地下工程應(yīng)力變形破壞

1、 圍巖應(yīng)力可分為圍巖應(yīng)力可分為: : 開(kāi)挖前天然應(yīng)力開(kāi)挖前天然應(yīng)力 開(kāi)挖后重分布應(yīng)力開(kāi)挖后重分布應(yīng)力 支襯后調(diào)整應(yīng)力支襯后調(diào)整應(yīng)力 一、巖體中天然應(yīng)力一、巖體中天然應(yīng)力 開(kāi)挖前應(yīng)力為初始應(yīng)力開(kāi)挖前應(yīng)力為初始應(yīng)力 自重應(yīng)力自重應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力 p一、巖體中天然應(yīng)力一、巖體中天然應(yīng)力 開(kāi)挖前應(yīng)力為初始應(yīng)力。開(kāi)挖前應(yīng)力為初始應(yīng)力。 一般情況：一般情況： hv 構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)的地區(qū)：構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)的地區(qū)： vh 自重應(yīng)力自重應(yīng)力 自重應(yīng)力（垂向）自重應(yīng)力（垂向）：gZ v 構(gòu)造應(yīng)力（水平向）：構(gòu)造應(yīng)力（水平向）： vh 1 v h 構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力 開(kāi)挖洞室，應(yīng)力平衡被打破，圍巖向洞內(nèi)松開(kāi)挖洞室，應(yīng)力平

2、衡被打破，圍巖向洞內(nèi)松 脹位移，引起一定范圍內(nèi)應(yīng)力調(diào)整，使天然脹位移，引起一定范圍內(nèi)應(yīng)力調(diào)整，使天然 應(yīng)力大小、方向和性質(zhì)改變，達(dá)到新的平衡。應(yīng)力大小、方向和性質(zhì)改變，達(dá)到新的平衡。 二、圍巖中重分布應(yīng)力二、圍巖中重分布應(yīng)力 u圓形洞室圓形洞室圍巖中一點(diǎn)的重分布應(yīng)力圍巖中一點(diǎn)的重分布應(yīng)力 (按平面問(wèn)題考慮按平面問(wèn)題考慮) r -徑向應(yīng)力 -環(huán)向應(yīng)力 r -剪應(yīng)力 -極角 r - 極距 R0 -洞徑 2cos431 2 1 2 2 2 0 4 4 0 2 2 0 r R r R r R vhvh r 2cos31 2 1 2 4 4 0 2 2 0 r R r R vhvh 2sin231 2

3、2 2 0 4 4 0 r R r R vh r n 1 1、開(kāi)挖后圍巖保持彈性狀態(tài)的重分布應(yīng)力、開(kāi)挖后圍巖保持彈性狀態(tài)的重分布應(yīng)力 (4-1) 圓形洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算示意圖圓形洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算示意圖 說(shuō)明：天然應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，說(shuō)明：天然應(yīng)力狀態(tài)時(shí)， ：最大主應(yīng)力； r：最小主應(yīng)力。 隨r值增， r增大， 減小 0 r 0 2 令令 r=R0 有 有 0 Rr 即僅有即僅有 作用（單向狀態(tài)） 作用（單向狀態(tài)），則洞壁上應(yīng)力為：則洞壁上應(yīng)力為： 2cos2 vhvh 0 r 0 r 當(dāng)當(dāng) =1 =1 即：即： 時(shí)，有：時(shí)，有： 0 vh 2 2 0 0 1 r R r 2 2 0 0 1

4、r R 0 r 當(dāng)當(dāng) r=6R0 , 0 r（天然應(yīng)力狀態(tài)天然應(yīng)力狀態(tài)） (4-2) 隨隨r值增，值增， r增大，增大， 減小減小 圓形洞室周邊應(yīng)力分布圖圓形洞室周邊應(yīng)力分布圖 6倍洞徑范圍內(nèi)巖體為圍巖。倍洞徑范圍內(nèi)巖體為圍巖。 u 應(yīng)力重分布特征：應(yīng)力重分布特征： 環(huán)向應(yīng)力增或減，并出現(xiàn)拉應(yīng)力；環(huán)向應(yīng)力增或減，并出現(xiàn)拉應(yīng)力； 產(chǎn)生分異現(xiàn)象，徑向應(yīng)力趨于零；產(chǎn)生分異現(xiàn)象，徑向應(yīng)力趨于零； v h 3 1 洞頂?shù)壮霈F(xiàn)拉應(yīng)力；洞頂?shù)壮霈F(xiàn)拉應(yīng)力； 3 3 1 洞壁圍巖內(nèi)洞壁圍巖內(nèi)全為壓應(yīng)力全為壓應(yīng)力 3 洞室側(cè)壁出現(xiàn)拉應(yīng)力，洞頂?shù)锥词覀?cè)壁出現(xiàn)拉應(yīng)力，洞頂?shù)?出現(xiàn)較高壓應(yīng)力集中。出現(xiàn)較高壓應(yīng)力集中。

5、取不同的取不同的值，洞壁應(yīng)力狀態(tài)不同。值，洞壁應(yīng)力狀態(tài)不同。 隨 隨變化曲線變化曲線 正方形正方形-4 4個(gè)角點(diǎn)應(yīng)力集中最大；個(gè)角點(diǎn)應(yīng)力集中最大； 矩形矩形-角點(diǎn)、短邊中點(diǎn)應(yīng)力增；角點(diǎn)、短邊中點(diǎn)應(yīng)力增； 橢圓橢圓- -長(zhǎng)軸兩端點(diǎn)應(yīng)力集中（壓），長(zhǎng)軸兩端點(diǎn)應(yīng)力集中（壓）， 易出現(xiàn)壓碎破壞，短軸兩端點(diǎn)易出現(xiàn)易出現(xiàn)壓碎破壞，短軸兩端點(diǎn)易出現(xiàn) 拉斷破壞；拉斷破壞； 總特點(diǎn)總特點(diǎn)- u其他洞形其他洞形 u相鄰洞室的影響相鄰洞室的影響- 相鄰洞室引起應(yīng)力集中相鄰洞室引起應(yīng)力集中 增高，對(duì)穩(wěn)定不利，應(yīng)設(shè)增高，對(duì)穩(wěn)定不利，應(yīng)設(shè) 置安全距離。置安全距離。 拐點(diǎn)處，存在較大應(yīng)力集中。拐點(diǎn)處，存在較大應(yīng)力集中。規(guī)律

6、：規(guī)律： vh 引入應(yīng)力集中系數(shù)，則：引入應(yīng)力集中系數(shù)，則： 2cos21 2cos21 圓形：圓形： u其他洞形其他洞形 各種不同斷面洞室周邊應(yīng)力分布圖各種不同斷面洞室周邊應(yīng)力分布圖 “+”為壓應(yīng)力；為壓應(yīng)力； “-”為拉應(yīng)力為拉應(yīng)力 u開(kāi)挖后洞壁處應(yīng)力集中最大。當(dāng)洞壁應(yīng)力超過(guò)巖體開(kāi)挖后洞壁處應(yīng)力集中最大。當(dāng)洞壁應(yīng)力超過(guò)巖體 的屈服極限時(shí)，洞壁圍巖的屈服極限時(shí)，洞壁圍巖由彈性轉(zhuǎn)為塑性由彈性轉(zhuǎn)為塑性， u隨半徑隨半徑 r 增大，增大，r r 漸增，漸增， 應(yīng)力狀態(tài)由洞壁處單向轉(zhuǎn)為應(yīng)力狀態(tài)由洞壁處單向轉(zhuǎn)為 雙向，至一定距離圍巖由塑雙向，至一定距離圍巖由塑 性轉(zhuǎn)為彈性，最終形成塑形性轉(zhuǎn)為彈性，最終

7、形成塑形 圈和彈性圈。圈和彈性圈。 n 2 2、開(kāi)挖后出現(xiàn)塑性變形圈的重分布應(yīng)力、開(kāi)挖后出現(xiàn)塑性變形圈的重分布應(yīng)力 在圍巖中形成一個(gè)在圍巖中形成一個(gè) 所謂所謂塑性松動(dòng)圈塑性松動(dòng)圈 洞室圍巖中出現(xiàn)非彈性變形區(qū)后應(yīng)力重分布洞室圍巖中出現(xiàn)非彈性變形區(qū)后應(yīng)力重分布 塑圈內(nèi)應(yīng)力釋放而明顯降低，最大應(yīng)力集中由洞壁塑圈內(nèi)應(yīng)力釋放而明顯降低，最大應(yīng)力集中由洞壁 移至塑圈彈圈交界處。彈性區(qū)應(yīng)力明顯增高，區(qū)外移至塑圈彈圈交界處。彈性區(qū)應(yīng)力明顯增高，區(qū)外 為天然應(yīng)力狀態(tài)。為天然應(yīng)力狀態(tài)。 即：即：R R0 0 處 處r r 值由 值由p pi i （支護(hù)反力）增至 （支護(hù)反力）增至0 0（彈性圈外）；（彈性圈外）；

8、 由 由p pi i 突增至 突增至2 2 0 0 （塑性圈外界），再降至（塑性圈外界），再降至0 （彈性圈（彈性圈 界）。界）。 當(dāng)洞壁支支 護(hù)為護(hù)為 p pi i 時(shí)時(shí)，塑圈 上重分布 應(yīng)力為： coscos sin1 sin2 0 c R r cpi r cos sin1 sin1 cos sin1 sin 0 c R r cpi 0 r 此組公式說(shuō)明：塑彈交界面上的應(yīng)力取決于天然應(yīng)力此組公式說(shuō)明：塑彈交界面上的應(yīng)力取決于天然應(yīng)力0 0 和巖 和巖 體強(qiáng)度體強(qiáng)度c 、值值，與支護(hù)力，與支護(hù)力pi無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。 即：支護(hù)力不能改變交界面上的應(yīng)力，只能控制塑性松動(dòng)圈半即：支護(hù)力不能改變交界面上

9、的應(yīng)力，只能控制塑性松動(dòng)圈半 徑徑R1 的大小。的大小。 cossin1 0 c rpe cossin1 0 c pe 0 rpe 由前組公式可知：塑圈內(nèi)的應(yīng)力與巖體天然應(yīng)力無(wú)關(guān)，而由前組公式可知：塑圈內(nèi)的應(yīng)力與巖體天然應(yīng)力無(wú)關(guān)，而 取決于支護(hù)力取決于支護(hù)力pi 和圈內(nèi)巖體的強(qiáng)度和圈內(nèi)巖體的強(qiáng)度c 、值值。 塑彈交界處塑彈交界處 （r =R1 ) )： u變形破壞特征取決于圍巖應(yīng)力狀態(tài)，巖體結(jié)構(gòu)及變形破壞特征取決于圍巖應(yīng)力狀態(tài)，巖體結(jié)構(gòu)及 洞室斷面形狀等。洞室斷面形狀等。 u各種圍巖的變形破壞都是漸進(jìn)發(fā)展的。各種圍巖的變形破壞都是漸進(jìn)發(fā)展的。 u分析時(shí)，抓變形破壞的始發(fā)點(diǎn)，連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵分析時(shí)

10、，抓變形破壞的始發(fā)點(diǎn)，連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵 點(diǎn)。預(yù)測(cè)發(fā)展規(guī)律，早期處理、控制，以確保圍巖點(diǎn)。預(yù)測(cè)發(fā)展規(guī)律，早期處理、控制，以確保圍巖 穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 u開(kāi)挖，洞壁圍巖失去支撐，向洞內(nèi)松脹，變形超開(kāi)挖，洞壁圍巖失去支撐，向洞內(nèi)松脹，變形超 過(guò)強(qiáng)度極限，圍巖發(fā)生破壞。過(guò)強(qiáng)度極限，圍巖發(fā)生破壞。 1 塊體滑移塊體滑移 2 拱形冒落拱形冒落 3 滑滑 動(dòng)動(dòng) 4 崩崩 塌塌 破壞形式：破壞形式： 脆性開(kāi)裂脆性開(kāi)裂-拉應(yīng)力集中部位，拉應(yīng)力集中部位，1/31/3時(shí)，時(shí)， 洞頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，易形成塌方。洞頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，易形成塌方。 塊體滑移塊體滑移-結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定塊，滑出。受結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定塊，滑出。受

11、控于結(jié)構(gòu)面性狀?？赜诮Y(jié)構(gòu)面性狀。 p一、整體狀、塊狀巖體圍巖：一、整體狀、塊狀巖體圍巖： 堅(jiān)硬巖塊體滑移堅(jiān)硬巖塊體滑移 1-層面；2-斷裂；3-裂隙 第第3 3節(jié)節(jié) 圍巖變形破壞圍巖變形破壞 常為軟硬互層巖體。常為軟硬互層巖體。 破壞形式破壞形式 結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面-層理面、其他軟弱結(jié)構(gòu)面層理面、其他軟弱結(jié)構(gòu)面 水平巖層水平巖層- -頂部折斷頂部折斷 塌落，形成三角形塌落，形成三角形 塌落區(qū)。塌落區(qū)。 傾斜巖層傾斜巖層- -一側(cè)彎一側(cè)彎 曲塌落，另側(cè)為曲塌落，另側(cè)為 塊體滑移。塊體滑移。 直立巖體直立巖體- -洞頂受拉，洞頂受拉， 塌落；側(cè)墻彎折內(nèi)鼓，塌落；側(cè)墻彎折內(nèi)鼓， 發(fā)展危及洞頂。發(fā)展危及洞頂

12、。 p 二、層狀巖體圍巖二、層狀巖體圍巖- 張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓。張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓。 斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生 夾泥的巖體。夾泥的巖體。 塌方、滑動(dòng)塌方、滑動(dòng) 破壞規(guī)模取破壞規(guī)模取 決于破碎程度決于破碎程度 及夾泥多少。及夾泥多少。 破壞形式破壞形式 p 三、碎裂狀巖體圍巖：三、碎裂狀巖體圍巖： 碎裂巖體塌方示意圖碎裂巖體塌方示意圖 拱形冒落拱形冒落 局部塌方局部塌方 造成偏壓造成偏壓 側(cè)鼓側(cè)鼓底鼓底鼓 強(qiáng)烈構(gòu)造破碎和強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體或新近堆積的土體。強(qiáng)烈構(gòu)造破碎和強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體或新近堆積的土體。 破壞形式破壞形式 拱形冒落、局部塌方、塑性擠入、滑動(dòng)拱形冒落、局部塌方、塑性擠入、滑動(dòng) p 四、松散狀巖體圍巖：四、松散狀巖體圍巖： 松散圍巖變形破壞形式松散圍巖變形破壞形式 京西煤礦某巷道底圍鼓脹示意圖京西煤礦某巷道底圍鼓脹示意圖 a-底圍鼓脹； b-側(cè)圍突出與底圍鼓脹 底圍隆鼓底圍隆鼓 1944年3月1944年6月 圍巖縮徑示意圖圍巖縮徑示意圖 沿碎裂巖體沿碎裂巖體沿?cái)鄬訋а?/p>