地下工程-应力变形破坏

第四章地下工程4.2围岩应力分布4.2围岩应力分布岩体中天然应力围岩中重分布应力◈弹性状态◈--围岩范围◈--天然应力比λ值◈出现塑性变形圈的重分布应力围岩应力可分为:◈开挖前天然应力◈开挖后重分布应力◈支衬后调整应力一、岩体中天然应力开挖前应力为初始应力→自重应力构造应力第2节地下建筑围岩应力分布一、岩体中天然应力开挖前应力为初始应力。→一般情况：hv构造应力强的地区：vh自重应力自重应力（垂向）：gZv构造应力（水平向）：vh1vh构造应力岩土工程勘察第三章地下建筑工程勘察应力重分布范围内的岩体称围岩。开挖洞室，应力平衡被打破，围岩向洞内松胀位移，引起一定范围内应力调整，使天然应力大小、方向和性质改变，达到新的平衡。二、围岩中重分布应力◊地下建筑稳定性主要取决于围岩稳定性。⑴圆形洞室—围岩中一点的重分布应力•(按平面问题考虑)σr--径向应力σθ--环向应力τrθ--剪应力θ-极角r--极距R0--洞径2cos431212220440220rRrRrRvhvhr2cos31212440220rRrRvhvh2sin2312220440rRrRvhr1、开挖后围岩保持弹性状态的重分布应力(4-1)圆形洞室围岩重分布应力计算示意图岩土工程勘察第三章地下建筑工程勘察说明：天然应力状态时，σθ：最大主应力；σr：最小主应力。随r值增，σr增大，σθ减小0r02令r=R0有0Rr即仅有σθ作用（单向状态），则洞壁上应力为：2cos2vhvh0r0r当λ=1即：时，有：0vh22001rRr22001rR0r即6倍洞径范围内岩体为围岩。当r=6R0,0r（天然应力状态）(4-2)随r值增，σr增大，σθ减小圆形洞室周边应力分布图6倍洞径范围内岩体为围岩。围岩破坏自洞壁始，向内（深部）发展。应力重分布特征：环向应力增或减，并出现拉应力；产生分异现象，径向应力趋于零；洞周应力差最大（拉应力集中）。vh31洞顶底出现拉应力；331洞壁围岩内σθ全为压应力3洞室侧壁出现拉应力，洞顶底出现较高压应力集中。取不同的λ值，洞壁应力状态不同。14σv-2σv511σv-σv48σv035σvσv22σv2σv108/3σv1/3-σv3σv090°，270°0°，180σθθλσθ随λ变化曲线正方形-4个角点应力集中最大；矩形-角点、短边中点应力增；◊圆形洞室最有利椭圆-长轴两端点应力集中（压），易出现压碎破坏，短轴两端点易出现拉断破坏；总特点--⑵其他洞形⑶相邻洞室的影响--相邻洞室引起应力集中增高，对稳定不利，应设置安全距离。拐点处，存在较大应力集中。规律：vh引入应力集中系数，则：2cos212cos21圆形：⑵其他洞形各种不同断面洞室周边应力分布图“+”为压应力；“-”为拉应力开挖后洞壁处应力集中最大。当洞壁应力超过岩体的屈服极限时，洞壁围岩由弹性转为塑性，随半径r增大，σr渐增，应力状态由洞壁处单向转为双向，至一定距离围岩由塑性转为弹性，最终形成塑形圈和弹性圈。2、开挖后出现塑性变形圈的重分布应力在围岩中形成一个所谓塑性松动圈洞室围岩中出现非弹性变形区后应力重分布塑圈内应力释放而明显降低，最大应力集中由洞壁移至塑圈弹圈交界处。弹性区应力明显增高，区外为天然应力状态。◊即：R0处σr值由pi（支护反力）增至σ0（弹性圈外）；σθ由pi突增至2σ0（塑性圈外界），再降至σ0（弹性圈界）。当洞壁支护为pi时，塑圈上重分布应力为：coscossin1sin20cRrcpircossin1sin1cossin1sin0cRrcpi0r此组公式说明：塑弹交界面上的应力取决于天然应力σ0和岩体强度c、φ值，与支护力pi无关。即：支护力不能改变交界面上的应力，只能控制塑性松动圈半径R1的大小。cossin10crpecossin10cpe0rpe由前组公式可知：塑圈内的应力与岩体天然应力无关，而取决于支护力pi和圈内岩体的强度c、φ值。塑弹交界处（r=R1)：第四章地下工程第1节概述第2节围岩应力分布第3节围岩变形破坏第4节围岩分类第5节围岩压力第6节围岩稳定性评价第7节地下工程地质超前预报第3节围岩变形破坏变形破坏特征取决于围岩应力状态，岩体结构及洞室断面形状等。各种围岩的变形破坏都是渐进发展的。分析时，抓变形破坏的始发点，连锁反应的关键点。预测发展规律，早期处理、控制，以确保围岩稳定性。开挖，洞壁围岩失去支撑，向洞内松胀，变形超过强度极限，围岩发生破坏。破坏形式--围岩变形、失稳破坏受岩体结构控制，大致可分为：脆性破裂：整体结构或块状结构—岩爆块体运动：块状结构岩体弯曲折断破坏：层状结构，尤其是有软弱夹层的互层岩体松动解脱：碎裂结构岩体塑性变形和剪切破坏：散体结构或碎裂结构第3节围岩变形破坏1块体滑移2拱形冒落3滑动4崩塌破坏形式：岩爆-高地应力区开挖使应力高度集中，突发破坏。脆性开裂-拉应力集中部位，λ1/3时，洞顶出现拉应力，易形成塌方。块体滑移-结构面切割形成不稳定块，滑出。受控于结构面性状。一、整体状、块状岩体围岩：坚硬岩块体滑移1-层面；2-断裂；3-裂隙第3节围岩变形破坏常为软硬互层岩体。破坏形式—结构面-层理面、其他软弱结构面水平岩层-顶部折断塌落，形成三角形塌落区。倾斜岩层-一侧弯曲塌落，另侧为块体滑移。直立岩体-洞顶受拉，塌落；侧墙弯折内鼓，发展危及洞顶。二、层状岩体围岩--张裂、折断塌落、弯曲内鼓。◈断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。塌方、滑动破坏规模取决于破碎程度及夹泥多少。破坏形式—三、碎裂状岩体围岩：碎裂岩体塌方示意图拱形冒落局部塌方造成偏压侧鼓底鼓◈强烈构造破碎和强烈风化的岩体或新近堆积的土体。破坏形式—拱形冒落、局部塌方、塑性挤入、滑动四、松散状岩体围岩：松散围岩变形破坏形式京西煤矿某巷道底围鼓胀示意图a-底围鼓胀；b-侧围突出与底围鼓胀底围隆鼓1944年3月1944年6月围岩缩径示意图沿碎裂岩体沿断层带遇断层破碎带塌方岩爆示意图下游壁圆形岩爆坑，剪张性破裂面下游壁岩爆的弯曲折断现象破裂面呈阶梯状、弧形锦屏二级电站岩爆特征岩堆蠕动造成偏压及处理措施高场山隧道衬砌变形情况（滑坡体推挤引起变形）沿软弱岩层滑动造成偏压及衬砌形式隧道偏压作业题：1.地下建筑工程的主要工程地质问题有哪些?其核心问题是什么？2.洞周围岩应力重分布的特点是什么？围岩范围是如何确定的？参数λ的意义？3.围岩变形破坏的几种主要形式是什么？4.什么是岩爆？发生条件及预防措施？