支護結(jié)構(gòu)的巖體力學(xué)計算方法.ppt

隧道工程力學(xué)原理,做你該做的事情，,不要問結(jié)果如何。,英國詩人 赫伯特,第六章 支護結(jié)構(gòu)的巖體力學(xué)計算方法 主要對錨噴支護進行設(shè)計 計算模型：地層結(jié)構(gòu)模式，即結(jié)構(gòu)處于無限 或半無限介質(zhì)中，支護結(jié)構(gòu)鑲嵌在圍巖空洞上（相 當(dāng)于加勁環(huán)）所組成的復(fù)合模式。此模式中，支護 結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用，組成一個共同承載體系，其 中圍巖為主要的承載結(jié)構(gòu)。 將襯砌結(jié)構(gòu)、回填層及圍巖視為一個在外荷載 作用下互相制約的受力變形體系地層-結(jié)構(gòu)模式- 整體分析模式。 荷載-結(jié)構(gòu)模式將支護結(jié)構(gòu)與圍巖“分割”開 來，即把圍巖視為產(chǎn)生荷載，而支護結(jié)構(gòu)（襯 砌）則承受圍巖產(chǎn)生的荷載，這是不盡合理的，,隧道工程力學(xué)原理,例如，在無支護坑道中，坑道圍巖本身就是承 載結(jié)構(gòu)，其工作狀態(tài)接近于半無限或無限介質(zhì)中的 孔洞。 “新奧法”的根本點就是充分調(diào)動圍巖自身承受荷 載的積極性，或者說充分利用圍巖自身承受荷載的 能力。 支護結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用與下列因素有關(guān)： 巖體的初始應(yīng)力狀態(tài) 巖體的特性 支護結(jié)構(gòu)的特性 支護結(jié)構(gòu)與圍巖的接觸條件 支護結(jié)構(gòu)參與工作的時間 施工技術(shù) 此模式的求解方法主要有數(shù)值法、剪切滑移破壞 法和特征曲線法。,隧道工程力學(xué)原理,6.1 數(shù)值法 有限單元法，取35倍洞徑范圍進行分析。 可簡化為平面應(yīng)變問題，各向同性的均質(zhì)彈性 體，或彈塑性體，或粘彈塑性體。 單元類型：三角形、四邊形、回填的彈簧單 元、錨桿的梁單元、防水層的節(jié)理單元、襯砌 梁單元、各種體單元。,6.2 剪切滑移破壞法 60年代初，奧地利的拉布塞維奇教授，首先提出了剪切滑移破壞理論，指出錨噴柔性支護破壞 形態(tài)主要是剪切破壞而不是撓曲破壞，且在剪切破 壞前沒有出現(xiàn)撓曲開裂。 一、剪切滑移體的形成 開挖一圓形坑道，在荷載（垂直荷載大于側(cè)向荷載）作用下，在水平直徑的兩側(cè)形成壓應(yīng)力集中而產(chǎn)生剪切滑移面。隨著壓應(yīng)力的不斷增加，剪切滑移面不斷地向水平直徑的上下方且與最大主應(yīng)力軌跡線成45o- /2 （ 是圍巖的內(nèi)摩擦角）方向擴展。由于圍巖受剪而松弛，產(chǎn)生應(yīng)力釋放。當(dāng)圍巖的應(yīng)力較小，剪切滑移面不再繼續(xù)擴展時，則在坑道水平直徑兩端形成兩個剪切楔形滑移塊體。,在無支護情況下，兩楔形滑移塊體，由于剪切面與圍巖體分離，向坑道內(nèi)移動。之后，上下部分圍巖體由于楔形塊體滑移失去支撐力，產(chǎn)生撓曲破壞而坍塌。最后形成一個暫時穩(wěn)定的垂直橢圓形洞室。 當(dāng)水平側(cè)向壓力大于垂直壓力時，則形成水平橢圓形洞室。,剪切滑移體一定位于塑性范圍內(nèi)。 剪切滑移面與最大主應(yīng)力軌跡線成45- （ 是圍巖的內(nèi)摩擦角），計為：,設(shè)在剪切滑移線上任取一點i，該點處的半徑為r，與垂直軸的夾角為 ，當(dāng) 增加一個 時，r 的增量為 ，由于 和 值很小，近似求得： 積分： 得 故： 可見剪切滑移體為一對對數(shù)螺旋線組成，其曲線方程式為： 為阻止剪切滑移體向坑道內(nèi)滑移，需修筑錨噴 支護以穩(wěn)定坑道。,二、剪切滑移破壞法的計算 錨噴支護所提供的支護抗力必須與剪切滑移體的滑移力相平衡，即總支護抗力： 為阻止剪切滑移體滑移所需要的最小支護抗 力值。 確定 的途徑有： 由現(xiàn)場實測的塑性區(qū)半徑r求（按重力平衡 條件求） ； 根據(jù)坑道周邊的允許位移值求 ； 實地量測形變壓力作為 ； 根據(jù)圍巖特征曲線求 。 假定P的作用方向為水平方向, 噴砼提供的支護抗力值 噴砼抗力是指沿剪切面噴層所提供的平均分配 在剪切區(qū)高度b上的抗剪力。 剪切滑移體向坑道方向移動時對噴層產(chǎn)生水平 推力，此時，如噴層強度不足，則在剪切滑移體的 上下邊緣處（應(yīng)力集中區(qū)）形成兩個剪切滑移面。 當(dāng)處于受力極限平衡時，其水平推力與兩個剪切面 上的水平抗剪分力相平衡， 即： 而,故 式中 為噴砼層的厚度 為噴砼抗剪強度，取 （ 為抗壓強度） 為噴砼的剪切角，取 =30 b 為剪切區(qū)高度 為剪切滑移面的平均傾角， ， , 為巖體內(nèi)摩擦角, 鋼支撐提供的支護抗力值 計算時可換算成相應(yīng)的噴混凝土支護抗力，即： 式中 為每米隧道鋼材的當(dāng)量面積 為鋼材的抗剪強度，一般取 （或 =15 ） 為鋼材的允許抗拉強度 為鋼材的剪切角，一般取 =45, 錨桿提供的支護抗力值 錨桿的受力破壞有兩種情況： 錨桿體本身的強度不足而被拉斷。此時錨桿 提供的平均徑向支護抗力 為： 式中 F 錨桿的斷面積 錨桿的抗拉強度 錨桿縱向及橫向間距 錨桿的粘結(jié)破壞，即砂漿錨桿與錨桿孔壁之 間粘結(jié)力不足而破壞。此時錨桿提供的平均徑向支 護抗力 為： 式中，S為錨桿拉拔力，由錨桿拉拔試驗求得,對于 的取值，在圍巖好時取第一種情況，否則取第二種情況。 由于在0范圍內(nèi)的錨桿才能對剪切滑移體產(chǎn)生抗力，則： 為集中力，現(xiàn)化成為剪切區(qū)高度上b/2的分布 力，則： 將代入上式有： 或, 圍巖本身提供的支護抗力值 剪切滑移體滑動時，圍巖在滑面上的抗滑力， 其水平方向的分力在剪切區(qū)高度b/2上的抗力 為： 式中 為剪切滑移體長度，其值為 = , 為加固帶寬度 由剪切滑移體曲線方程有： 即： 兩邊取對數(shù)有：,取l為形成加固帶時錨桿的有效長度，t 為錨桿橫向間距，有： 為剪切滑移面的平均傾角，取經(jīng)驗數(shù)據(jù)： l 為形成加固帶時錨桿的有效長度。 、 分別為沿滑移面的剪切應(yīng)力和垂直于滑移面 的正應(yīng)力，它們按摩爾包絡(luò)線為直線時的假定求 出。,由于 將 代入上式得： 上式中的徑向主應(yīng)力 值隨剪切滑移面上的位置 而變化，難以確定，所以假定 等于各支護結(jié)構(gòu) 所提供的徑向支護抗力之和。 即： 式中： 噴砼層提供的徑向支護抗力,鋼支撐提供的徑向支護抗力 錨桿提供的徑向支護抗力,計算實例：已知某隧道的數(shù)據(jù)：巖石內(nèi)摩擦角 =30， , a=2.9m， =0.2m， =30，鋼拱支撐為H150150 型鋼，截面積 =40.14 ， =9100 剪切角 =45,l=2.12m （粘結(jié)式錨桿），縱向間距e=1.0m，橫向間距 t=1.139m ，錨桿拉拔力取15t 。 解： 求剪切角 =45-15=30 做楔體型滑動巖塊的剪切滑動軌跡。 用公式