围岩应力状态ppt课件

2020/5/31，1，3.4围岩应力和位移的弹塑性分析表明，围岩的二次应力状态超过围岩的抗压强度，局部剪应力超过岩体的抗剪强度，该部分岩体呈塑性状态。 此时，矿井发生脆性破坏，矿井周围岩某一区域形成塑性应力区域，发生塑性剪切滑移和塑性流动，塑性变形的周围岩不得不滑入矿井内。 塑性区围岩松动，其物理力学性质(c，值)也发生变化。 2020/5/31，2，2，限定研究问题的条件，侧压系数=1时，圆形坑道岩的弹塑性二次应力场和位移场的解析式。 此时，荷载和洞穴均呈轴对称分布，塑性区域范围为圆形，且围岩不产生拉伸应力。 因此，研究只是进入塑性状态的可能性。 2020/5/31，3，3，要解决的问题是在确定塑性区域的范围的弹性区域内的应力，所述塑性区域用于确定塑性区域的应力应变状态，所述塑性区域用于形成塑性变形的塑性基准或破坏基准。 2020/5/31，4，4，分析了问题思路，围岩塑性标准塑性区内围岩应力应满足塑性标准和平衡方程式弹性区内围岩应力应满足弹性条件和平衡方程式弹性边界上满足弹性条件，满足塑性标准，应力和位移协调性，2020/5/31 塑性条件可以在-平面上表现为直线，称为剪切强度线，相对于轴的斜率为tg，轴上的切片为c。 莫尔库仑条件的几何意义是，作用于岩体某一截面的法向应力和剪应力描绘的应力圆与剪强度线相接触时，岩体沿其平面滑移。2020/5/31、6、图3.4.1材料强度包络线和应力圆、最大主应力最小主应力Rc的式子、2020/5/31、7、塑性基准：式(3.4.3)或式(3.4.5)、2020/5/31、8、=1时，将矿井周边的该值设为式(3.4.3) 中代入的隧道周围岩体是否进入塑性状态的判断标准为：2020/5/31、9，实际上岩石在挖掘后受爆破、应力再分布等影响被破坏，其c、值发生了变化。 表示岩体的残留粘力cr和残留内摩擦角r变化的岩体的特性的话，(3.4.3)式成为式(3.4.6)的形式。 2020/5/31、10、2 .轴对称条件下围岩应力的弹塑性分析、塑性区域内单元体的受力状态、2020/5/31、11、(1)塑性区域内应力场、塑性区域内任意点的应力分量必须满足平衡条件. 对于轴对称问题，在不考虑体积力的情况下，在某单元的极坐标平衡方程式(3.4.7) :2020/5/31、12、塑性区域的边界，除了平衡方程式以外，还需要满足塑性条件，应用式(3.4.5)的塑性基准，用rp表示式(3.4.5)的tp，代入上述平衡方程式， 整理并积分后，在2020/5/31、13有支护时，在支护与围岩的边界，将(r=r0)的应力代入支护式(3.4.8)及式(3.4.9)，整理后，塑性区域的应力式即3.4.10、2020/5/31、14由式(3.4.10 )可知围岩塑性区内的应力值与初始应力状态无关，仅与围岩的物理力学性质、开挖半径及支护提供的阻力有关。 为什么，2020/5/31、15、(2)弹性区域内应力场在塑性区域以外的弹性区域内，其应力状态由初始应力状态和对塑性区域边界施加的径向应力R0决定。 设塑性区域的半径为R0，在塑性区域和弹性区域的边界应力协调，r=R0时，在弹性区域中rR0，“挖掘半径”为r0，在其周边作用有“支撑阻力”R0时，相当于围岩内的应力和变形。另外，参照2020/5/31、16、弹性区域内的应力状态(注意边界条件)、2020/5/31、17、式(3.3.11 )，弹性区域内的应力比较式(3.3.11 )将二式相加来除去R0，在边界的塑性基准(式3.4.4 ) :2020/5/31、18，即弹性区域边界上(式3.4.13 ) :该应力式与支撑阻力pa和挖掘半径r0无关，与围岩的初始应力状态z、围岩自身的物理力学性质c、有关。 2020/5/31，19，(3)塑性区半径与支承阻力的关系，将r=R0代入式(3.4.10 )，求出R0处的应力，该应力应满足式(3.4.13 )所示的塑性条件，塑性区半径R0与pa的关系：2020/5/31，20，其围岩性特征参数已知时该公式表明塑性区域随着pa的增加而减少。 研究1 :径向支护阻力pa的存在限制了塑性区的发展。 2020/5/31，21，研究2 :矿井开挖后不建筑衬砌时，即径向支护阻力pa=0时极端时，塑性区最大，公式(3.4.16 ) (包括开挖半径和围岩参数的公式)。2020/5/31、22、研究3 :想要不形成塑性区域，即r0=R0时，可以根据式(3.4.15 )求出不形成塑性区域所需支撑阻力，式(3.4.17 ) . 这是维持矿井在弹性应力场所需的最小限度的保护电阻。 比较公式(3.4.13 )，2020/5/31，23，其大小仅与初始应力场和岩性指标有关，与矿井大小无关。 式(3.4.17 )的pa实际上与弹塑性边界上的应力式(3.4.13 )一致，支撑阻力只能改变塑性区域的大小和塑性区域内的应力，不能改变弹塑性边界上的应力。 2020/5/31，24，确定松动区半径，以松动区边界处的切向应力为初始应力，公式(3.4.10 ) :松动区半径，2020/5/31，25，例3.4.1，比较不同塑性区边界处的应力特征，2020/5/31，26，3 .轴对称条件下围岩位移的弹塑性分析，塑性区塑性区围岩位移与弹性区位移公式相同，比较了(3.4.23 )、(3.4.24 )和公式(3.3.13 )。 将式23、24式(3.3.13 )、2020/5/31、27、(1)径向位移与支承阻力关系式、包含支承阻力的塑性区域半径R0的式(3.4.15 )代入上式，则洞穴周边径向位移与支承阻力的关系式：式3.4.15、2020/5/31、28、计算式或3.4.15、28 29 (2)由于洞穴周围位移的影响因素，形成塑性区域后，洞穴周围位移不仅与岩体特性、坑道尺寸、初始应力场有关，也与支撑阻力有关。 支撑阻力随孔周位移的增大而减小，容许位移大时所需的支撑阻力减小。 孔周位移的增大与塑性区域的增大有关。 2020/5/31，30，(3)围岩二次应力场处于弹性状态时，孔周位移与支护阻力的关系曲线由式(3.3.13 )给出。 二次应力形成塑性区域时，可以由式(3.4.25 )或式(3.4.26 )给出. 两级联系点是为洞穴周边围岩不出现在塑性区而提供的最小支撑阻力，由式(3.4.17 )求出。2020/5/31、31、围岩特征曲线、弹性状态、塑性状态、对极限位移的最小支撑阻力、2020/5/31、32、Pa=z时，洞穴壁径向位移ur0=0。 即，所有载荷均由支护结构承受。 Pa=0时，只要围岩不崩塌，通过扩大塑性区域的范围就可以得到自身的稳定，此时的孔周位移可以从式(3.4.24 )求出式中的r为r0(坑道周边):并且r0没有支撑阻力时的塑性区域半径。 两端虚线的意思，孔周边的极限位移，2020/5/31，33，围岩的特征曲线，也称围岩的支持需求曲线。 (P82 )由于接触应力相等的原则，也称为支撑的负荷曲线。 支护阻力的存在是控制矿井岩体变形和位移，控制岩体塑性区发展和应力变化，是支护结构的支护本质。同时，支护阻力的存在也改善了周围岩体的承载条件，相应地提高了岩体的承载能力。 2020/5/31，34，支护阻力对围岩应力场和位移场的影响(弹性分析和塑性分析)？ 塑性区域半径的影响因素？ 弹塑性边界处的应力特征是什么？ 塑性区域内的应力影响因素？ 孔周位移的影响因素？2020/5/31、35、3.5围岩与支护结构的相互作用，1 .围岩的支护需求曲线洞周位移与支护阻力的关系式(3.4.25或3.4.26 ) :2020/5/31、36、2 .支护结构的补给曲线(支护特性曲线)一般为： 支护结构的力学特性为2020/5/31，37，其中k表示支护电阻器p及其位移u的相对支护结构的刚度，支护结构的特性曲线的物理概念在弹性范围内与结构承载力的变化成比例，在达到极限承载力后进入理想的塑性状态，如2020/5/31，38，支护特性曲线由下式表示： 作用于支护的载荷与支护变形的关系曲线，支护结构可提供的支护阻力随支护结构的刚性而增大，因此该曲线也称为“支护补给曲线”。2020/5/31、39、式(3.5.5) :此处只考虑半径方向均匀分布压力，因此式中只包含支承结构的压力(拉伸)刚性。 如果隧道周边的收敛不均匀，支护结构的弯曲刚性就成为主要结构。 初始位移时，公式(3.5.6)，2020/5/31，40， (1)混凝土或喷涂混凝土支撑特性曲线建筑混凝土(厚壁筒)薄壁筒(d0.04r0)(2)灌浆锚杆的特性曲线(关于破坏形态)锚杆自身锚杆材料与水泥材料分离成水泥材料与孔壁(3)支撑系统的特性，2020/5/31 41 3 .利用围岩与支护结构准静力平衡状态的建立、围岩支护需求曲线与支护结构支护补给曲线(或收敛约束概念)，分析隧道围岩与支护结构在相互作用过程中的平衡状态。 围岩与支护结构的相互作用，2020/5/31，42，支护结构特性曲线与围岩支护需求曲线交点的横轴是形成平衡系统时围孔发生的位移。 交点纵轴以下的部分是施加在支撑结构上的负荷，以上的部分由围岩承担。 2020/5/31，43，分析了位移与支护结构的相互作用图，(1)不同刚性的支护结构与围岩平衡时的pa和ur0是不同的(2)相同刚性的支护结构，架设时间不同，终于平衡的状态也不同。 2020/5/31，44，塑性变形压力计算(P9697 )，塑性变形压力根据围岩与支护的协同作用原理求出，应用洞壁上围岩与支护的应力与变形协调条件。 另外，也可以从图3.5.5中的围岩变形特性曲线与支撑变形特性曲线的交点求出。 另外，考虑2020/5/31、45、例题3.6.1、2020/5/31、46、支承前周围岩孔壁被释放的位移u0，即，带入式(3.4.26 ) (支承阻力与孔周位移的关系式)、取得式(3.6.6):2020/5/31、47、重要的是u0的测量，支承的施工另外，支承阻力与构造刚性的关系，例如用薄壁筒或厚壁筒式(3.3.16):(3.6.7)串联型(3.6.6)和式(3.6.7)解ur0和pa、2020/5/31、48，由式(3.4.15 )求出塑性区域的半径. 围岩弹性区(式3.4.11 )、塑性区应力(式3.4.10 )和位移均可求得。 支撑结构的应力和位移由(p13 )厚壁圆筒的式(3.3.14 )和式(3.3.15 )给出。2020/5/31，49，围岩应力与位移的弹塑性分析，式3.4.10，塑性区域内应力，2020/5/31，50，弹性区域内应力，式3.4.10，2020/5/31，51，弹塑性边界上应力，式3.4.10，2020/5/31，52，塑性区域半径与支撑阻力的关系式(式1 ) 或者(3.4.15 )、2020/5/31，53、洞穴周边径向位移与支承阻力的关系式、式(3.4.25 )或(3.4.26 )、2020/5/31，54、考虑了支承前周围的岩穴壁开放的位移u0的式(3.6.6) :2