3 地下洞室围岩稳定性DING11

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3.2.2 脆性围岩的变形破坏
脆性围岩包括各种块体状结构或层状结构的坚硬或 半坚硬的脆性岩体。
这类围岩的变形和破坏,主要是在回弹应力和重分 布的应力作用下发生的,水分的重分布对其变形和破 坏的影响较为微弱。
这类围岩变形破坏的形式和特点.除与由岩体初始 应力状态及洞形所决定的围岩的应力状态有关外,主 要取决于围岩结构,一般有弯折内鼓、张裂塌落、劈 裂剥落、剪切滑移以及岩爆等不同类型
3 劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动
这两种破坏形式都发生于压应力、特别是最大 压应力集中的部位。
1)劈裂剥落
过大的切向压应力使围岩表部发生平行于洞室周边的破 裂。一些平行的破裂将图岩切割成厚度由儿厘米到几十厘 米的薄板,它们往往沿壁面剥落。破裂的范围一般不超过 洞室的半跨。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时, 这些劈裂板还可能按压弯、折断并造成塌方,转化为类似 于弯折内鼓类型的破坏。劈裂剥落多发生于厚层状或块体 状结构的岩体内,视围岩应力条件的不同,可发生于顶拱, 也可发生于边墙之上,前者造成顶供的片状冒落,后者则 造成通常所谓的片帮。
一殷说来,洞室开挖后,如果围岩岩体承受不了回弹应 力或重分布的应力的作用,围岩即将发生塑性变形成破坏。
这种变形或破坏通常是从洞室周边,特别是那些最大压 或拉应力集中的部位开始,而后逐步向围岩内部发展的。
围岩的变形பைடு நூலகம்坏过程
围岩的变形破坏 是渐进式逐次发展的。 开挖-->应力调整--> 变 形 、 局 部 破 坏 --> 再次调整 -->再次变形-->较大 范围破坏
3.2.2 脆性围岩的变形破坏
1、弯折内鼓
这类变形破坏是层状、特别是薄层状围岩变形 破坏的主要形式。
从力学机制来看,它的产生可能有两种情况: 一是卸荷回弹的结果;二是应力集中使洞壁处的 切向压应力超过薄层状岩层的抗弯折强度所造成 的。
1、弯折内鼓
由卸荷回弹所造成的变形破坏主要发生在初始应 力较高的岩体内(或者洞室埋深较大,或者水平地 应力较高),而且总是在与岩体内初始最大主应力 垂直相交的洞壁上表现得最强烈.故当薄层状岩层 与此洞壁平行或近于平行时,洞室开挖后.薄层状 围岩就会在回弹应力的作用下发生回弹应力的作用 下发生弯曲、折裂和折断,最终挤入洞内而坍倒。
分析围岩变形破坏时, 应抓住其变形破坏的始 发点和发生连锁反应的 关键点,预测变形破坏 逐次发展及迁移的规律。 在围岩变形破坏的早期 就加以处理,这样才能 有效地控制围岩变形, 确保围岩的稳定性。围岩
变形破坏形式取决于围岩应力状 态、岩体结构及洞室断面形状等 因素。见下图,不同岩体结构及 洞室断面形状,围岩变形破坏形 式不同。
2 张裂塌落
张裂塌落通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞室 顶拱。当那里产生拉应力集中,且其值超过围岩的抗 拉强度时,顶拱围岩就将发生张裂破坏,尤其是当那 里发育有近垂直的构造裂隙时、即使产生的拉应力很 小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝。被垂直裂缝 切割的岩体在自重作用下变得很不稳定,特别是当有 近水平方向的软弱结构面发育,岩体在垂直方向的抗 拉强度较低时,往往造成顶供的塌落。但是在N0的 情况下,顶拱坍塌引起的洞室宽高比的减小全使顶拱 处的拉应力集中也随之而减小,甚至变为压应力。当 项拱处的拉应力减小至小于岩体的抗拉强度时.顶拱 因岩韶趋于稳定。
围岩
按照森维南原理,由开挖洞室引起的应力 状态的重大变化局限在洞周一定范围之内。 通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸 的3—5倍,习惯上将此范围内的岩体称为“围 岩”
3.3 地下洞室围岩的变形破坏
3.2.1 围岩变形破坏的一般过程和特点
地下洞室开挖常能使围岩的性状发生很大变化,促使围 岩性状发生变化的因素,除上述的卸荷回弹和应力重分布 之外,还有水分的重分布。
3 地下洞室围岩稳定性DING1
3 地下洞室围岩稳定性分析
3.2 岩体中的天然应力
开挖前存在于岩体中的应力,称天然应力或初始应力。是 岩体在建造或改造过程中,各种地质作用综合作用形成的。
主要包括自重应力和构造应力。
岩体内任何一点的初始应力状态(常称为原岩应力)通常可 以垂直正应力(通常为主应力)通常以垂直正应力和水平正应 力来表示:
从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可 以看出,在现代地应力或构造剩余应力较高的薄 层状岩层内修建这类地下洞室,围岩的稳定性与 洞室轴向相对于区域最大主应力方位有密切关系。 通常.轴向垂直于最大主应力方向的洞室,其稳 定性远低于平行于最大主应力方向者。
这是因为:在洞轴垂直于水平最大主应力的条 件下,当洞体平行或近于平行地通过陡倾岩层时 强烈的卸荷回弹会使垂直于最大主应力方向的洞 壁发生严重的弯折内鼓,而当洞体通过平缓岩层 时,高度的应力集中又会使平行于最大主应力的 洞室顶底板,特别是顶拱,因弯折内鼓的发展而 严重坍塌。
σv=σv0+γh σh=Nσv σv0值可以是零,也可以是常数
由上式可知,岩体内的初始应力随深度而变化,因而 对于具有一定尺寸的地下洞室来说,其垂直剖面上各 点的原岩应力大小是不等的,即地下洞室在岩体是处 在一种非均匀的初始应力场中。
围岩应力重分布
地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态, 围岩内各质点在回弹应力的作用下,均将力图沿最 短距离向消除了阻力的自由表面方向移动,直至达 到新的平衡。由于这种围岩变形的发展,岩体内某 个方向原来处于紧密压缩状态,现在可能发生了松 胀变形,而另一个方向可能挤压的程度更严重了。 这样,围岩应力的大小与主应力的方向也就发生了 改变,即围岩中的应力产生重分布作用,形成新的 应力状态,称为应力重分布。
围岩应力重分布特征
径向应力随着向自由表面的接近而逐渐减小,至洞壁 处变为零。
切向应力在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大, 并于洞壁达最高值,即产生所谓压应力集中,在另一些部 分,愈接近自由表面切向应力愈低,有时甚至于洞壁附近 出现拉应力,即产生所谓拉应力集中。
这样,地下洞宝的开挖就将于围岩内引起强烈的主应 力分异现象,使围岩内的应力差愈接近自由表面愈增大, 至洞室周边达最大值。
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