隧道设计与施工__第3部分_隧道设计基础课件.ppt
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1、PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT北京交通大学北京交通大学_隧道设隧道设计与施工计与施工_第第3部分部分_隧隧道设计基础道设计基础2023/5/16北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT第三部分第三部分 隧道设计基础隧道设计基础北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT一、初始地应力场及其评价一、初始地应力场及其评价 正正确确掌掌握握和和了了解解地地质质环环境境对对隧隧道道工工程程力力
2、学学行行为为的的作作用用和和影响是合理地进行隧道工程设计的前提和基础。影响是合理地进行隧道工程设计的前提和基础。围岩初始地应力场围岩初始地应力场,一般受到两类因素的影响一般受到两类因素的影响:第第一一类类:重重力力、温温度度、围围岩岩物物理理力力学学性性质质、构构造造、地地形形等经常性的因素。等经常性的因素。第第二二类类:地地壳壳运运动动、地地下下水水活活动动、人人类类的的长长期期活活动动等等暂暂时性的或局部性的因素。时性的或局部性的因素。初始地应力场由两种力系构成初始地应力场由两种力系构成:=y y+T T 式中式中 y y:自重应力分量:自重应力分量;T T:构造应力分量。:构造应力分量。
3、北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT1、重力应力场、重力应力场 设设围围岩岩是是线线性性变变形形介介质质,在在xy平平面面内内是是均均质质的的,沿沿y轴轴方方向向是是非非均均质质的的。设设E、分分别别为为沿沿垂垂直直方方向向的的弹弹性性模模量量和和泊泊松松比比,E1、1为为沿沿水水平平方方向向的的弹弹性性模模量量和和泊泊松松比比,因因围围岩岩的的变变形形性性质质沿沿深深度度而而变变,故故可可定定:E=E(y),=(y)、E1=E1(y)、1=1(y),单单位体积重量也认为是沿深度而变,即位体积重量也认为是
4、沿深度而变,即=(y)。距表面距表面h深处一点的应力状态可表示为:深处一点的应力状态可表示为:y=0h(y)dy x=x(y)z=z(y)xy=xz=yz x=z=/1-y 北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 当当垂垂直直应应力力已已知知时时,水水平平应应力力的的大大小小决决定定于于围围岩岩的的泊泊松松比比。大多数围岩的泊松比变化在大多数围岩的泊松比变化在0.150.150.350.35左右。左右。围围岩岩的的初初始始地地应应力力场场是是随随深深度度而而变变的的,其其应应力力状状态态可可视视围围岩岩的的
5、不不同同,分分别别处处在在弹弹性性的的、隐隐塑塑性性的的及及流流动动的的三三种种状状态态。围围岩岩的的隐隐塑塑性性状状态态在在坚坚硬硬围围岩岩中中约约在在距距地地面面10km10km以以下下,也也有有可可能能在在浅浅处处产产生生,如如在在岩岩石石临临界界强强度度低低如如泥泥岩岩等等的的地地段段。通通常常情情况况下下,在在隧隧道道所所涉涉及及的的范范围围内内,都都可可视视初初应应力力场场为为弹弹性性的的,这这一点亦可由部分量测资科所证实。一点亦可由部分量测资科所证实。由由于于地地壳壳运运动动的的结结果果,岩岩层层会会产产生生各各种种变变态态,如如变变成成各各种种倾倾斜斜状状的的、弯弯曲曲的的等等
6、等等。在在这这种种情情况况下下,围围岩岩的的初初始始地地应应力力场场也有所变化。也有所变化。北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 如如垂垂直直成成层层岩岩石石,由由于于各各层层的的物物理理力力学学性性质质不不同同,在在同同一一水水平平面面上上的的应应力力分分布布可可能能是是不不同同的的;又又如如背背斜斜情情况况,由由于于岩岩层层成成拱拱状状分分布布,使使上上覆覆岩岩层层重重量量向向两两翼翼传传递递,而而直直接接处处在在背背斜斜轴轴下下面面的的岩岩层层则则受受到到较较小小的的应应力力;在在被被断断层层分分割
7、割的的楔楔形形岩岩块块情情况况中中,也也可可观观察察到到类类似似情情况况。下下窄窄上上宽宽的的楔楔形形围围岩岩移移动动时时,受受到到两两倒倒岩岩块块的的夹夹制制,因因而而使使应应力力减减小小、反反之之,下下宽宽上上窄窄的的岩岩块块,则则受受到到附附加荷载的作用。埋深较小时地表起伏较大情况影响也不能忽略。加荷载的作用。埋深较小时地表起伏较大情况影响也不能忽略。北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT2 2、构造应力、构造应力 地地质质力力学学认认为为:地地壳壳各各处处发发生生的的一一切切构构造造变变形形与与破破
8、裂裂都都是是地地应应力力作作用用的的结结果果。因因而而地地质质力力学学就就把把构构造造体体系系和和构构造造形形式式在形成过程中的应力状态称之为构造应力场在形成过程中的应力状态称之为构造应力场,它是动态的。它是动态的。由由于于构构造造应应力力场场的的不不确确定定性性,很很难难用用函函数数形形式式表表达达。它它在在整个初始地应力场中的作用只能通过某些量测数据加以分析。整个初始地应力场中的作用只能通过某些量测数据加以分析。(1 1)地地质质构构造造形形态态不不仅仅改改变变了了重重力力应应力力场场,而而且且除除以以各各种种构构造造形形态态获获得得释释放放外外,还还以以各各种种形形式式积积蓄蓄在在围围岩
9、岩内内,这这种种残残余构造应力将对隧道工程产生重大影响。余构造应力将对隧道工程产生重大影响。(2 2)构构造造应应力力场场在在不不深深的的地地方方已已普普遍遍存存在在,而而且且最最大大构构造造应应力力的的方方向向,多多近近似似为为水水平平,其其值值常常常常大大于于重重力力应应力力场场中中的的水水平平应应力力分分量量,甚甚至至也也大大于于垂垂直直应应力力分分量量,这这与与重重力力应应力力场场有有很很大大不同。不同。北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 陶恩隧道的初始地应力场陶恩隧道的初始地应力场 南非测定垂
10、直应力与水平应力南非测定垂直应力与水平应力 比值随深度的变化比值随深度的变化 从我国现阶段积累起来的浅层从我国现阶段积累起来的浅层(埋深小于埋深小于500m)500m)实测资料实测资料看看,小于小于0.80.8者约占者约占27.5%27.5%。在。在0.80.81.251.25之间者约占之间者约占42.3%,42.3%,大大于于1.251.25者约占者约占30.2%30.2%。北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT (3)构构造造应应力力场场很很不不均均匀匀,它它的的参参数数无无论论在在空空间间上上、时时间
11、上都有很大变化间上都有很大变化,特别是主应力轴的方向和绝对值变化很大。特别是主应力轴的方向和绝对值变化很大。3、初始地应力场的评价、初始地应力场的评价 围围岩岩强强度度比比的的定定义义是是:围围岩岩内内部部的的最最大大地地应应力力值值与与围围岩岩强强度的比值。度的比值。围围岩岩强强度度比比:GnRb/max,式式中中max:围围岩岩内内最最大大地地应应力力值;值;Rb:围岩抗压强度值。:围岩抗压强度值。(1)地应力场性质的判定指标地应力场性质的判定指标 初初始始地地应应力力场场究究竟竟属属于于一一般般地地应应力力场场,还还是是高高地地应应力力场场,可可以以用用围围岩岩强强度度比比加加以以初初步
12、步判判定定。一一定定不不要要误误解解,初初始始地地应应力力大大,就就是是高高地地应应力力场场。因因为为,有有时时初初始始地地应应力力场场虽虽然然大大,其其围围岩强度比却不一定高。岩强度比却不一定高。北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 围岩强度比围岩强度比Gn分级标准分级标准极高地应力极高地应力高地应力高地应力一般地应力一般地应力法国隧协法国隧协4我国工程围岩分级标准我国工程围岩分级标准7日本新奥法指南日本新奥法指南(1996年年)6 日本仲野分级日本仲野分级 4不同地应力场的围岩在开挖中出现的主要现象不
13、同地应力场的围岩在开挖中出现的主要现象地应力场情况地应力场情况主要现象主要现象Rb/max极高地应力场极高地应力场硬质岩:硬质岩:开挖过程中时有岩爆发生,有岩块弹出,洞壁开挖过程中时有岩爆发生,有岩块弹出,洞壁围岩发生剥离新主裂缝多成洞性差,基坑有剥离现围岩发生剥离新主裂缝多成洞性差,基坑有剥离现象,成形性差。象,成形性差。软质岩:软质岩:岩芯常有饼化现象,开挖过程岩芯常有饼化现象,开挖过程中洞壁围岩有剥离,位移极为显著,甚至发生大位移,中洞壁围岩有剥离,位移极为显著,甚至发生大位移,持续时间长,不易成洞;基坑发生显著隆起或剥离不易持续时间长,不易成洞;基坑发生显著隆起或剥离不易成形。成形。4
14、42 24 42200132.5中等地应力中等地应力20010130.661.0高地应力高地应力1050.660.330.52微弱的岩爆微弱的岩爆52.50.330.16510强烈岩爆强烈岩爆2.5GN2GN 2IS2GN1.52GN1.52GN1.5IL特特S1.5GN1.5GN1.5GN 表中说明,并不需要在所有的围岩中考虑围岩强度比。只是在中硬表中说明,并不需要在所有的围岩中考虑围岩强度比。只是在中硬岩,软岩和土砂围岩中考虑,也不是在所有的级别中考虑,只是在很低岩,软岩和土砂围岩中考虑,也不是在所有的级别中考虑,只是在很低的级别中考虑。的级别中考虑。北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分
15、_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 我国初始地应力场的修正我国初始地应力场的修正围岩基本分级围岩基本分级极高地应力场极高地应力场或或高地应力场高地应力场或或北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT二、毛洞的围岩力学状态二、毛洞的围岩力学状态(一)、坑道开挖后的二次应力状态(一)、坑道开挖后的二次应力状态 假定:假定:(1 1)围岩为均质的、各向同性的连续介质;)围岩为均质的、各向同性的连续介质;(2 2)只考虑自重造成的初始地应力场;)只考虑自重造成的初始
16、地应力场;(3 3)坑道形状是圆形的;)坑道形状是圆形的;(4 4)坑道位于一定深度)坑道位于一定深度,简化为无限体中的孔洞问题。简化为无限体中的孔洞问题。1 1、坑道开挖后的弹性二次应力状态、坑道开挖后的弹性二次应力状态 为为简简单单计计,设设初初始始地地应应力力场场以以表表示示,即即x x/y y,则则在在围围岩岩中中开开挖挖半半径径为为a a的的圆圆形形坑坑道道后后,其其二二次次应应力力状状态态可可近近似似用用下下式表达。式表达。北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT ry/2(12)(1)(1423
17、4)(1)cos2 t=y/2(1+2)(1)-(134)(1)cos2 rt=y/2(1-)(1+22-34)sin2 式中式中=a/r,当当r=a时,表示在坑道周边上。时,表示在坑道周边上。北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT (1)坑道周边应力状态的规律:)坑道周边应力状态的规律:当当r=a时,上式变成:时,上式变成:r=0 t=y(1-2cos)+(1+2cos2)圆形坑道周边切向应力分布圆形坑道周边切向应力分布 北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板
18、 Office Office PPTPPT 认识到以下几点对设计随极为重要:认识到以下几点对设计随极为重要:1)=0,即即只只有有初初始始垂垂直直应应力力时时,拱拱顶顶出出现现最最大大切切向向拉拉应应力,并分布在拱顶一定范围内。力,并分布在拱顶一定范围内。拱拱顶顶处处的的最最大大拉拉应应力力t等等于于t=y,相相当当于于初初始始垂垂直直应应力力值值。拱拱顶顶受受拉拉范范围围约约出出现现在在与与垂垂直直轴轴左左右右各各30的的范范围围内内,这这说说明拱顶范围可能产生掉块。明拱顶范围可能产生掉块。2)随着)随着的增加的增加,拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减少。拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减少。当当=
19、1/3时时,拱拱顶顶切切向向拉拉应应力力等等于于0。大大于于1/3后后,整整个个坑坑道道周周边边的的切切向向应应力力皆皆为为压压应应力力。这这说说明明,在在01/3之之间间时时,坑坑道道拱拱顶顶拱拱底底范范围围是是受受拉拉的的。由由于于岩岩石石的的抗抗拉拉强强度度较较弱弱,当当切切向向拉拉应应力力超超过过其其抗抗拉拉强强度度时时,拱拱顶顶可可能能发发生生局局部部掉掉块块和和落落石石,但但不不会会造造成整个坑道的破坏。成整个坑道的破坏。北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 3)在在侧侧壁壁范范围围内内,值值
20、变变化化在在01.0之之间间时时,周周边边切切向向应应力力总总是是压压应应力力,而而且且总总比比拱拱顶顶范范围围的的应应力力值值大大。这这说说明明,侧侧璧璧处处在在较较大大的的应应力力状状态态下下。例例如如当当=0时时,侧侧璧璧中中点点(=90)的的最最大大压压力力等等于于3y。随随着着值值的的增增大大,侧侧壁壁中中点点的的压压应应力力逐逐渐渐减减小小,当当=1时时,其其值值变变成成t=2y。侧侧壁壁处处在在较较大大的的压压应应力力作作用用下下是是造造成成侧侧壁壁剪剪切切破破坏坏或或岩岩爆爆(分分离离破破坏坏)的的主主要要原原因因之之一一。而而且且,常常常常是整个坑道丧失稳定的主要原因是整个坑
21、道丧失稳定的主要原因,应予以足够重视。应予以足够重视。4)当当=1(即即初初始始垂垂直直应应力力与与初初始始水水平平应应力力相相等等)时时,坑坑道道周周边边围围岩岩各各点点的的应应力力皆皆相相同同。即即为为一一常常数数值值(t=2y)。这这种应力状态对圆形坑道稳定是很有利的。种应力状态对圆形坑道稳定是很有利的。5)通通常常围围岩岩的的侧侧压压力力系系数数变变动动在在0.20.5之之间间。在在这这个个范范围围内内,坑坑道道周周边边切切向向应应力力t都都是是压压应应力力。因因此此,要要十十分分注注意意切切向向应应力的变化力的变化,它是造成坑道破坏的主要原因之一。它是造成坑道破坏的主要原因之一。北京
22、交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT (2 2)围岩应力向深处变化的规律)围岩应力向深处变化的规律沿圆形坑道水平、垂直轴上应力分布沿圆形坑道水平、垂直轴上应力分布a)=0a)=0的情况的情况 b)=1 b)=1的情况的情况 1)侧壁中点()侧壁中点(90),在在=01.0时坑道周边的切向应时坑道周边的切向应力都为正值(压应力)。最大值为力都为正值(压应力)。最大值为t=3y(=0),最小值为最小值为2y(=l)。北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office
23、 Office PPTPPT 2)拱顶处()拱顶处(=0),在周边上的在周边上的t值由值由-y(=0)变到)变到2y(=1)。当)。当=1/3时时,t=0。随着。随着r的增加的增加,当当=0时时,t接近于接近于0,当,当=1时时,接近接近y,即都逐渐接近于初始的应力状态。,即都逐渐接近于初始的应力状态。r 值在值在=0和和=1时时,变化大致相同变化大致相同,即由即由0逐渐增加到逐渐增加到y值。由此可见值。由此可见,坑坑道开挖后的二次应力分布范围是很有限的。视道开挖后的二次应力分布范围是很有限的。视值其范围大致值其范围大致在(在(57)a左右。左右。愈大,范围愈大。在此之后愈大,范围愈大。在此之
24、后,围岩仍处在初围岩仍处在初应力状态。这说明应力状态。这说明:坑道开挖对围岩的影响坑道开挖对围岩的影响(扰动扰动)是有限的。是有限的。3)在拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为)在拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为0.58a(=0),而后转变为压应力而后转变为压应力.这也说明这也说明,坑道围岩内的拉应坑道围岩内的拉应力区域是有限的力区域是有限的,而且只在而且只在小于小于1/3时的情况下出现。前已指出时的情况下出现。前已指出,拉应力区的存在对造成围岩的局部破坏(松弛、掉块、落石)拉应力区的存在对造成围岩的局部破坏(松弛、掉块、落石)是有影响的。尤其是在大跨度洞室的情况下。是有影响的。尤其是在大
25、跨度洞室的情况下。北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT (3)坑道位移状态坑道位移状态 在平面问题中,坑道周边的位移在平面问题中,坑道周边的位移ua可由下式决定可由下式决定 ua=1+/E.a.y 从上式可求出隧道周边各点的位移,当从上式可求出隧道周边各点的位移,当值不同时,围岩值不同时,围岩值及其分布状态也不同。值及其分布状态也不同。不同不同值条件下圆形坑道周边位移分布值条件下圆形坑道周边位移分布 北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Off
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