地下原理(03).doc

第一章1. 影响地下支护结构形式选择的因素是什么？就衬砌的制造方式，说明支护结构的类型及其使用条件。因素是受力条件、施工方法、工程的使用要求。1.就地灌注整体式混凝土衬砌；适用于矿山法和明挖法施工。2.锚喷支护；各种施工条件。3.复合式衬砌4.装配式衬砌；盾构法、矿山法、明挖法2. 说明地下结构的工作特征以及地下结构的静力计算与其他结构有什么不同？地下结构常采用的设计方法是什么？特征：1）（1）必须充分认识地质环境对地下结构设计的影响（2）地下工程周围的地质体是工程材料、承载结构，同时又是产生荷载的来源（3）地下结构施工因素和时间因素会极大地影响结构体系的安全性 （4）与地面结构不同，地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构能否承载，又要考虑围岩会不会失稳，这2种原因都能最终导致支护结构破坏 （5）地下工程支护结构设计的关键问题在于充分发挥围岩自承力设计方法：结构计算、经验判断和实地测量相结合的所谓“信息化设计”方法。3. 说明地下结构体系的组成内容及各自的作用。 周围地层与地下结构一起承受荷载，共同组成地下结构体系。地层既是承载结构的基本组成部分，又是形成荷载的主要来源。地层是地下结构体系中承载的主体，支护结构用来阻止围岩的变形。4. 目前国内外常用于地下结构计算的力学模型有哪些？并说明各种计算模型的基本原理以及各类模型如何考虑围岩与支护结构的相互作用？1）结构力学模型，其设计原理是按围岩分级或实用公式确定围岩压力，围岩对支护结构变形的约束作用是通过弹性支承来体现的，而围岩的承载能力则是在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。2）连续介质力学模型，它是将支护结构与围岩视为一整体，作为共同承载的地下结构体系。围岩是直接的承载单元，支护结构是镶嵌在围岩孔洞上的承载环，只是用来约束和限制围岩的变形，两者共同作用的结果是是使支护体系达到平衡状态。5. 什么是主动荷载？什么是弹性反力？并说明弹性反力的性质。主动荷载是指围岩对支护结构施加的荷载。在非均匀分布的主动荷载作用下，支护结构的一部分将发生向着围岩方向的变形，只要围岩具有一定的刚度，就必然会对支护结构产生反作用力来抵制它的变形，这种反作用力就称为弹性反力，属于被动性质。6.说明一般地下结构的设计内容与步骤，如何确定结构的断面尺寸？ 1)初步拟定截面尺寸；2）确定其上作用的荷载；3）结构的稳定性检算；4）结构内力计算；5)内力组合；6）配筋设计；7）安全性评价；8）绘制施工设计图。1)衬砌的内轮廓必须符合使用要求和净空限界，选择符合施工方法的结构断面形式。2）结构的轴线尽可能地重合在荷载作用下所决定的压力线上。3）截面的厚度有足够的厚度并且满足最小厚度要求。第二章l 说明围岩初始应力场的概念、初始应力场的组成、变化规律及影响因素？答：由于岩体的自重和地质构造作用,在开挖隧道前岩体中就已存在的地应力场，人们称之为围岩的初始应力场。根据地应力场的成因将其分为自重应力场和构造应力场两大类。岩体自重应力场的变化规律：（1）地应力是随深度呈线性增加的。（2）水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等。（3）大量的实测资料表明，地质构造形态改变了自重应力场的状态，这在实际工程中不容忽视。（4）深度对初始应力状态有重大影响。构造应力场的变化规律：（1）地质构造形态的变化不仅改变了自重应力场，除了以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在岩体内，这种残余应力将对地下工程产生重大影响。（2）构造应力场在不深的地方已普遍存在，最大构造应力的方向多近似为水平，且水平应力普遍大于自重应力场中的水平应力分量，甚至也大于垂直应力分量。（3）构造应力场很不均匀，他的参数无论在空间上、时间上都有很大变化，特别是他的主应力轴的方向和绝对值有很大变化。影响围岩初始应力场的因素：第一类因素有重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质以及地温等经常性的因素；第二类因素有新构造运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。其中特别要研究的是以下几点：（1）地形和地貌（2）岩体的力学性质（3）地温变化（4）人类活动。l 岩体的基本概念是什么？说明裂隙岩体的构造特征与围岩稳定性的关系？岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变而形成的地质体。围岩的破碎程度对坑道的稳定与否起主导作用，在相同岩性的条件下，岩体欲破碎，坑道就愈容易失稳。l 影响围岩稳定的主要因素有哪些？与围岩分级有何关系？l 围岩和围岩分级的基本概念是什么？说明围岩分级流程及其在工程中的意义？定义：围岩指的是隧道周围一定范围内，对洞身的稳定有影响的岩(土)体。根据岩体完整程度和岩石强度等主要指标在给予定性和定量评价的基础上，按其稳定性将围岩分为工程性质不同的若干级别，这就是围岩分级。流程：首先对各类型岩石稳定性影响最大的因素岩石的坚硬程度和岩体的完整程度进行“岩体基本质量”分级，然后针对各类型工程岩体的特点，分别考虑其他影响因素，对已经给出的岩体基本质量级别进行修正，最后确定工程岩体的级别。工程中的应用：（1）判断围岩稳定性。（2）判断施工难易程度，施工依据。（3）结构分析计算的依据。第三章3-1 什么叫做围岩的二次应力场？其特征和影响因素是什么？岩体中开挖洞室后出现在临空面，岩体有了变形的空间，由于应力局部释放，使岩体发生卸载而向隧道内变形，原来平衡的三维初始应力状态必然要引起应力的重新分布，这种重新分布的应力场称为二次应力场。特征及影响因素：1 初始应力场的影响。2 开挖断面的形式的影响。3 岩体结构特征的影响。4 岩体力学性质对围岩二次应力场的影响。5 洞室开挖后围岩应力的空间效应。6 时间效应的影响。 7 施工方法的影响。3-2 进行支护结构设计需要充分认识和了解的问题是什么？1 围岩的初始应力状态，或称一次应力状态。2 开挖洞室后围岩的二次应力状态和位移场。3 判断围岩应力状态和位移场是否符合稳定性条件即围岩稳定准则。4 设置支护结构后的围岩的应力状态，亦称围岩的三次应力状态和位移场以及支护结构的内力和位移。5 判断支护结构安全度的准则。3-3,从收敛，约束的基本概念说明坑道开挖后围岩与支护相互作用的力学过程。 由于二次应力状态的作用，使围岩发生向洞内移动的位移，这种位移我们称之为收敛。若岩体强度高，整体性好，断面形状有利，岩体的变形到一定程度将自动停止，围岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由的发展下去，最终导致隧道围岩整体失稳而破坏。在这种情况下，应在开挖后适时的沿隧道周边设置支护结构，对岩体移动产生阻力，形成约束。相应的，支护结构也将承受围岩给予的作用力，并产生变形。支护结构变形后所能提供的阻力会有所增加，而围岩却在变形过程中释放了能量，进一步变形的趋势有所变弱，需要支护结构提供的阻力及支护结构所承受的作用力都将降低。如果支护结构有一定的强度和刚度，这种围岩与支护结构的相互作用会一直延续到所提供的阻力和围岩作用力之间达到平衡为止，从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系，这就是三向应力状态，也是围岩与支护结构相互作用的过程。4 说明无支护坑道的破坏形态。答：1.脆性破坏。2.块状运动。3.弯曲折断破坏。4.松动解脱。5.塑性变形和剪切破坏。5 用解析法确定二次应力场和位移场的假定条件是什么？答： 视围岩为均质的、各向同性的连续介质； 只考虑自重形成的初始应力场； 坑道形状以规则的圆形为主； 坑道位于地表下一定深度，问题简化为无限平面中的孔洞问题。7. 说明围岩特征（支护需求）曲线，支护特征曲线的概念；并利用这2种曲线说明围岩与支护形成准平衡状态的力学过程；影响最终平衡状态的因素是什么？答：围岩特征（支护需求）曲线：表明围岩在洞室周边所需提供的支护阻力与其周边位移的关系的曲线。 支护特征曲线：是指作用在支护上的荷载与支护变形的关系曲线，支护结构所能提供的支护阻力随支护结构的刚度而增大，所以这条曲线也称为“支护补给曲线”。形成平衡状态的力学过程：初期围岩所需的支护约束力很大，而一般支护结构所能供给的则很小。围岩继续变形，并在变形过程中与支护结构的支护补给曲线相交与一点，从而达到平衡，这个交点都应在围岩的或支护结构的之前。影响最终平衡的因素：支护结构的刚度。支护结构的架设时间。8. 从不同的观点对围岩压力作出解释。根据围岩压力作用的不同性质，将围岩压力分成哪几种类型？每种围岩压力作用的特点是什么？答：广义的讲，围岩二次应力状态的全部作用称为围岩压力。目前一般工程中所认为的围岩压力，是指由于洞室开挖后的二次应力状态，围岩产生变形或破坏所引起的作用在衬砌上的压力。围岩压力一般可分为如下几种类型：(1)松动压力：由于隧道开挖而松动或坍塌的岩体，以重力形式直接作用在支护结构上压力称为松动压力，按作用在支护结构上的位置不同，可分为竖向压力、侧向压力和底部压力。松动压力的特点：顶压大，侧压小。 (2)形变压力：它是由于围岩变形受到与之密贴的支护（如锚喷等）抑制，而使围岩与支护结构共同变形的过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。(3)膨胀压力：当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。(4) 冲击压力：它又称为岩爆，是在围岩积累了大量弹性变形能之后，突然释放出来时所产生的压力。10 说明松动围岩压力的形成过程，并明确自然平衡拱的概念。答：由于洞室的开挖，若不进行任何支护，周围岩体会经过应力重分布变形开裂松动逐渐塌落的过程，在坑道的上方形成近似拱形的空间后停止塌落。将坑道上方所形成的相对稳定的拱称为“自然平衡拱”。 自然平衡拱范围内破坏了的岩体的重力，就是作用在支护结构上围岩松动压力的来源。11 当有地下水时，如何计算土压力？答：可分别采用“水土分算”或“水土合算”的计算方法。所谓“水土分算”法是将土压力和水压力分别计算后再叠加的方法，这种方法比较适合渗透性大的砂土层情况；“水土合算”法在计算土压力时则将地下水位以下的土体重度取为饱和重度，水压力不再单独计算叠加，这种方法比较适合渗透性小的粘性土层情况。第四章1.说明现代支护结构原理及其对支护结构的基本要求。答：原理：1.现代支护结构原理是建立在围岩与支护共同作用的基础上，即把围岩与支护看成是由两种材料组成的复合体，且把围岩通过岩体支承环作用成为结构体系的重要部分。2.充分发挥围岩自乘能力是现代支护结构原理的一个基本观点，并由此降低围岩压力以改善支护的受力性能。3.现代支护结构原理的另一个支护原则是尽量发挥支护材料本身的承载力。4.现场监控量测和监控设计是现代支护结构原理中的一项重要内容。5.现代支护结构原理要求按岩体的不同地质和力学特征选用不同的支护方式、力学模型、相应的计算方法以及不同的施工方法。基本要求：1.必须能与周围岩体大面积地牢固接触，即保证支护-围岩体系作为一个统一的整体工作。2.要允许支护-围岩体系产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力，从而减小支护结构的作用，协调地发挥两者的共同作用。3.重视早期支护的作用，并使早期支护与后期支护相互配合，协调一致地工作，主动控制围岩的变形。4.必须保证支护结构架设及时。5.作为支护结构要根据围岩的动态（位移、应力等），及时进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态。2.喷锚支护的特点、组成及力学作用机理是什么？答：特点：喷锚支护属于柔性薄型支护，技术先进，经济合理，质量可靠，使用范围广。组成：喷混凝土，锚杆，金属网，刚拱架。作用机理：围岩与支护共同作用的机理，喷锚支护承受来自围岩的压力，并反过来也给围岩以压力，由此改善围岩的受力状态（即所谓支承作用）；施作喷锚支护后，还可提高围岩的强度指标，从而提高围岩的承载能力（即所谓加固作用）。4.以围岩分级为基础的经验类比设计的基本概念及设计原则是什么？答：基本概念：根据以往的经验进行设计，并在实施过程中，依据量测信息加以修改和验证的一种隧道支护体系设计方法。设计原则：（1）对坑道围岩进行分级；（2）选择支护类型与参数；（3）采取各种措施，确保围岩不出现有害松动；（4）调节、控制围岩变形，以便最大限度地发挥围岩自身承载能力；（5）采取正确的施工方法；（6）依据现场监测数据指导设计和施工。6.说明单层衬砌的构造原理，单层衬砌的类型有哪些？并说明单层衬砌和双层衬砌的本质区别是什么？答：构造原理：1.围岩压力的传递。2.应力的内部传递。3.单层衬砌构造的必要条件。类型：1.钢纤维模筑混凝土。2.钢纤维喷射混凝土。本质区别：双层衬砌只能传递径向应力，而单层衬砌不仅能传递径向应力，还能传递切向应力。第五章1在结构力学的计算模型中，常用的模型及原理是什么？与结构形式相适应的计算方法有哪些？不同的结构形式如何运用这些计算方法？答：主动荷载模型：当地层较为软弱，或地层相对结构的刚度较小，不足以约束结构的变形时，可以不考虑围岩对结构的弹性反力，称为主动荷载模型。假定弹性反力模型：根据工程实践和大量的计算结果得出的规律，可以先假定弹性反力的作用范围和分布规律，然后再计算结构的内力和变位，验证弹性反力图形分布范围的正确性。计算弹性反力模型：将弹性反力作用范围内围岩对衬砌的连续约束离散为有限个作用在衬砌节点上的弹性支承，而弹性支承的弹性特性即为所代表地层范围内围岩的弹性特性，根据结构变形计算弹性反力作用范围和大小的计算方法。与结构形式相适应的计算方法：矩形框架结构：多用于浅埋、明挖法施工的地下结构，装配式衬砌：大多数应用于盾构法修建的地下结构，也有用于矿山法施工的隧道，拱形结构：对于拱形结构，无论其形状如何，其半衬砌拱脚或边墙的基底都是直接放在岩层上的，故可以假设其底端是弹性固定的无铰拱。2对于矩形结构常用的计算方法有哪些？每种计算方法的计算原理和适用条件是什么？如何确定相应的计算图示和基本结构？对于角隅部位。如何计算内力得到其计算截面的配筋内力？答：力矩分配法，节点的不平衡弯矩 分配系数， 传递系数：从杆件的a端传到b端/截面强度计算 3对于圆形结构常用的计算方法有哪些？每种计算方法的计算原理和适用条件是什么？如何确定相应的计算图示和基本结构？如何应用圆形结构截面内力的计算简式，得到不同荷载及不同计算方法的整体圆环结构内力？答：日本惯用法：此法假定弹性反力分布为三角形，基本假定。 ，计算简图布加耶娃法，计算简图4对于拱形结构常用的计算方法有哪些？。半拱形结构计算图式、基本结构及典型方程5说明曲墙和直墙拱形结构的计算原理和计算步骤。曲墙拱形结构计算原理，在段上，任一点的弹性反力强度 h点的最终位移即为曲墙拱结构的设计计算步骤 计算结构的几何尺寸，并绘制断面图； 计算作用在衬砌结构上的主动荷载； 绘制分块图； 计算半拱轴长度； 计算各分段截面中心的几何要素； 计算基本结构的单位位移； 计算主动荷载在基本结构中产生的变位和； 解主动荷载作用下的力法方程； 计算主动荷载作用下各截面的内力，并校核计算精度； 求单位弹性反力图及相应摩擦力作用下基本结构中产生的变位和； 解弹性反力及其摩擦力作用下的力法方程； 求单位弹性反力图及摩擦力作用下截面的内力，并校核其计算精度； 最大弹性反力值的计算； 计算赘余力x1和x2； 计算衬砌截面总的内力并校核计算精度； 绘制内力图； 衬砌截面强度检算。直墙拱形结构计算原理 弹性地基梁，按其换算长度a的不同，可分为3种情况： 长梁。 短梁。 刚性梁。6弹性支承法德计算原理。答：弹性支承法也称链杆法，是计算弹性反力图形解算衬砌内力的一种方法，按照“局部变形”理论考虑衬砌与围岩共同作用，将弹性反力作用范围内的连续围岩离散为彼此互不相干的独立岩柱，岩柱的一个边长是衬砌的纵向计算宽度，另一个边长为两个相邻的衬砌单元的长度和之半。圆心结构力法计算基本步骤，1基本结构的内力计算2变位及的计算3解力法方程求内力4弯矩图及弹性反力图的校核拱形结构位移法计算基本步骤，1将衬砌结构离散化2将所有荷载换算成等效节点荷载3组成结构刚度矩阵4求节点位移的第一次近似值5判断弹性链杆方向的位移是否大于零6计算节点位移的第二次近似值，并重复5、6步，直至相邻2次位移相等7求解各弹性链杆抗力，并计算各单元的单元节点力8如果需要的话可进而计算各节点截面偏心距、截面强度、截面强度及安全系数。第七章1.地下结构信息反馈设计方法的基本概念和实施过