岩石地下工程.pptx

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1、会计学1岩石地下工程岩石地下工程22023/3/16稳定条件稳定条件：岩体或支护材料的强度极限和位移极限。岩体或支护材料的强度极限和位移极限。5.1 基本概念基本概念5、地下工程的稳定、地下工程的稳定稳定：稳定：地下工程工作期限内，安全及工程所需最小断地下工程工作期限内，安全及工程所需最小断面得以保证，称为稳定。面得以保证，称为稳定。地下工程岩体或支护体中危险点的应力和位移地下工程岩体或支护体中危险点的应力和位移地下工程稳定地下工程稳定性可分为性可分为两类两类自稳自稳：不需要支护围岩：不需要支护围岩自身能保持长期稳定自身能保持长期稳定人工稳定人工稳定：需要支护：需要支护才能保持围岩稳定才能保持

2、围岩稳定第1页/共40页32023/3/16稳定性问题稳定性问题的力学本质的力学本质自稳自稳不自稳不自稳围岩内危险点的应力和位移围岩内危险点的应力和位移计算围岩压力计算围岩压力支护中危险点的应力或位移支护中危险点的应力或位移大于支护极限大于支护极限小于支护极限小于支护极限人工稳定人工稳定改变支护改变支护5.1 基本概念基本概念第2页/共40页42023/3/16地下工程自身影响达不到地表的，称为地下工程自身影响达不到地表的，称为深埋深埋。反之为。反之为浅埋。浅埋。（2 2）当）当埋深埋深等于或大于等于或大于巷道半径巷道半径R R0 0（或其宽、高之半或其宽、高之半）的的2020倍以上时，倍以上

3、时，巷道影响范围（巷道影响范围（3 35 R5 R0 0 ）以内的岩体自重可以忽略不计；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（）以内的岩体自重可以忽略不计；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（1010以下）；以下）；P P0 0深埋地下工程的特点为：深埋地下工程的特点为：（1 1）可视为）可视为无限体中的孔洞问题无限体中的孔洞问题，在孔洞各方向的无穷远处，仍为原岩应力；，在孔洞各方向的无穷远处，仍为原岩应力；5.1 基本概念基本概念6、深埋地下工程：、深埋地下工程：（3 3）深埋的水平巷道长度较大时，可作为）深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题平面应变问题处理。其它类

4、型巷道，或作为空间问题。处理。其它类型巷道，或作为空间问题。第3页/共40页52023/3/16解析方法解析方法数值方法数值方法监测方法监测方法地下工程稳定性分析方法地下工程稳定性分析方法弹性弹性弹弹-塑性塑性围岩应力、围岩应力、支护上的压力支护上的压力5.1 基本概念基本概念P035 R0第4页/共40页62023/3/165.2 5.2 深埋圆形洞室弹性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹性围岩二次应力状态 5.2.1 侧压力系数侧压力系数（1）计算模型）计算模型第5页/共40页72023/3/16（2 2）应力和位移）应力和位移）

5、应力和位移）应力和位移（59）平面应力时平面应力时5.2.1 侧压力系数侧压力系数=1第6页/共40页82023/3/16（510）平面应变时平面应变时5.2.1 侧压力系数侧压力系数=1（2 2）应力和位移）应力和位移）应力和位移）应力和位移第7页/共40页92023/3/16圆形洞室二次应力分布圆形洞室二次应力分布圆形洞室二次应力分布圆形洞室二次应力分布5.2.1 侧压力系数侧压力系数=1R0第8页/共40页102023/3/16洞室的径向位移（平面应变时）洞室的径向位移（平面应变时）洞室的径向位移（平面应变时）洞室的径向位移（平面应变时）开挖前，岩体产生的位移（开挖前，岩体产生的位移（开

6、挖前，岩体产生的位移（开挖前，岩体产生的位移（R R R R0 0 0 0=0=0=0=0）由上式得：）由上式得：）由上式得：）由上式得：（512）由于开挖引起的位移：由于开挖引起的位移：5.2.1 侧压力系数侧压力系数=1轴对称、切向位移：轴对称、切向位移：v=0开挖引起的径向位移：开挖引起的径向位移：第9页/共40页112023/3/16（3 3）洞周的应变）洞周的应变）洞周的应变）洞周的应变 开挖前，岩体已完成应变开挖前，岩体已完成应变开挖前，岩体已完成应变开挖前，岩体已完成应变开挖引起的应变：开挖引起的应变：岩体的体积在开挖前后不发生变化。岩体的体积在开挖前后不发生变化。R R0 0=

7、0=0代入（代入（5-105-10）式得：）式得：5.2.1 侧压力系数侧压力系数=1可见可见，说明说明时，时，第10页/共40页122023/3/16（4 4）洞壁的稳定性评）洞壁的稳定性评）洞壁的稳定性评）洞壁的稳定性评 弹弹塑塑破碎破碎稳定条件：稳定条件：围岩可能出现的情况围岩可能出现的情况洞室周边，径向应力为洞室周边，径向应力为0，切向应力达到最大值，最容易破坏。周边最大切向应力：，切向应力达到最大值，最容易破坏。周边最大切向应力：5.2.1 侧压力系数侧压力系数=1单轴抗压强度单轴抗压强度第11页/共40页132023/3/165.2.2 1时的二次应力状态时的二次应力状态（1）计算

8、模型）计算模型I I轴对称轴对称IIII反对称反对称5.2 深埋圆形洞室弹性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹性围岩二次应力状态 第12页/共40页142023/3/16（2 2）应力）应力）应力）应力位移分析位移分析位移分析位移分析 I IIIII+二次应力埸二次应力埸等等于于(5-15)5.2.2 1时的二次应力状态时的二次应力状态 由吉尔西解得到由吉尔西解得到第13页/共40页152023/3/16 有工程应用价值的位移是由于开挖引起的位移，可用有工程应用价值的位移是由于开挖引起的位移，可用=1=1时的类似方法，时的类似方法，求出：求出：（2）应力）应力位移分析位移分析 5.2.2 1时的二

9、次应力状态时的二次应力状态(5-16)第14页/共40页162023/3/16（3）洞室周边应力）洞室周边应力洞室周边，洞室周边，r r=R R0 0，代入，代入(5-15)(5-15)得洞室周边应力：得洞室周边应力：可见洞室周边只有切向应力：可见洞室周边只有切向应力：式中：式中：K-K-围岩内的总应力集中系数围岩内的总应力集中系数 K Kz z、K Kx x-分别为垂直和水平应力集中系数分别为垂直和水平应力集中系数5.2.2 1时的二次应力状态时的二次应力状态 =（1+）P0+2（1-）P0cos2 第15页/共40页172023/3/16（3）洞室周边应力）洞室周边应力5.2.2 1时的二

10、次应力状态时的二次应力状态 第16页/共40页182023/3/16（4）洞室周边位移）洞室周边位移将将r r=R R0 0代入式代入式(5-16)(5-16)，得由于开挖引起的洞室周边位移：，得由于开挖引起的洞室周边位移：影响洞壁位移的因素很多，有岩体性质、初始应影响洞壁位移的因素很多，有岩体性质、初始应力、开挖半径、径向夹角等。径向位移比切向位移稍力、开挖半径、径向夹角等。径向位移比切向位移稍大些，因此，径向位移，对围岩稳定性起主导作用。大些，因此，径向位移，对围岩稳定性起主导作用。径向位移便于测量与控制径向位移便于测量与控制!5.2.2 1时的二次应力状态时的二次应力状态 第17页/共4

11、0页192023/3/165.3 5.3 深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态 深埋椭圆洞室受力计算简图深埋椭圆洞室受力计算简图（1）计算模型）计算模型第18页/共40页202023/3/16（2 2）洞壁应力计算公式）洞壁应力计算公式）洞壁应力计算公式）洞壁应力计算公式 （5-20）5.3 深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态 洞壁应力分布特点：洞壁应力分布特点：选择选择3 3个关键点个关键点（）代入（）代入（5-205-20）式得，）式得，3 3个关键点，在不同侧压力系数

12、下的应力，个关键点，在不同侧压力系数下的应力，见下页表见下页表5-1。第19页/共40页212023/3/16（2 2）洞壁应力计算公式）洞壁应力计算公式）洞壁应力计算公式）洞壁应力计算公式 5.3 深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态 如果无侧压力，椭圆巷道顶部一定会受拉应力破坏而垮塌第20页/共40页222023/3/16 最最有有利利于于巷巷道道围围岩岩稳稳定定的的巷巷道道断断面面尺尺寸寸，若若用用它它的的高高跨跨比比 表表征征（轴轴比比），称称为为最佳轴比或谐洞最佳轴比或谐洞。周壁应力有利于巷道稳定的轴比有如下二个周壁应力有利于巷道稳定的轴比有如下二个条件条

13、件：巷道周边应力巷道周边应力 均匀分布；均匀分布；巷道周边不出现拉应力。巷道周边不出现拉应力。（3）最佳轴比（谐洞）最佳轴比（谐洞）5.3 深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态 第21页/共40页232023/3/16巷道周边应力均匀分布巷道周边应力均匀分布(等应力等应力)对式（对式（5 52020）两边求导，并令其等于零，求应力）两边求导，并令其等于零，求应力分布极值状态，即：分布极值状态，即：代入式（代入式（5 52020）得：）得：第22页/共40页242023/3/16（5-20）5.3 深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态深埋椭圆洞室弹性围岩二次应力状态 巷道

14、周边不出现拉应力时的轴比，即巷道周边不出现拉应力时的轴比，即0拉应力轴比拉应力轴比=90时，时，1时，时，恒成立，顶端不会出现拉应力恒成立，顶端不会出现拉应力1时时，侧帮不出现拉应力的条件侧帮不出现拉应力的条件1时，时，恒成立侧帮无拉应力恒成立侧帮无拉应力第23页/共40页252023/3/165.4 5.4 深埋矩形洞室弹性围岩的二次应力状态深埋矩形洞室弹性围岩的二次应力状态深埋矩形洞室弹性围岩的二次应力状态深埋矩形洞室弹性围岩的二次应力状态 第24页/共40页262023/3/16当 时，矩形洞室周边均为压应力当 时，洞室周边出现拉应力矩形洞室周边角点应力远大于其它部位的应力5.4 深埋矩

15、形洞室弹性围岩的二次应力状态深埋矩形洞室弹性围岩的二次应力状态 第25页/共40页272023/3/16只介绍只介绍只介绍只介绍 的简单地应力情况的简单地应力情况的简单地应力情况的简单地应力情况5.5 深埋圆形洞室深埋圆形洞室弹塑性弹塑性围岩二次应力状态围岩二次应力状态 假设岩体服从假设岩体服从库仑库仑-莫尔准则莫尔准则，是，是理想弹塑性体理想弹塑性体（极限平衡理论），岩体变形前后（极限平衡理论），岩体变形前后体积不变体积不变。第26页/共40页282023/3/165.5 深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态第27页/共40页292023/3/165.5 深埋

16、圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态第28页/共40页302023/3/165.5 深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态第29页/共40页312023/3/16（4）求解塑性区应力）求解塑性区应力得：得：分离变量，解微分方程：分离变量，解微分方程：5.5 深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态第30页/共40页322023/3/16（4）求解塑性区应力）求解塑性区应力5.5 深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态第31页/共40页332023/3/165.5 深埋圆形洞室弹塑

17、性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态（4）求解塑性区应力）求解塑性区应力第32页/共40页342023/3/16（5）求解塑性区半径和支反力（修正的）求解塑性区半径和支反力（修正的Fenner公式）公式）5.5 深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态第33页/共40页352023/3/16（6）求解弹性区应力）求解弹性区应力5.5 深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态第34页/共40页362023/3/16塑性区围岩应力分布状态塑性区围岩应力分布状态1、2塑性区；塑性区；3、4弹性区；弹性区；1松动区；松动区；2塑性

18、强化区；塑性强化区；3弹性承载区；弹性承载区；4原岩应力区原岩应力区（7）弹塑性围岩二次应力分布状态）弹塑性围岩二次应力分布状态5.5 深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态第35页/共40页372023/3/161松动区松动区：岩体被切割、强度明显降低、应力低于岩体被切割、强度明显降低、应力低于原岩应力；原岩应力；2塑性强化区塑性强化区：岩体呈塑性状态、处于塑性强化阶：岩体呈塑性状态、处于塑性强化阶段，应力高于原岩应力；段，应力高于原岩应力；3弹性承载区弹性承载区：岩体处于弹性变形阶段，应力高于：岩体处于弹性变形阶段，应力高于原岩应力；原岩应力；4原岩应力区原岩

19、应力区：未受开挖影响、处于原岩状态。：未受开挖影响、处于原岩状态。（7）弹塑性围岩二次应力分布状态）弹塑性围岩二次应力分布状态5.5 深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态第36页/共40页382023/3/16第37页/共40页392023/3/16（8）深埋圆形洞室弹塑性围岩位移）深埋圆形洞室弹塑性围岩位移5.5 深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态第38页/共40页402023/3/16（8）深埋圆形洞室弹塑性围岩位移）深埋圆形洞室弹塑性围岩位移5.5 深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态第39页/共40页