岩石力学课件-9围岩稳定

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1、第八章地下工程围岩稳定性分析引言安全生产是关系国计民生的头等大事隧道（洞）工程是高风险行业每年，地下工程施工中由于设计、施工不当引发的塌方事故造成的人员伤亡上万、国家财产损失几十亿如何评判隧洞围岩的稳定性？8.地下工程围岩稳定性8.1围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析8.2弹塑性力学分析法8.3围岩压力8.4隧道支护与新奥法8.5块体理论应用实例8.6存在的问题§8-1地下工程围岩稳定性分析与压力计算根据围岩的结构不同，地下工程可采用不同分析方法。完整结构的岩体：弹性/弹塑性力学分析块状结构岩体：块体平衡理论分析碎裂和松散结构岩体：松散体

2、力学分析各向同性岩体各向异性岩体8.1围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩：坑道周围发生应力重新分布的岩体称为围岩。次生应力状态（二次应力状态）：原岩因受开挖扰动，其应力重新分布，围岩中重新分布后的应力状态，称为次生应力状态，或二次应力状态。基本假定：岩体为均质、连续和各向同性的介质。研究围岩应力状态的方法：将巷道和围岩视为无重量的有孔平板的平面应变问题。平板所受到的外力即为原岩应力。1、圆形坑道围岩应力分布8.1围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析1、圆形坑道围岩应力分布设原岩垂直应力为p，水平应力为q，作用在围岩边界，忽略围岩自重的影响

3、，按弹性理论中的基尔希公式计算围岩中任一点M（r，θ）的应力（a为洞半径）：8.1围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析1、圆形坑道围岩应力分布（1）当r→∞时，上式即为极坐标中的原岩应力。8.1围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析1、圆形坑道围岩应力分布（2）当r＝a时，即坑道周边的应力为：式中：λ=q/p为侧压力系数。或：8.1围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析1、圆形坑道围岩应力分布（3）当p=q,即λ=1时，λ=1（轴对称）时对圆形坑道围岩应力分布最有利。8.1围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析当r=a，坑道周边应力为：当r→∞时，坑道原岩应

4、力为：圆形坑道开挖应力扰动范围为坑道半径的3－5倍。8.1围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析2、椭圆形坑道周边应力分布设椭圆形断面长轴为水平方向，长半轴为a，短半轴为b，原岩垂直应力为p，水平应力为q=λp，坑道周边任一点的径向应力σr切向应力σθ剪应力τrθ，根据弹性力学计算公式为：8.1围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析2、椭圆形坑道周边应力分布式中：m=b/a,叫轴比；β周边计算点的偏心角。8.1围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析例：λ＝1/4条件下，不同轴比m对应的顶底板和两帮中点处的σθ：可见，椭圆形长轴与原岩最大主应力方向一致时，

5、坑道周边不出现切向拉应力，应力分布较合理，等应力轴比时最好。8.1围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析2、椭圆形坑道周边应力分布满足上式的轴比叫等应力轴比。在等应力轴比的条件下，椭圆形坑道顶底板中点和两帮中点的切向应力相等，周边应力分布比较均匀。可见，在原岩应力(p,λp）一定的条件下，σθ随轴比m而变化。为了获得合理的应力分布，可通过调整轴比m来实现。8.1围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析返回当时，矩形洞室周边均为压应力当时，洞室周边出现拉应力矩形洞室周边角点应力远大于其它部位的应力a8.2弹塑性力学分析法围岩应力的变化规律及其分布状态根

6、据围岩应力分布状态，可将坑道周围岩体分为4个区域：1、应力松弛区2、塑性强化区3、弹性区4、原岩应力区围岩与支护相互作用原理8.2弹塑性力学分析法围岩应力分布的共同特点（1）无论坑道断面形状如何，周边附近应力集中系数最大，远离周边，应力集中程度逐渐减小，在距巷道中心为3-5倍坑道半径处，围岩应力趋近于与原岩应力相等。（2）坑道围岩应力受侧应力系数λ、坑道断面轴比的影响，一般坑道断面长轴平行于原岩最大主应力方向时，能获得较好的围岩应力分布；而当坑道断面长轴与短轴之比等于长轴方向原岩最大主应力与短轴方向原岩应力之比时，坑道围岩应力分布最理想

7、。这时在巷道顶底板中点和两帮中点处切向应力相等，并且不出现拉应力。（3）坑道断面形状影响围岩应力分布的均匀性。通常平直边容易出现拉应力，转角处产生较大剪应力集中，都不利于坑道稳定。（4）坑道影响区随坑道半径增大而增大，相应应力集中区也随坑道半径增大而增大。如果应力很高，在周边附近应力超过岩体承载能力而产生破裂区半径也将较大。（5）上述特征都是在假定坑道周边围岩完整(弹性)的情况下才具备的。在采用爆破方法开挖的坑道中，由于爆破的松动和破坏作用，坑道周边往往不是应力集中区，而是应力降低区，此区域又叫爆破松动区。该区域的范围一般在0.5m左右

8、；往内分别为应力集中区（塑性强化区）、弹性区、原岩应力区。返回一、围岩压力的基本概念狭义围岩压力：围岩作用于支护上的压力，也称山岩压力。（围岩和支护被看成独立的两个体系）广义围岩压力：支护与围岩是一个共同体