高等岩石力学作业

1、广西大学土木建筑工程学院硕士研究生课程论文课 程 高 等 岩 石 力 学 任课教师 林育梁 教授 专 业 建筑与土木工程（岩土） 研 究 生 郭 文 广 成 绩 目 录第一章 绪 论31.1关于土体隧洞围岩稳定性的研究现状及意义31.2 关于土体隧洞围岩稳定性的研究方法及探索4第二章 以洞周位移或收敛位移为判据存在的不足52.1 弹性模量对洞周位移与安全系数的影响52.2 断面形状与尺寸对相对收敛位移的影响5第三章 以围岩塑性区大小为判据存在的不足63.1 泊松比对塑性区大小的影响63.2 不同数值分析软件对塑性区大小的影响63.3 断面形状与尺寸对塑性区深度与洞跨比的影响7第四章 黄土隧洞破

2、坏形式及安全系数的探索8第五章 黄土隧洞的拉裂安全系数分析9第六章 结论与建议10参考文献10第一章 绪 论1.1关于土体隧洞围岩稳定性的现状研究及意义岩土工程的3个主要的研究对象为地基、边坡与隧洞，前两者均可进行岩土的稳定性分析，惟有隧洞围岩至今没有稳定性分析方法，这大大影响了隧洞工程的设计。当前，隧洞工程设计中围岩压力分为松动与形变压力，这是完全符合实际的。但何时采用松动压力，何时采用形变压力目前工程设计中没有明确的规定，而且当采用荷载结构计算模式时，其荷载确定一般采用经验方法，而使计算具有经验性。另一种采用数值方法，可以考虑围岩与支护的实际受力情况，合理地计算形变压力，但由于不能准确地确

3、定围岩在何种情况下破坏，因而无法算出隧洞的安全系数。当前，按洞周位移或围岩塑性区大小对围岩是否破坏加以判别，但由于尚未找位移或塑性区大小与围岩破坏之间的定量关系，因而也按人们的经验而定。由此可见，如何进行隧洞围岩稳定性分析迫在眉睫。由于隧洞工程的复杂性，要摆脱隧洞工程分类的经验方法是不可能的，但对于一些地层较为简单的土质隧洞力争采用更为科学的稳定性评价方法，对于复杂的岩质隧洞也应当使经验方法更为细化和科学化，为隧洞设计提供理论支持，这也正是所要研究的目标，按照由简至繁的原则本文先从无衬砌的土质隧洞开始研究。将有限元强度折减法引入到隧洞围岩稳定性分析是一种很好的思路，但是否合理还需要进行深入的研

4、究。对土体隧洞，由于土体是均质的，而且强度可通过试验得到，因而可以通过计算引入安全系数作为土体隧洞的稳定性判据。对岩体隧洞，岩体是非等强的，把岩体视作均质体也是一种经验性假设。当前岩体隧洞分析中围岩分类是经验性的，围岩强度也是经验性的，因而计算中即使引入安全系数概念，其结果仍然是经验性的，很难有新的突破。但这方面的工作可以使现有经验更为精确化，如依据求得的安全系数来反算各级围岩强度参数，使参数更加符合工程实际。 寻找岩体边坡中破裂面与安全系数，以往是把岩石视作均质岩体，但这种做法不能考虑结构面的分布，而且结构面强度与岩体强度往往相差几十倍，因而无法求得真正的破裂面与安全系数。近年来，逐渐依据岩

5、体结构面分布状态并分别取结构面强度与岩块强度寻找破裂面和求安全系数，取得了良好的效果。同样，这种思路也适用于岩体隧洞，为岩体隧洞的稳定性分析提供了合理、可行的新路子。1.2关于土体隧洞围岩稳定性的研究方法及探索长期以来，地下隧洞围岩稳定性分析没有科学合理的方法，一直停留在以洞周某点位移或塑性区大小的经验值作为判断稳定性的依据。隧洞洞周位移或收敛位移受围岩弹性模量、洞室形状大小等因素影响，洞周不同部位的位移值也不相同，很难找到统一的位移判据标准。以塑性区大小作为围岩稳定性的判据要优于位移标准，但围岩塑性区受泊松比、洞室形状大小等因素影响，不同软件计算出的塑性区大小也有差异，这种方法同样也不可靠。

6、由此可见，传统的经验分析法不够合理。为此，提出将基于有限元强度折减法求出的安全系数作为稳定性分析判据，该判据有严格的力学依据，有统一的标准，而且不受其他因素的影响。以黄土洞室为例，提出洞室的剪切与拉裂安全系数的概念，通过不断折减土体的抗剪强度参数c，值或c，与抗拉强度，使黄土隧洞围岩塑性区不断扩展，直至塑性应变或位移发生突变时，即表明隧洞发生剪切破坏，此时的折减系数即为剪切安全系数。通过不断折减土体的抗拉强度参数，使黄土隧洞内临空面处(不包括底部临空面)围岩出现第一个单元拉裂破坏时，即表明隧洞发生拉裂破坏，此时的折减系数即为拉裂安全系数。第二章 以洞周位移或收敛位移为判据存在的不足 依据隧洞洞

7、周位移或收敛位移作为围岩稳定性判别方法曾在一些规范中使用。由于可靠性不足，虽在施工中广泛应用，但在设计中较少应用，其原因有三：一是洞周各点的位移值是不同的，量测或计算的位移值并不一定就是最大的或关键的，因而，选择的位移测点不同，其判别标准也不同；二是影响位移值的最主要因素是弹性模量，而不是强度，在实际工程中岩土的弹性模量是很难测准的，尤其是岩体的弹性模量。由于弹性模量不准会严重影响判据的准确性，这是以位移值作为经验判据的主要弱点；三是不同形状、不同大小的隧洞在相同的埋深与岩土强度情况下其位移值与收敛值不同，因而很难找出统一的位移判据标准。 2.1 弹性模量对洞周位移与安全系数的影响用位移判别隧

8、洞的稳定性，就是通过比较隧洞洞周实际位移与极限位移来确定隧洞的稳定性，当实际位移值小于极限位移时隧洞处于稳定状态，反之则隧洞处于不稳定状态。由于隧洞洞周位移受岩体的弹性模量影响很大，一方面洞周上不同部位的围岩位移是不同的，另一方面同一点处当围岩弹性模量不同时位移也存在很大的差异，因而极限位移的标准是很难确定的。在实践过程中发现某些隧洞发生了大于极限位移的变形也不产生破坏，相反有些隧洞的变形小于极限位移却产生了破坏，也说明了极限位移的标准难以把握。 2.2 断面形状与尺寸对相对收敛位移的影响 隧洞的相对收敛位移常被用来作为判别隧洞稳定性的经验判别方法，但其值不仅随测点位置不同而异，而且随隧洞断面

9、形状、断面尺寸及其他因素而变，很难找出一个合适的位移标准。一方面，对于不同洞形的隧洞，其相对收敛位移值是不同的。另一方面，对于相同洞形的隧洞，当断面尺寸不同时对应的围岩相对位移收敛值不同。在同样的围岩条件下，断面越大，其相对收敛位移量越小。第三章 以围岩塑性区大小为判据存在的不足当前，在隧洞设计中应用较多的是以塑性区大小作为稳定性分析的经验判据，认为在同样埋深与岩土强度状态下隧洞塑性区大小是一样的，而且塑性区大小主要取决于岩土强度，由此看来塑性区标准优于位移标准。但最近研究发现，塑性区大小与岩土的泊松比有密切关系，同样，岩土的泊松比也是很难测准的，尤其是岩体，而且它还与当地的地应力状态有关。下

10、面从3个方面研究影响塑性区判据的因素： (1) 泊松比对塑性区大小有很大的影响； (2) 不同软件计算获得的塑性区常常是不同的，这也使以塑性区为判据发生困难； (3) 不同形状、不同大小的隧洞，塑性区大小与洞室跨度的比值往往不同，很难给出统一标准。3.1 泊松比对塑性去大小的影响经验方法常将隧洞破坏时围岩塑性区的大小与隧洞跨度之比的经验值作为围岩稳定性的判据。通常采用塑性区面积或塑性区最大深度作为标准。当计算所得的围岩塑性区大小与洞室跨度的比值小于上述经验值时，则认为洞室是安全的，不然需增加支护。但在分析中发现，塑性区分布范围受泊松比的取值影响很大。在受力状态与岩体强度相同的情况下，泊松比的取

11、值不同时围岩塑性区差别很大，按经验法就会得出不同的判定结果。 3.2 不同数值分析软件对塑性去大小的影响目前，国际上已经开发了一批通用和专用的数值模拟软件，如ansys，plaxis，flac3d等。这些软件具有使用方便、计算精度高等共同点，同时又有各自的特点。ansys是应用最广泛的有限元软件，计算功能强大、前后处理方便，但由于其并不是专门针对岩土工程领域的，适用土体的本构模型少，也不具备自行强度折减的功能。因此，必须经过强度准则转换后并人为地进行强度参数的折减，才能实现岩土工程分析中的有限元强度折减法。plaxis是专门针对岩土工程开发的有限元软件，该程序界面友好，建模简单，能自动实现网格

12、划分，具备有限元强度折减法的功能。flac3d是专门针对岩土工程开发的三维显示有限差分软件。由于它采用了拉格朗日元法，计算过程中能够实现网格坐标的不断更新，因此可以进行大变形分析。该软件本构模型丰富，具有拉破坏判据，能够进行拉破坏分析。但由于flac3d是一种命令驱动的程序，因此在模型的建立以及后处理方面存在明显的不足。由于不同软件在后处理显示技术上存在差异，因此这容易由于人为因素造成判断上的差别，但3种软件计算得到的安全系数误差控制在3%范围内。因此，采用安全系数来进行隧洞围岩稳定性分析能够避免由于不同软件计算得到的塑性区差异而引起的判断差别。3.3 断面形状与尺寸对塑性区深度与洞跨比的影响

13、如上所述，塑性区深度与洞跨比常被用来判断围岩稳定性的一种经验方法，但其值随隧洞断面形状、断面大小及其他因素而变，很难找到统一标准。一方面，对于不同洞形隧洞，隧洞失稳破坏时的围岩塑性区深度与洞跨比是不同的，研究结果表明，四心圆洞形隧洞破坏时塑性区深度与洞跨比最大，直拱扁平洞形次之，直拱窄高洞形最小；另一方面，即使对于相同形状的隧洞，这种经验判据的标准还受断面尺寸影响。研究结果表明，对于大跨度隧洞，当围岩塑性区深度达到洞跨的0.751.00倍时，隧洞可能失稳破坏；对于小跨度隧洞，当围岩塑性区深度达到洞跨的1.001.50倍时，隧洞才可能失稳破坏。由此可见，影响塑性区大小的因素很多，很难找到统一标准

14、。 第四章 黄土隧洞破坏形式及安全系数的探索岩土破坏形式一般分为拉破坏和剪破坏2种，剪破坏是指当岩土剪切面上的剪应力超过峰值剪切强度，拉破坏是指岩土的拉伸应力超过了岩土的抗拉强度。当然，对于黄土也不例外，尤其是黄土能承受很小的拉力，所以破坏形式有剪切破坏(包括压剪破坏与拉剪破坏)及拉破坏，相应有剪切与拉裂2个安全系数。目前，边(滑)坡中的剪切安全系数主要有3种：一是基于强度储备的安全系数，即通过降低岩土体强度来体现安全系数；二是超载储备安全系数，即通过增大荷载来体现安全系数；三是下滑力超载储备安全系数，即通过增大下滑力但不增大抗滑力来计算滑坡推力设计值。对黄土隧洞安全系数定义，建议采用强度储备

15、安全系数，因为无论在施工状态还是在运行状态，这都比较符合实际情况。在施工状态，主要是由于开挖或施工爆破或水渗入土体与潮湿空气进入隧洞等原因使土体强度弱化，最终造成隧洞在施工中破坏；在运行期一般黄土隧洞受力变化不大，对深埋隧洞即使地面荷载有所变化，它对隧洞稳定的影响也不大，一般也是由于水渗入土体或风化等原因使土体强度降低而出现事故，故建议采用强度储备安全系数。对于黄土隧洞，强度储备安全系数意味着隧洞破坏部位(破裂面上)的实际土体强度与破坏时强度的比值，亦即实际强度与实际应力状态的比值。为了保证隧洞的整体安全性，设计中必须给出上述2种不同的设计安全系数，即剪切与拉裂安全系数，这2个数值需要经过统计

16、与经验得到。通过上述分析，以隧洞周边测点的位移或收敛值，或以隧洞围岩塑性区大小作为稳定性判据存在不足，因人而异，而且受变形参数选取的影响。而基于强度折减的安全系数作为稳定性判据有较强的科学性和客观性。第五章 黄土隧洞的拉裂安全系数分析对于拉裂破坏状态，边坡上一般不会出现贯通的拉裂破坏面，所以不出现整体拉破坏，因而也没有拉裂安全系数。边坡局部地区会出现一些拉破坏(一般在边坡后缘地表面上)，这会影响剪切安全系数，但影响不大。隧洞的破坏，长期以来主要考虑剪切破坏，忽略了拉裂破坏，而实际工程中，由于松散破碎岩土体抗拉强度很小，隧洞周围会出现拉裂破坏。从实际现象看出，当隧洞顶很平时，拱顶会出现拉裂破坏而

17、塌落，也会出现剪切破坏，使压力拱下的土体全部塌落；同时两侧出现剪切破坏和局部拉破坏也会造成土体塌落，这显然是不允许的。周围土体的拉裂破坏如何形成整体拉裂破坏，目前这方面的研究不够深入，而且计算机也无法显示这种破坏。 黄土隧洞除在洞室形成拉破坏外，还会在其他部位出现局部拉破坏，如在地表面上或围岩内临空面的地面部位，根据经验，这些拉破裂单元即使拉坏了也不会影响洞室的安全与应用。上述这些拉裂破坏单元不会引起洞室的整体拉裂破坏，很小见到工程中围岩内部某些拉裂区拉裂而导致洞室失稳的实例。因此，只有内临空面上出现土体拉裂破坏，土体才会在自重作用下塌落并不断发展，而其余拉裂破坏单元并不会引起整个洞室的失稳。

18、基于这种想法，假设内临空面上(不包括底部临空面)出现第一个拉裂破坏单元，即认为黄土隧洞出现整体拉裂破坏。结合强度折减法思想，不断折减抗拉强度，直至最早出现拉裂单元，可以认为此时即为隧洞拉裂破坏状态，定义拉裂安全系数。这里存在2种情况： (1) 抗拉强度极小时，洞室初始状态就已整体拉裂破坏，说明拉裂安全系数小于1，以强度折减法的逆向思维，不断提高抗拉强度，直至出现第一个拉裂塑性区单元，此时即为极限状态破坏强度，从而得到(2) 抗拉强度较大时，洞室初始状态稳定，采(2) 用强度折减的方法，不断降低抗拉强度，直至出现第一个拉裂单元，从而得到拉裂安全系数。 第六章 结论与建议(1) 以洞周某点位移或塑

19、性区大小作为围岩稳定性判据的经验法，受土体参数、断面形状、断面尺寸以及计算软件等多种因素的影响，很难找出统一的标准，可靠性不足。而将基于有限元强度折减法求出的安全系数作为围岩稳定分析判据，这种判据有严格的力学依据，有统一的标准，而且不受其他因素的影响。建议将有限元强度折减法引入到隧洞设计与稳定性分析中。(2) 通过不断折减土体的抗剪强度参c值，直至隧洞发生剪切破坏，此时的折减系数即为剪切安全系数。研究结果表明，是否折减抗拉强度对剪切安全系数影响甚小。采用不同软件计算得到的塑性区有较大的差异，但剪切安全系数基本一致，误差不超过2%。(3) 将围岩破坏时塑性区各断面上塑性应变最大的点，即塑性应变发生突变的点连成线，就得到围岩的潜在剪切破裂面。隧洞的剪破坏主要有块状剥落与片状剥落2种情况。计算结果表明，剪切破坏是隧洞主要的破坏形式。(4) 对于地表面上或围