隧道围岩-喷射混凝土界面应力解析.pdf
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1、第 3 4卷 第 6期 2 O 1 2年 1 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l ,Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 4 NO 6 De c 2O1 2 d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 2 0 6 0 1 2 隧道围岩一 喷射混凝土界面应力解析 文 竞舟h , 张永 兴h , 王 成 ( 1 重庆 大学 a 土木工程 学院; b 山地城镇 建设
2、与新技 术教 育部重 点实验 室, 重庆 4 0 0 0 4 5; 2 重庆 交通 大学 隧道及 岩土工程 系, 重庆 4 0 0 0 7 4 ) 摘 要 : 根据喷射混凝土支护隧道围岩的界面力学特点 , 考虑喷层 与围岩结合界面受力和变形协调 关 系, 并结合 围岩 承 载拱 效应 , 建 立 了围岩一 喷层 结构 的复合 曲梁 共 同承 载模 型 , 然后 通 过各 微 单 元 静力平衡推导复合曲梁的径向位移 的控制微 分方程 , 得到任意分布荷载作用下喷层 与围岩界 面应 力以及喷层与围岩各 自内力的解析式, 可迅速获取喷层与围岩结合界 面的力学状况, 进而判断围岩 稳定性与预测安全性
3、, 为隧道施工决策提供技术支撑。最后 经隧道台阶法开挖的算例研究表 明, 喷 层支护通过其与围岩的结合界面上传递应力使 围岩 内部形成压应力带, 有利 于围岩的稳定。 关键 词 : 隧道 工程 ; 喷射 混 凝土 支护 ; 围岩 承 载拱 ; 界 面应 力 ; 复 合 曲 梁 中图分类号: TU4 4 3 文献标志码 : A 文章编号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 6 - 0 0 6 7 0 8 Ana l y s i s o n I n t e r f a c i a l S t r e s s Be t we e n S u r r o u n d i n
4、g Ro c k a nd S h o t c r e t e Li ni ng WEN J i n g z h o u 。 , ZHANG Y o n g xi n g 。 , WANG Ch e n g ( 1 a Co l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g;l b Ke y La b o r a t o r y o f Ne w Te c h n o l o g y f o r C o n s t r u c t i o n o f Ci t i e s i n M o u n t a i n Ar e a , M i n i s t r
5、 y o f Ed u c a t i o n,Ch o n g q i n g U n i v e r s i t y ,Ch o n g q i n g 4 0 0 0 4 5,PRCh i n a ; 2 De p a r t me n t o f Tu n n e l a n d Ge o t e c h n i c a l En g i n e e r i n g,Ch o n g q i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ,C h o n g q i n g 4 0 0 0 7 4,PRCh i n a ) Ab s t r a c t
6、: Ac c o r di n g t o t he c ha r a c t e r i s t i c s o f i nt e r f a c i a l s t r e s s be t we e n s u r r o un di n g r o c k a n d s ho t c r e t e s up po r t ,me c ha n i c a l mod e l of c ompo s i t e c ur v e d be a m e f o r s up po r t s y s t e m o f t u nne l s ur r o und i ng r oc
7、k a nd s h o t c r e t e l i n i n g wa s e s t a b l i s h e d ,c o n s i d e r i n g t h e i n t e r f a c i a l d e f o r ma t i o n c o o r d i n a t i o n a n d t h e e f f e c t s o f b e a r i n g a r c h o f s u r r ou nd i ng r o c kThe n f r o m s t a t i c e q u i l i br i um o f t wo d i
8、 f f e r e nt i a l e l e me n t s,t he di f f e r e nt i a l e q ua t i o ns f o r t he r a di a l di s pl a c e me n t o f c ompo s i t e c ur v e d be a m we r e ob t a i n e dAl l a n a l y t i c f or mul a s o f b ot h i n t e r r a c i a l s t r e s s a n d i n t e r n a l f o r c e s b e t we
9、 e n s u r r o u n d i n g r o c k a n d s h o t c r e t e l i n i n g b y a r b i t r a r y d i s t r i b u t i o n l o a d we r e d e r i v e d A n d t h us t he me c ha n i c a l c on di t i o n o f i n t e r f a c e z o ne a nd t he s t r e s s c onc e n t r a t i o n p os i t i on we r e o b t
10、a i n e d , wh i c h i s c o n v e n i e n t t o a s s e s s t h e s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n g r o c k a n d p r e d i c t t h e s a f e t y Fi n a l l y,t h e a n a l y s i s o f t u n n e l p r o j e c t e x c a v a t e d b y b e n c h me t h o d s h o we d t h a t s h o t c r e t
11、e l i n i n g ma d e t h e f or ma t i o n o f c o m p r e s s i v e s t r e s s z o ne i n s u r r o un di n g r oc k b y t r a n s f e r r i ng s t r e s s f r o m t h e i nt e r f a c e be t we e n s ur r ou nd i ng r o c k a n d s h ot c r e t e,whi c h i s be n e f i c i a l t o i mp r o v e t
12、he s t a bi l i t y of s ur r ou nd i ng r o c k Ke y wo r ds :t un ne l e ng i ne e r i n g;s ho t c r e t e l i ni n g;be a r i ng a r c h o f s ur r o und i ng r oc k;i nt e r f a c i a l s t r e s s; c o m p os i t e c u r ve d be a m 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 3 1 5 基金项 目: 长江学者和创新 团队发展计划 资助( I R T1 O 4
13、5 ) ; 国家 自然科学基金科学 仪器基础研究专款 ( 5 1 O 2 7 。 0 4 ) 作者简介: ( 1 9 8 3 一 ) , 男 , 博士生, 主要从事隧道及岩土结构及监测研究, ( E ma i l ) we n j i n g z h o u l 1 7 1 6 3 t o m。 张永兴( 通信作者) , 男, 教授, 博士生导师, ( E - ma i l ) c q y x z h a n g 1 6 3 c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 4 卷 喷射混凝 土是一种具有一定支承抗力 ,
14、又具有 良好柔性的支护结构 , 拥有 良好 的力学和非力学性 能 , 在隧道及地下工程 中获得广泛 和多方面的运用 , 与锚杆支护、 监控量测并列为“ 新奥法” 施工的现代 隧道及地下工程 中三大支柱l_ 】 。不论围岩性状如何 变化 , 喷射混凝土支护依然在 隧道初期支护环节 中 是不可缺少的、 且是有效地支护手段, 具有广泛的地 质和工程适应性 。其主要是喷射混凝土能及时地与 围岩粘结 , 迅速给围岩表面提供抗力 , 阻止围岩松动 开裂 , 有效地避免和缓解围岩的应力集中 , 明显改 变围岩周边的受力特征, 进而能提高 围岩 自身承载 能力 , 有效抑制围岩变形 。 尽管多年来对隧道喷射混
15、凝土 的相关研究主要 从喷射技术、 支护力学机理、 早期强度和材料特性 以 及工程运用 等方面展 开探讨 。 , 而且 不断深入并 取得大量研究成果 。但在 目前涉及隧道喷层支护 的 研究 中, 尚缺少对 喷层与周边围岩在接触界面上形 成的密贴附着力及其力学模 型的具体研究 , 而这点 恰恰是喷层之所 以能与围岩共 同受力 , 形成相互协 调的承载共同体并发挥支护作用的主要因素和首要 条件 , 特别是在结合隧道施工条件下分析和描述 喷 射混凝土如何通过其与围岩界面传递应力并加 固围 岩使之与围岩共 同承载的支护理论 , 更是鲜见报道 和论述 。 本文针对隧道工程 中喷射混凝土的力学 特性 ,
16、根据“ 围岩一 喷层支护” 共同体的相互作用特点, 并考 虑喷层与围岩接触界 面上变形协调关 系, 建立喷层 与围岩结构的复合 承载体 的力学模型, 可分析喷射 砼与围岩界面力的影 响, 进而探讨喷层结构的力学 特征和隧道围岩的稳定性 。 1 喷层加 固围岩复合承载体 力学原理 隧道岩体开挖后 , 开挖空 间周 围通常会形成扰 动区, 这一区域 的松动破碎状况将直接决定初期支 护的强弱程度 、 隧道稳定性 以及施工安全性。通过 大量的研究表 明围岩扰动区通过锚喷支护后, 将形 成围岩锚 固组合拱 , 即使是破碎 岩体 的组合拱仍然 具有承载能力E l 1 - 1 3 3 。锚杆是从 围岩内部进
17、行力 学加 固, 而喷层 则是从 围岩表 面进行受力调 整和加 固。 正是由于喷射混凝 土层封闭 了围岩 , 无法直接观察 围岩 , 因此在施工 中通过观测喷层支护变形和开裂 状况能直观有效地 评判支护结 构和围岩的稳定状 况u , 显然在某种程度上可认为在初期支护阶段喷 层是围岩一 支护系统中最后一道屏 障。 与围岩壁面全面、 牢 固地吸附接触是 确保 喷射 混凝土发挥作用的关键 , 即便是 目前喷射钢纤维混 凝土或者单层衬砌发挥支护作用 的前提也是与 围岩 的密贴性和吸附性 ; 喷层破坏形式和力学作用主要 是剪切和附着破坏, 压溃破坏是次要 的 2 。从力学 机理上分析在喷层与周边 围岩接
18、触界面上产生抵抗 拉伸剥离 的抗拉附着力和沿接触界面上抵抗错动的 切向剪切阻力将使喷射 混凝土极大地发挥 支护作 用 ; 同时接触界面上切向应力将传递至围岩, 将有利 于围岩内部形成拱状 的压应力带 , 这从卸荷岩 体力学的角度上将增大围岩稳定性 ; 同时具有一定 厚度且初期强度较高 的喷层可视为拱形结构 , 由喷 层轴力提供的对围岩的支护反力将使喷砼背后附近 的围岩应力状态从一维变成三维受力状态 , 隧道 的 稳定性也将提高_ 2 。因此, 由喷层加固的围岩拱梁 的复合承载结构更能体现“ 围岩一 支护” 共 同承载体 的力学 特点 , 将极 为有效 地 支护 围岩 。 2 喷层加 固围岩 复
19、合承载体受力分析 2 1 基本假设与力学模型 根据隧道工程的围岩一 喷层支护系统 的特点, 提 出以下假 设 : 1 ) 在实际工程 中, 不管是采用 台阶法或全断面 法施工的隧道 , 其围岩开挖 面周边形状通常可近似 为几段不同的曲率的圆弧所连接 , 其 中隧道 自起拱 线以上断面一般近似为半 圆形 , 喷层支护可 以视为 吸 附在 围岩上 的一定 厚度 的 曲梁结 构 。 2 ) 通 过相 关 文 献口 研 究 表 明 , 隧道 围岩 可 近 似为各向同性 、 均质连续的介质 ; 开挖空间周围形成 一 种均匀破碎 圈, 在开挖后 , 通常会安装锚杆, 由于 岩石的碎胀作用 , 锚杆受力将对
20、围岩产生约束阻力 , 系统锚杆将对隧道 围岩锚 固组合拱起到支护加固作 用 , 显然开挖空间周 围岩体通 常会形成一定厚度 的 承载拱 , 可以将锚杆 的长度视为围岩锚 固组合拱 的 厚 度 引。 3 ) 由于 喷 射 混 凝 土 与 围 岩 间 的 良好 的 吸 附性 能, 使喷层与围岩成为体 。 因此可将隧道上台阶的喷层与锚杆加固后的围 岩承载拱视为复合曲梁结构 , 如图 1 所示。 其中曲梁截面为喷层 与围岩组合 的矩形截面 ; 原点 0在曲率中心 ; 2 ( 其中 i 一 , 一 , c ) 为建立在喷 层 、 围岩各 自截面形心上 的直角坐标系, y与 r 的负 方向一致 。喷层一
21、围岩承载复合 曲梁结构关 于隧道 断面竖轴对称 , 以此竖轴为 的起始角度 , 顺时针为 正。设喷层与围岩承载复合曲梁各 自的中轴线到曲 率中心 O的距离分别为R 、 R ; 喷层与围岩分界面 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6 期 文竞舟 , 等 : 隧道 围岩一 喷射混凝土界面应力解析 图 1 围岩一 喷层复合 曲梁及 其截 面示意图 到曲率中心 0的距离为 r ; 喷层和围岩承载曲梁 的 厚度分别为 h 、 h ; 喷层和围岩承载 曲梁的横截面 积分别为 A 一b c h 、 A 一 b r h ; 现以喷层与围岩复 合 曲梁为研究对象, 分别对 喷层单
22、元 R d 和围岩单 元 R 进行受力分析如 图 2 所示 : N 、 Q 、 分别 表示为喷层 曲梁截面上的轴力 、 剪力和弯矩 , 都是关 于 的函数 ; N 、 Q r 、 Mr 分别表示为围岩承载曲梁的 轴力 、 剪力和弯矩 , 也都是关于 的函数; 其中 、 r 为 喷层与围岩界 面间的径 向正应力与切向剪应力 ; q 、 q t 分别为作用在围岩承载曲梁上 的径 向、 切 向荷载集 度 , 也是关于 的函数, 并以图示方向为正向。 M V O (a ) 喷层曲梁单元 ( ) f J1 围岩承载曲梁单元 图 2 复合曲梁微元体简图 2 2 围岩一 喷层的复合 曲梁控制微分方程 现分别
23、对围岩 、 喷层曲梁径 向和切 向方 向上取 静力平衡 , 然后取关于曲率中心 0的力矩平衡 , 并略 去 高 阶微量 后 , 有 1 ) 喷层 结 构 : N + d Q + 0 7 d O一 0 ( 1 ) d N 一 Q d O r r d O一 0 ( 2 ) d R d N + d O一 0 ( 3 ) 2 ) 围岩 结构 : N + d Q 一 o r d O+ q r r , d O一 0 ( 4 ) d N 一 Q, d + 一 r , d O: 0 ( 5 ) d M 一R d N 一 + r : d O一 0 ( 6 ) 为得到喷层和围岩承载曲梁的应变关系 , 现考 虑几何
24、条件 , 对喷层与围岩相互作用下 的复合曲梁 , 按其不 同材料分别考虑 , 先考虑喷层曲梁 , 当其处在 平面弯曲情况下 , 外力均在喷层曲梁的纵 向对称面 内, 变形后 的轴线依然为这一对称 面内的曲线 , 曲梁 结构无扭转变形 , 显然可采用平面假设 , 即变形前垂 直于轴线 的横截面, 变形后仍为平 面, 并垂直于变形 后 的轴 线 。 此 , 喷 层 曲 梁 的 半 回弯 曲 变 彤 , 口 J 由 唢 层截面形心 沿弧长方向s 的位移为 、 沿 曲梁径 向方向 Y的位移为 7d 、以及喷层横截 面绕 z 轴的转 角为 一 d ,u c 来表示 。沿喷层截面形心轴取微段弧 长 d s
25、 , 距喷层截面形心轴为 Y 的纤维 , 根据大曲率 曲梁的应变公式E 6 G ,可得到喷层曲梁上距其截面形 心轴为 Y 的任一纤维的切向总应变为 : 一c 警一 莹 一 c + 恙 R 。 其 中 d s 一 R d O , 喷层 曲梁横截面正应力为: 。 一 c 一 , 一 c器+ 是 , (8 , R 相应的喷层 曲梁截面内力为 : N 一 j d A E d u c R c 3A A , d A J Q S f , d ,u c + 毒 j R j d A E c d u cA 一 ) j A 一 J Q 5 c c J 可d 2 v c 十 v c , R 计算上式 中的积分后 ,
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