初始地应力对工程影响的探讨

地应力是指赋存于地壳中的应力,也就是岩体因为变形所引起的岩体内部介质上的作用力。一般情况来说,它包括两部分:一是由上覆岩土体的重力所引起的应力,这部分应力是由地心引力所引起的;二是由邻近的岩体作用所传递而来的构造应力,也包括以前构造运动残留下来的残余应力。隧道开挖后,隧道壁成了自由表面,容易产生变形,若此时构造应力比较强烈,就很容易造成围岩坍塌和增大围岩松动圈半径,故研究地应力对围岩渗透特性的影响具有重要意义。

本次模拟只考虑上覆岩土体的自重应力引起的初始地应力,假设自重应力为7.2×105 MPa,侧压力系数分别为0.8、1、1.4、2,然后对各种情况加以分析。表5.9为不同初始地应力时的隧道断面渗流流量。

表5.9 不同初始地应力时的隧道断面渗流流量

图5.37和图5.38分别为不同初始地应力时的流速分布和最大流速变化,从图中可以看出,岩体中流速分布随着初始地应力的增大而增大,并且侧压力系数从0.8变化到1.4的过程中,其最大流速是递增的;但是,当侧压力系数大于1.4时,随着侧压力系数的增加,最大流速开始减小,这说明地应力对岩体渗流速度有明显影响。但地应力超过一定值后,岩体裂隙或节理宽度发生闭合,导致地下水的渗流速度减小。

图5.37 不同初始地应力时的流速分布

(a)初始地应力为5.76×105 MPa时的流速分布;(b)初始地应力为7.2×105 MPa时的流速分布;(c)初始地应力为1.008×106 MPa时的流速分布;(d)初始地应力为1.44×106 MPa时的流速分布

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图5.38 不同初始地应力时的最大流速变化

图5.39为不同初始地应力时的孔隙水压力分布,可以看出,随着初始地应力的增大,孔隙水压力值在一个较小的范围内变化,即孔隙水压力受初始地应力的影响较小。

图5.39 不同初始地应力时的孔隙水压力分布

(a)初始地应力为5.76×105 MPa时的孔隙水压力;(b)初始地应力为7.2×105 MPa时的孔隙水压力;(c)初始地应力为1.008×106 MPa时的孔隙水压力;(d)初始地应力为1.44×106 MPa时的孔隙水压力

图5.40为不同初始地应力时的渗流矢量分布,从图中可以看出,初始地应力的侧压力系数在一定范围内(0.8～1.4)增大时,渗流矢量随埋深的增加而增大,且随着侧压力系数的增大而增大;但是,当侧压力系数超过一定值时,最大渗流矢量值反而减小。

图5.40 不同初始地应力时的渗流矢量分布

(a)初始地应力为5.76×105 MPa时的渗流矢量;(b)初始地应力为7.2×105 MPa时的渗流矢量;(c)初始地应力为1.008×106 MPa时的渗流矢量;(d)初始地应力为1.44×106 MPa时的渗流矢量