围岩稳定问题.doc

第二章围岩稳定计算的基本理论及锚杆受力分析2.1围岩稳定问题地下洞室是修筑在应力岩体中的，也就是在一定的应力履历和应力场的岩体中修筑的。所以应力状态会极大地影响在其中所发生地一切力学现象。由于岩体的自重和地质构造作用，在开挖洞室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。它是经历了漫长的应力历史而逐渐形成的，并处于相对稳定和平衡状态。洞室开挖后，使得围岩在开挖边界处解除了约束，失去平衡，此时洞室周边应力重分布，其结果引起周围岩体的变形或破坏，形成围岩新的应力场。围岩在新的应力场的作用下，会产生变形或破坏来达到新的平衡。影响围岩稳定性的因素很多，就其性质来说，基本上可以归纳为两大类:第一类属于地质环境方面的自然因素，是客观存在的，它决定了洞室围岩的质量;第二类则属午工程活动的人为因素，如洞室的形状、跨度、施工方法、洞室轴线与岩层产状的关系等，它们虽然不能决定围岩质量的好坏，但却能给围岩的质量和稳定性带来不可忽视的影响。2.1.1岩石材料的非线性特征岩石材料在外力作用下，其变形与外力的关系表现出非线性特征。其非线性特性主要表现在两个方面:一类是由材料特性引起的非线性，称为材料非线性;另一类是由结构的大变形所导致的非线性，称为几何非线性。材料非线性的应力一应变关系为图2一1所示的非线性性状，它反映到本构关系上，表现为材料的弹性参数E、r是随应力或应变而改变的变量。在结构产生了变形所导致的几何非线性情况中，几何方程，即应变与位移的关系表现出非线性。对于实际岩体材料，在荷载作用下上述两类非线性都是存在的，但影响较大的是材料非线性。图2-1非线性应力一应变状态材料非线性又可分为非线性弹性和非线性弹塑性两类。非线性弹性的表现特征是:材料在加荷过程中，应力一应变呈现出非线性特征;卸荷后，应变又能随应力的降低沿加荷曲线完全恢复，如图2一2a所示，对非线性弹性，变形仍是弹性的，非线性变形是可恢复的，应变仅随应力的大小改变，而与加荷的应力路径无关，因而是可逆过程。非线性弹性与线弹性的区别仅在于弹性参数E、v是变量。但岩体介质大多表现为非线性弹塑性，非线性弹塑性的表现特性是:当应力超过材料的屈服极限后，材料产生非线性的塑性变形。卸荷后，应变则以一条大致平行线弹性段的直线随应力的降低而恢复，其结果留下不可恢复的塑性变形，如图2一2(b)所示。对于弹塑性材料，其变形不仅与荷载的大小有关，而且还与加荷的应力路径有关。也就是说，达到某一应力的途径不同，其所产生的变形是不一样的，是非可逆过程。岩石具有明显的流变效应，表现在一定应力条件下，变形具有随时间增长而变大(蠕变)，或在一定应变条件下，应力随时间增长而减小(松弛)的流变效应。对埋藏较深的软弱岩体或夹层，如粘土、页岩、盐岩、泥灰岩等流变特性表现的更为显著。2.1.2岩石介质的弹塑性模型岩石材料的应力应变特性是非常复杂的，建立完全符合岩石变形的本构关系表达式非常困难，迄今为止，人们仅能使这些表达式部分地满足岩石材料的变形特性。目前，在岩土工程上应用的最多的就是弹塑性模型。弹塑性体可以分为理想弹塑性、应变硬化及应变软化三种应力状态。弹塑性材料的一个显著特点是应力超过屈服点后，应力应变关系呈非线性状态，且加载与卸载的应力路径不一样。对于复杂应力状态材料进行弹塑性分析要有三个基本要求:1)需要建立一个符合材料特性的屈服准则;2)需要一个确定应力和塑性应变增量相对关系的流动法则;3)需要一个确定屈服后应力状态的硬化定律。在增量弹塑性理论中，对类属硬化材料的岩体，弹性与塑性变形的表述包含以下几个方面:(1)存在一个与应力状态和变形历史有关的屈服函数(加载函数)，在应力空间中可将其表述为 （2-2）上式定义了弹性区域的边界，若0，则相应的应力状态为弹性受力状态，岩土介质材料的变形为纯弹性变形。处在屈服面的点对应的应力状态为塑性状态，与之相应的外界荷载在无限小作用可分为加载、中心变载和卸载三种情况，且仅在加载时才会使介质产生新的塑性变形，中性变载和卸载时仍为纯弹性变形。(2)加载时的无限小应变增量今可分解为弹性部分()和塑性部分()且: = （2-3）其中弹性部分满足 （2-4）式中：为四阶弹性系数张量。(3)存在塑性势函数。应力空间与应变空间相重合时，无限小塑性应变增量的方向即为势函数的梯度方向。(4)加载和中性变载时，与应力状态相应的点保持在屈服面上，卸载时应力点退回到现时屈服面内侧。在任意剪切面上，推动剪切滑移的力是该面上的剪切力，而阻止剪切滑移的力是: l）材料的粘聚力c，2)内摩擦力，它取决于该面上正应力的大小，通常假定为氏，切为内摩擦角。滑移条件是 （2-5）当材料的应力状态满足上述滑移条件时，材料进入屈服，此时，表征应力状态的应力圆应与代表滑移条件的直线相切。若、已知，则 =， (2一6)屈服准则为 （2-7）2.1.3工程活动中的人为因素施工中的人为因素也是造成围岩失稳的重要条件，其中尤其以洞室的尺寸(主要指跨度)、形状以及施工中所采用的开挖方法等影响最为显著。实践证明，在同一类围岩中，洞室跨度越大，洞室围岩的稳定性就越差，因为岩体的破碎程度相对加大了。洞室的形状主要影响开挖洞室后围岩的应力状态。圆形或椭圆形洞室围岩应力状态以压应力为主，这对维持围岩的稳定性是有好处的。而矩形或梯形洞室，在顶板处的围岩中将出现较大的拉应力，从而导致岩体张裂破坏。从目前的施工技术水平来看，开挖方法对洞室围岩稳定性的影响较为明显。以上所述的工程活动所造成的人为因素，虽然对围岩稳定性的影响很大，但是可以用围岩的分级来处理，本文将不讨论具体的分级类别和方法。2.1.4洞室开挖的计算原理洞室开挖前，岩体处于初始的应力环境中，由于洞室的开挖，就必然会导致沿开挖边界上的节点的应力释放，从而引起围岩的变形和应力场的变化。图2-4(a)表示在预定的一段开挖边界两侧的单元及边界上的节点。假定这些边界点上的应力(i一1、i、i+1点)为己知，相邻两边界点之间的应力近似视为呈线性分布，边界点编号以逆时针排列，则在第i点的“释放荷载”的等效节点为：式中= ，= ，= ，= 。