当前课程知识点：地质学与工程地质 > 第12章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析 > 12.1 地下洞室及其应力重分布 > Chapter 12.1 地下洞室及其应力重分布
同学们好 欢迎来到地质学与工程地质课程
随着人类工程建设的不断发展
矿山坑道 交通隧道 地下飞机库 军用设施
水电工程中的地下厂房和引水隧洞等
都需要在地下岩土体内
开挖一定断面形状和几何尺寸
并具有较大延伸长度的地下空间
也就是地下洞室 地下洞室开挖之前
岩土体处于一定的应力平衡状态
洞室的开挖将引起周围岩土体
发生卸荷回弹和应力重分布
从而改变周围岩土体的应力状态和强度特征
当周围岩土体的强度不能满足应力状态的调整时
将引起相应的变形 甚至破坏
从而影响着地下工程的安全和正常运营
如果周围的岩土体强度比较高
洞室开挖不会引起显著的变形和破坏
那么洞室是稳定的 不需要进行加固
相反如果周围岩土体强度比较低
无法适应洞室开挖引起的应力状态调整
那么这时洞室围岩将发生失稳
需要进行加固处理
所以为了保证地下工程
在施工及运营期间的安全性
工程地质工作者必须要了解
和掌握地下洞室周围岩土体的应力状态
变形破坏机理及影响因素
从而为正确解决地下工程的设计
和施工中遇到的问题
提供可靠的地质依据
这节课我们先来学习地下洞室围岩应力重分布特征
岩体在天然条件下都处在一定的初始应力状态
任何一点的初始应力或者说原岩应力
可以用垂直正应力和水平正应力来表示
其中这个N为侧压力系数
可以看出岩体内的初始应力
随着深度H的变化而发生变化
所以对于具有一定尺寸的地下洞室来说
它在垂直剖面上各点的原岩应力大小是不相等的
也就是说地下洞室在岩体内是处在
一个非均匀的初始应力场中
根据圣维南原理
由洞室开挖引起的应力状态发生显著变化
总是局限在洞室周围一定的范围内
这个范围一般等于地下洞室断面
最大尺寸的三到五倍
通常将这个范围内的岩土体称为围岩
如果这个范围没有超出地表
为了简化围岩应力计算
可以假定在洞室整个影响带内
岩体的初始应力状态与洞中心的应力状态是一样的
这样是不是就可以按照均匀应力场进行围岩应力计算
通常工程中围岩应力的计算
都是在这一假设的基础上进行的
由于洞室开挖引起的围岩中应力应变调整
导致原岩天然应力大小
方向和性质发生改变的过程
和现象就称为围岩应力重分布
总体上来讲 围岩应力重分布具有一定的规律性
随着向自由面的接近 径向应力
呈现逐渐减小的趋势
到洞壁处变为零
而切向应力的变化会有不同的情况
有些部位越接近自由表面切向应力越大
并在洞壁处达到最大值
产生压应力集中 而另外一些部位呢
越接近自由表面 切向应力越低
甚至于洞壁附近出现负应力
也就是产生拉应力集中
这种结果将在围岩内引起强烈的主应力分异现象
并在围岩范围内 越接近自由表面
应力差越大 在洞周附近达到最大值
也就是说在围岩范围内
洞室周边处于一个最为不利的应力条件
所以研究洞室周边应力集中的规律和特点
对于评价围岩稳定性具有重要的意义
一般来说地下洞室围岩应力重分布
主要取决于洞室断面形状
和岩体的初始应力状态
下面以常见的几种简化洞形为例
分别进行详细的讨论
对于圆形 椭圆形洞室
周边上可能的最大拉应力和最大压应力集中
分别发生在初始最大主应力轴
和最小主应力轴与周边垂直相交的A、B两点
而这两点之间的应力处于两个极值之间
呈现逐渐的过渡状态
所以这两点可以说是判断围岩是否稳定的关键部位
根据弹性理论 圆形和椭圆形地下洞室
周边A、B两点的切向应力
可以通过这个公式来计算得到
其中这个值α加β乘以N称为应力集中系数
根据这个公式可以很容易的得到洞室周边应力集中系数
与N和轴比的关系曲线 从这个图上可以看出
当垂直应力等于水平应力
也就是N等于1时 任何轴比的洞室
周边上都不会产生拉应力
当水平应力等于零
也就是N等于0的时候
最大拉应力总是产生在A点
且应力集中系数与洞形无关
无论轴比等于多少
A点的切向应力与σV的比值都等于-1
当N不等于0 也不等于1时
不同的洞形会有特定的产生拉应力的临界N值
但拉应力仍然产生在最大主应力轴
与洞室周边垂直相交的部位
当N小于1 也就是说水平应力小于垂直应力时
最大拉应力出现在A点
N越小所产生的拉应力就越大
当N大于1时 最大拉应力产生在B点
N值越大 所产生的拉应力也就越大
当轴比b/a等于N时
周边上不会产生拉应力
而且各点压应力集中系数相等
也是不同轴比的洞室周边上所可能产生的
最大压应力集中系数的最小值
所以这种条件下 洞室围岩稳定性较好
当b/a大于N时 最大压应力集中产生在B点
当b/a小于N时 最大压应力集中产生在A点
在这两种情况下 应力集中系数
均随着两者差别的增大而增大
对于方形和矩形洞室而言
最大压应力集中都产生在角点部位
但这些角点处的最大压应力
集中系数随着洞室的宽高比
也就是B比H的不同而不同
在不同的应力场中 也就是N不同的时候
一般的来说方形 或者说接近于方形的洞室
它的最大压应力集中系数最低
而且随着洞宽和洞高差异性的增加
洞室角点处的最大压应力
集中系数也呈现增大的趋势
最大拉应力集中呢
产生在初始最大主应力
与周边垂直相交的部位
这与圆形 椭圆形洞室十分相似
自然界中围岩特性可以说千差万别
不同类型的围岩
对围岩应力重分布的影响也有一定的差异
当围岩的应力 应变的关系具有非线性特征
或者具有较大的蠕变特性时
洞室周边的切向应力
要小于理想弹性岩层时的应力
当远离洞壁一定距离后
岩层内的切向应力
则要大于理想弹性岩层时的应力
当洞室附近有断层平行于洞壁通过时
位于断层带内的岩土单元体
要承受径向和切向应力的作用
从而在断层面上产生剪应力
如果这种剪应力大于断层带的强度
那么断层将发生滑移
从而使传过断层面的应力比没有断层时要小
因此在洞室和断层之间的狭窄地带
往往产生很高的应力集中
从而使这些部位的围岩稳定性大大的恶化
好 这节课我们学习了
地下洞室开挖引起的围岩应力重分布的一般规律
通过这节课的学习 同学们要了解
围岩应力集中的一般规律
及围岩特性和不连续面等
对围岩应力分布的影响
从而为后续围岩稳定性评价奠定基础
-0.1 人类工程活动与地质环境
-0.2 工程地质学的任务
-知识巩固--作业
-1.1 地球的形成与演化
-1.2 地球的基本性质
-1.3 岩石圈板块构造与地质作用
-知识巩固
-2.1 地壳运动
--默认
-2.2 岩浆作用
-2.3 变质作用
-2.4 地震作用
-知识巩固
-3.1 引述
-3.2 风化作用
-第3章 外动力地质作用--3.2 风化作用
-3.3 地面流水的地质作用
-3.3 地面流水的地质作用--作业
-3.4 风的地质作用
-3.4 风的地质作用--作业
-3.5 冰川的地质作用
-3.5 冰川的地质作用--作业
-知识巩固-基础篇--作业
-知识巩固-提高篇--作业
-4.1 矿物
-第4章 矿物与岩石--4.1 矿物
-4.2 岩浆岩
-第4章 矿物与岩石--4.2 岩浆岩
-4.3 沉积岩
-4.3 沉积岩--作业
-4.4 变质岩
-第4章 矿物与岩石--4.4 变质岩
-第4章 矿物与岩石--知识巩固-基础篇
-第4章 矿物与岩石--知识巩固-提高篇
-5 地质年代
-知识巩固--作业
-6.1 水平构造与倾斜构造
-6.2 褶皱构造
-6.3 断裂构造
-第6章 地质构造--知识巩固-基础篇
-第6章 地质构造--知识巩固-提高篇
-7.1 概述
-7.2 地质图的表示方法
-7.3 地质图的阅读和分析
-第7章 地质图--知识巩固-基础篇
-第7章 地质图--知识巩固-提高篇
-8.1 基本概念
-8.1 基本概念--作业
-8.2 地下水的埋藏类型与排泄
-第8章 地下水--8.2 地下水的埋藏类型与排泄
-8.3 地下水的运动
-8.3 地下水的运动--作业
-8.4 地下水的水质
-8.4 地下水的水质--作业
-8.5 与地下水有关的工程地质问题
-8.5 与地下水有关的工程地质问题--作业
-知识巩固-基础篇--作业
-第8章 地下水--知识巩固-提高篇
-9.1 土的物质组成
-9.1 土的物质组成--作业
-9.2 土的基本性质
-9.2 土的基本性质--作业
-9.3 土的工程分类
-9.4 特殊土及工程性质
-9.4 特殊土及工程性质--作业
-第9章 土体的工程地质性质--知识巩固-基础篇
-第9章 土体的工程地质性质--知识巩固-提高篇
-10.1 概述
--10.1练习
-10.2 岩石的物理和水理性质
--10.2练习
-10.3 岩石的力学性质
--10.3习题
-10.4 岩体结构、结构面与结构体
--10.4习题
-10.5 结构面的特征及力学性质
--10.5习题
-10.6 岩体力学性质
--10.6习题
-10.7 岩体的工程地质分类
--10.7习题
-知识巩固-基础篇--作业
-知识巩固-提高篇--作业
-11.1 斜坡变形与破坏
-11.1 斜坡变形与破坏--作业
-11.2 影响斜坡稳定的因素
-11.3 斜坡稳定性分析
-11.3 斜坡稳定性分析--作业
-11.4 岩质边坡稳定的结构分析法
-11.5 斜坡变形破坏防治原则与措施
-11.5 斜坡变形破坏防治原则与措施--作业
-第11章 斜坡稳定性工程地质问题分析--知识巩固-基础篇
-第11章 斜坡稳定性工程地质问题分析--知识巩固-提高篇
-12.1 地下洞室及其应力重分布
-12.1 地下洞室及其应力重分布--作业
-12.2 洞室围岩的变形与破坏
-12.3 影响洞室围岩稳定性的因素
-12.4 洞室围岩失稳的防治措施
-第12章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析--知识巩固
-13.1 水利工程坝基
--Chapter 13.1.1 坝型及对工程地质条件的要求
-13.2 常见地基处理方法
-第13章 地基岩体稳定性工程地质问题分析--知识巩固
-14.1 水库渗漏
-14.2 库岸稳定问题
-14.3 库周浸没及水库淤积
-知识巩固--作业
-15.1 概述
-15.2 工程地质测绘
-15.3 工程地质勘探与野外试验
-15.4 地质罗盘的使用方法
-知识巩固
-汶川地震泥石流——5年的回顾
--汶川地震泥石流
--汶川地震这五年
--解疑答惑
-期末考试
