地下洞室围岩稳定性分析

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1、第八章地下洞室围岩稳定性分析§8.1概述§8.2围岩重分布应力计算§8.3围岩的变形与破坏§8.4围岩压力计算§8.5围岩抗力与极限承载力§8.1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、土洞按应力情况分：单式洞室、群洞开挖完成后的结构图隧道锚杆弯矩

2、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§8.2围岩重分布应力计算重分布应力：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。围岩重分布应力计算：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，其围岩重分

3、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，概化为两侧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=+（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：柯西课题的边界条件：应力函数φ解微分方程，得各常数M点的应力分量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=λσvσv引起的围岩重分布应力由σ

4、H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）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。2）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，洞壁围岩内的σθ全为压应力且应力分布较均匀；当λ＞3时，洞壁两侧将出现拉应力，洞顶底则出现较高的压应力集中。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

5、力与θ角无关，仅与R0和σ0有关。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

6、影响，这一范围内的岩体就是常说的围岩，也是有限元计算模型的边界范围。（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

7、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。（3）软弱结构面对围岩重分布应力的影响1)围岩中有一条垂直于σv、沿水平直径与洞壁相交的软弱结构面对于θ＝0，沿水平直径方向上所有的点τrθ均为0。因此，沿结构面各点的σθ和σr均为主应力，结构面上无剪应力作用。所以不会沿结构面产生滑动，结构面存在对围岩重分布应力的弹性分析无影响。2)围岩中存在一平行于σv、沿铅直方向直径与洞壁相交的软弱结

8、构面对θ＝90°，结构面上也无剪应力作用。所以也不会因结构面存在而改变围岩中弹性