地下洞室围岩稳定性分析

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1、《岩体力学》ROCKMASSMECHANICS刘佑荣中国地质大学工程学院岩、工系第9章地下洞室围岩稳定性分析§9.1概述§9.2围岩重分布应力计算§9.3围岩的变形与破坏§9.4围岩压力计算§9.5围岩抗力与极限承载力§9.1概述1、地下洞室(undergroundcavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。2、地下洞室的分类按用途分：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程按洞壁受压情况分：有压洞室、无压洞室按断面形状分：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按与水平面关系分：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介质类型分：岩石洞室、土洞按应力情况

2、分：单式洞室、群洞开挖完成后的结构图隧道锚杆弯矩与轴力分布曲线围岩应力重分布问题——重分布应力计算围岩变形与破坏问题——位移计算、破坏区确定围岩压力问题——围岩压力计算有压洞室围岩抗力问题——围岩抗力计算3、洞室围岩力学问题hV§9.2围岩重分布应力计算围岩应力计算：①开挖前岩体天然应力状态的确定②开挖后围岩重分布应力的计算③支护衬砌后围岩应力状态的改善重分布应力：地下开挖扰动后在围岩中形成的新的应力。重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关一、无压洞室围岩重分布应力计算1、弹性围岩重分布应力坚硬致密的块状岩体，围岩呈弹性变形。可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其

3、围岩重分布应力可根据弹性力学计算。如果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑，概化为受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。MxVHMxVMxH=+假定洞室开挖在天然应力比值系数为λ的岩体中，则问题可简化为右图所示的无重板岩体力学模型。σH=λσv（1）圆形洞室设无限大弹性薄板，在边界上受有沿x方向的外力p作用，薄板中有一半径为R0的小圆孔，按平面问题考虑，不计体力，M点的各应力分量,根据弹性理论为：边界条件：设应力函数φ解微分方程，得各常数柯西课题M点的应力分量由σv引起的重分布应力由σH产生的重分布应力σv和σH同时作用时圆形洞室围岩重分布应力讨论：1）

4、洞壁上的重分布应力洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，仅有σθ作用，为单向应力状态σθ大小仅与天然应力状态及计算点的位置θ有关，而与洞室尺寸R0无关。当θ=0、1800时，σθ=3σv–σh当θ=90、2700时，σθ=3σh–σv2）洞壁上的重分布应力随λ变化当λ＜1/3时，洞顶底将出现拉应力；当1/3＜λ＜3时，洞壁的σθ全为压应力且应力分布较均匀；当λ＞3时，两侧壁将出现拉应力，洞顶底则出现高压应力集中。每种洞形的洞室都有一个不出现拉应力的临界λ值，这对不同天然应力场中合理洞形的选择很有意义。3）λ=1（σH=σv=σ0）时的围岩重分布应力围岩内重分布应力与θ角无关，仅与R0和σ0有关

5、。由于τrθ=0，则σr，σθ均为主应力，且σθ恒为最大主应力，σr恒为最小主应力。当r＝R0(洞壁)时，σr=0，σθ=2σ0，可知洞壁上的应力差最大，且处于单向受力状态，说明洞壁最易发生破坏。4）σr、σθ随着离洞壁距离r的变化随着离洞壁距离r增大，σr逐渐增大，σθ逐渐减小，并都渐渐趋近于天然应力σ0值。在理论上，σr，σθ要在r→∞处才达到σ0值，但实际上σr，σθ趋近于σ0的速度很快。当r=6R0时，σr和σθ与σ0相差仅2.8%。因此，一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。在该范围以外，不受开挖影响，这一范围内的岩体就是常说的围岩，是有限元计算模型的边界范围

6、。5）σr、σθ为主应力的条件由式（8—10）可知，当τrθ＝0时，σr、σθ为主应力，即：可得:当1)θ=0、90、180、27002)σh=σv3)r=R0时，σr、σθ为主应力（2）其他形状洞室应力集中系数地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点天然应力的比值，称为应力集中系数。该系数反映了洞壁各点开挖前后应力的变化情况。α，β为应力集中系数，其大小仅与点的位置有关。圆形洞室特点：①椭圆形洞室长轴两端点应力集中最大，易引起压碎破坏；而短轴两端易出现拉应力集中，不利于围岩稳定②各种形状洞室的角点或急拐弯处应力集中最大，如正方形或矩形洞室角点等。③长方形短边中点应力集中大于长

7、边中点，而角点处应力集中最大，围岩最易失稳。④当岩体中天然应力σh和σv相差不大时，以圆形洞室围岩应力分布最均匀，围岩稳定性最好。⑤当岩体中天然应力σh和σv相差较大时，则应尽量使洞室长轴平行于最大天然应力的作用方向。⑥在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用曲线形，以避免角点上过大的应力集中。2塑性围岩重分布应力地下开挖后，洞壁的应力集中最大,当它超过围岩屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态转化为塑性状态，并在围岩中形成一个塑性松动圈。随着距洞