线交会的办法来决定支护体系的最佳平衡条件(图10-6)。式中 架设支护结构经过长时间后达到平衡时的位移;支护结构参与工作前坑道周边的初始位移;支护结构在平衡压力尸作用下的位移。图图10-6第11页，共24页。10-2 特征曲线法 此方法的关键是合理地确定这两条曲线的基本性质及其随一些因素的变化以及由两者相互作用所决定的最佳平衡条件。显然，图10-6的概念是明确的，但其内在含意是广泛的.以岩体特征曲线为例，其形态不仅受到岩体性质(瞬时的及长期的)、岩体构造的影响，还受到施工技术(对岩体强度损害程度的影响)

8、等的影响，其形态可能是各式各样的(图10-7)。例如图10-7(1)是代表弹性岩体的，图10-7(2)是代表弹塑性岩体的。图10-7(4)是代表弹塑一刚塑性岩体的。因此，掌握各种岩体的动态是很重要的。支护结构的特征曲线也是这样，视其材料、构造也有不同的形态，例如喷混凝土支护和点式锚杆的特征曲线就很不相同(见图10-8),显然参照岩体特征曲线就可以合理地设置支护结构特征曲线，使两者的平衡点(图10-5上的A点)处于最佳位置，即决定在围岩初始位移 达到何值时施设支护结构。这祥也就具体地体现了两者的相互作用。此外，这个方法还可考虑时间的影响，以及开挖而附近的三维空间影响。第12页，共24页。10-2

9、 特征曲线法图图10-7图图10-8第13页，共24页。10-2 特征曲线法 一、围岩的破坏准则或塑性判据 围岩的破坏准则是由其本构方程决定的，在通常情况下，都采用摩尔一库伦破坏准则，即 在一些著作中，也有采用三轴试验的统计方程的，即 (10-9)式为一抛物线。最简单的情况是采用Tpeck公式，即 当采用的破坏判据不同时，获得的计算塑性区半径，各区域的应力值及周边位移的公式也将不同。因此，在特征曲线法中，加强对围岩本构方程的研究是很重要的。第14页，共24页。10-2 特征曲线法二、围岩特征曲线的类型及其表达式 应该指出在前面的分析中是假定围岩进入塑性状态后，围岩性质是不发生变化的，即按图10

10、-9的a线计算。显然，通过上述分析，这个假定是不完全符合实际的。因此，在计算特征曲线时，应该计及围岩物性变化的影响。在当前的计算中，多数假定岩体进入塑性状态后.围岩性质立即变化到可能的吸值，如图10-9b线所示。实际上，岩性的陈化如图10-9c线所示，是逐步发生的。在当前的计算中，多数假定岩体进入塑性状态后.围岩性质立即变化到可能的吸值，如图10-9b线所示。实际上，岩性的陈化如图10-9c线所示，是逐步发生的。图图10-9第15页，共24页。10-2 特征曲线法当考虑围岩性质变化时，在弹塑性边界 处应满足下述条件。1.在弹性区2.在塑性区式中：3.在边界上，径向应力相等，即在弹性区，于 处有

11、应满足原状围岩的破坏准则，即 则第16页，共24页。10-2 特征曲线法所以在塑性区，于 处有整理后得，当用 表示时，上式可以改写成当有支护阻力 时，上述两式分别为：第17页，共24页。10-2 特征曲线法或在这种情况下，与 之间的关系为：三、重力影响 在前面的所有分析中。都没有考虑坑道一定范围内的岩体的重力影响(图10-10）。当考虑重力因素时，径向应力和切向应力不再是主应力，因而径向和切向的平衡方程变为：式中：岩石单位重量；剪应力。图图10-10第18页，共24页。10-2 特征曲线法 由于对竖直轴对称，故沿此对称轴的平衡条件可简化为:当重力项与其他两项相比很小时，可以忽略之。但由于隧道塑

12、性区的发展，其他两项的绝对值都迅速减小，因此，在这种情况下，忽略重力项会带来较大的误差，不宜再忽略之。按前述的基本假定，当考虑重力影响时，支护阻力 与塑性区半径 之间的关系为：第19页，共24页。10-2 特征曲线法 当考虑重力因素时.顶部和底部的支撑压力有着明显的不同，由图10-11可见，考虑重力影响后，顶部和底部压力显著不同。顶部压力比底部压力大得多。因此，重力影响在下述场合不应忽略：1.浅埋隧道;2.地质条件较差，即 角较小的;3.隧道尺寸较大的。图图10-11第20页，共24页。10-2 特征曲线法 特性曲线法还能定性地说明许多现象.例如:在计算中(应力和位移)要考虑内摩擦角的可能变化

13、以及 与变形模量的关系，因为特征曲线由于内摩擦角的不同而不同（图10-12），位移值则与变形模量大小有直接关系;岩体力学试验能给出摩擦角和变形模量（模量)的关系。图图10-12第21页，共24页。10-2 特征曲线法 在新奥法中多数是在变形逐渐消失之后才修筑二次衬砌的，因此它不应是承载的。但实际情况是：二次衬砌都是在岩体变形还没有完全消失的某一时间内修筑的，因此必须搞清作用在二次衬砌上的荷载大小。以图10-13为例，我们给出已知的支护阻力 ，设二次衬砌不是在变形。一条件下修筑的，而是在较早一些时间，即 时修筑的，此时岩体只能在较大的支护阻力 下才能稳定，在摩擦角不变的情况下可求出此 。由此得出

14、二次衬砌上的荷载图图10-13第22页，共24页。10-2 特征曲线法 在一定状态下岩体强度也会降低，因此，随着时间，荷载要增大，例如渗水、震动、支护阻力的损尖(锚杆失效)等都可使荷载增大。如图10-14。锚杆如果要长期保留，一般应灌浆。但是在有地下水的情况下，拱部锚杆灌浆是很困难的。此外。在大变形条件下灌浆会被破坏而使水流入，以致随着时间使枯结力降低。因此在这种情况下应考虑锚杆失效的情况，参见图10-15 考虑混凝土蠕变和收缩，或者考虑岩体流变时，可得出图10-16的结果。如图10-16(a),当支护结构的 变到 时，位移增加 ,而荷载减小 ,即混凝土蠕变起到卸载的作用.反之当岩体蠕变时(图10-16b)，则特征曲线从 变到 即位移增加 ，荷载也提高 。第23页，共24页。图图10-14图图10-15图图10-16第24页，共24页。