应力场求解结果分析

如题所述

根据上述标准隧道开挖断面的计算参数及映射函数系数及应力和位移公式,进行了应力和位移计算,以下为计算结果分析。

(1)隧道洞周应力

在孔口问题中,最大及最小的应力总是发生在孔边,因此孔边应力尤其值得注意。由于隧道孔边的边界面力为零,因此孔边上的径向应力和剪应力均为零,只有环向应力存在。一般认为对于孔口的环向应力平行于自由表面方向,而径向应力则认为垂直于自由表面,下面的分析均在这种前提下进行。隧道开挖后的环向应力分布为图2.13所示。

图2.13 四心拱隧道孔边环向应力分布

由图2.13可知,环向应力均为压应力,且在围岩均质、洞形和荷载对称的计算条件下,标准隧道断面开挖后洞周环向应力分布呈轴对称关系。不同曲率的弧段应力分布差异较大,拱底的曲率半径最大环向应力最小,仰拱和边墙的结合段曲率半径最小应力值最大。另外,不同弧段曲率越接近意味着顺接越光滑,则洞周环向应力突变值越小,如果两弧段曲率半径差异较大,则存在应力突变,这从拱底和R=1.6m小弧段的结合部可以看出,这也诠释了实际工程中总是避免出现角点的原因。

(2)围岩应力分布及扰动范围分析

隧道围岩应力分布的一般规律为:洞周附近围岩由于隧道的开挖产生次生应力场,随着离开孔边距离的增大,次生应力很快减小,围岩应力趋近于原岩应力场,以此验证解法的正确性。图2.14给出了标准隧道开挖断面在像平面上三条线段,其幅角分别为7°、58°和-50°,线段上各点的间距相差0.2 r,r为单位圆的半径,原平面上的各点分别与像平面上各点相对应。图2.15为原平面上上述各点的σx、σy和τxy,图中横轴为各点至洞周距离与单位圆半径的比值。

图2.15为与像平面上幅角为-50°、7°和58°三个方向相对应的实际隧道围岩各点应力,由于σx、σy和τxy不在其主方向上,故在洞周三点均不为0。由图2.15可知,在3个方向上剪应力在隧道周边取得最大值,这符合一般规律。σx和σy在距离隧道周边超过2倍的单位圆半径后趋向于原岩应力。

通过以上对标准隧道断面开挖后洞周及围岩应力分析表明,隧道开挖在洞周2倍跨度范围内产生的次生应力场较大,引起围岩应力重分布,而在2倍跨度之外产生的次生应力场几乎可以忽略不计。隧道开挖时,隧道洞周及1倍跨度范围内的围岩应力分布发生急剧变化,是围岩稳定性分析的重点。隧道开挖洞形对围岩稳定性影响较大,尤其是要注意曲率半径较小的弧段及不同曲率半径弧段的结合部,应是围岩支护及稳定性观察的重点。

图2.14 标准隧道断面围岩应力分析点

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