隧道施工后的应力状态及力学行为.ppt
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1、隧道施工后的应力状态及力学行为本讲主要内容:1、隧道开挖后的应力状态2、隧道支护后的应力状态3、新奥法施工的力学解析4、隧道施工力学相关问题讨论 土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华(1 1 1 1)隧道的施工过程)隧道的施工过程)隧道的施工过程)隧道的施工过程原始岩体原始岩体原始岩体原始岩体毛毛毛毛 洞洞洞洞支护体系支护体系支护体系支护体系稳定洞室稳定洞室稳定洞室稳定洞室开挖开挖开挖开挖支护支护支护支护时间时间时间时间第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院
2、隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华初始应力状态(原岩)初始应力状态(原岩)初始应力状态(原岩)初始应力状态(原岩)隧道开挖后应力状态(二次应力状态)隧道开挖后应力状态(二次应力状态)隧道开挖后应力状态(二次应力状态)隧道开挖后应力状态(二次应力状态)隧隧隧隧道道道道的的的的开开开开挖挖挖挖施施施施工工工工实实实实际际际际上上上上是是是是一一一一个个个个应应应应力力力力状状状状态态态态的的的的调调调调整整整整,重重重重新新新新达到达到达到达到应力平衡应力平衡应力平衡应力平衡的过程。的过程。的过程。的过程。(2 2 2 2)隧道施工的力学过程)隧道施工的力学过程)隧道施工的力学过程)隧道
3、施工的力学过程开挖开挖开挖开挖支护体系应力状态(三次应力状态)支护体系应力状态(三次应力状态)支护体系应力状态(三次应力状态)支护体系应力状态(三次应力状态)终极应力状态(四次应力状态)终极应力状态(四次应力状态)终极应力状态(四次应力状态)终极应力状态(四次应力状态)支护支护支护支护时间时间时间时间第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 (1 1)基本基本假设假设 影响洞室围岩二次应力状态的因素是很多的,如围岩的影响洞室围岩二次应力状态的因素是很多的,如围岩的影响洞室围岩二次
4、应力状态的因素是很多的,如围岩的影响洞室围岩二次应力状态的因素是很多的,如围岩的初始应力状态,岩体地质因素、洞室开挖的形状和尺寸、埋深初始应力状态,岩体地质因素、洞室开挖的形状和尺寸、埋深初始应力状态,岩体地质因素、洞室开挖的形状和尺寸、埋深初始应力状态,岩体地质因素、洞室开挖的形状和尺寸、埋深以及洞室开挖的施工技术等。但目前对洞室二次应力状态的力以及洞室开挖的施工技术等。但目前对洞室二次应力状态的力以及洞室开挖的施工技术等。但目前对洞室二次应力状态的力以及洞室开挖的施工技术等。但目前对洞室二次应力状态的力学分析多以下述假定为前提:学分析多以下述假定为前提:学分析多以下述假定为前提:学分析多以
5、下述假定为前提:1 1 1 1)视围岩为均质的,各向同性的连续介质)视围岩为均质的,各向同性的连续介质)视围岩为均质的,各向同性的连续介质)视围岩为均质的,各向同性的连续介质 2 2 2 2)只考虑自重产生的初始应力场)只考虑自重产生的初始应力场)只考虑自重产生的初始应力场)只考虑自重产生的初始应力场 3 3 3 3)隧道形状以规则的圆形为主)隧道形状以规则的圆形为主)隧道形状以规则的圆形为主)隧道形状以规则的圆形为主 4 4 4 4)隧道位于地表下一定的深度处,可简化为无限体中的)隧道位于地表下一定的深度处,可简化为无限体中的)隧道位于地表下一定的深度处,可简化为无限体中的)隧道位于地表下一
6、定的深度处,可简化为无限体中的孔洞问题孔洞问题孔洞问题孔洞问题第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态1 1 1 1、隧道开挖后的应力状态、隧道开挖后的应力状态、隧道开挖后的应力状态、隧道开挖后的应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 隧道开挖后,围岩中的应力与位移视围岩强度可能会出现隧道开挖后,围岩中的应力与位移视围岩强度可能会出现隧道开挖后,围岩中的应力与位移视围岩强度可能会出现隧道开挖后,围岩中的应力与位移视围岩强度可能会出现两种情况:两种情况:两种情况:两种情况:一种是围岩仍处
7、于一种是围岩仍处于一种是围岩仍处于一种是围岩仍处于弹性状态弹性状态弹性状态弹性状态;另一种是开挖后应力达到或超过围岩的屈服条件,使另一种是开挖后应力达到或超过围岩的屈服条件,使另一种是开挖后应力达到或超过围岩的屈服条件,使另一种是开挖后应力达到或超过围岩的屈服条件,使部分部分部分部分围岩处于塑性状态,围岩处于塑性状态,围岩处于塑性状态,围岩处于塑性状态,隧道围岩将产生塑性滑移、松弛或破坏。隧道围岩将产生塑性滑移、松弛或破坏。隧道围岩将产生塑性滑移、松弛或破坏。隧道围岩将产生塑性滑移、松弛或破坏。第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态1 1 1 1、隧道
8、开挖后的应力状态、隧道开挖后的应力状态、隧道开挖后的应力状态、隧道开挖后的应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 (2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态1 1 1 1)围岩中的应力场和位移场:)围岩中的应力场和位移场:)围岩中的应力场和位移场:)围岩中的应力场和位移场:第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态一部分是初始应一部分是初始应一部分是初始应一部分是初始应力初始的力初始的力初始的力初始的(以以以以“”标出标出标出标出),另一部,另一部,另一部,另一部分是有洞
9、周开挖分是有洞周开挖分是有洞周开挖分是有洞周开挖卸载引起的卸载引起的卸载引起的卸载引起的 土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 (2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态2 2 2 2)洞周应力和位移)洞周应力和位移)洞周应力和位移)洞周应力和位移 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 (2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态2 2 2 2)洞周应力和位移
10、)洞周应力和位移)洞周应力和位移)洞周应力和位移 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 沿隧道周边只存在切向应力,径向沿隧道周边只存在切向应力,径向沿隧道周边只存在切向应力,径向沿隧道周边只存在切向应力,径向应力为应力为应力为应力为0 0 0 0。这说明隧道的开挖使隧道周。这说明隧道的开挖使隧道周。这说明隧道的开挖使隧道周。这说明隧道的开挖使隧道周边围岩从二维(或三维)应力状态变成边围岩从二维(或三维)应力状态变成边围岩从二维(或三维)应力状态变成边围岩从二维(或三维)应力状态变成一维(或二维)应力状态,沿隧道周边一维(或二维)应力状态,沿隧道周边一
11、维(或二维)应力状态,沿隧道周边一维(或二维)应力状态,沿隧道周边的应力值及其分布主要取决于值的应力值及其分布主要取决于值的应力值及其分布主要取决于值的应力值及其分布主要取决于值 。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 (2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态2 2 2 2)洞周应力和位移)洞周应力和位移)洞周应力和位移)洞周应力和位移 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态分别以不同的分别以不同的分别以不同的分别以不同的 值代入前式,则切向应力沿隧道的分布如图。值代入前
12、式,则切向应力沿隧道的分布如图。值代入前式,则切向应力沿隧道的分布如图。值代入前式,则切向应力沿隧道的分布如图。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 (2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态2 2 2 2)洞周应力和位移)洞周应力和位移)洞周应力和位移)洞周应力和位移 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 a a a a)只有初始垂直应力()只有初始垂直应力()只有初始垂直应力()只有初始垂直应力()时,拱顶出现最大切向拉)时,拱顶出现最大切向拉)时,拱顶出现最大切向拉
13、)时,拱顶出现最大切向拉应力,并分布在拱顶一定范围内(左右应力,并分布在拱顶一定范围内(左右应力,并分布在拱顶一定范围内(左右应力,并分布在拱顶一定范围内(左右30303030范围内)。范围内)。范围内)。范围内)。b b b b)随着)随着)随着)随着 的增大,拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小,的增大,拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小,的增大,拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小,的增大,拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小,当当当当 时,拱顶切向拉应力等于时,拱顶切向拉应力等于时,拱顶切向拉应力等于时,拱顶切向拉应力等于0 0 0 0,大于大于大于大于1/31/31/31/3后,整个隧后,整个隧后
14、,整个隧后,整个隧道周边的切向应力皆为压应力。道周边的切向应力皆为压应力。道周边的切向应力皆为压应力。道周边的切向应力皆为压应力。c c c c)隧道侧壁周边切向应力总是压应力,且总比拱顶范围)隧道侧壁周边切向应力总是压应力,且总比拱顶范围)隧道侧壁周边切向应力总是压应力,且总比拱顶范围)隧道侧壁周边切向应力总是压应力,且总比拱顶范围的应力值大,侧壁处在较大压应力作用下会造成侧壁剪切破的应力值大,侧壁处在较大压应力作用下会造成侧壁剪切破的应力值大,侧壁处在较大压应力作用下会造成侧壁剪切破的应力值大,侧壁处在较大压应力作用下会造成侧壁剪切破坏或岩爆,并有可能导致整个隧道失稳。坏或岩爆,并有可能导
15、致整个隧道失稳。坏或岩爆,并有可能导致整个隧道失稳。坏或岩爆,并有可能导致整个隧道失稳。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 (2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态2 2 2 2)洞周应力和位移)洞周应力和位移)洞周应力和位移)洞周应力和位移 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 d d d d)当初始垂直应力和水平应力相等()当初始垂直应力和水平应力相等()当初始垂直应力和水平应力相等()当初始垂直应力和水平应力相等()时,隧道周)时,隧道周)时,隧道周)时,隧道周
16、边围岩的应力状态是轴对称的,这种应力状态对圆形隧道的边围岩的应力状态是轴对称的,这种应力状态对圆形隧道的边围岩的应力状态是轴对称的,这种应力状态对圆形隧道的边围岩的应力状态是轴对称的,这种应力状态对圆形隧道的稳定是非常有利的。稳定是非常有利的。稳定是非常有利的。稳定是非常有利的。e e e e)通常围岩的水平侧压力系数)通常围岩的水平侧压力系数)通常围岩的水平侧压力系数)通常围岩的水平侧压力系数 在在在在0.20.50.20.5之间,此时,之间,此时,之间,此时,之间,此时,隧道周边的切向应力都是压应力。隧道周边的切向应力都是压应力。隧道周边的切向应力都是压应力。隧道周边的切向应力都是压应力。
17、土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 (2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态2 2 2 2)洞周应力和位移)洞周应力和位移)洞周应力和位移)洞周应力和位移 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 当当当当 时,隧道断面是均匀缩时,隧道断面是均匀缩时,隧道断面是均匀缩时,隧道断面是均匀缩小的,随着小的,随着小的,随着小的,随着 值的减小,隧道上下值的减小,隧道上下值的减小,隧道上下值的减小,隧道上下顶点继续向隧道内挤入,水平直径顶点继续向隧道内挤入,水平直径顶点继续向隧道
18、内挤入,水平直径顶点继续向隧道内挤入,水平直径处则减小而变成扁平的断面形状。处则减小而变成扁平的断面形状。处则减小而变成扁平的断面形状。处则减小而变成扁平的断面形状。在多数情况下,隧道开挖后围在多数情况下,隧道开挖后围在多数情况下,隧道开挖后围在多数情况下,隧道开挖后围岩是向隧道内移动的,只在一定的岩是向隧道内移动的,只在一定的岩是向隧道内移动的,只在一定的岩是向隧道内移动的,只在一定的 值条件下,在水平直径处有向两值条件下,在水平直径处有向两值条件下,在水平直径处有向两值条件下,在水平直径处有向两侧扩展的趋势,侧扩展的趋势,侧扩展的趋势,侧扩展的趋势,多数情况下,拱顶多数情况下,拱顶多数情况
19、下,拱顶多数情况下,拱顶位移均大于侧壁位移位移均大于侧壁位移位移均大于侧壁位移位移均大于侧壁位移。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 (2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态3 3 3 3)轴对称情况)轴对称情况)轴对称情况)轴对称情况 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 (2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为
20、隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 在洞室周边上,主应力在洞室周边上,主应力在洞室周边上,主应力在洞室周边上,主应力 和和和和 的差值最大的差值最大的差值最大的差值最大(2 )(2 )(2 )(2 ),由此衍生的剪应力最大,所以洞室周边是最容易破坏的,实由此衍生的剪应力最大,所以洞室周边是最容易破坏的,实由此衍生的剪应力最大,所以洞室周边是最容易破坏的,实由此衍生的剪应力最大,所以洞室周边是最容易破坏的,实践也证明,洞室的破坏总是从周边开始,并逐步向深处发展践也证明,洞室的破坏总是从周边开始,并逐步向深处发展践也证明,洞室的破坏总是从周边开始,并逐步向深处发展践也证明,洞室的破坏总是
21、从周边开始,并逐步向深处发展的。的。的。的。3 3 3 3)轴对称情况)轴对称情况)轴对称情况)轴对称情况土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 (2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态4 4 4 4)围岩应力向深处的变化规律)围岩应力向深处的变化规律)围岩应力向深处的变化规律)围岩应力向深处的变化规律 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 和和和和 两种情况围岩应两种情况围岩应两种情况围岩应两种情况围岩应力分布情况。力分布情况。力分布情况。力分布情况。土木工程学院隧道工
22、程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 (2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态4 4 4 4)围岩应力向深处的变化规律)围岩应力向深处的变化规律)围岩应力向深处的变化规律)围岩应力向深处的变化规律 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态a)a)a)a)隧道侧壁中点的切向应力都是正值(压应力),最大为隧道侧壁中点的切向应力都是正值(压应力),最大为隧道侧壁中点的切向应力都是正值(压应力),最大为隧道侧壁中点的切向应力都是正值(压应力),最大为 最小为最小为最小为最小为 随着离隧道周边距离的增
23、大,切向应力趋于初始应力状态。随着离隧道周边距离的增大,切向应力趋于初始应力状态。随着离隧道周边距离的增大,切向应力趋于初始应力状态。随着离隧道周边距离的增大,切向应力趋于初始应力状态。b b b b)拱顶处在隧道周边上的切向应力由)拱顶处在隧道周边上的切向应力由)拱顶处在隧道周边上的切向应力由)拱顶处在隧道周边上的切向应力由 变到变到变到变到 ,随着离隧道周边距离的增大,切向应力同样趋于初始应力状态。随着离隧道周边距离的增大,切向应力同样趋于初始应力状态。随着离隧道周边距离的增大,切向应力同样趋于初始应力状态。随着离隧道周边距离的增大,切向应力同样趋于初始应力状态。c c c c)在拱顶处拉
24、应力深入围岩内部的范围约为)在拱顶处拉应力深入围岩内部的范围约为)在拱顶处拉应力深入围岩内部的范围约为)在拱顶处拉应力深入围岩内部的范围约为0.58a0.58a0.58a0.58a,而后周边为压应力,而后周边为压应力,而后周边为压应力,而后周边为压应力,这说明隧道开挖后围岩内的拉应力区是有限的。这说明隧道开挖后围岩内的拉应力区是有限的。这说明隧道开挖后围岩内的拉应力区是有限的。这说明隧道开挖后围岩内的拉应力区是有限的。对于实际开挖的隧道,由于爆破超欠挖的影响,隧道周边极不平整,对于实际开挖的隧道,由于爆破超欠挖的影响,隧道周边极不平整,对于实际开挖的隧道,由于爆破超欠挖的影响,隧道周边极不平整
25、,对于实际开挖的隧道,由于爆破超欠挖的影响,隧道周边极不平整,会产生高度的应力集中,欠挖处的应力会达到初始应力值的会产生高度的应力集中,欠挖处的应力会达到初始应力值的会产生高度的应力集中,欠挖处的应力会达到初始应力值的会产生高度的应力集中,欠挖处的应力会达到初始应力值的十几倍十几倍十几倍十几倍,造成,造成,造成,造成隧道的局部破坏。隧道的局部破坏。隧道的局部破坏。隧道的局部破坏。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华5 5 5 5)其它情况)其它情况)其它情况)其它情况 对于对于对于对于非圆形隧道非圆形隧道非圆形隧道非圆形隧道的围岩
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