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岩体渗流应力

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所属类别:岩石力学

基本信息

中文名称:岩体渗流应力
外文名称:

岩体在渗流作用下产生的应力。研究岩体渗流应力的主要目的是分析岩体的变形与稳定。岩体渗流应力决定于渗流场,而渗流场又决定于岩体裂隙系统的物理和几何特性。作为几何特性的裂隙隙宽与岩体应力有关,即岩体渗流场与应力场有关。岩体渗流场和应力场相互影响,构成了岩体渗流应力分析的特殊性和复杂性。工程上计算由渗流而产生的岩体应力常按两个步骤进行。

(1)按一定的岩体渗流数学模型(参见岩体渗流理论)求得渗流场h=p/γw+z的分布(γw为水的容重,z为位置水头,p为孔隙压力)。按下式求出渗流的单位体力荷载

(2)用数值分析法(例如有限单元法)计算岩体渗流应力。必要时再根据应力场修正裂隙隙宽,重新进行渗流场计算,反复迭代至收敛。当计算域岩体相对均一,算题规模不大,也可采用渗流场与应力场全耦合法直接求解。

岩体渗流应力的另一特殊性,是其与水荷载的历史有关。在建筑物施工前、施工期及运行期中,岩体渗流场常发生相应的变化。某时段的渗流应力不仅决定于该时段的渗流荷载,而且决定于渗流荷载的历史。因此,为了求得岩体渗流应力,需用渗流增量荷载分析方法。例如,对于水工隧洞,在开挖以前,岩体内就存在着初始渗流场(h(0))及相应的渗流体积力(f(0)i),在f(0)i作用下岩体初始渗流应力为σ(0)r。隧洞开挖后,形成渗流场(h(1)),在渗流体积力增量Δf(1)i=f(1)i-f(0)i作用下产生应力增量Δσ(1)r,则此时岩体应力为σ(1)r(0)r+Δσ(1)r。隧洞衬砌后,渗流场变为h(2),在Δf(2)i=f(2)i-f(1)i作用下,岩体及衬砌产生应力增量Δσ(2)r及Δσ(2)c,则此时岩体及衬砌应力分别为σ(2)r(1)r+Δσ(2)r,σ(2)c(1)c+Δσ(2)c。隧洞充水后渗流场及应力场照此类推。各阶段的渗流应力按如下递推公式计算

工程措施的设置能够改变渗流场的分布,从而也改变岩体渗流应力场。合理地布置防渗帷幕和排水设施,可优化渗流应力状态,使之有利于工程的安全。

  
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