水工隧洞的设计与计算.doc

第五节 围岩抗力与极限承载力 一、围岩抗力的概念 洞室由于存在很高的内水压力作用，迫使衬砌向围岩方向变形，围岩被迫后退时，将产生一个反力来阻止衬砌的变形。围岩对衬砌的反力称为围岩抗力，或称弹性抗力。 围岩抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定。围岩抗力承担了一部分内水压力，从而减小了衬砌所承受的内水压力，起到了保护衬砌的作用。 充分利用围岩抗力，可以大大地减薄衬砌的厚度，降低工程造价。 围岩极限承载力是表征围岩承担内水压力能力的指标。它主要与围岩的强度性质及天然应力状态有关。 二、围岩抗力系数及其确定 1、围岩抗力系数 围岩抗力系数是表征围岩抵抗衬砌向围岩方向变形能力的指标，定义为使洞壁围岩产生一个单位径向变形所需要的内水压力。 Pa为洞壁受到的内水压力； y为洞壁围岩向外产生的径向位移。 围岩抗力系数愈大，说明围岩受内水压力的能力愈大。2、单位抗力系数（k0）K值不是一个常数。它随洞室尺寸而变化，洞室半径越大，K值越小。为便于应用，特提出单位抗力系数的概念。单位抗力系数是指洞室半径为100cm时的抗力系数值。k0与k的关系：确定方法：直接测定法、计算法和工程地质类比(经验数据)法。 三、围岩极限承载力的确定 1、围岩极限承载力的定义围岩极限承载力是指围岩承担内水压力的能力。 围岩极限承载力与围岩的力学性质及天然应力状态有关。 有压洞室开挖以后，围岩处于重分布应力状态中。当洞壁受到高压水流的作用时，围岩内又产生一个附加应力，使围岩内的应力再次分布，产生新的重分布应力。如果两者叠加后的围岩应力大于或等于围岩的强度时，则围岩就要发生破坏，否则围岩不破坏。 2、自重应力作用下的围岩极限承载力 设有一半径为R0的圆形有压隧洞，开挖在仅有自重应力(vgh，hgh)作用的岩体中；洞顶埋深为h；洞内壁作用的内水压力为pa。 无水压力时，洞壁上的重分布应力pa引起的洞壁上的附加应力 有水压力时，洞壁上的重分布应力 围岩极限平衡条件 围岩极限承载力上覆岩层的极限厚度 洞顶上覆岩层的极限厚度 3、天然应力作用下的围岩极限承载力 把铅直天然应力v和水平天然应力h代入到洞壁重分布应力计算公式中，就可以得到天然应力作用下的围岩极限承载力 围岩的极限承载力由岩体天然应力和内聚力两部分组成的。因此，当岩体的Cm，m一定时，围岩的极限承载力取决于天然应力的大小。 第三节 边坡岩体稳定性分析的步骤 一、概述边坡岩体稳定性预测，应采用定性与定量相结合的方法进行综合研究。定性分析是在工程地质勘察工作的基础上，对边坡岩体变形破坏的可能性及破坏形式进行初步判断。 定量分析是在定性分析的基础上，应用一定的计算方法对边坡岩体进行稳定性计算及定量评价。 目前运用最为广泛的定量分析方法是块体极限平衡法。 1、块体极限平衡法的假设条件 （1）边坡岩体将沿某一结构面（滑动面）产生滑移剪切破坏； （2）滑体在滑动过程中相对位置不变化，即为刚体； （3）滑动面上的应力分布均匀； （4）不考虑滑体两侧的抗滑力。 2、稳定性系数在上述假设的基础上，按下式计算稳定性系数:（1）若1，稳定（2）若1，不稳定 在多数情况下，计算的稳定性系数都有一定误差，因此，为保险起见，引入安全系数的概念。 3、块体极限平衡法步骤 （1）可能滑动岩体几何边界条件（2）受力条件分（3）确定计算参（4）计算稳定性系（5）确定安全系数，进行稳定性评价。 二、几何边界条件分析 几何边界条件是指构成可能滑动岩体的各种边界面及其组合关系，包括滑动面、切割面和临空面三种。 滑动面是指起滑动(即失稳岩体沿其滑动)作用的面，包括潜在破坏面。 切割面是指起切割岩体作用的面，由于失稳岩体不沿该面滑动，因而不起抗滑作用，如平面滑动的侧向切割面。 临空面指临空的自由面，它的存在为滑动岩体提供活动空间，临空面常由地面或开挖面组成。 几何边界条件分析的内容是查清岩体中的各类结构面及其组合关系，确定出可能的滑移面、切割面。 几何边界条件分析的目的是确定边坡中可能滑动岩体的位置、规模及形态，定性地判断边坡岩体的破坏类型及主滑方向。 几何边界条件的分析可通过赤平投影、实体比例投影等图解法或三角几何分析法进行。 三、受力条件分析 在工程使用期间，可能滑动岩体或其边界面上承受的力的类型及大小、方向和合力的作用点统称为受力条件。 边坡岩体上承受的力常见有：岩体重力、静水压力、动水压力、建筑物作用力及震动力等等。 1、地震作用 水平地震作用FEK=a1G 按地震烈度确定的水平地震影响系数地震烈度678910.0640.1270.2550.5102、水压力包括渗透静水压力和渗透动水压力。 静水压力水对岩体的静压力，数值上等于岩体受到的浮力。 动水压力与水力梯度有关，数值上等于岩体受到的渗流阻力。 四、确定计算参数 试验数据 极限状态下的反算数据 经验数据 从偏安全的角度起见，一般选用的计算参数，应接近于残余强度。研究表明：残余强度与峰值强度的比值，大多变化在0.60.9之间，因此，在没有获得残余强度的条件下，建议摩擦系数计算值在峰值摩擦系数的6090之间选取，内聚力计算值在峰值内聚力的1030之间选取。 五、稳定性系数的计算和稳定性评价 稳定性系数=可供利用的抗滑力/滑动力 六、确定安全系数，进行稳定性评价 安全系数：根据各种因素规定的允许的稳定性系数。大小是根据各种影响因素人为规定的，必须大于1。 影响因素： 岩体工程地质特征研究的详细程度； 各种计算参数误差的大小； 计算稳定性系数时，是否考虑了全部作用力； 计算过程中各种中间结果的误差大小； 工程的设计年限、重要性以及边坡破坏后的后果。 安全系数一般=1.051.第四节 边坡岩体稳定性计算一、单平面滑动 1、仅有重力作用时 滑动面上的抗滑力Fs=Gcostgj+CjL 滑动力FrGsin 稳定性系数 用滑体的尺寸来表示滑体体积G，稳定性系数为： 令1，可得滑动体极限高度Hcr 忽略滑动面上内聚力(Cj=0)时 当Cj =0，j时，1，Hcr=0 2、有水压力作用 当边坡后缘存在拉张裂隙时，地表水就可能从张裂隙渗入后，仅沿滑动面渗流并在坡脚A点出露，这时地下水将对滑动体产生如右图所示的静水压力。作用于CD上的静水压力V 作用于AD上的静水压力U边坡稳定性系数为 3、有水压力作用与地震作用边坡的稳定性系数 二、同向双平面滑动 同向双平面滑动的稳定性计算分两种情况进行。 第一种情况为滑动体内不存在结构面，视滑动体为刚体，采用力平衡图解法计算稳定性系数 第二种情况为滑动体内存在结构面并将滑动体切割成若干块体的情况，这时需分块计算边坡的稳定性系数 1.滑动体为刚体的情况 由于滑动体内不存在结构面，因此，可将可能滑动体视为刚体。如图9-9(a)所示，ABCD为可能滑动体，根据滑动面产状分为、两个块体。 F为块体对块体的作用力，F为块体对块体的作用力，F和F大小相等，方向相反，其作用方向的倾角为。滑动面AB以下岩体对块体的反力R1(摩阻力) 与AB面法线的夹角为1。 2.滑动体内存在结构面的情况在滑动过程中，滑动体除沿滑动面滑动外，被结构面分割开的块体之间还要产生相互错动。 采用分块极限平衡法和不平衡推力传递法进行稳定性计算。AB面 BC面 BD面 块体 块体三、多平面滑动 边坡岩体的多平面滑动，分为一般多平面滑动和阶梯状滑动两个亚类。阶梯状滑动，破坏面由多个实际滑动面和受拉面组成，呈阶梯状，如右图。稳定性的计算思路与单平面滑动相同，即将滑动体的自重 (仅考虑重力作用时)分解为垂直滑动面的分量和平行滑动面的分量。 稳定性系数为：四、楔形体滑动 楔形体滑动的滑动面由两个倾向相反、且其交线倾向与坡面倾向相同、倾角小于边坡角的软弱结构面组成，如下图。稳定性系数计算的基本思路: 如下图，首先