地下洞室围岩稳定性分析

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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。地下洞室的分类按用途：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：有压洞室、无压洞室按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介质类型：岩石洞室、土洞按应力情况：单式洞室、群洞地下洞室围岩稳定性分析第八章 围岩应力重分布问题——计算重分布应力围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围围岩压力问题——计算围岩压力有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力洞室围岩力学问题hV地下洞室围岩稳定性分析第八章 §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。围岩应力重分布作用:把地下开挖后围岩中应力应变调整而引起围岩中原有应力大小、方向和性质改变的作用。重分布应力状态:经重分布作用后的围岩应力状态。围岩:重分布应力影响范围内的岩体。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地下洞室围岩稳定性分析第八章 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，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一半时，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。地下洞室围岩稳定性分析第八章 （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点的各应力分量为：柯西课题地下洞室围岩稳定性分析第八章xppR0 边界条件地下洞室围岩稳定性分析第八章解微分方程 M点的应力分量地下洞室围岩稳定性分析第八章 MxVHMxH=+VMx假定洞室开挖在天然应力比值系数为λ的岩体中，把问题简化为无重板岩体力学模型柯西课题柯西课题无重板岩体力学模型地下洞室围岩稳定性分析第八章 σv引起的围岩重分布应力地下洞室围岩稳定性分析第八章 由σH产生的重分布应力地下洞室围岩稳定性分析第八章 σv和σH同时作用时圆形洞室围岩重分布应力地下洞室围岩稳定性分析第八章 σv和σH同时作用时圆形洞室围岩重分布应力地下洞室围岩稳定性分析第八章 讨论：洞壁上的重分布应力洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，为单向应力状态σθ大小与与洞室尺寸R0无关当θ=0、180o，σθ=3σV-σh=（3-）σV当θ=90、270o，σθ=3σh-σV=（3-1）σV当λ＜1/3时，洞顶底将出现拉应力当1/3＜λ＜3时，σθ为压应力且分布较均匀当λ＞3时，洞壁两侧出现拉应力，洞顶底出现较高的压应力集中地下洞室围岩稳定性分析第八章 讨论静水压力式天然应力场中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地下洞室围岩稳定性分析第八章 r增大，σr增大，σθ减小，都渐趋于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接近。一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。地下洞室围岩稳定性分析第八章 （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。圆形洞室α,β为应力集中系数，其大小仅与点的位置有关。地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室围岩稳定性分析第八章 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；短轴两端易拉应力集中，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。地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室围岩稳定性分析第八章 （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。地下洞室围岩稳定性分析第八章 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构面结构面上无剪应力作用，不会因结构面存在而改变围岩中弹性应力分布情况。当λ＜1/3时，在洞顶底将产生拉应力，结构面将被拉开，并在顶底形成一个椭圆形应力降低区。椭圆短轴与洞室水平直径一致，为2R0，长轴平行于结构面，为2R0＋2Δh地下洞室围岩稳定性分析第八章 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。随着距洞壁距离增大，径向应力σr由零逐渐增大，应力状态由洞壁的单向应力状态逐渐转化为双向应力状态，围岩也就由塑性状态逐渐转化为弹性状态。围岩中出现塑性圈和弹性圈。地下洞室围岩稳定性分析第八章 塑性松动圈的出现，使圈内一定范围内的应力因释放而明显降低，而最大应力集中由原来的洞壁移至塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明显升高。弹性区以外则是应力基本未产生变化的天然应力区(或称原岩应力区)。地下洞室围岩稳定性分析第八章 弹塑性理论求解塑性圈内的围岩重分布应力假设在均质、各向同性、连续的岩体中开挖一半径为R0的水平圆形洞室，开挖后形成的塑性松动圈半径为R1，岩体中的天然应力为σh＝σv＝σ0，圈内岩体强度服从莫尔直线强度条件。塑性圈以外围岩体仍处于弹性状态。在塑性圈内取一微小单元体abdc，bd上作用有σr，ac上作用有σr＋dσr，在ab和cd上作用有σθ。地下洞室围岩稳定性分析第八章 塑性条件地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室围岩稳定性分析第八章塑性圈内围岩重分布应力与岩体天然应力(σ0)无关，而取决于支护力(pi)和岩体强度(Cm，φm)值。 当r=R0时当r=R0，Pi=0时洞壁上地下洞室围岩稳定性分析第八章 塑性圈与弹性圈交界面(r＝R1)的应力该面上：弹性应力=塑性应力塑、弹性圈交界面上的重分布应力取决于σ0和Cm，φm，而与pi无关。支护力不能改变交界面上的应力大小，只能控制塑性松动圈半径(R1)的大小。地下洞室围岩稳定性分析第八章 二、有压洞室围岩重分布应力计算由于洞室内壁上作用有较高的内水压力，使围岩中的重分布应力比较复杂。应力变化过程：1）围岩最初处于开挖后引起的重分布应力之中2）进行支护衬砌，使围岩重分布应力得到改善3）洞室建成运行后洞内壁作用有内水压力，使围岩中产生一个附加应力地下洞室围岩稳定性分析第八章 弹性厚壁筒理论在一内半径为a，外半径为b的厚壁筒内壁上作用有均布内水压力pa，外壁作用有均匀压力pb。在内水压力作用下，内壁向外均匀膨胀，其膨胀位移随距离增大而减小，最后到距内壁一定距离时达到零。附加径向和环向应力也是近洞壁大，远离洞壁小。地下洞室围岩稳定性分析第八章 b→∞，pb＝σ0时b2/(b2－a2)≈1，a2/(b2＋a2)≈0地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室围岩稳定性分析第八章若有压洞室半径为R0，内水压力为pa有压洞室围岩重分布应力σr和σθ由开挖以后围岩重分布应力和内水压力引起的附加应力两项组成。前项为重分布应力；后项为内水压力引起的附加应力值。 内水压力使围岩产生负的环向应力，即拉应力。当这个环向应力很大时，则常使围岩产生放射状裂隙。内水压力使围岩产生附加应力的影响范围大致也为6倍洞半径。内水压力引起的附加应力值地下洞室围岩稳定性分析第八章 §8.3围岩的变形与破坏地下开挖后，岩体中形成一个自由变形空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去了支撑而发生向洞内松胀变形；如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏，并从母岩中脱落形成坍塌、滑动或岩爆，称前者为变形，后者为破坏。地下洞室围岩稳定性分析第八章 围岩变形破坏形式取决于围岩应力状态、岩体结构及洞室断面形状等因素地下洞室围岩稳定性分析第八章 一、各类结构围岩的变形破坏特点1、整体状和块状岩体围岩岩体具有很高的力学强度和抗变形能力，主要结构面是节理，很少有断层，含有少量的裂隙水。在力学属性上可视为均质、各向同性、连续的线弹性介质，应力应变呈近似直线关系。围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等。这类围岩的整体变形破坏可用弹性理论分析，局部块体滑移可用块体极限平衡理论来分析。地下洞室围岩稳定性分析第八章 岩爆是高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩产生突发性变形破坏的现象。脆性开裂出现在拉应力集中部位。块体滑移是块状岩体常见的破坏形成。它是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及其与开挖面的相对关系控制。坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图1.层面；2.断裂；3.裂隙地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室围岩稳定性分析第八章 2、层状岩体围岩常呈软硬岩层相间的互层形式。结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制，破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。变形破坏常可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。地下洞室围岩稳定性分析第八章 在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。在倾斜层状围岩中，沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移，形成不对称的塌落拱。在直立层状围岩中，当天然应力比值系数λ＜1/3时，洞顶发生沿层面纵向拉裂，被拉断塌落。侧墙因压力平行于层面，发生纵向弯折内鼓，危及洞顶安全。地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室围岩稳定性分析第八章 3、碎裂状岩体围岩碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。变形破坏形式常表现为塌方和滑动。用松散介质极限平衡理论来分析。在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，不易大规模塌方。围岩中含泥量很高时，由于岩块间不是刚性接触，易产生大规模塌方或塑性挤入地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室围岩稳定性分析第八章 4、散体状岩体围岩散体状岩体是指强烈构造破碎、强烈风化的岩体。常表现为弹塑性、塑性或流变性。围岩结构均匀时，以拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。地下洞室围岩稳定性分析第八章 围岩的变形破坏是渐进式逐次发展的。开挖-->应力调整-->变形、局部破坏-->再次调整-->再次变形-->较大范围破坏围岩的变形破坏过程地下洞室围岩稳定性分析第八章 分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的始发点和发生连锁反应的关键点，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。在围岩变形破坏的早期就加以处理，这样才能有效地控制围岩变形，确保围岩的稳定性。地下洞室围岩稳定性分析第八章 二、围岩位移计算1、弹性位移计算围岩处于弹性状态,位移可用弹性理论进行计算。分两种情况:由重分布应力引起由重分布应力与天然应力之差引起(1)由重分布应力引起平面应变条件下洞壁围岩弹性位移据弹性理论，平面应变与位移间的关系为：地下洞室围岩稳定性分析第八章 平面应变-应力的物理方程地下洞室围岩稳定性分析第八章 平面应变条件下的围岩位移地下洞室围岩稳定性分析第八章 静水压力式天然应力在σh＝σv＝σ0的天然应力状态中，洞壁仅产生径向位移，而无环向位移。地下洞室围岩稳定性分析第八章洞壁的弹性位移 (2)由重分布应力与天然应力之差引起天然应力引起的位移在洞室开挖前就已经完成了，开挖后洞壁的位移仅是重分布应力与天然应力的应力差引起的。假设岩体中天然应力为σh＝σv＝σ0，开挖前洞壁应力为σr1＝σθ1＝σ0，开挖后重分布应力为σr2＝0，σθ2＝2σ0。应力差为地下洞室围岩稳定性分析第八章 洞壁围岩的径向位移为地下洞室围岩稳定性分析第八章支护力为pi，洞壁的径向位移 2、塑性位移计算塑性位移采用弹塑性理论分析基本思路:先求出弹、塑性圈交界面上的径向位移，然后根据塑性圈体积不变的条件求洞壁的径向位移。地下洞室围岩稳定性分析第八章弹性圈内的应力等于σ0引起的应力，叠加上塑性圈作用于弹性圈的径向应力σR1引起的附加应力之和。 由σ0引起的应力由σR1引起的附加应力弹性圈内的重分布应力地下洞室围岩稳定性分析第八章 开挖形成塑性圈后，弹、塑性圈交界面上的径向应力增量(Δσr)r＝R1和环向应力增量(Δσθ)r＝R1为：地下洞室围岩稳定性分析第八章 弹、塑性圈交界面上的径向应变εR1地下洞室围岩稳定性分析第八章弹、塑性圈交界面的径向位移uR1 地下洞室围岩稳定性分析第八章塑性圈作用于弹性圈的径向应力塑性圈变形前后体积不变略去高阶微量后，可得洞壁的径向位移 三、围岩破坏区范围的确定方法对于整体状、块状岩体可用弹性力学或弹塑性力学方法确定其围岩破坏区厚度。松散岩体常用松散介质极限平衡理论方法来确定。地下洞室围岩稳定性分析第八章1、弹性力学方法确定：破坏范围破坏圈厚度 洞顶、底将出现拉应力。若拉应力大于围岩的抗拉强度σt，则围岩就要发生破坏。破坏范围(λ＜1/3)地下洞室围岩稳定性分析第八章 洞壁围岩均为压应力集中，当大于围岩的抗压强度σc时，洞壁围岩就要破坏。地下洞室围岩稳定性分析第八章破坏范围(λ>1/3) 破坏圈厚度当r>R0时，在θ＝0，π/2，π，3π/2四个方向上，τrθ=0，σr和σθ为主应力。围岩的强度地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室围岩稳定性分析第八章 2、弹塑性力学方法在裂隙岩体中开挖地下洞室时，将在围岩中出现一个塑性松动圈。围岩的破坏圈厚度为R1－R0关键是确定塑性松动圈半径R1设岩体中的天然应力为σh＝σv＝σ0弹性圈内的应力地下洞室围岩稳定性分析第八章 弹、塑性圈交界面上的弹性应力为交界面上的塑性应力地下洞室围岩稳定性分析第八章 界面上弹性应力与塑性应力相等解出R1地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室开挖后，围岩塑性圈半径R1随天然应力σ0增加而增大，随支护力pi、岩体强度Cm增加而减小。修正芬纳-塔罗勃公式卡斯特纳(Kastner)公式地下洞室围岩稳定性分析第八章考虑Piσc=Cm §8.4围岩压力计算一、基本概念地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为围岩压力(peripheralrockpressure)。围岩压力是围岩与支衬间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支衬结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。按围岩压力的形成机理，可将其划分为形变围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力。地下洞室围岩稳定性分析第八章 1、形变围岩压力形变围岩压力是由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力。产生形变围岩压力的条件：①岩体较软弱或破碎，围岩应力超过岩体的屈服极限而产生较大的塑性变形；②深埋洞室，围岩受压力过大引起塑性流动变形。形变围岩压力可采用弹塑性理论进行计算。地下洞室围岩稳定性分析第八章 一种特殊的形变围岩压力膨胀围岩压力：膨胀围岩由于矿物吸水膨胀产生的对支衬结构的挤压力。形成的基本条件：一是岩体中要有膨胀性粘土矿物(如蒙脱石等)；二是要有地下水的作用。地下洞室围岩稳定性分析第八章 2、松动围岩压力松动围岩压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏引起的压力，这是一种有限范围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力。大小取决于围岩性质、结构面交切组合关系及地下水活动和支护时间等因素。松动围岩压力可采用松散体极限平衡或块体极限平衡理论进行分析计算。地下洞室围岩稳定性分析第八章 3、冲击围岩压力冲击围岩压力是由岩爆形成的一种特殊围岩压力。它是强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现象。冲击围岩压力的大小与天然应力状态、围岩力学属性等密切相关，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影响。冲击围岩压力的大小，目前无法进行准确计算，只能对冲击围岩压力的产生条件及其产生可能性进行定性的评价预测。地下洞室围岩稳定性分析第八章 二、围岩压力计算1、形变围岩压力计算支衬结构对围岩的支护力pi就是作用于支衬上的形变围岩压力当R1愈大时，维持极限平衡所需的pi愈小。因此，在围岩不至失稳的情况下，适当扩大塑性区，可以减小围岩压力。地下洞室围岩稳定性分析第八章 不仅处于弹性变形阶段的围岩有自承能力，处于塑性变形阶段的围岩也具有自承能力。pi取决于天然应力σ0和岩体的Cm和φm。塑性围岩的这种自承能力是有限的，当pi降到某一低值pimin时，塑性圈就要塌落，这时围岩压力可能反而增大。地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室围岩稳定性分析第八章用洞壁位移UR0代替R1 在实际工程中，如果忽略支衬与围岩间回填层压缩位移的情况下，uR0主要包括两部分：洞室开挖后到支衬前的洞壁位移u0和支护衬砌后支衬结构的位移u2。u0取决于围岩性质及其暴露时间，可实测u2取决于支衬型式和刚度，对于混凝土衬砌的圆形洞室，假定围岩与衬砌共同变形，用厚壁筒理论u2地下洞室围岩稳定性分析第八章 pi随uR0增大而减小，说明适当的变形有利于降低围岩压力，减小衬砌厚度。当uR0达到塑性圈开始出现时的位移(uR0)R1(即围岩开始出现塑性变形)时，围岩压力将出现最大值pimax。随uR0增大pi逐渐降低，到B点，pi达到最低值。之后，pi又随uR0增大而增大。因此，支护衬砌必须在AB之间进行，越接近A点，pi越大，越近B点，pi越小。地下洞室围岩稳定性分析第八章 2、松动围岩压力松动围岩压力是指松动塌落岩体重量所引起的作用在支护衬砌上的压力。围岩过度变形超过了它的抗变形能力，就会引起塌落等松动破坏，这时作用于支护衬砌上的围岩压力就等于塌落岩体的自重或分量。计算松动围岩压力的方法主要有：平衡拱理论、太沙基理论及块体极限平衡理论。地下洞室围岩稳定性分析第八章 (1)平衡拱理论（又称普氏理论）该理论认为：洞室开挖以后，如不及时支护，洞顶岩体将不断跨落而形成一个拱形，称塌落拱。这个拱形最初不稳定，如果侧壁稳定，拱高随塌落不断增高；反之，如侧壁也不稳定，则拱跨和拱高同时增大。当洞的埋深较大时，塌落拱不会无限发展，最终将在围岩中形成一个自然平衡拱。作用于支护衬砌上的围岩压力就是平衡拱与衬砌间破碎岩体的重量，与拱外岩体无关。地下洞室围岩稳定性分析第八章 曲线LOM为平衡拱，对称于y轴。在半跨LO段内任取一点A，OA段的受力状态为：半跨OM段对OA的水平作用力Rx，Rx对A点的力矩为Rxy；铅直天然应力σv在OA上的作用力σvx，它对A点的力矩为σvx/2；LA段对OA段的反力W，它对A点的力矩为零。设平衡拱的拱高为h，半跨为b地下洞室围岩稳定性分析第八章拱的方程 考虑半拱LO的平衡，L0受Rx、σv作用，在拱脚L点受反力T和N作用。f为岩体的普氏系数(或称坚固性系数)地下洞室围岩稳定性分析第八章 洞侧壁稳定：洞顶围岩压力为L0M以下岩体的重量洞室、侧壁不稳定：洞的半跨将由b扩大至b1，侧壁岩体将沿LE和MF滑动，滑面与垂直洞壁的夹角为α＝45°－φm/2。地下洞室围岩稳定性分析第八章 洞顶的松动围岩压力p1为AA′B′B块体的重量地下洞室围岩稳定性分析第八章 侧壁围岩压力为滑移块体A′EL或B′MF的自重在水平方向上的投影。按土压力理论计算地下洞室围岩稳定性分析第八章平衡拱理论只适用散体结构岩体。洞室上覆岩体需有一定的厚度(埋深H＞5b1)，才能形成平衡拱。侧壁围岩压力 (2)太沙基理论假定跨度为2b的矩形洞室，开挖在深度为H的岩体中。开挖以后侧壁稳定，顶拱不稳定，沿面AA′和BB′发生滑移。滑移面的剪切强度τ为：岩体的天然应力状态为：地下洞室围岩稳定性分析第八章 取厚度为dz的薄层分析薄层的自重dG＝2bρgdz，极限平衡条件当z＝0时，σv＝0地下洞室围岩稳定性分析第八章 当z＝H时，σv即为作用于洞顶单位面积上的围岩压力，用q表示为：侧壁亦不稳定:侧壁围岩将沿与洞壁夹45°－φm/2角的面滑移将柱体A′ABB′的自重扣除A′A，B′B面上的摩擦阻力，可得作用于洞顶单位面积上的围岩压力q地下洞室围岩稳定性分析第八章 适用于散体结构岩体中开挖的浅埋洞室。地下洞室围岩稳定性分析第八章 (3)块体极限平衡理论地下洞室开挖后，围岩中的某些块体在自重作用下向洞内滑移。作用在支护衬砌上的压力就是这些滑体的重量或其分量。地下洞室围岩稳定性分析第八章 找出结构面的组合形式及其与洞轴线的关系。确定围岩中可能不稳定楔形体(或分离体)的位置和形状。确定不稳定体塌落或滑移的滑动方向、可能滑动面的位置、产状和力学强度参数。对楔形体进行稳定性计算。如果楔形体处于稳定状态，其围岩压力为零；如果不稳定，就要具体地计算其围岩压力。步骤地下洞室围岩稳定性分析第八章 1)洞顶围岩压力作用在楔形体的力：①围岩重分布应力；②结构面剪切强度产生的抗滑力；③楔形体的自重G1。地下洞室围岩稳定性分析第八章 如果楔形体不稳定，则作用于洞顶支衬上的围岩压力pv就是该楔形体的自重。侧壁不稳定楔形体DEFH所形成的侧壁围岩压力ph等于楔形体的重量在滑动方向上的分力减去滑动面的摩阻力后，在水平方向上的分力。地下洞室围岩稳定性分析第八章 若楔形体不稳定，则该楔形体产生的侧向围岩压力ph为：地下洞室围岩稳定性分析第八章 3、岩爆(rockburst)岩爆高天然应力的弹脆性岩体地下开挖工程开挖卸荷及特殊的地质构造作用周边岩体中应力高度集中，积聚于较高的弹性应变能当开挖体围岩中应力超过岩体的容许极限状态地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室围岩稳定性分析第八章 （1）岩爆的产生条件1)围岩应力条件判断岩爆发生的应力条件有两种方法：一是用洞壁的最大环向应力σθ与围岩单轴抗压强度σc之比值作为岩爆产生的应力条件；一是用天然应力中的最大主应力σ1与岩块单轴抗压强度σc之比进行判断。地下洞室围岩稳定性分析第八章 1)围岩应力条件经验公式σ1／σc大于0.165～0.35的脆性岩体最易发生岩爆。地下洞室围岩稳定性分析第八章 2)岩性条件弹性变形能系数ω：加载到0.7σc后再卸载至0.05σc时，卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比的百分数。当ω＞70％时，会产生岩爆，ω越大发生岩爆的可能性越大。地下洞室围岩稳定性分析第八章 应变能消耗比：岩石单向压缩时，达到强度极限前积累于岩石内的应变能与强度极限后消耗于岩石破坏的应变能之比。式中：FOAB为曲线OAB包围的面积；FBAC为曲线BAC包围的面积。n＜1时，不会发生岩爆；n＞1时，可能发生岩爆。地下洞室围岩稳定性分析第八章 （2）影响岩爆的因素1)地质构造岩爆大都发生在褶皱构造中。岩爆与断层、节理构造密切相关。当掌子面与断裂或节理走向平行时，容易触发岩爆。岩体中节理密度和张开度对岩爆有明显的影响。据南非金矿观测表明，节理间距小于40cm，且张开的岩体中，一般不发生岩爆。掌子面岩体中有大量岩脉穿插时，也将发生岩爆。2)洞室埋深随着洞室埋深增加，岩爆次数增多，强度也增大。发生岩爆的临界深度H可按下式估算：地下洞室围岩稳定性分析第八章 （3）岩爆形成机理和围岩破坏区分带1)劈裂成板阶段（岩爆孕育）垂直洞壁方向受张应力作用而产生平行于最大环向应力的板状劈裂。仅在洞壁表部，部分板裂岩体脱离母岩而剥落，而无岩块弹射出现。2)剪切成块阶段(岩爆的酝酿)劈裂岩板向洞内弯曲，发生张剪复合破坏。处于爆裂弹射的临界状态。3)块、片弹射阶段劈裂、剪断岩板，产生响声和震动。岩块发生弹射，岩爆形成。地下洞室围岩稳定性分析第八章 岩爆的渐进性破坏过程很短促。各阶段在演化的时序和发展的空间部位，都是由洞壁向围岩深部依次重复更迭发生的。因此，岩爆引起的围岩破坏区可以分弹射带、劈裂-剪切带和劈裂带等三带。地下洞室围岩稳定性分析第八章 §8.5围岩抗力与极限承载力洞室由于存在很高的内水压力作用，迫使衬砌向围岩方向变形，围岩被迫后退时，将产生一个反力来阻止衬砌的变形。围岩对衬砌的反力称为围岩抗力，或称弹性抗力。围岩抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定。围岩抗力承担了一部分内水压力，从而减小了衬砌所承受的内水压力，起到了保护衬砌的作用。充分利用围岩抗力，可以大大地减薄衬砌的厚度，降低工程造价。围岩极限承载力是表征围岩承担内水压力能力的指标。它主要与围岩的强度性质及天然应力状态有关。地下洞室围岩稳定性分析第八章 一、围岩抗力系数及其确定围岩抗力系数是表征围岩抵抗衬砌向围岩方向变形能力的指标，定义为使洞壁围岩产生一个单位径向变形所需要的内水压力。Pa为洞壁受到的内水压力；y为洞壁围岩向外产生的径向位移。(MPa／cm)围岩抗力系数（K）愈大，说明围岩受内水压力的能力愈大。K值不是一个常数。它随洞室尺寸而变化，洞室半径越大，K值越小。地下洞室围岩稳定性分析第八章 单位抗力系数单位抗力系数是指洞室半径为100cm时的抗力系数值。确定方法：直接测定法、计算法和工程地质类比(经验数据)法。直接测定法有双筒橡皮囊法、隧洞水压法和径向千斤顶法。地下洞室围岩稳定性分析第八章 双筒橡皮囊法用水泵对橡皮囊加压使其扩张，对坑壁岩体施压，使坑壁岩体受压而向四周变形。若坑壁无混凝土衬砌若有混凝土衬砌地下洞室围岩稳定性分析第八章 隧洞水压法在已开挖的隧洞中，选择代表性地段将两端堵死，进行水压试验，洞壁围岩在水压力的作用下发生径向变形。利用扁千斤顶代替水泵作为加压工具对岩体施加径向压力，并测得径向变形。径向千斤顶法地下洞室围岩稳定性分析第八章 计算法根据围岩抗力系数和弹性模量E与泊松比μ之间的理论关系来求围岩的K和K0值。坚硬、完整、均质和各向同性的岩体软弱和破碎岩体，或具有塑性圈的围岩式中：R1为裂隙区半径(cm)。坚硬岩体：R1/R0＝3.0；软弱、破碎岩体：R1／R0=300。地下洞室围岩稳定性分析第八章 工程地质类比法根据已有建设经验，将拟建工程岩体的结构和力学特性、工程规模等因素与已建工程进行类比确定K值。地下洞室围岩稳定性分析第八章 二、围岩极限承载力的确定围岩极限承载力是指围岩承担内水压力的能力。围岩极限承载力与围岩的力学性质及天然应力状态有关。有压洞室开挖以后，围岩处于重分布应力状态中。当洞壁受到高压水流的作用时，围岩内又产生一个附加应力，使围岩内的应力再次分布，产生新的重分布应力。如果两者叠加后的围岩应力大于或等于围岩的强度时，则围岩就要发生破坏，否则围岩不破坏。地下洞室围岩稳定性分析第八章 1、自重应力作用下的围岩极限承载力设有一半径为R0的圆形有压隧洞，开挖在仅有自重应力(σv＝ρgh，σh＝λρgh)作用的岩体中；洞顶埋深为h；洞内壁作用的内水压力为pa。pa引起的洞壁上的附加应力无水压力时，洞壁上的重分布应力地下洞室围岩稳定性分析第八章 地下洞室围岩稳定性分析第八章有水压力时，洞壁上的重分布应力围岩极限平衡条件 围岩极限承载力上覆岩层的极限厚度洞顶上覆岩层的极限厚度地下洞室围岩稳定性分析第八章 2、天然应力作用下的围岩极限承载力把铅直天然应力σv和水平天然应力σh代入到洞壁重分布应力计算公式中，就可以得到天然应力作用下的围岩极限承载力围岩的极限承载力由岩体天然应力和内聚力两部分组成的。因此，当岩体的Cm，φm一定时，围岩的极限承载力取决于天然应力的大小。地下洞室围岩稳定性分析第八章 复习思考题1、围岩压力的类型有哪几种？各种类型围岩压力将采用何种计算方法？2、拟在地表以下1500m处开挖一水平圆形洞室，已知岩体的单轴抗压强度σc=100Mpa，岩体天然密度ρ=2.75g/cm3，岩体中天然应力比值系数λ=1，试评价该地下洞室开挖后的稳定性。3、总结弹性洞室围岩重分布应力的特征。4、不同类型的围岩的变形破坏形式不同，其决定性的因素是什么？ 5、在均质、连续、各向同性的岩体中，测得地面以下100m深度处的天然应力为σv=26MPa，σH=17.3Mpa，拟定在该深度处开挖一水平圆形隧道，半径R0=3m。试求：1）沿θ=0°和θ=90°方向上重分布应力（σr、σθ）随r变化的曲线；2）设岩体的Cm=0.04Mpa，φm=30°，用图解法求洞顶与侧壁方向破坏圈厚度6、在地表以下200m深度处的岩体中开挖一洞径2R0=2m的水平圆形遂洞，假定岩体的天然应力为静水压力状态(即λ=1)，岩体的天然密度ρ=2.7g/cm3。试求：1）洞壁、2倍洞半径、2倍洞半径处的重分布应力；2）根据以上计算结果说明围岩中重分布应力的分布特征；3）若围岩的抗剪强度Cm=0.4，φm=30°，试评价该洞室的稳定性；4）洞室若不稳定，试求其塑性变形区的最大半径（R1）。