《地下结构稳定问题》PPT课件.ppt

4.4 地下结构稳定分析主要方法,1、地质分析法 2、工程类比法 3、岩体结构分析法 4、数值分析法 5、地质力学模型试验法,1、地质分析法,通过地质勘测手段，了解与围岩稳定有关的岩石、岩体特性，区域与局部地质构造、岩体地应力场、地下水等等几个主要因素的特点，通过区域综合分析，确定洞室稳定性。 这往往是地质人员使用的主要方法,2、工程类比法,根据拟建的工程区域的地质条件、岩体特性和工程特征，通过与类似条件下已经建成的、成功或失败的地下工程实例的对比，进行验算和综合分析，从而判断拟建的地下结构工程的围岩稳定性。,3、岩体结构分析法,了解岩体结构和弱面强度性质，以及地应力分布情况后，可根据地下结构设计和施工方案确定所谓“工程力”，即由施工开挖、建造引起的卸载或加载力。 再借助赤平极射投影、实体比例投影、或块体坐标投影法等进行图解分析，初步从几何关系和运动学角度判断岩块的稳定。,在上述步骤的基础上，再采用极限平衡理论，对由“弱面”和凌空面组成的“可能的布稳定块体”进行稳定性校核计算，求出块体上的抗滑力和滑动力之间的比值，即得到块体的稳定安全系数。 这种方法实际上也形成了数值方法中的块体分析理论的基础。,4、数值分析法,(1)数值分析方法的类型 伴随电子计算机的应用而发展起来的现代计算力学数值分析方法，现在已经成为地下洞室围岩稳定分析的最重要的手段之一，在近三十年的时间里，发展速度之快、应用范围之广都是惊人的。用于连续介质的有：有限单元法（FEM）、边界单元法(BEM)、拉格郎日元法(FLAC，Fast Lagrangion Analysis for Continua, 2D and 3D)；,用于非连续介质的有：关键块体理论（KBT, Key Block Theory）、离散元法(DEM, Discrete Element Method)、不连续变形分析法(DDA, Discontinued Deformation Analysis)；可同时用于连续介质和非连续介质的数值流形法(MEM, Numerical Manifold Method )等等。,上述各种方法之间的耦合方法(Coupling)，基于逆向思维而提出的上述各种方法的反演分析(Inverse Analysis)方法，以及与优化理论相结合的反馈分析(Feedback Analysis ) 方法，目前也在地下洞室稳定分析中得到广泛的应用。但是，应用最广、最可靠、结果最稳定的还当属有限元方法。,(2) 应用有限元法进行洞室稳定分析的注意点,(a)二维分析时，首先应根据厂区的地质资料做好厂房横剖面的选定工作，要注意寻找最危险的地质横剖面，尤其应注意那些不利的地质构造面的位置。 (b)根据地质资料，确定岩体及构造面的力学参数，及可能的变动范围。,(c)地应力的确定，可根据有限的地应力实测资料对厂区的地应力场作回归分析，结果正确与否，在于对试验洞或初期开挖阶段实测位移的拟合情况。 (d)由于岩体类型的差异，其变形及强度性质干变万化，相应的本构模型也种类繁多。所用有限元程序的本构模型和破坏准则应能模拟岩体的实际情况。理想的模拟比较困难，但应使模型和岩体实测资料在大部分岩体的工作范围内可较好地拟合。,数值方法研究的最新进展不但体现在对较为成熟的数值方法，如有限元、边界元、离散元法等的不断更新和发展，对现有大型商业程序的二次开发，同时也体现在不断有新的算法和程序的出现。如对三维离散元和三维DDA程序成功开发，以及刚体有限元法、广义有限元法、运动单元法、界面元法、无单元法的提出等等。用于系统优化和人工智能方法的遗传算法、蚁群算法、细胞发生器算法和模拟退火算法等等。,5、地质力学模型试验,试验研究方法包括现场试验方法和室内模型试验方法，也是保证地下工程正确设计、安全施工的必不可少的一种研究方法。它与数值计算方法相辅相成，互相验证，优势互补。近年来也有很大进展。 大型三轴刚性伺服实验机已经较广泛地用于岩石材料全应力路径参数测定。电镜扫描和CT技术已用于岩体材料的微观或细观结构研究。 各种地应力测量技术，如应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法、重力法等也广泛应用于地下洞室工程。,就二维和三维物理模型试验来说，由于模型是真实的客观物理实体，更能真实地全面地反映出各种结构在空间和时间上的相对关系，以及它们在施工或运行过程模拟中的力学性征，因而历来在水利水电工程设计中受到重视。水力学模型试验、泥沙模型试验、研究坝体和基础共同作用的地质力学模型试验等，已经有了较为成熟的试验技术，并取得了丰富的成果。,地质力学模型试验方法,即按照一定的相似理论，采用适当的模型材料，模拟实际的岩体结构、材料特性、地应力场分布和地下结构工程开挖及支护方式。通过接触或非接触测量手段，了解地下结构围岩的变形分布、应力分布、屈服破坏形态和破坏过程，从而对地下结构稳定性作出评价和预测。,但是地下洞室工程的模型试验却由于难度太大而相对发展较慢。以往的地下工程的模型试验规模很小，大都是二维的，试验条件也进行了很大的简化。例如1985年进行的二滩地下厂房的二维平面应变模型试验，模型几何比尺为1:350，应力场是均匀应力场，模型平面倒置在地面，不考虑自重应力等。还有的模型洞室是事先制作好的，洞室内部充填刚性块体，模拟开挖时，将块体逐一抽出。这些当然都与工程实际相差过大。究其原因，最主要的则是模拟地下洞室施工过程的三维模型试验难度太大。例如三维地应力场的模拟原理和技术、洞室群开挖尤其是内部洞室隐蔽开挖技术的实现、内部物理量量测方法等等，因而几十年来一直没有显著进展。,大型地下洞室群三维模型试验,由于地下水电站向超大型、多洞室、高地应力方向的发展，进行地下厂房洞室群大型三维地质力学模型试验这一极具挑战性的任务，提到了议事日程。 国家电力公司成都勘测设计研究院和清华大学水利水电工程系在这一点上达成共识，为开展超大型地下洞室群三维地质力学模型试验研究工作创造了条件。,通过发挥清华大学综合性大学的优势，与清华大学机械学院、中国水科院以及国际研究机构合作，采用离散化多主应力面三维加载系统、步进机械臂和微型掘进机技术、微型高精度位移量测技术、声波测试技术、光纤测量及内窥摄影技术等，解决了地下洞室群地质力学模型试验中的复杂三维地应力场仿真、隐蔽开挖模拟及内部量测等关键技术问题，取得了突破性重要成果。,经验判断地下洞室的稳定,对于中等强度、结构面不发育的较完整岩体，可以看作均质、各向同性材料；如果地应力以自重应力为主，可以作如下经验判断（设岩体强度为Ro，自重应力为oh）,4.5 地下洞室的支护,为保证施工的安全和地下结构的长期稳定，适当的支护是完全必要的。 近30年来，对支护的认识发生了革命性的改变，过去盛行了50多年的普氏理论被新奥法的新概念所代替。人们认识到支护并非唯一的保持地下结构围岩稳定的手段，发挥围岩的自承能力，使支护与围岩相互作用，共同形成稳定的复合承载环，才是最为经济有效的支护方式。,但是究竟采用哪一种支护方式，应该视地质构造、岩体强度、原始应力、洞室布置的不同而分别考虑。 一般支护型式有三种： 1、柔性支护 2、刚性支护 3、复合型支护,1、柔性支护,如喷砼、钢纤维喷砼、钢筋网喷砼、自应力锚杆、预应力锚杆、预应力锚索等等，以及它们的组合,2、刚性支护,如现浇混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌、预制钢筋混凝土衬砌管片、钢拱架配合较厚的喷混凝土等刚度很大的支护,3、复合型支护,即采用柔性支护作为初期支护或称为一次支护，以保证施工期的稳定和安全；待围岩变形趋于稳定后，采用刚性支护作为永久性支护或称为二次支护，以保证运行期的长期稳定，同时增加运行人员的安全感。对过水隧洞则又起到减少糙率的作用。,系统支护及随机支护,1、系统支护设计是根据地质条件、岩石分类和工程规模等指标，不作精确的计算，采用工程类比法进行设计，给出喷砼的厚度、锚杆的长度、间距、直径、布置方式、预应力值（一般给张力值，以吨为单位）等。 2、随机支护则是在施工过程中根据新揭示的地质现象、岩体材料性质以及施工监测资料等数据，对系统支护设计进行的修正、补充或紧急处理措施。一般通过监测反馈分析结论作出。,支护型式选择的原则,1、一般首先考虑柔性支护 2、完整坚硬的岩体一般主要控制表面松动的岩块，选用柔性支护，特别注意应力集中部位和拉应力区的支护适当加强 3、软弱破碎、节理裂隙密集发育的岩体，硬采用