教案围岩分级、单层衬砌及锚杆受力1.ppt

,s o u t h w e s t j I a o t o n g u n I v e r s I t y,围岩分级单层衬砌锚杆受力,专 业：桥梁与隧道工程授 课：仇 文 革 教授,地下工程力学原理,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,一：围岩分级,西南交通大学Southwest Jiaotong University,概念澄清,岩石和岩体 分类与分级岩体、工程岩体和围岩,建议采用“岩体分级”或“工程岩体分级”的名称；当然对于地下工程而言，“围岩分级”是适用的,为什么要对工程岩体进行分级?,对于地下工程而言，一个准确而合理的围岩分级，不仅是人们认识洞室围岩特征，正确进行隧道或其他地下洞室的设计、施工的基础，而且也是现场进行科学管理，发展新的施工工艺以及正确评价经济效益的有力工具。,围岩分级,工程岩体分级标准GB50218-94出现的背景,我国各行业、各种工程类型已建立了数十种岩体分级方法，体系庞杂，称呼、分级指标、评价标准等各方面都不统一，显得极其混乱，与工程建设标准化要求不协调，而且对同一处岩体进行分级评价时，有时会矛盾，带来失误，有必要通过总结分析，把这些方法统一起来。,由水利部、铁道部、建设部联合制定，1995年7月开始施行的工程岩体分级标准GB50218-94，是对于各行各业各类岩石工程都适用的统一的工程岩体分级方法。,围岩分级,工程岩体分级标准采用的思路,岩体基本质量分级：,根据各行各业、各类型工程岩体特点，考虑相关影响因素修正，由此形成一个各行各业都能接受的分级标准,岩石的坚硬程度,岩体的完整程度,围岩分级,工程岩体分级标准确定岩体基本质量的方法,定性划分和定量指标2种方法确定：,当定性划分和定量指标确定的级别不一致时，应对定性划分和定量指标的综合分析，确定岩体基本质量级别。必要时应重新进行测试。,定性划分：定量指标BQ：主要考虑了单轴饱和抗压强度Rb 和岩体完整指数KV,围岩分级,影响地下工程围岩稳定性的因素包括：,岩体的破碎程度，也即完整性岩石的力学性质，主要指岩石单轴饱和抗压强度结构面性质和空间的组合围岩的初始应力场地下水状况工程活动中的人为因素，尤以坑道尺寸、形状以及施工方法的影响较为显著,围岩分级,目前我国铁路隧道分级方法,对岩石坚硬程度和围岩完整程度2个因素采用定性划分和定量指标2种方法确定，在此基础上确定基本分级，再结合隧道工程特点，考虑地下水和初始地应力的状态进行修正，2001年修订后的铁路围岩级别判定表补充弹性波速度影响，将隧道围岩分为6级。,围岩分级,岩体工程分类分级不可能是固定不变的，随着经验的积累和分析手段的提高，分级方案和标准应逐渐得到改善；当前单就地下工程方面的围岩分级标准也很多，统一分级方法势在必行；同时还应考虑如何实现与国际分级标准接轨。,围岩分级,QN.Barton岩质评定系数；Q值的计算式为：RQD岩体质量指标；Jn节理组数；Jr节理粗糙度；Ja节理蚀变系数；Jw节理水折减系数；,1、Q值计算式及其影响因素：,围岩分级,Q系统,1、Q值计算式及其影响因素：,挪威隧道和地下工程2004年度报告中的版本,围岩分级,Q系统,6个参数从岩体的完整性、结构面发育程度、地下水和地应力的影响等方面，比较全面地反映了岩体的工程地质状况和水文地质状况对洞室围岩稳定性的影响。根据计算得到的Q值，就可判断围岩的稳定程度，Q值越大，围岩稳定性就越好。然而，通过研究发现，宏观地质构造（如断层、褶皱等）、地形对洞室稳定性的影响也不容小视，有时还起控制作用，这些因素主要通过对原岩地应力的影响而间接地对洞室稳定性产生影响。也就是说，宏观地质构造、地形的影响对Q值都产生了一定的折减，那究竟如何对Q值进行折减呢？,1、Q值计算式及其影响因素：,Q系统,围岩分级,断层（fault）和褶皱（fold）是地质构造的两种最基本形式，它们的存在不仅可以对原岩应力的量值产生影响，而且还可影响其分布。受结构面和围岩材料相对强度的关系的影响，结构面附近应力可能会出现以下三种情况：,2、宏观地质构造对Q值的影响分析,Q系统,围岩分级,2、宏观地质构造对Q值的影响分析,三种情况：如果结构面是张开的，最大主应力转向平行于结构面；如果结构面是由一种类似于围岩的材料组成，主应力不受影响；如果结构面内的材料是刚性的，最大主应力转向垂直于结构面。,Q系统,围岩分级,如图：褶皱的地层中包括了较软弱的岩层和较刚性的岩层，其中较刚性的岩层厚度较小。垂直于该褶皱轴向，进行两条隧道的开挖，在图中分别为AA和BB。沿着AA线，左右两侧的背斜产生拱的作用，使应力向着向斜核部转移，在背斜下面，局部的垂直压力减小，而在向斜中增大，超过平均值。沿着BB线，背斜的拱的作用仍然存在，但是由于较刚性的岩层的附加的重量，在向斜槽部的垂直压力比在AA的情况下高。显然，褶皱类型与应力值间存在一定的关系，并且同一褶皱的不同部位应力值也有差异。在此引入“褶皱影响系数”对Q计算式进行修正，反映褶皱对Q值的影响。,2、宏观地质构造对Q值的影响分析,褶皱,Q系统,围岩分级,断层是存在于地质体中的破裂构造。无论是活动断层还是非活动断层，均对岩体中的应力有明显影响。活动断层的影响主要表现在：与区域主应力方位相比，断层附近的主应力方位均不同程度地变化，而这种变化主要限于断层附近一定距离内；断层及其附近应力量值的变化较为复杂，既有应力增大地段，也有降低地段，应力的增大和降低主要取决于断层带的几何形态和断层与区域应力方向之间的关系，而应力变化的幅度与断层的规模有关。非活动断层的影响主要表现在：在断层附近，与区域应力场相比，应力方位发生转向，断层组成地应力局部分区的界面，断层的上盘与下盘应力大小和方向都有差别。断层对地应力的影响十分复杂，对其进行定量地描述还很困难，需要根据具体的工程通过数值模拟或现场测试进行单独分析。同样在此引入“断层影响系数”对Q计算式进行修正，反映断层对Q值的影响。,2、宏观地质构造对Q值的影响分析,断层,Q系统,围岩分级,为全面考察地形坡度对原岩应力的影响情况，取一理想化的山体进行分析，两侧对称，山脚下为平地，在地形坡度变化时，分析竖向压力与埋深的关系。,3、地形对Q值的影响分析,地形坡度对原岩应力的影响,Q系统,围岩分级,3、地形对Q值的影响分析,地形坡度对原岩应力的影响,在斜坡一定深度的范围内，主应力方向发生了明显的偏转，形成应力分异带，在应力分异带内，最大主应力方向与坡面近于平行，最小主应力则近于垂直坡面。,Q系统,围岩分级,3、地形对Q值的影响分析,河谷对原岩应力的影响,一些学者认为：河谷区应力存在分区现象，可划分为岸坡至一定深度范围内的应力变异区和超过这一深度以后的原岩应力分布区，其中应力变异区可根据应力量值的变化进一步划分为应力松弛区和应力增高区。王士天给出了雅砻江锦屏坝区河谷应力分带图，根据应力值的大小，将应力区分为：应力释放区、应力扰动区、原岩应力区以及高地应力区四个区域。,Q系统,围岩分级,3、地形对Q值的影响分析,河谷对原岩应力的影响有限元分析,引入地形影响系数，对Q进行修正，反映地形对Q值的影响,Q系统,围岩分级,4、Q值的修正计算,对各影响系数定量取值目前还比较困难！,Q系统,围岩分级,4、Q值的修正计算,对各影响系数定量取值目前还比较困难！,Q系统,围岩分级,1、围岩松动圈,基于围岩松动圈的围岩稳定性分级,围岩分级,20世纪80年代初，中国矿业大学以董方庭教授为首的课题组，在国内外首先提出了“围岩松动圈支护理论”。包括三部分：围岩松动圈支护理论。立论有三点：一是围岩松动圈是隧道开挖后客观存在和普遍存在的；二是阐明支护对象为松动破裂发展中的岩石碎胀变形或碎胀力；三是支护的作用一方面是维护破裂的岩石在原位不垮落，另一方面是限制围岩松动圈形成过程中的有害变形。围岩松动圈分类方法。围岩松动圈是反映了地应力、围岩强度、结构面性质等影响因素的一个综合指标，其值越大碎胀变形量越大，而围岩的变形量也越大，支护也越困难。因此在统计的基础上可以用其值作为分类指标，对围岩的稳定性和支护难度进行分类。围岩松动圈喷锚支护技术。从围岩松动圈支护理论出发，根据松动圈大小进行喷锚支护设计。,2、围岩松动圈稳定性判据,基于围岩松动圈的围岩稳定性分级,围岩分级,3、围岩松动圈分类,基于围岩松动圈的围岩稳定性分级,围岩分级,1、屈服及屈服接近度,物体受到荷载作用后，随着荷载的增大，由弹性状态过渡到塑性状态，这种过渡叫做屈服，而物体内某一点开始产生塑性应变时，应力或应变所必需满足的条件叫做屈服条件。岩石全程应力应变曲线如：,基于屈服接近度的围岩稳定性分级,围岩分级,2、毛洞稳定性的屈服接近度分析-Drucker-Prager准则,基于屈服接近度的围岩稳定性分级,围岩分级,2、毛洞稳定性的屈服接近度分析Drucker-Prager准则,基于屈服接近度的围岩稳定性分级,围岩分级,3、基于屈服接近度的毛洞稳定性分级,通过分析，屈服接近度指标能够比较全面客观地表述围岩的稳定性程度，可用以毛洞稳定性分级。理论依据是：利用复杂应力状态下的应力分量进行表述，可以较全面客观地反应围岩的实际状态；同时将力学概念与几何特点结合起来，表述清楚，简单实用。围岩中未发生屈服的点并不表示其安全程度是一样的，相同的应力水平下，屈服点的安全程度也是有差别的，而屈服接近度则可以合理地表达这种差别，分析比较接近实际情况。在预设计阶段，可通过理论分析和数值模拟手段，不仅可以得到塑性区分布范围，还可通过屈服接近度分析确定塑性区之外区域的应力集中程度的分区，表达了其应力危险性；同时可以预估未来的开挖扰动所引起的屈服接近度的变化，为工程施工中评判开挖扰动的影响，预估各区域发展的部位、深度、方向提供依据。,基于屈服接近度的围岩稳定性分级,围岩分级,4、基于屈服接近度的毛洞稳定性分级,基于屈服接近度的围岩稳定性分级,围岩分级,国外其它一些采用比较普遍的分级方法,RQD分级 岩体质量的好坏主要决定于10cm以下的细小岩块的状态，因此以这一界限作为基本标准。RMR分级 包括5个基本参数，单轴抗压强度、RQD、节理间距、节理状况和地下水状况，将各参数评定分值，5个分值相加得到RMR分，再以主要节理走向的评分予以修正得最终RMR分。不足的是RMR法没有考虑地应力的影响和隧道跨度条件,围岩分级,今后隧道围岩分级还应注意的一些问题,长期以来，隧道围岩分级都是按其稳定性分级的，随着TBM越来越多的使用，这种分级方法是不适合的，TBM施工条件下的围岩分级主要针对工程岩体的可掘进性。围岩分级包括设计阶段和施工阶段，由于我国没有建立一套完整的施工阶段围岩分级体系，致使施工的风险和过失判断不明，因此引起很多争议和索赔，使业主或承包商承受巨大的经济损失。,围岩分级,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,二：单层衬砌,西南交通大学Southwest Jiaotong University,在复合式衬砌出现之前，我们采用的都是单层衬砌，但当时的单层衬砌由于技术条件的限制，主要是由模筑混凝土衬砌加上背后的压浆构成。这种衬砌我们目前称为整体式衬砌。这里研究的单层衬砌是一个力学概念的反映，即不设隔离层衬砌的总称，其力学动态是一体的。有文献是这样定义的：“由单层或多层混凝土构成的支护体系，支护层与衬砌层是一体的，各层间能够充分传递剪力的支护体系，称为单层衬砌。”还有一种说法叫“单层衬砌施工法”，即开挖后立即施作喷混凝土层以支护开挖洞室，并根据围岩级别设置必要的支护构件，如钢筋、锚杆和钢拱架等，过一段时间之后再喷上起衬砌作用的喷混凝土层。,单层衬砌,力学概念,单层衬砌的基本构造如图，它与复合式衬砌本质的区别就是各支护层间不设置隔离层，通过各混凝土层间径向和纵向上的抗滑移性，使得各混凝土层形成共同承载体系。为了达到后施作的混凝土层同先喷混凝土共同作用的目的，通过使之粘接成可产生共同作用的支承拱，在施作后续混凝土层之前，对暴露很久已被污染的喷混凝土表面必须采取相应措施（高压水束或砂束）进行处理。这样一方面可减少水化热的产生，另一方面收缩变形也发生在各层之间，避免支护结构的开裂。,单层衬砌,力学概念,单层衬砌,工程实例,单层衬砌,工程实例,单层衬砌,工程实例,单层衬砌,工程实例,单层衬砌,结构形式,单层衬砌,结构形式,单层衬砌,结构形式,单层衬砌,支护对象,研究单层衬砌支护机理首先要讨论支护的对象，支护承担的荷载，以及受力过程中的状态变化。实践证明，围岩破裂过程中的岩石碎胀变形或碎胀力是支护的主要对象，支护的作用一方面是维护破裂的岩石在原位不垮落，另一方面是限制松动圈形成过程中的有害变形。,1、围岩的碎胀与碎胀力,隧道在开挖之前，围岩处于三向原岩应力压缩状态，围岩内积累大量的能量，开挖隧道后，对围岩意味着卸载，卸载则使大量积蓄在围岩内部的能量释放出来，促使岩块向洞内移动而导致岩石破裂，这就是围岩的碎胀。岩石内部的能量是破裂岩块运动变形的力源，在它的作用下，破裂岩块变形运动，深部围岩的能量推动浅部破裂岩块向洞内移动，从而产生较大的碎胀变形量。在破裂岩体的碎胀变形过程中，如岩块周围无任何约束，碎胀变形可以自由释放；当其受到外界的约束时则会产生碎胀变形力。由于岩石碎胀变形对周围介质（支护）产生的变形压力称之为碎胀力。,单层衬砌,支护对象,1、围岩的碎胀与碎胀力,碎胀力的大小并不独立，它不同于岩体应力，岩体应力可视为一种主动力，而碎胀力则是一种被动力，它不仅与破碎岩体碎胀变形有关，而且还与周围介质力学性质及约束状况有关。若试件破裂后没有外界约束，允许破裂块体自由滑移，则试件只有碎胀变形而没有碎胀力；若对试件施以刚性约束，则会产生很大的碎胀力，其数值与膨胀势能相当而不会有碎胀变形；若外界有约束而有非刚性约束（围岩与支护相互作用，共同变形）时，才会既产生碎胀变形，又有碎胀力，其数值与支护阻力及刚度有关。,单层衬砌,支护对象,2、围岩与支护共同作用原理,在松动圈支护理论中，同样可以采用特征曲线法来描述围岩与支护共同作用的原理，只不过由于围岩松动圈的存在，使得特征曲线有了一些变化，本节通过有限元计算得到了围岩和支护受力与位移的相关曲线。,单层衬砌,支护对象,2、围岩与支护共同作用原理,隧道围岩变形可分为两部分：弹塑性变形和碎胀变形：,单层衬砌,支护对象,2、围岩与支护共同作用原理,单层衬砌,支护对象,2、围岩与支护共同作用原理,总之，如果不产生松动圈，理论上不存在支护问题，支护不起作用，但实际上为防止风化或局部危岩，仍会有喷混凝土等支护形式；有松动圈时，碎胀变形使支护受力，围岩与支护共同作用；支护刚度对支护的受力与变形影响很大，刚性较大的支护会有较大的支护反力，容易破坏，刚性较小时，又会使变形较大而使断面小于设计要求，为达到支护与围岩共同作用的最佳点，使支护充分发挥其支护效果，跟根据工程的实际情况选择支护形式或从施工工艺上解决支护刚度大小问题。,单层衬砌,支护对象,1、基于接触的单层衬砌力学模型,对于单层衬砌结构，由于围岩与结构之间、结构与结构之间都是不连续的，这些不连续面不仅对结构的变形、运动状况和应力分布影响很大，对工程安全和经济性的影响也尤为突出，同时由于接触体之间摩擦力的出现、未知接触面和接触作用力使得数学处理也十分困难，接触面两侧相邻介质将不再保持为一个变形连续的整体，直接采用针对连续介质的有限单元法求解，将会产生较大误差和严重失真。从本质上讲，对不连续面的模拟计算当归属于固体力学中的接触问题，接触问题求解时对接触面的变形、受力特性采用了更为准确和严格的描述，因此相应计算结果与实际情况更为相符。本文即在常规的连续介质模型基础上，通过引入接触单元来模拟围岩与支护结构之间、支护结构相互之间的接触问题，从而进行非线性有限元分析，来分析由两层混凝土构成的单层衬砌结构的受力机理，为单层衬砌的结构设计奠定理论基础。,单层衬砌,作用机理,2、接触面的本构模型,许多中外学者在接触面本构关系做了大量的研究上作，并提出了多种接触面本构模型，但其中摩尔库仑模型是最常用也是最重要的剪切破坏准则。同时在有限元软件ANSYS中，接触面的本构也是摩尔库仑模型，因此下面主要介绍平直接触面和粗糙起伏接触面的摩尔库仑剪切破坏准则，为下一步的机理分析奠定基础。,单层衬砌,作用机理,2、接触面的本构模型,平直结构面的摩尔库仑剪切破坏模型,单层衬砌,作用机理,2、接触面的本构模型,平直结构面的摩尔库仑剪切破坏模型,随着剪切力的增加，试件发生剪切位移，当剪切力非常小时，试件的行为是弹性的，剪切应力随剪切位移呈直线增加，当到达一定的位移以后，剪切应力不再是直线增加，呈曲线变化，一直变化到曲线的顶点。这时，剪切应力达到最大值接触面峰值剪切强度，此后，继续产生的剪切位移所需的剪切应力急速下降，然后平缓下降，停留在残余抗剪强度的常值上。,单层衬砌,作用机理,2、接触面的本构模型,粗糙起伏结构面的摩尔库仑剪切破坏模型,在实际工程中，接触面大多不是平直面光滑的，它们的表面状态往往是粗糙起伏的，其表面状态对结构面的剪切行为有着很强的影响。试验结果表明，对于这类接触面，在直接剪切作用过程中，剪切面与剪力作用并不在同一个平面内，剪切过程中表现为剪胀和扩容的现象。Patton（1966）首次提出了接触面抗剪强度的剪胀公式，当接触面表面有起伏角锯齿起伏时，如果接触面的粘结强度为零，则其峰值抗剪强度为：,单层衬砌,作用机理,2、接触面的本构模型,粗糙起伏结构面的摩尔库仑剪切破坏模型,单层衬砌,作用机理,2、接触面的本构模型,由以上分析可知：通常认为在直剪试验中，接触面的破坏准则是线性的摩尔库仑准则，接触面的直剪试验最主要的目的之一是为了获得摩尔库仑准则的抗剪强度参数。大量的接触面试验结果发现，对于平直接触面而言，接触面的破坏准则符合线性的摩尔库仑准则，但是对于粗糙起伏的接触面而言，接触面的破坏包络线并不完全符合线性的摩尔库仑准则，特别是在法向应力较低的情况下，往往表现为非线性的特征。也就是对于粗糙起伏的接触面而言，线性的摩尔库仑准则是对非线性的一种近似。运用摩尔库仑准则分析接触面的剪切行为时，当两个接触面胶结时，粘聚力表示了接触面的剪切行为的一部分，但是当接触面已经分离时，实际上并不存在粘聚力，而结果中出现粘聚力只不过是摩尔库仑准则对非线性剪切行为在数学上的一种近似。,单层衬砌,作用机理,3、接触构件横截面上应力分布特征研究,两梁接触在一起，在压弯组合的作用下发生变形，如两梁之间的抗剪强度很小，可忽略不计时，类似于叠合梁受力；如两梁之间的抗剪强度足够大，在压弯组合的作用下两梁始终粘结在一起，此时结构类似于合成梁受力。,单层衬砌,作用机理,3、接触构件横截面上应力分布特征研究,经分析，当接触面上抗剪强度为零时，两梁之间将产生相对滑动，其横截面上的应力分布见图1；当接触面上抗剪强度足够大时，由于两梁之间的粘结作用，产生共同变形，其横截面上的应力分布见图2，当两梁的弹性模量不同时，在接触面处应力发生突变。,单层衬砌,作用机理,4、单层衬砌与复合式衬砌的力学机理比较分析,计算工况,接触面屈服准则,单层衬砌,作用机理,4、单层衬砌与复合式衬砌的力学机理比较分析,计算结果分析,工况一,工况二,工况三,工况一复合衬砌，接触状态为：相互之间产生滑动；在拱圈段接触压力分布比较均匀，最大压力在墙脚部位，最小压力在仰拱部位。初期支护与二次衬砌之间的接触面上产生的摩擦力很小，可认为衬砌结构类似于叠合梁压弯构件。工况二单层衬砌，接触状态为：相互粘结。因此在接触面上可充分传递剪应力，结构产生整体变形，可认为衬砌结构类似于组合梁压弯构件。在拱圈段接触压力分布也比较均匀，最大压力在墙脚部位，最小压力在仰拱部位。工况三相对于工况二，初期支护和二次衬砌厚度都减少了但两者的结构力学特性及变化趋势基本一致，只是接触压力和衬砌结构内正应力的大小有了变化。总体看，工况三的接触压力最大值是最大的，但从总体水平看，工况一的压力值要大些。,单层衬砌,作用机理,4、单层衬砌与复合式衬砌的力学机理比较分析,计算结果分析,工况一中支护结构关键部位内力,单层衬砌,作用机理,4、单层衬砌与复合式衬砌的力学机理比较分析,计算结果分析,工况二中支护结构关键部位内力,单层衬砌,作用机理,4、单层衬砌与复合式衬砌的力学机理比较分析,计算结果分析,工况三中支护结构关键部位内力,单层衬砌,作用机理,4、单层衬砌与复合式衬砌的力学机理比较分析,计算结果分析,工况一初期支护全部处于受压状态，二次衬砌除墙脚及仰拱局部受拉外，其余部位也全部处于受压状态。其中最大压应力发生在边墙部位初期支护内侧，其值为-7.81MPa；最大拉应力发生在墙脚部位二次衬砌外侧，其值为1.03MPa。工况二初期支护也全部处于受压状态，但二次衬砌的受拉部位发生在拱腰、边墙及仰拱，其余部位处于受压状态。其中最大压应力发生在边墙部位，但在初期支护外侧其值为-6.74MPa；最大拉应力也发生在边墙部位，但在二次衬砌内侧其值为0.66MPa。另外在初期支护与二次衬砌的交界面上，横截面正应力发生了突变，这是由于两者的弹性模量不同造成的。工况三最大压应力发生在边墙部位初期支护外侧，其值为-8.25MPa；最大拉应力发生在边墙部位二次衬砌内侧，其值为0.68MPa。采用复合衬砌时，横截面最大压应力发生在边墙部位，最大拉应力发生在墙脚部位；而单层衬砌中，横截面的最大压应力和最大拉应力均发生在边墙部位，这在结构设计时应特别注意。在同等荷载条件下，当支护结构的厚度也相同时，单层衬砌结构比复合衬砌结构产生的内力小20%50%；如产生的内力相等时，单层衬砌结构比复合衬砌结构的厚度可减薄1/51/4，隧道开挖量减少5%8%。因此，采用单层衬砌能够减少开挖量和衬砌圬工量，节省工程造价。,单层衬砌,作用机理,5、单层衬砌结构内力分配机制分析,隧道施工经历不同的阶段，在各个阶段支护的施作时间有先有后，刚度也有所不同，因此支护结构的内力分配也呈现出一定的特征。分析时，仍以上节中工况三的单层衬砌结构为研究对象，其中初期支护厚度为10cm，刚度E1I1=1.75MN.m2，二次衬砌厚度为25cm，刚度E2I2=36.5MN.m2。,支护结构内力分配表,单层衬砌,作用机理,5、单层衬砌结构内力分配机制分析,以初期支护轴力最大的边墙部位进行分析，在施工第一步完成后，初期支护的弯矩为-0.18KN.m，轴力为-661KN。在施工第二步完成后，初期支护的弯矩增长到-0.28KN.m，增长了-0.10KN.m，占总弯矩的35.7%，轴力增长到-906KN，增加了-246KN，占总轴力的27.2%；此时二次衬砌边墙部位的弯矩为-7.1KN.m，轴力为-558KN，分别承担了总弯矩的98.6%和总轴力的69.4%。不难发现，在施工第一步完成后，初期支护所承担的内力约占其总内力的70%左右，剩余的30%在第二步完成后再承担；对于二次衬砌，其施作后，所承担的内力约占整个结构总内力的70%以上，这是因为E2I2 E1I1所致。综上所述，对于由多层混凝土构成的单层衬砌结构，结构内力分配遵循这样的原则：先按时间分配，然后按刚度分配，即支护早施作早受力，刚度越大，其所承受的内力也越大。,单层衬砌,作用机理,6、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理的现场试验,工点介绍,单层衬砌,作用机理,6、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理的现场试验,围岩压力,X2DK1+053断面（单层）,X2DK1+065断面（复合）,绝对压力值都很小，与数值计算结果吻合。,单层衬砌,作用机理,6、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理的现场试验,混凝土应力,X2DK1+053断面（单层）,X2DK1+065断面（复合）,现场测试得到的最大压应力值仅为设计值的10%。这意味着在二次衬砌结构中由于围岩压力引起的应力很小，衬砌内的应力变化可认为是由于温度应力所引起的，因此，从结构力学方面看，施作40cm厚的二次衬砌基本不承担围岩压力，太过保守，有必要进一步优化衬砌结构。,单层衬砌,作用机理,引入接触力学对由多层混凝土构成的单层衬砌结构的作用机理进行了研究，并与复合衬砌结构进行了比较。得出在同等荷载条件下，单层衬砌结构优于复合衬砌结构。由多层混凝土构成的单层衬砌结构中，内力分配遵循“先时间，后刚度”的原则，即支护早施作早受力；同时承载条件下，刚度越大，其所承受的内力也越大。,单层衬砌,作用机理,基准抗压强度初期强度粘结强度抗渗试验,几点认识或体会,用作单层衬砌的喷射砼力学性能,单层衬砌,基准抗压强度试件成型：人工拌合捣固、喷大板；现场测试混凝土压应力：68MPa；建议C25满足设计要求。,单层衬砌,用作单层衬砌的喷射砼力学性能,初期强度试件成型：人工拌合捣固、喷试模、钻芯等；试验或检测方法：无损（射钉）或破损；短时间内得到混凝土的初期强度。,单层衬砌,用作单层衬砌的喷射砼力学性能,外掺纤维等掺钢纤维的研究很多，重点研究了聚丙烯纤维；规范，物理作用，不改变配合比，但抗压强度有所降低，约8%10%；劈裂、抗折都有明显提高15%20%；抗渗可提高一级。,单层衬砌,用作单层衬砌的喷射砼力学性能,抗渗试验用渗透系数、渗水高度表示可能更直观一些，使用起来更方便；渗透系数与时间、水压力、混凝土厚度之间的关系；粉煤灰对抗渗的作用。,单层衬砌,用作单层衬砌的喷射砼力学性能,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,三：锚杆受力,西南交通大学Southwest Jiaotong University,锚杆受力,在非连续性岩体中，洞室的破坏主要表现为岩块沿着节理或龟裂发生剥落和移动。在这种情况下，锚杆的主要作用在于及时、有效的将隧道周边的危岩，同内部岩体连接起来，以保持岩体的稳定，此时锚杆主要表现为悬吊作用与销钉作用。,1、非连续性岩体中单体锚杆的支护机理,锚杆受力,单体锚杆,如图为锚杆对隧道顶部危岩作用的计算简图，其作用主要为悬吊作用。根据静力平衡，有,1、非连续性岩体中单体锚杆的支护机理,锚杆受力,单体锚杆,由上述分析可知，若锚杆未穿过危岩重心和不沿铅垂布置，其受力就比较复杂。,1、非连续性岩体中单体锚杆的支护机理,锚杆受力,单体锚杆,如图，为锚杆对隧道边墙危岩作用的计算简图，其作用主要为销钉作用。,1、非连续性岩体中单体锚杆的支护机理,锚杆受力,单体锚杆,1、非连续性岩体中单体锚杆的支护机理,锚杆受力,单体锚杆,1、非连续性岩体中单体锚杆的支护机理,锚杆受力,以上分析中均忽略了危岩与岩体间的弱粘结力，以作安全储备。实际在确定锚杆的容许应力时，应考虑足够的安全系数。,单体锚杆,2、连续性岩体中单体锚杆的支护机理,锚杆受力,在连续性岩体中开挖隧道后，围岩首先发生弹塑性变形，但其变形时间很短，一般认为在安装锚杆前弹塑性变形已经结束。因此，锚杆锚固力主要是峰后围岩碎胀变形与锚杆相互作用的结果。,单体锚杆,2、连续性岩体中单体锚杆的支护机理,锚杆受力,全长粘结型锚杆应力与松动圈的关系,隧道开挖后，当围岩应力大于围岩强度时，隧道周边围岩发生破坏并向深部转移而出现围岩松动圈，围岩产生明显碎胀变形后，即AC间岩石破坏碎胀，靠近隧道表面的围岩松动圈段锚杆因阻止破裂岩体碎胀径向变，锚杆表面产生指向围岩自由面的剪应力，其余一段锚杆因受AC段拉拔作用，BC段锚杆表面剪应力指向岩体内部，此点剪应力为零轴向力最大。,单体锚杆,2、连续性岩体中单体锚杆的支护机理,锚杆受力,全长粘结型锚杆应力与松动圈的关系,单体锚杆,2、连续性岩体中单体锚杆的支护机理,锚杆受力,全长粘结型锚杆应力与松动圈的关系,当围岩松动圈厚度继续发展以致超过锚杆长度后，则整个锚杆均处于围岩松动圈内，则此时锚杆锚固破裂岩体AB段碎胀变形不再增大，而表现为锚杆锚固段AB整体向隧道自由面位移。此时，锚杆所受拉应力可能出现降低的现象，即随着AB段的压实其应力将减小。,单体锚杆,2、连续性岩体中单体锚杆的支护机理,锚杆受力,狗子滩隧道YK154+085里程右拱腰实测锚杆轴力,单体锚杆,2、连续性岩体中单体锚杆的支护机理,锚杆受力,图中显示：在锚杆端部，即靠近隧道壁面一侧，一直处于受拉状态，且轴力值随着时间的推移逐渐增大；在锚杆尾部，轴力从受压逐渐变为受拉，且逐渐增加，最后稳定于0.8KN；而在锚杆中间部位附近，其应力值总大于端部和尾部，最终值为2.6KN。这基本反映了松动圈在产生、发展过程中对锚杆体内应力的影响特性，由于测点布置偏少，很难准确判断松动圈的厚度，但根据最终稳定后的锚杆轴力值，基本可以判定松动圈大小在100150cm之间，测试结果与上述理论分析结果基本吻合。,单体锚杆,1、群锚组合支护的悬吊作用,锚杆受力,锚杆布置 地下工程中，围岩一般有层理、节理面、爆破破裂面，以及在松动圈内以切向为主的破裂面，因此锚杆的布置一律尽量垂直于洞室的切向，其间、排距一般相同，呈梅花型布置，见图。,群锚组合,1、群锚组合支护的悬吊作用,锚杆受力,锚杆长度的确定 实践证明，在中松动圈条件下将松动岩石的重量用锚杆悬吊在松动圈以外的围岩中可以有效地进行支护，因此，其锚杆长度可按下式确定：,群锚组合,从上可知，锚杆悬吊支护的对象是松动圈内岩石，其悬吊点是松动圈外岩石弹塑性应力区，不再寻找更硬的岩石。这样悬吊理论的应用范围将扩大，并且所确定的参数将更可靠和合理。,1、群锚组合支护的悬吊作用,锚杆受力,锚杆间、排距的确定 锚杆采用等间距梅花型布置时，每根锚杆所负担的岩体重量为其所承受的荷载，可按下式计算：,群锚组合,从公式中看出，锚杆的拉应力、间排距、锚杆直径互为函数的关系，即确定了其中任意两个量后，可求出另一个量。但在实际的隧道支护中，锚杆直径由于施工的需要，一般为22mm或25mm；而锚杆的间排距往往是根据锚杆间岩体的完整性及工程类比法确定。,1、群锚组合支护的悬吊作用,锚杆受力,喷混凝土厚度的确定 当采用群锚组合进行支护而发挥其悬吊作用时，锚杆是支护的主体，喷混凝土只起局部支护作用，即锚杆间的表面支护、控制锚杆间非锚固区危石的坠落以及防止围岩风化。由于上述按锚杆支护活石重量的计算方法，仅考虑松动岩块的重量，未考虑围岩变形对喷混凝土层的压力，其科学性、准确性难以确定，所以喷混凝土层厚度多依据工程类比法确定，中松动圈条件下一般为80150mm。,群锚组合,2、群锚组合支护的组合拱作用,锚杆受力,群锚组合,锚杆有效长度、间排距和压缩带的关系,锚杆受力,群锚支护的组合拱厚度计算依据图的几何关系，可按下式计算组合拱的厚度：,群锚组合,2、群锚组合支护的组合拱作用,可见，加长锚杆、减小锚杆间排距可以增大组合拱的厚度，使围岩更加稳定。,锚杆受力,破裂岩体锚固体强度及组合拱的强度 松动圈内破裂岩体所形成的组合拱必须有足够的支护能力，才具有支护的充分条件。为弄清破裂岩体锚固体的作用机理，中国矿业大学的董方庭教授进行了模拟试验，采用9块水泥砂浆试块，得出了有锚杆和无锚杆受单向压应力的岩体应力应变全过程曲线，如图。,群锚组合,2、群锚组合支护的组合拱作用,锚杆受力,群锚组合,2、群锚组合支护的组合拱作用,锚杆受力,由此可见，组合拱是就地取材在一定条件下由锚杆与松动圈内岩石自然形成的，如果说锚杆对围岩有加固作用，那么锚杆只对围岩松动圈内的岩体有加固作用，而且可以使其恢复到接近原岩的强度；同时组合拱具有一定的可缩性，其支护属柔性支护。组合拱的这两个重要性质，正是大松动圈软弱围岩隧道支护取得成功应满足的基本要求。,群锚组合,2、群锚组合支护的组合拱作用,谢 谢,2007年10月,西南交通大学Southwest jiaotong university,