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1、中南大学土木工程学院隧道工程系 主讲教师 施成华 隧道力学 第6讲隧道施工工作面稳定性的力学分析 本讲主要内容 1 工作面稳定性分析的常用方法2 基于筒仓理论的隧道工作面稳定性分析3 基于极限理论的隧道工作面稳定性的分析 一 隧道施工工作面稳定性分析的常用方法 在软弱地层的浅埋隧道施工过程中 隧道工作面可能产生较大范围的垮塌 隧道工作面失稳与围岩强度参数 工作面几何尺寸 隧道埋深等因素均有关 第6讲工作面稳定性分析 常用方法 2 筒仓分析方法 3 极限分析方法 1 稳定系数法 4 极限分析的上 下限有限元法 5 数值分析方法 土木工程学院隧道工程系 施成华 Davis等按照平面应变问题提出浅埋
2、隧道工作面破坏模式 得到式开挖面的稳定性系数为 第6讲工作面稳定性分析 常用方法 1 稳定系数法 式中 隧道的直径为D 埋深为C 开挖面临时支撑压力为 地表面承受一均布荷载 土的不排水抗剪强度为c 单位体重为 土木工程学院隧道工程系 施成华 工作面发生破坏时 上方易发生竖向速度 而在工作面前方岩土体的速度是逐渐由竖向转变为水平 不同区域的岩土体的速度均不相同 将工作面前方区域划分成一系列刚性滑块体系 每个刚性滑块的速度大小和方向均不相同 而工作面上方仍为可整体下滑的楔体 建立滑块之间的相互关系 即可转化为非线性规划问题进行求解 第6讲工作面稳定性分析 常用方法 2 极限分析的上限法 土木工程学
3、院隧道工程系 施成华 二 工作面稳定的筒仓理论 Janssen注意到在筒仓中 竖向应力并不是随着深度的变化呈线性关系增长的 并于1985年提出了Janssen方程 以用于筒仓设计 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 土木工程学院隧道工程系 施成华 二 工作面稳定的筒仓理论 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 假设以方向向下为正 微元体分别作用了自重力 上部岩体对其作用的竖向应力以及下部土体对其竖直向上的应力 侧壁摩擦产生的剪力 摩擦力与水平应力成正比 水平应力可用竖向应力表示为 土木工程学院隧道工程系 施成华 二 工作面稳定的筒仓理论 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 在竖直方向上建立力的平衡方程
4、 可得如下微分方程 可得 代入边界条件 土木工程学院隧道工程系 施成华 二 工作面稳定的筒仓理论 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 对于非圆形断面 r为水力直径 如果材料表面作用荷载q 代入边界条件 则有 考虑圆筒侧壁与内部岩体材料间存在粘聚力 则有 土木工程学院隧道工程系 施成华 二 工作面稳定的筒仓理论 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 Janssen理论表明 由于摩擦力的作用 在筒仓中的材料会部分 悬挂 在筒仓的侧壁 这种效应会导致侧壁产生很高的竖向应力 从而引起弯曲失稳 如果材料是往上变形 则侧壁剪应力的符号相反 土木工程学院隧道工程系 施成华 二 工作面稳定的筒仓理论 Janssen
5、理论经常用于评价隧道顶部的拱效应和评价隧道掌子面的失稳机理 Horn于1961年首先提出了均匀软质地层隧道开挖面稳定性的计算模型 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 土木工程学院隧道工程系 施成华 二 工作面稳定的筒仓理论 图中 ABCD为隧道开挖面 EFGH为地表面 ABCDIJ为隧道开挖面失稳时下滑土体 CDIJ ACJ BDI为滑动面 ABIJ EFGH为下滑土体ABCDIJ所带动的上部下沉土体 为土体破裂角 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 土木工程学院隧道工程系 施成华 二 工作面稳定的筒仓理论 计算时取圆形隧道开挖面的面积和正方形ABCD面积大致相等 此时 楔形体的宽LAB D 国外
6、学者有的也采用或LAB 1 8D 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 其基本思路 通过考虑楔形体和棱柱体极限平衡列出分析体的水平和竖直方向上的平衡方程进行求解 从而获得维持开挖面稳定所需要的最小盾构支持力 即开挖面的极限支护力 该模型的求解关键是确定开挖面前方土体的破裂角 土木工程学院隧道工程系 施成华 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 a 土体是均匀且各向同性 对于多层土体可采用加权平均的方法处理 b 开挖面的破坏范围由楔形体和棱柱体构成 c 楔形体顶面及倾斜滑动面应力为均匀分布 d 土体认为是刚塑性材料 服从Mohr Coulomb破坏准则 则滑裂面的抗剪公式 基本假定 土木工程学院隧道工程
7、系 施成华 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 假定开挖面前方土体处于极限平衡状态 滑动面有向下滑动趁势 即隧道开挖面即将出现坍塌情况 考虑楔形体的平衡 进行受力分析 有 水平 竖直 基本方程 土木工程学院隧道工程系 施成华 二 工作面稳定的筒仓理论 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 楔形体自重 即 土木工程学院隧道工程系 施成华 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 棱柱体作用力 根据Janssen H A的筒仓公式 可得 根据应力平均分布的假定 可得棱柱体作用于楔形体上的竖向力 土木工程学院隧道工程系 施成华 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 倾斜滑动面ABEF上的剪力 土体材料假定为刚塑性体
8、可得 即 土木工程学院隧道工程系 施成华 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 楔形体AOE BCF滑动面上的竖向应力随深度呈线性增加 则滑动面AOE BCF 各点处的竖向应力 各点处的侧向应力 竖直滑动面AOE BCF上的剪力 土木工程学院隧道工程系 施成华 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 竖直滑动面AOE BCF上的剪力 取AOE BCF 滑动面上一微元面积 则作用于该微元面积上的剪力 可得 由 土木工程学院隧道工程系 施成华 第6讲工作面稳定性分析 筒仓理论 隧道开挖面支护力 联合以上各式可得 上式中对应于不同的破裂角 可得对应的开挖面支护力 得到即为土体极限平衡时的破裂角 而即为维持开挖
9、面稳定的最小支护力 土木工程学院隧道工程系 施成华 三 工作面稳定的极限分析方法 土压平衡式盾构维持开挖面稳定的原理是依靠刀盘作用在开挖面上的压力F 包括密封舱内塑流状土体作用在开挖面上的压力和盾构千斤顶的推力 与盾构前方地层土压力P相平衡的方法 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 土木工程学院隧道工程系 施成华 研究的问题假定为平面问题 地层土体为Coulomb材料 可用其物性参数粘聚力c和内摩擦角 表征 隧道为浅埋 掌子面地层处于失稳状态时 土体形成滑动楔体 滑裂面分别通过掌子面的上顶点和下顶点 基本假定 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 土木工程学院隧道工程系 施成华 1 主动土压
10、力 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 1 基本计算图式 土木工程学院隧道工程系 施成华 取掌子面前方AOBC部分的土体为隔离体 由 X 0和 Y 0可以建立其处于平衡状态的力的平衡方程为 2 基本方程 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 土木工程学院隧道工程系 施成华 取掌子面前方AOBC部分的土体为隔离体 由 X 0和 Y 0可以建立其处于平衡状态的力的平衡方程为 2 基本方程 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 土木工程学院隧道工程系 施成华 将代入可得 2 基本方程 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 在上述式中 Pa y1 x 1 x y2 x 2 x Const 为待求的极
11、值参数 是一个泛函 对于Pa的计算问题 从数学的观点 找出一组满足极限平衡方程式的函数y1 x 1 x y2 x 2 x 可使需要的盾构作用力Pa取其极值Pae 土木工程学院隧道工程系 施成华 依据泛函在约束条件下的变分法 用Lagrange乘子法构造如下的泛函G 从而使条件极值问题转化为无约束的极值问题 3 变分分析 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 从而有 土木工程学院隧道工程系 施成华 解上述方程可得滑动面的方程为 4 土体中的滑动面及滑动面上的应力 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 滑动面上的法向应力为 土木工程学院隧道工程系 施成华 5 盾构机作用力 第6讲工作面稳定性分析
12、极限分析方法 由多元函数取极值的条件可知 令 土木工程学院隧道工程系 施成华 6 盾构机作用力Pae的作用点位置 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 由盾构机推力Pae的作用点位置可以根据滑动体AOBC静力平衡的力矩式求出 土木工程学院隧道工程系 施成华 2 被动土压力 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 1 基本计算图式 土木工程学院隧道工程系 施成华 取掌子面前方AOBC部分的土体为隔离体 由 X 0和 Y 0可以建立其处于平衡状态的力的平衡方程为 2 基本方程 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 土木工程学院隧道工程系 施成华 取掌子面前方AOBC部分的土体为隔离体 由 X 0和
13、Y 0可以建立其处于平衡状态的力的平衡方程为 2 基本方程 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 土木工程学院隧道工程系 施成华 解上述方程可得滑动面的方程为 3 土体中的滑动面及滑动面上的应力 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 滑动面上的法向应力为 土木工程学院隧道工程系 施成华 4 盾构机作用力 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 由多元函数取极值的条件可知 令 土木工程学院隧道工程系 施成华 5 盾构机作用力Ppe的作用点位置 第6讲工作面稳定性分析 极限分析方法 由盾构机推力Ppe的作用点位置可以根据滑动体AOBC静力平衡的力矩式求出 土木工程学院隧道工程系 施成华 讨论题 1 水下隧道工作面稳定性的分析方法 如何考虑动水压力和静水压力 第6讲工作面稳定性分析 讨论题 土木工程学院隧道工程系 施成华
