巖體力學(xué)06-巖體力學(xué)在硐室工程中的應(yīng)用

1、第六章 巖體力學(xué)在硐室工程中的應(yīng)用一、概述二、圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算三、圍巖的變形與破壞四、圍巖壓力計(jì)算五、圍巖抗力與極限承載力地下洞室地下洞室是指人工開挖或天然存在于巖土體中作為是指人工開挖或天然存在于巖土體中作為各種用途的構(gòu)筑物各種用途的構(gòu)筑物。地下洞室的分類地下洞室的分類按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉(cāng)庫(kù)）、地下軍事工程道、地下廠房（倉(cāng)庫(kù)）、地下軍事工程按洞壁受壓情況：有壓洞室、無壓洞室按洞壁受壓情況：有壓洞室、無壓洞室按斷面形狀：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形按斷面形狀：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形按與水平面關(guān)系：水平洞室、斜洞

2、、垂直洞室按與水平面關(guān)系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）（井）按介質(zhì)類型：巖石洞室、土洞按介質(zhì)類型：巖石洞室、土洞按應(yīng)力情況：?jiǎn)问蕉词摇⑷憾窗磻?yīng)力情況：?jiǎn)问蕉词?、群洞在巖體中開挖地下洞室，必然會(huì)破壞原來巖體內(nèi)在巖體中開挖地下洞室，必然會(huì)破壞原來巖體內(nèi)相對(duì)平衡的應(yīng)力狀態(tài)，并在一定范圍內(nèi)引起巖體相對(duì)平衡的應(yīng)力狀態(tài)，并在一定范圍內(nèi)引起巖體天然天然應(yīng)力狀態(tài)的重分布應(yīng)力狀態(tài)的重分布。巖體的強(qiáng)度和變形特性。巖體的強(qiáng)度和變形特性是否適應(yīng)重分布以后的應(yīng)力狀態(tài)，將直接影響地是否適應(yīng)重分布以后的應(yīng)力狀態(tài)，將直接影響地下建筑物的安全。下建筑物的安全。為了正確評(píng)價(jià)地下建筑的穩(wěn)定性，除進(jìn)行必要的為了正確評(píng)價(jià)地下建筑的穩(wěn)

3、定性，除進(jìn)行必要的地質(zhì)分析外，對(duì)圍巖應(yīng)力分布特征的分析和計(jì)算，地質(zhì)分析外，對(duì)圍巖應(yīng)力分布特征的分析和計(jì)算，也是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性所必須的環(huán)節(jié)。也是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性所必須的環(huán)節(jié)。在地下工程（井巷、隧道、洞室等）工作期內(nèi)，在地下工程（井巷、隧道、洞室等）工作期內(nèi)，安全和所需最小斷面得以保證，稱為安全和所需最小斷面得以保證，稱為穩(wěn)定穩(wěn)定。地下工程穩(wěn)定性可分為兩類：地下工程穩(wěn)定性可分為兩類：1 1）自穩(wěn)）自穩(wěn)能長(zhǎng)期自行穩(wěn)定的情況，如天然石能長(zhǎng)期自行穩(wěn)定的情況，如天然石灰?guī)r溶洞、某些金屬采礦場(chǎng)等。通常不需要進(jìn)灰?guī)r溶洞、某些金屬采礦場(chǎng)等。通常不需要進(jìn)行支護(hù)。行支護(hù)。2 2）人工穩(wěn)定）人工穩(wěn)定需要依靠支護(hù)才能達(dá)到

4、穩(wěn)定的需要依靠支護(hù)才能達(dá)到穩(wěn)定的情況，如煤礦中的軟巖巷道、表土洞室等，由情況，如煤礦中的軟巖巷道、表土洞室等，由于次生應(yīng)力場(chǎng)的作用形成破碎帶。于次生應(yīng)力場(chǎng)的作用形成破碎帶。地下工程自身影響范圍達(dá)不到地面的，稱為地下工程自身影響范圍達(dá)不到地面的，稱為深埋深埋，否則稱為淺埋。否則稱為淺埋。深埋地下工程存在如下力學(xué)特點(diǎn)：深埋地下工程存在如下力學(xué)特點(diǎn)：1 1）可視為無限體中的孔洞問題，孔洞各方向的）可視為無限體中的孔洞問題，孔洞各方向的無窮遠(yuǎn)處仍為原巖體；無窮遠(yuǎn)處仍為原巖體；2 2）當(dāng)埋深）當(dāng)埋深Z Z達(dá)到巷道半徑或?qū)捀咧氲倪_(dá)到巷道半徑或?qū)捀咧氲?020倍及以倍及以上時(shí)，巷道影響范圍內(nèi)的巖體自重可

5、忽略不計(jì)；上時(shí)，巷道影響范圍內(nèi)的巖體自重可忽略不計(jì)；原巖水平應(yīng)力可以簡(jiǎn)化為均勻分布，通常誤差不原巖水平應(yīng)力可以簡(jiǎn)化為均勻分布，通常誤差不大（在大（在10%10%以下）；以下）；3 3）深埋的水平巷道長(zhǎng)度較大時(shí)，可作為平面應(yīng)）深埋的水平巷道長(zhǎng)度較大時(shí)，可作為平面應(yīng)變問題處理。其他類型巷道或作為空間問題，或變問題處理。其他類型巷道或作為空間問題，或作為全平面應(yīng)變問題處理。作為全平面應(yīng)變問題處理。地下工程穩(wěn)定性問題地下工程穩(wěn)定性問題研究過程：研究過程：（1 1）要分析研究巖體在工程開挖后的應(yīng)力、位要分析研究巖體在工程開挖后的應(yīng)力、位移的分布特征及其規(guī)律，并作出穩(wěn)定性評(píng)價(jià)移的分布特征及其規(guī)律，并作出穩(wěn)

6、定性評(píng)價(jià)（2 2）根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，決定是否采取支護(hù)加固措根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，決定是否采取支護(hù)加固措施以及如何支護(hù)加固和加固的形式施以及如何支護(hù)加固和加固的形式地下工程的穩(wěn)定性問題分析解決途徑地下工程的穩(wěn)定性問題分析解決途徑：解析分析方法解析分析方法數(shù)值分析方法數(shù)值分析方法實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法解析方法是指用一般數(shù)學(xué)力學(xué)方法通過計(jì)算可以解析方法是指用一般數(shù)學(xué)力學(xué)方法通過計(jì)算可以取得閉合解的方法取得閉合解的方法：當(dāng)?shù)叵鹿こ虈鷰r能自穩(wěn)時(shí)，圍巖處于全應(yīng)力當(dāng)?shù)叵鹿こ虈鷰r能自穩(wěn)時(shí)，圍巖處于全應(yīng)力- -應(yīng)應(yīng)變的峰前曲線段，巖體屬于變形體范疇，可以變的峰前曲線段，巖體屬于變形體范疇，可以使用任何變形體力學(xué)方法研究。對(duì)于應(yīng)力

7、應(yīng)變使用任何變形體力學(xué)方法研究。對(duì)于應(yīng)力應(yīng)變不超過彈性范疇時(shí)，適宜用彈性力學(xué)方法研究不超過彈性范疇時(shí)，適宜用彈性力學(xué)方法研究；否則采用彈塑性力學(xué)或損傷力學(xué)方法研究。；否則采用彈塑性力學(xué)或損傷力學(xué)方法研究。一旦巖體的應(yīng)力應(yīng)變超過峰值應(yīng)力和極限應(yīng)變一旦巖體的應(yīng)力應(yīng)變超過峰值應(yīng)力和極限應(yīng)變，圍巖進(jìn)入全應(yīng)力應(yīng)變的峰后曲線段，巖體處，圍巖進(jìn)入全應(yīng)力應(yīng)變的峰后曲線段，巖體處于剛性滑移和張裂狀態(tài)，此時(shí)適宜采用剛性塊于剛性滑移和張裂狀態(tài)，此時(shí)適宜采用剛性塊體力學(xué)的方法，或?qū)嶒?yàn)力學(xué)的方法，有時(shí)甚至體力學(xué)的方法，或?qū)嶒?yàn)力學(xué)的方法，有時(shí)甚至可采用初等力學(xué)的方法研究?？刹捎贸醯攘W(xué)的方法研究。能自穩(wěn)的巖體，當(dāng)然不需要

8、支護(hù)。巖體處于峰后能自穩(wěn)的巖體，當(dāng)然不需要支護(hù)。巖體處于峰后破壞狀態(tài)時(shí)，不可能自穩(wěn)，要依靠支護(hù)才能達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)，不可能自穩(wěn)，要依靠支護(hù)才能達(dá)到人工穩(wěn)定。因此，凡有支護(hù)的場(chǎng)合，支護(hù)背靠的人工穩(wěn)定。因此，凡有支護(hù)的場(chǎng)合，支護(hù)背靠的或緊鄰的巖體一定是破碎的，而不會(huì)是彈性狀態(tài)或緊鄰的巖體一定是破碎的，而不會(huì)是彈性狀態(tài)或彈塑性狀態(tài)沒有破裂的巖體?；驈椝苄誀顟B(tài)沒有破裂的巖體。解析方法可以解決的實(shí)際工程問題是很有限的，解析方法可以解決的實(shí)際工程問題是很有限的，但通過對(duì)解析方法及其結(jié)果的分析，可以獲得一但通過對(duì)解析方法及其結(jié)果的分析，可以獲得一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。圍巖應(yīng)力重分布問題圍巖應(yīng)力重分布

9、問題計(jì)算計(jì)算重分布應(yīng)力重分布應(yīng)力圍巖變形與破壞問題圍巖變形與破壞問題計(jì)算計(jì)算位移位移、確定、確定破壞范圍破壞范圍圍巖壓力問題圍巖壓力問題計(jì)算計(jì)算圍巖壓力圍巖壓力有壓洞室圍巖抗力問題有壓洞室圍巖抗力問題計(jì)算計(jì)算圍巖抗力圍巖抗力hV第七章 巖體力學(xué)在硐室工程中的應(yīng)用一、概述二、圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算三、圍巖的變形與破壞四、圍巖壓力計(jì)算五、圍巖抗力與極限承載力幾個(gè)概念：幾個(gè)概念：應(yīng)力重分布應(yīng)力重分布洞室開挖后，周圍的巖石在一般情況下（側(cè)洞室開挖后，周圍的巖石在一般情況下（側(cè)壓力系數(shù)壓力系數(shù)31.05p0或或 r0.95p0為巷道影響圈邊為巷道影響圈邊界界（圍巖的范圍）（圍巖的范圍），則影響，則影響圈半徑

10、約為圈半徑約為5R0；工程上有；工程上有時(shí)以時(shí)以10%作為影響邊界，則作為影響邊界，則影響半徑約為影響半徑約為3 R0。原原巖巖應(yīng)應(yīng)力力次次生生應(yīng)應(yīng)力力開開挖挖前前的的應(yīng)應(yīng)力力開開挖挖后后的的應(yīng)應(yīng)力力 k2 2、一般、一般天然應(yīng)力場(chǎng)天然應(yīng)力場(chǎng)一般情況下，由于各種原因一般情況下，由于各種原因，原巖應(yīng)力并不是靜水壓力，原巖應(yīng)力并不是靜水壓力狀態(tài)。此時(shí)，在前述假設(shè)條狀態(tài)。此時(shí)，在前述假設(shè)條件下，并且豎向原巖應(yīng)力為件下，并且豎向原巖應(yīng)力為p0，橫向應(yīng)力為，橫向應(yīng)力為K0p0，與靜，與靜水壓力問題相比，本問題主水壓力問題相比，本問題主要是原巖應(yīng)力水平方向和鉛要是原巖應(yīng)力水平方向和鉛直方向不相等。直方向不

11、相等。對(duì)于圓形巷道，就構(gòu)成結(jié)構(gòu)對(duì)于圓形巷道，就構(gòu)成結(jié)構(gòu)對(duì)稱，荷載僅對(duì)稱于豎軸和對(duì)稱，荷載僅對(duì)稱于豎軸和橫軸，但不是軸對(duì)稱問題。橫軸，但不是軸對(duì)稱問題。 對(duì)于這樣的問題，一般運(yùn)用已有的解答采用分解對(duì)于這樣的問題，一般運(yùn)用已有的解答采用分解（將原巖應(yīng)力進(jìn)行分解）和疊加的辦法來解決。（將原巖應(yīng)力進(jìn)行分解）和疊加的辦法來解決。通常將原問題分解為兩個(gè)問題：通常將原問題分解為兩個(gè)問題：?jiǎn)栴}問題I是靜水壓力式問題，即結(jié)構(gòu)和荷載均為軸對(duì)稱的是靜水壓力式問題，即結(jié)構(gòu)和荷載均為軸對(duì)稱的問題。垂向和水平應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其大小為問題。垂向和水平應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其大小為p1=(1+K0)p0/2。問題問題II是水平、垂

12、向應(yīng)力值相等但方向不同（當(dāng)是水平、垂向應(yīng)力值相等但方向不同（當(dāng)K01時(shí)時(shí)，垂向?yàn)閴簯?yīng)力，水平為拉應(yīng)力）的問題。垂直方向應(yīng)，垂向?yàn)閴簯?yīng)力，水平為拉應(yīng)力）的問題。垂直方向應(yīng)力為力為 p2=(1-K0)p0/2，水平方向應(yīng)力為，水平方向應(yīng)力為- p2。原問題的解原問題的解=問題問題I的解的解+問題問題II的解。的解。疊加原理疊加原理問題問題I的解前面已經(jīng)知道了。問題的解前面已經(jīng)知道了。問題II可以再分解為可以再分解為兩個(gè)柯西課題（參見彈性力學(xué)）兩個(gè)柯西課題（參見彈性力學(xué)）。求解得求解得原問題的解為：原問題的解為： 2sin3211212cos3112111212cos3411211121440220

13、0044000220004402200022000 rRrRpKrRpKrRpKrRrRpKrRpKrr公式討論：公式討論：（1 1）當(dāng)當(dāng)K K0 0=1=1時(shí)，問題轉(zhuǎn)變?yōu)殪o水壓力問題。軸對(duì)稱問題是特例。時(shí)，問題轉(zhuǎn)變?yōu)殪o水壓力問題。軸對(duì)稱問題是特例。（2 2）圍巖內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律：）圍巖內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律：洞壁上的洞壁上的r0，r0，為，為單向應(yīng)力狀態(tài)，而單向應(yīng)力狀態(tài)，而隨隨變化，變化，大小與與洞室尺寸大小與與洞室尺寸R0無關(guān)。無關(guān)。當(dāng)當(dāng)=0、180o，=3p0-K0p0=(3-K0)p0；當(dāng)；當(dāng)=90、270o，=3K0p0-p0=(3K0-1) p0。當(dāng)當(dāng)K0=0時(shí)，時(shí)， =p0+2p0cos2

14、 。則。則 =0 （橫軸），（橫軸）， =3p0； =45 ， =p0； =90 （豎軸），（豎軸）， =-p0（為拉應(yīng)力）。（為拉應(yīng)力）。當(dāng)當(dāng)K01/3時(shí)，洞頂?shù)祝〞r(shí)，洞頂?shù)祝?90、270o）處）處0，即出現(xiàn)拉，即出現(xiàn)拉應(yīng)力，而洞壁兩側(cè)幫出現(xiàn)較高的壓應(yīng)力集中。應(yīng)力，而洞壁兩側(cè)幫出現(xiàn)較高的壓應(yīng)力集中。 02cos)1(210000 rKKpr（3 3）洞壁上的重分布應(yīng)力的分布規(guī)律洞壁上的重分布應(yīng)力的分布規(guī)律洞壁處，即洞壁處，即r=Rr=R0 0，上述公式簡(jiǎn)化為，上述公式簡(jiǎn)化為當(dāng)當(dāng)K0=1/3時(shí)，時(shí)， =0 、180 （橫軸）（橫軸）處處， =8p0/3； =45 ， =4p0/3； =90

15、、270 （豎軸）（豎軸）處處， =0。即即測(cè)壓力系數(shù)測(cè)壓力系數(shù)K0=1/3時(shí)，洞頂時(shí)，洞頂?shù)渍貌怀霈F(xiàn)拉應(yīng)力底正好不出現(xiàn)拉應(yīng)力。當(dāng)當(dāng)1/3K03時(shí)，洞壁周邊時(shí)，洞壁周邊均為壓應(yīng)力且分布較均勻均為壓應(yīng)力且分布較均勻；K0=1時(shí)即為靜水壓力式。時(shí)即為靜水壓力式。當(dāng)當(dāng)K0=3時(shí)，時(shí)， =90 、270 （豎軸）（豎軸）處處， =8p0/3； =0 、180 （橫橫軸）軸）處處， =0。即即測(cè)壓力系數(shù)測(cè)壓力系數(shù)K0=3時(shí)，時(shí)，洞兩幫正好不出現(xiàn)拉應(yīng)力洞兩幫正好不出現(xiàn)拉應(yīng)力。當(dāng)當(dāng)K03時(shí)，洞壁兩側(cè)幫時(shí)，洞壁兩側(cè)幫（=0、180o）處）處K01/3時(shí)，巷道周邊不出現(xiàn)拉應(yīng)時(shí)，巷道周邊不出現(xiàn)拉應(yīng)力；力；K03

16、時(shí)，將出現(xiàn)拉應(yīng)力；時(shí)，將出現(xiàn)拉應(yīng)力；K0=1/3或或K0=3時(shí)，恰好不出現(xiàn)拉應(yīng)力。時(shí)，恰好不出現(xiàn)拉應(yīng)力。K0=0時(shí)，時(shí)， =90 處拉應(yīng)力最大。所以，處拉應(yīng)力最大。所以，K0=0為最不利的情況，為最不利的情況，K0=1為最穩(wěn)定的情況為最穩(wěn)定的情況。（4）主應(yīng)力狀況）主應(yīng)力狀況 由上面的解答中由上面的解答中 r =0即即sin2 =0，得主應(yīng)，得主應(yīng)力平面（該面上剪應(yīng)力為零）角度為力平面（該面上剪應(yīng)力為零）角度為0 、90 、180 、270 。即水平和鉛直平面為主。即水平和鉛直平面為主應(yīng)力平面。其余截面上均有剪應(yīng)力應(yīng)力平面。其余截面上均有剪應(yīng)力。（二二）彈性巖體中非圓形洞室的圍巖應(yīng)力計(jì)算）彈性

17、巖體中非圓形洞室的圍巖應(yīng)力計(jì)算及應(yīng)力分布特征及應(yīng)力分布特征地下工程地下工程常用的斷面常用的斷面一般為：一般為：立井立井圓形；巷道（隧道）圓形；巷道（隧道）梯形、拱梯形、拱頂直墻。頂直墻。較少使用的斷面較少使用的斷面為：為：立井立井矩形；巷道（隧道）矩形；巷道（隧道）矩形、圓矩形、圓形、橢圓形、拱頂直墻反拱。形、橢圓形、拱頂直墻反拱。非圓洞室圍巖應(yīng)力的計(jì)算一般很復(fù)雜。非圓洞室圍巖應(yīng)力的計(jì)算一般很復(fù)雜。1 1橢圓洞室橢圓洞室 橢圓形洞室在工程實(shí)際中不常見，但橢圓形洞室在工程實(shí)際中不常見，但通過對(duì)橢圓洞室周邊彈性應(yīng)力分析，通過對(duì)橢圓洞室周邊彈性應(yīng)力分析，對(duì)于如何維護(hù)好洞室，從定性上很有對(duì)于如何維護(hù)好

18、洞室，從定性上很有啟發(fā)意義。啟發(fā)意義。 在一般原巖應(yīng)力狀態(tài)（在一般原巖應(yīng)力狀態(tài)（p p0 0、K K0 0p p0 0、K K0 0111）下，深埋橢圓巷道周邊）下，深埋橢圓巷道周邊切向應(yīng)力公式為：切向應(yīng)力公式為： 22222220022222220sincoscoscos2sinsincoscossin2sinmmmpKmmmp 其中，其中，m m橢圓軸比（豎軸與橫軸之比）；橢圓軸比（豎軸與橫軸之比）； 自豎軸起算的自豎軸起算的角度。角度。公式討論：公式討論：（1 1）等應(yīng)力軸比）等應(yīng)力軸比當(dāng)切向應(yīng)力處處相等時(shí)的橢圓巷道當(dāng)切向應(yīng)力處處相等時(shí)的橢圓巷道豎軸與橫豎軸與橫軸軸之之比稱為比稱為等應(yīng)力

19、軸等應(yīng)力軸比比。等應(yīng)力軸比對(duì)地下工程是最穩(wěn)定的，又稱為。等應(yīng)力軸比對(duì)地下工程是最穩(wěn)定的，又稱為最優(yōu)軸比最優(yōu)軸比。令令d d /d/d =0=0，得，得m=1/Km=1/K0 0，代入代入 公式，有公式，有 =(1+K=(1+K0 0)p)p0 0?？梢姡??？梢?， 與與 無關(guān)，即巷道周壁各點(diǎn)切向應(yīng)力相等。無關(guān)，即巷道周壁各點(diǎn)切向應(yīng)力相等。因此，因此，等應(yīng)力軸比為等應(yīng)力軸比為m=1/Km=1/K0 0。等應(yīng)力軸比等應(yīng)力軸比m m與原巖應(yīng)力的絕對(duì)值無關(guān)，只與與原巖應(yīng)力的絕對(duì)值無關(guān)，只與K K0 0有關(guān)。有關(guān)。可由可由K K0 0確定最優(yōu)軸比確定最優(yōu)軸比：當(dāng)當(dāng)K K0 0=1=1時(shí)，時(shí)，m=1m=1，

20、最佳斷面是圓形；，最佳斷面是圓形；當(dāng)當(dāng)K K0 0=0.5=0.5時(shí)，時(shí)，m=2m=2，最佳斷面為豎軸是橫軸兩倍，最佳斷面為豎軸是橫軸兩倍的的豎的橢圓；豎的橢圓；當(dāng)當(dāng)K K0 0=2=2時(shí)，時(shí)，m=0.5m=0.5，最佳斷面為橫軸是豎軸兩倍，最佳斷面為橫軸是豎軸兩倍的的橫的橢圓。橫的橢圓。可見，橢圓的長(zhǎng)軸平行于原巖最大主應(yīng)力方向，且軸比滿足可見，橢圓的長(zhǎng)軸平行于原巖最大主應(yīng)力方向，且軸比滿足m=1/Km=1/K0 0時(shí)為最佳。實(shí)際工程中，只要條件許可，巷道斷面應(yīng)盡量時(shí)為最佳。實(shí)際工程中，只要條件許可，巷道斷面應(yīng)盡量滿足或接近最佳軸比。否則就需要采取加強(qiáng)支護(hù)或其他措施。滿足或接近最佳軸比。否則就

21、需要采取加強(qiáng)支護(hù)或其他措施。（2 2）零應(yīng)力軸比）零應(yīng)力軸比當(dāng)不能滿足最佳軸比時(shí)，則考慮到巖體的抗拉強(qiáng)度最弱，可找出并當(dāng)不能滿足最佳軸比時(shí)，則考慮到巖體的抗拉強(qiáng)度最弱，可找出并滿足一個(gè)不出現(xiàn)拉應(yīng)力的軸比，即滿足一個(gè)不出現(xiàn)拉應(yīng)力的軸比，即零應(yīng)力軸比零應(yīng)力軸比。周邊各點(diǎn)要求的零應(yīng)力軸比不同，通常優(yōu)先照顧頂點(diǎn)和兩幫中點(diǎn)這周邊各點(diǎn)要求的零應(yīng)力軸比不同，通常優(yōu)先照顧頂點(diǎn)和兩幫中點(diǎn)這兩處關(guān)鍵部位的零應(yīng)力軸比。兩處關(guān)鍵部位的零應(yīng)力軸比。頂點(diǎn)頂點(diǎn)處處： =0=0 ， =-p=-p0 0+K+K0 0(1+2m)p(1+2m)p0 0。當(dāng)當(dāng)K K0 011時(shí)，時(shí)， 00，不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力；當(dāng)當(dāng)K

22、K0 011時(shí)，不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件是時(shí)，不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件是 0 0，即，即K K0 0(1+2m)p(1+2m)p0 0 p p0 0，無，無拉應(yīng)力軸比為拉應(yīng)力軸比為m m (1-K(1-K0 0)/2K)/2K0 0。因此，。因此，零應(yīng)力軸比為零應(yīng)力軸比為m=m=(1-K(1-K0 0)/2K)/2K0 0。兩幫中點(diǎn)兩幫中點(diǎn)處處： =90=90 ， =(1+2/m)p=(1+2/m)p0 0-K-K0 0p p0 0。K K0 0111時(shí)不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件是時(shí)不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件是 0 0，即，即(1+2/m)p(1+2/m)p0 0 p p0 0，無拉應(yīng)力，無拉應(yīng)力軸比為軸比為m m 2/

23、(K2/(K0 0-1)-1)。因此，因此，零應(yīng)力軸比為零應(yīng)力軸比為m m=2/(K=2/(K0 0-1)-1)。由上面的分析可見，頂點(diǎn)和中點(diǎn)是不矛盾的。當(dāng)由上面的分析可見，頂點(diǎn)和中點(diǎn)是不矛盾的。當(dāng)K K0 0111時(shí)應(yīng)照顧兩幫中點(diǎn)。時(shí)應(yīng)照顧兩幫中點(diǎn)。2 2矩形和其他形狀斷面洞室矩形和其他形狀斷面洞室 矩形和其他形狀斷面洞室周邊應(yīng)力的計(jì)矩形和其他形狀斷面洞室周邊應(yīng)力的計(jì)算很復(fù)雜，不同斷面的計(jì)算公式不同，算很復(fù)雜，不同斷面的計(jì)算公式不同，沒有通式。一般采用光彈試驗(yàn)和有限元沒有通式。一般采用光彈試驗(yàn)和有限元方法來解決。方法來解決。 矩形和其他斷面圍巖應(yīng)力分布很復(fù)雜。矩形和其他斷面圍巖應(yīng)力分布很復(fù)雜

24、。周邊切向應(yīng)力也是大的應(yīng)力，應(yīng)力大小周邊切向應(yīng)力也是大的應(yīng)力，應(yīng)力大小與彈性參數(shù)無關(guān)，而與原巖應(yīng)力的狀態(tài)、與彈性參數(shù)無關(guān)，而與原巖應(yīng)力的狀態(tài)、巷道形狀參數(shù)有關(guān)。巷道形狀參數(shù)有關(guān)。應(yīng)力在有拐角的地應(yīng)力在有拐角的地方往往有較大的集中，直邊往往有拉應(yīng)方往往有較大的集中，直邊往往有拉應(yīng)力力。結(jié)論：橢圓形洞室長(zhǎng)軸兩端點(diǎn)應(yīng)力集中最大，易引起壓碎破橢圓形洞室長(zhǎng)軸兩端點(diǎn)應(yīng)力集中最大，易引起壓碎破壞；短軸兩端易拉應(yīng)力集中，不利于圍巖穩(wěn)定。壞；短軸兩端易拉應(yīng)力集中，不利于圍巖穩(wěn)定。各種形狀洞室的角點(diǎn)或急拐彎處應(yīng)力集中最大各種形狀洞室的角點(diǎn)或急拐彎處應(yīng)力集中最大，如正，如正方形或矩形洞室角點(diǎn)等。方形或矩形洞室角點(diǎn)等

25、。長(zhǎng)方形短邊中點(diǎn)應(yīng)力集中大于長(zhǎng)邊中點(diǎn)，而角點(diǎn)處應(yīng)長(zhǎng)方形短邊中點(diǎn)應(yīng)力集中大于長(zhǎng)邊中點(diǎn)，而角點(diǎn)處應(yīng)力集中最大，圍巖最易失穩(wěn)。力集中最大，圍巖最易失穩(wěn)。當(dāng)巖體中天然應(yīng)力水平分量和鉛直分量相差不大時(shí)，當(dāng)巖體中天然應(yīng)力水平分量和鉛直分量相差不大時(shí)，以圓形洞室圍巖應(yīng)力分布最均勻，圍巖穩(wěn)定性最好。以圓形洞室圍巖應(yīng)力分布最均勻，圍巖穩(wěn)定性最好。當(dāng)巖體中天然應(yīng)力水平分量和鉛直分量相差較大時(shí)，當(dāng)巖體中天然應(yīng)力水平分量和鉛直分量相差較大時(shí)，則應(yīng)盡量使洞室長(zhǎng)軸平行于最大天然應(yīng)力的作用方向。則應(yīng)盡量使洞室長(zhǎng)軸平行于最大天然應(yīng)力的作用方向。在天然應(yīng)力很大的巖體中，洞室斷面應(yīng)盡量采用曲線在天然應(yīng)力很大的巖體中，洞室斷面應(yīng)盡

26、量采用曲線形，以避免角點(diǎn)上過大的應(yīng)力集中。形，以避免角點(diǎn)上過大的應(yīng)力集中。(二）塑性巖體中圓形水平洞室的圍巖應(yīng)力計(jì)算及應(yīng)力巖體中圓形水平洞室的圍巖應(yīng)力計(jì)算及應(yīng)力分布特征分布特征彈塑性力學(xué)分析方法在巖體內(nèi)開挖洞室后，周圍的應(yīng)力將發(fā)生明顯的在巖體內(nèi)開挖洞室后，周圍的應(yīng)力將發(fā)生明顯的變化，形成圍巖變化，形成圍巖應(yīng)應(yīng)力。其中切向應(yīng)力較原巖應(yīng)力力。其中切向應(yīng)力較原巖應(yīng)力大。由于巖體的彈性極限是有限的，因此一部分大。由于巖體的彈性極限是有限的，因此一部分圍巖中的應(yīng)力可能超過巖體的彈性極限，則可進(jìn)圍巖中的應(yīng)力可能超過巖體的彈性極限，則可進(jìn)入塑性變形階段，而圍巖應(yīng)力沒有超過彈性極限入塑性變形階段，而圍巖應(yīng)力沒

27、有超過彈性極限的區(qū)域仍處于彈性變形階段。因此，在圍巖中可的區(qū)域仍處于彈性變形階段。因此，在圍巖中可形成塑性區(qū)和彈性區(qū)。位于塑性區(qū)的圍巖在強(qiáng)大形成塑性區(qū)和彈性區(qū)。位于塑性區(qū)的圍巖在強(qiáng)大的圍巖應(yīng)力作用下，可發(fā)生塑性變形甚至達(dá)到破的圍巖應(yīng)力作用下，可發(fā)生塑性變形甚至達(dá)到破裂而松動(dòng)。裂而松動(dòng)。因此，因此，通常將圍巖中圍巖應(yīng)力超過巖體的彈性極通常將圍巖中圍巖應(yīng)力超過巖體的彈性極限而出現(xiàn)塑性變形和破裂的部分稱為限而出現(xiàn)塑性變形和破裂的部分稱為塑性松動(dòng)圈塑性松動(dòng)圈（塑性區(qū)）。（塑性區(qū)）。塑性松動(dòng)圈塑性松動(dòng)圈的出現(xiàn)，使圈的出現(xiàn)，使圈內(nèi)一定范圍內(nèi)的應(yīng)力因釋內(nèi)一定范圍內(nèi)的應(yīng)力因釋放而明顯降低，而放而明顯降低，而最

28、大最大應(yīng)應(yīng)力集中由原來的洞壁移至力集中由原來的洞壁移至塑性圈與彈性圈交界處，塑性圈與彈性圈交界處，使彈性區(qū)的應(yīng)力明顯升高。使彈性區(qū)的應(yīng)力明顯升高。彈性區(qū)以外則是應(yīng)力基本彈性區(qū)以外則是應(yīng)力基本未產(chǎn)生變化的天然應(yīng)力區(qū)未產(chǎn)生變化的天然應(yīng)力區(qū)( (或稱原巖應(yīng)力區(qū)或稱原巖應(yīng)力區(qū)) )。塑性區(qū)的形狀和范圍，是塑性區(qū)的形狀和范圍，是確定加固方案、錨桿的布確定加固方案、錨桿的布置和松散地壓的主要依據(jù)。置和松散地壓的主要依據(jù)。彈塑性理論求解塑性圈內(nèi)的圍巖重分布應(yīng)力彈塑性理論求解塑性圈內(nèi)的圍巖重分布應(yīng)力1基本假設(shè)基本假設(shè)（1）深埋圓形水平巷道，無限長(zhǎng)；）深埋圓形水平巷道，無限長(zhǎng)；（2）原巖應(yīng)力各向等壓；）原巖應(yīng)力

29、各向等壓；（3）圍巖為理想彈塑性體。）圍巖為理想彈塑性體。2基本方程基本方程在上述假設(shè)條件下，為軸對(duì)稱問題在上述假設(shè)條件下，為軸對(duì)稱問題。對(duì)彈性區(qū)和塑性區(qū)應(yīng)分別考察。對(duì)彈性區(qū)和塑性區(qū)應(yīng)分別考察。在彈性區(qū)，應(yīng)力滿足的方程與前面在彈性區(qū)，應(yīng)力滿足的方程與前面相同（平衡方程、物理方程、幾何相同（平衡方程、物理方程、幾何方程）。方程）。在塑性區(qū)，平衡方程為：在塑性區(qū)，平衡方程為：0 rdrdrr 強(qiáng)度準(zhǔn)則方程（因?yàn)樗苄詤^(qū)巖體往往處于極限強(qiáng)度準(zhǔn)則方程（因?yàn)樗苄詤^(qū)巖體往往處于極限平衡狀態(tài)，各應(yīng)力間滿足強(qiáng)度方程平衡狀態(tài)，各應(yīng)力間滿足強(qiáng)度方程極限平極限平衡問題）為：衡問題）為：可見，塑性區(qū)內(nèi)有兩個(gè)未知應(yīng)力兩個(gè)

30、方程，可可見，塑性區(qū)內(nèi)有兩個(gè)未知應(yīng)力兩個(gè)方程，可以求解而不需要幾何方程和物理方程（實(shí)際上以求解而不需要幾何方程和物理方程（實(shí)際上塑性區(qū)的物理方程塑性區(qū)的物理方程即即應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是很應(yīng)變關(guān)系是很復(fù)雜的非線性關(guān)系）。復(fù)雜的非線性關(guān)系）。sin1cos2sin1sin1cr（C-MC-M準(zhǔn)則）準(zhǔn)則）3邊界條件邊界條件分別列出彈性區(qū)和塑性區(qū)邊界滿足的條件。對(duì)于分別列出彈性區(qū)和塑性區(qū)邊界滿足的條件。對(duì)于彈性區(qū)，其外邊界為很遠(yuǎn)處的原巖應(yīng)力區(qū)，內(nèi)邊彈性區(qū)，其外邊界為很遠(yuǎn)處的原巖應(yīng)力區(qū)，內(nèi)邊界為彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界面（上述假設(shè)條件下界為彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界面（上述假設(shè)條件下該交界面為圓形）。塑形區(qū)的外邊界

31、為彈形區(qū)和該交界面為圓形）。塑形區(qū)的外邊界為彈形區(qū)和塑形區(qū)的交界面，內(nèi)邊界為巷道壁面。在彈性區(qū)塑形區(qū)的交界面，內(nèi)邊界為巷道壁面。在彈性區(qū)與塑性區(qū)交界面上，應(yīng)滿足應(yīng)力連續(xù)條件。與塑性區(qū)交界面上，應(yīng)滿足應(yīng)力連續(xù)條件。彈性區(qū)的外邊界：彈性區(qū)的外邊界：r， r= =p0；彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界面處，彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界面處，r=Rp， re= rp， e= p；巷道壁面處，巷道壁面處，r=R0， r=0(無支護(hù)無支護(hù))或或 r=p(支護(hù)支護(hù)反力反力)。4解答解答上述方程聯(lián)立求解并考慮邊界條件，可得彈性上述方程聯(lián)立求解并考慮邊界條件，可得彈性區(qū)與塑性區(qū)的應(yīng)力計(jì)算公式和塑性區(qū)區(qū)與塑性區(qū)的應(yīng)力計(jì)算公式和塑性區(qū)

32、(塑性松動(dòng)塑性松動(dòng)圈圈)半徑半徑Rp的計(jì)算公式的計(jì)算公式。彈性區(qū)應(yīng)力：彈性區(qū)應(yīng)力：塑性區(qū)應(yīng)力：塑性區(qū)應(yīng)力： 20sin2sin1000sin1sincos rRctgcpctgcppcpr ctgcRrctgcpctgcRrctgcprsin1sin20sin1sin20sin1sin15公式討論公式討論（1）塑性區(qū)應(yīng)力）塑性區(qū)應(yīng)力（包括洞壁處）（包括洞壁處）與與c、 、p有關(guān)，有關(guān)，與原與原巖應(yīng)力巖應(yīng)力p0無關(guān)；無關(guān)；（2）塑、彈性圈交界面上的重分布應(yīng)力取決于塑、彈性圈交界面上的重分布應(yīng)力取決于p p0 0和和c c、 ，而與，而與p p無關(guān)；無關(guān)；（3）指數(shù)）指數(shù)(1-sin )/2sin

33、 可理解為拉壓強(qiáng)度之比。由莫爾可理解為拉壓強(qiáng)度之比。由莫爾圓與強(qiáng)度直線的幾何關(guān)系可知，強(qiáng)度直線與橫軸的交點(diǎn)圓與強(qiáng)度直線的幾何關(guān)系可知，強(qiáng)度直線與橫軸的交點(diǎn)可看作莫爾點(diǎn)圓，代表三軸等拉的抗拉強(qiáng)度，即可看作莫爾點(diǎn)圓，代表三軸等拉的抗拉強(qiáng)度，即c ctg ；而單軸抗壓強(qiáng)度；而單軸抗壓強(qiáng)度 c=2c cos /(1-sin )；二者之比為；二者之比為(1-sin )/2sin 。C C c 莫爾莫爾- -庫(kù)倫強(qiáng)度直線庫(kù)倫強(qiáng)度直線二、有壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算二、有壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算引水隧道屬于有壓洞室。由于洞室內(nèi)壁上作引水隧道屬于有壓洞室。由于洞室內(nèi)壁上作用有較高的用有較高的內(nèi)水壓力內(nèi)水壓力，使

34、圍巖中的重分布應(yīng)，使圍巖中的重分布應(yīng)力比較復(fù)雜。力比較復(fù)雜。應(yīng)力變化過程：應(yīng)力變化過程：1 1）圍巖最初處于開挖后引起的重分布應(yīng)）圍巖最初處于開挖后引起的重分布應(yīng)力之中；力之中；2 2）進(jìn)行支護(hù)襯砌，使圍巖重分布應(yīng)力得）進(jìn)行支護(hù)襯砌，使圍巖重分布應(yīng)力得到改善；到改善；3 3）洞室建成運(yùn)行后洞內(nèi)壁作用有）洞室建成運(yùn)行后洞內(nèi)壁作用有內(nèi)水壓內(nèi)水壓力力，使圍巖中產(chǎn)生一個(gè)，使圍巖中產(chǎn)生一個(gè)附加應(yīng)力。附加應(yīng)力。彈性厚壁筒理論彈性厚壁筒理論在一內(nèi)半徑為在一內(nèi)半徑為a a，外半徑為，外半徑為b b的厚壁筒內(nèi)壁上作用的厚壁筒內(nèi)壁上作用有均布內(nèi)水壓力有均布內(nèi)水壓力p pa a，外壁作用有均勻壓力，外壁作用有均勻壓

35、力p pb b。在。在內(nèi)水壓力作用下，內(nèi)壁向外均勻膨脹，其膨脹位內(nèi)水壓力作用下，內(nèi)壁向外均勻膨脹，其膨脹位移隨距離增大而減小，最后到距內(nèi)壁一定距離時(shí)移隨距離增大而減小，最后到距內(nèi)壁一定距離時(shí)達(dá)到零。附加徑向和環(huán)向（切向）應(yīng)力也是近洞達(dá)到零。附加徑向和環(huán)向（切向）應(yīng)力也是近洞壁大，遠(yuǎn)離洞壁小。壁大，遠(yuǎn)離洞壁小。 2222222222222222221)(1)(rabbappabpapbrabbappabpapbababababr 厚壁筒厚度很大時(shí)，即厚壁筒厚度很大時(shí)，即bb，且，且p pb bp p0 0時(shí)，則時(shí)，則b b2 2/(b/(b2 2- -a a2 2)1)1，a a2 2/(b/(

36、b2 2+a+a2 2)0)0，有，有若有壓洞室半徑為若有壓洞室半徑為R R0 0，內(nèi)水壓力為，內(nèi)水壓力為p pa a可見，有壓洞室圍巖重分布應(yīng)力可見，有壓洞室圍巖重分布應(yīng)力 r r和和 由開挖以后圍巖由開挖以后圍巖重重分布應(yīng)力分布應(yīng)力和內(nèi)水壓力引起的和內(nèi)水壓力引起的附加應(yīng)力附加應(yīng)力兩項(xiàng)組成。前項(xiàng)為重兩項(xiàng)組成。前項(xiàng)為重分布應(yīng)力；后項(xiàng)為內(nèi)水壓力引起的附加應(yīng)力值。分布應(yīng)力；后項(xiàng)為內(nèi)水壓力引起的附加應(yīng)力值。 222202222011raprapraprapaar 2202200220220011rRprRprRprRpaar 內(nèi)水壓力使圍巖產(chǎn)生負(fù)的環(huán)向應(yīng)力，即拉應(yīng)力。內(nèi)水壓力使圍巖產(chǎn)生負(fù)的環(huán)向應(yīng)力，

37、即拉應(yīng)力。當(dāng)這個(gè)環(huán)向應(yīng)力很大時(shí)，則常使圍巖產(chǎn)生當(dāng)這個(gè)環(huán)向應(yīng)力很大時(shí)，則常使圍巖產(chǎn)生放射放射狀狀裂隙。裂隙。內(nèi)水壓力使圍巖產(chǎn)生附加應(yīng)力的影響范圍大致內(nèi)水壓力使圍巖產(chǎn)生附加應(yīng)力的影響范圍大致也為也為5-65-6倍洞半徑。倍洞半徑。 220220rRprRpaar 由內(nèi)水壓力引起的附加應(yīng)力值：由內(nèi)水壓力引起的附加應(yīng)力值：第七章 巖體力學(xué)在硐室工程中的應(yīng)用一、概述二、圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算三、圍巖的變形與破壞四、圍巖壓力計(jì)算五、圍巖抗力與極限承載力地下開挖后，巖體中形地下開挖后，巖體中形成一個(gè)自由變形空間，成一個(gè)自由變形空間，使原來處于擠壓狀態(tài)的使原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐圍巖，由于失去了支撐

38、而發(fā)生向洞內(nèi)而發(fā)生向洞內(nèi)松脹變形松脹變形；如果這種變形超過了圍如果這種變形超過了圍巖本身所巖本身所能承受的能力能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落形成并從母巖中脫落形成坍坍塌、滑動(dòng)塌、滑動(dòng)或或巖爆巖爆，即產(chǎn)，即產(chǎn)生生破壞破壞。圍巖變形破壞形式取決于圍巖應(yīng)力狀態(tài)、巖體結(jié)圍巖變形破壞形式取決于圍巖應(yīng)力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)及洞室斷面形狀等因素構(gòu)及洞室斷面形狀等因素一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點(diǎn)一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點(diǎn)1 1、整體狀和塊狀巖體圍巖、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，主要結(jié)巖體具有很高的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，主要結(jié)構(gòu)面是節(jié)理，很少有斷

39、層，含有少量的裂隙水。構(gòu)面是節(jié)理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學(xué)屬性上可視為均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線在力學(xué)屬性上可視為均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性介質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變呈近似直線關(guān)系。彈性介質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變呈近似直線關(guān)系。圍巖具有很好的自穩(wěn)能力，其變形破壞形式主要圍巖具有很好的自穩(wěn)能力，其變形破壞形式主要有有巖爆、脆性開裂巖爆、脆性開裂及及塊體滑移塊體滑移等。等。這類圍巖的這類圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析整體變形破壞可用彈性理論分析，局局部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來分析部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來分析。巖爆巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應(yīng)力高度集中，是高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應(yīng)

40、力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。使圍巖產(chǎn)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。脆性開裂脆性開裂出現(xiàn)在拉應(yīng)力集中部位。出現(xiàn)在拉應(yīng)力集中部位。塊體滑移塊體滑移是塊狀巖體常見的破壞形成。它是以結(jié)構(gòu)面是塊狀巖體常見的破壞形成。它是以結(jié)構(gòu)面切割而成的不穩(wěn)定塊體滑出的形式出現(xiàn)。其破壞規(guī)模切割而成的不穩(wěn)定塊體滑出的形式出現(xiàn)。其破壞規(guī)模與形態(tài)受結(jié)構(gòu)面的分布、組合形式及其與開挖面的相與形態(tài)受結(jié)構(gòu)面的分布、組合形式及其與開挖面的相對(duì)關(guān)系控制。對(duì)關(guān)系控制。堅(jiān)硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙2 2、層狀巖體圍巖、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。常呈軟硬巖層相間的互層形式。結(jié)構(gòu)面以層理

41、面為主，并有層間錯(cuò)動(dòng)及泥化夾層等軟結(jié)構(gòu)面以層理面為主，并有層間錯(cuò)動(dòng)及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等控制，破壞形變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等控制，破壞形式主要有：式主要有：沿層面張裂沿層面張裂、折斷塌落折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓彎曲內(nèi)鼓等。等。變形破壞常變形破壞?？捎脧椥粤?、彈性板或材料力學(xué)中的壓桿可用彈性梁、彈性板或材料力學(xué)中的壓桿平衡理論來分析平衡理論來分析。 在在水平層狀水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下，將產(chǎn)生下沉彎曲、開裂。板壓力下，將產(chǎn)生下沉彎曲、開裂。在在傾斜層狀傾斜層狀圍巖

42、中，沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落。另一側(cè)圍巖中，沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落。另一側(cè)邊墻巖塊滑移，形成不對(duì)稱的塌落拱。邊墻巖塊滑移，形成不對(duì)稱的塌落拱。在在直立層狀直立層狀圍巖中，當(dāng)天然應(yīng)力比值系數(shù)圍巖中，當(dāng)天然應(yīng)力比值系數(shù) 1/31/3時(shí)，洞頂發(fā)時(shí)，洞頂發(fā)生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側(cè)墻因壓力平行于層面，生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側(cè)墻因壓力平行于層面，發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，危及洞頂安全。發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，危及洞頂安全。3 3、碎裂狀巖體圍巖、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生夾泥的巖體。碎加次生夾泥的巖體。變形破壞形式

43、常表現(xiàn)為變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方塌方和和滑動(dòng)滑動(dòng)。用用松散介質(zhì)極限平衡理論來分析松散介質(zhì)極限平衡理論來分析。在夾泥少、以巖塊剛性接觸在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大為主的碎裂圍巖中，不易大規(guī)模塌方。規(guī)模塌方。圍巖中含泥量很高時(shí)，由于圍巖中含泥量很高時(shí)，由于巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入生大規(guī)模塌方或塑性擠入4 4、散體狀巖體圍巖、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指散體狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎強(qiáng)烈構(gòu)造破碎、強(qiáng)烈風(fēng)化強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體。的巖體。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。圍巖結(jié)構(gòu)均勻時(shí)，以圍巖結(jié)構(gòu)均勻時(shí)，以拱頂冒落拱頂冒落

44、為主。當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)為主。當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松動(dòng)巖體僅構(gòu)成局部圍巖時(shí)，常表現(xiàn)為不均勻或松動(dòng)巖體僅構(gòu)成局部圍巖時(shí)，常表現(xiàn)為局部塌方局部塌方、塑性擠入塑性擠入及及滑動(dòng)滑動(dòng)等變形破壞形式。等變形破壞形式?？捎盟缮⒔橘|(zhì)極限平衡理論配合流變理論來分析可用松散介質(zhì)極限平衡理論配合流變理論來分析。圍巖的變形破壞圍巖的變形破壞是是漸進(jìn)式逐次發(fā)漸進(jìn)式逐次發(fā)展展的，其的，其變形破變形破壞過程：壞過程： 開挖開挖-應(yīng)力調(diào)整應(yīng)力調(diào)整- -變形、局部破變形、局部破壞壞-再次調(diào)整再次調(diào)整 -再次變形再次變形-較較大范圍破壞大范圍破壞n分析圍巖變形破壞分析圍巖變形破壞時(shí)，應(yīng)抓住其變形時(shí)，應(yīng)抓住其變形破壞的破壞的始發(fā)點(diǎn)始發(fā)點(diǎn)和發(fā)

45、和發(fā)生連鎖反應(yīng)的生連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)，預(yù)測(cè)變形破壞，預(yù)測(cè)變形破壞逐次發(fā)展及遷移的逐次發(fā)展及遷移的規(guī)律。在圍巖變形規(guī)律。在圍巖變形破壞的早期就加以破壞的早期就加以處理，這樣才能有處理，這樣才能有效地控制圍巖變形，效地控制圍巖變形，確保圍巖的穩(wěn)定性。確保圍巖的穩(wěn)定性。二、圍巖位移計(jì)算1 1、彈性位移計(jì)算、彈性位移計(jì)算 圍巖處于彈性狀態(tài)圍巖處于彈性狀態(tài), ,位移可用彈性理論進(jìn)行計(jì)算。分兩種情位移可用彈性理論進(jìn)行計(jì)算。分兩種情況況: :由重分布應(yīng)力引起由重分布應(yīng)力引起由重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力之差引起由重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力之差引起 rvrvurvrrururr 11(1)(1)由重分布應(yīng)力引起的彈性位

46、移由重分布應(yīng)力引起的彈性位移考察平面應(yīng)變條件下洞壁圍巖彈性位移。考察平面應(yīng)變條件下洞壁圍巖彈性位移。根據(jù)彈性理論，平面應(yīng)變與位移間的關(guān)系為：根據(jù)彈性理論，平面應(yīng)變與位移間的關(guān)系為： rmmerrmmememmremerEEE)1(2)1()1(1)1()1(122 rmmermmememmremeErvrvruErvruEru)1(2)1()1(1)1()1(122平面應(yīng)變平面應(yīng)變- -應(yīng)力的物理方程應(yīng)力的物理方程 2sin22)1( 2sin2212cos22)1( 2cos4221203402034023402020340202rRrRrppErRrRrppEvrRrpprRrppErRr

47、RrpprRrppEuVhmemmVhmemVhVhmemmVhVhmem求解得平面應(yīng)變條件下的圍求解得平面應(yīng)變條件下的圍巖位移公式：巖位移公式：在在p ph hp pv vp p0 0的天然應(yīng)力狀態(tài)中，洞壁僅產(chǎn)的天然應(yīng)力狀態(tài)中，洞壁僅產(chǎn)生徑向位移，而無環(huán)向位移。生徑向位移，而無環(huán)向位移。 0)1(2200vEpRumem 2sin)()1(22cos)(2)1(0202VhmemVhVhmemppERvppppERu洞壁處（洞壁處（r=Rr=R0 0）的彈性位移）的彈性位移靜水壓力式天然應(yīng)力場(chǎng)（靜水壓力式天然應(yīng)力場(chǎng)（p ph h=p=pv v=p=p0 0）時(shí)：）時(shí)：(2)(2)由重分布應(yīng)力

48、與天然應(yīng)力之差引起的彈性位移由重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力之差引起的彈性位移n天然應(yīng)力引起的位移在洞室開挖前就已經(jīng)完成了，天然應(yīng)力引起的位移在洞室開挖前就已經(jīng)完成了，開挖后洞壁的位移僅是重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力的開挖后洞壁的位移僅是重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力的應(yīng)力差引起的。應(yīng)力差引起的。n假設(shè)巖體中天然應(yīng)力為假設(shè)巖體中天然應(yīng)力為p ph hp pv vp p0 0 ，開挖前洞壁，開挖前洞壁應(yīng)力為應(yīng)力為 r1r1 1 1 p p0 0，開挖后重分布應(yīng)力為，開挖后重分布應(yīng)力為 r2r20 0， 222p2p0 0。應(yīng)力差為。應(yīng)力差為 012012pprrr )1()1(12 mmremeEru 02111pEEru

49、memmmrmem 0000110RpEdrpEumemRmem 洞壁圍巖的徑向位移為洞壁圍巖的徑向位移為n支護(hù)力為支護(hù)力為p p，洞壁的徑向位移，洞壁的徑向位移00)(1RppEumem 2 2、塑性位移計(jì)算、塑性位移計(jì)算塑性位移采用塑性位移采用彈塑性理論彈塑性理論分析。分析?；舅悸罚夯舅悸罚合惹蟪鰪?、塑性圈交界面上的徑向先求出彈、塑性圈交界面上的徑向位移，然后根據(jù)塑性圈體積不變的條件求洞壁位移，然后根據(jù)塑性圈體積不變的條件求洞壁的徑向位移。的徑向位移。n彈性圈內(nèi)的應(yīng)力等于彈性圈內(nèi)的應(yīng)力等于p p0 0引起的應(yīng)力，疊加上塑引起的應(yīng)力，疊加上塑性圈作用于彈性圈的徑性圈作用于彈性圈的徑向應(yīng)力

50、向應(yīng)力 RpRp引起的附加應(yīng)引起的附加應(yīng)力之和。力之和。由由p p0 0引起的應(yīng)力引起的應(yīng)力 2201220111rRprRppepre 由由 RpRp引起的附加應(yīng)力引起的附加應(yīng)力 222222rRrRpRepRrepp 222202222011rRrRprRrRppRppepRppre 彈性圈內(nèi)的重分布應(yīng)力彈性圈內(nèi)的重分布應(yīng)力n開挖形成塑性圈后，彈、塑性圈交界面上的開挖形成塑性圈后，彈、塑性圈交界面上的徑向應(yīng)力增量徑向應(yīng)力增量(r r) )r rR Rp p和環(huán)向應(yīng)力增量和環(huán)向應(yīng)力增量( ) )r rR Rp p為：為： RppRppRprRppRppRprrpprRrRppprRrRp 0

51、02222000222201)(1)(彈、塑性圈交界面上的彈、塑性圈交界面上的徑向應(yīng)變徑向應(yīng)變 RpRp)(21)(1)(1)(1002pGpEEruRpRpRrRrrRpRppp 彈、塑性圈交界面的彈、塑性圈交界面的徑向位移徑向位移u uRpRppRpRppRRpRRpEpGRpGdrupp)(1)(2)(20000 cos)sin1(0 cprpeRpGctgcpRupRp2)(sin0 塑性圈作用于彈性圈的徑向應(yīng)力塑性圈作用于彈性圈的徑向應(yīng)力由于塑性圈變形前后體積不變，即由于塑性圈變形前后體積不變，即)()()(2022020RRpppuRuRRR 略去高階微量后，可得洞壁的徑向位移略去

52、高階微量后，可得洞壁的徑向位移002012)(sin0RGctgcpRuRRupRpR 三、圍巖破壞區(qū)范圍的確定方法對(duì)于對(duì)于整體狀、塊狀巖體整體狀、塊狀巖體可用彈性力學(xué)或彈塑性力可用彈性力學(xué)或彈塑性力學(xué)方法確定其圍巖破壞區(qū)厚度。學(xué)方法確定其圍巖破壞區(qū)厚度。松散巖體松散巖體常用松散介質(zhì)極限平衡理論方法來確定。常用松散介質(zhì)極限平衡理論方法來確定。1 1、彈性力學(xué)方法、彈性力學(xué)方法確定：確定：破壞范圍、破壞范圍、 破壞圈厚度破壞圈厚度破壞范圍：破壞范圍：當(dāng)當(dāng)K K0 01/31/3時(shí)，時(shí)，洞頂、底將出現(xiàn)拉應(yīng)力。若拉應(yīng)洞頂、底將出現(xiàn)拉應(yīng)力。若拉應(yīng)力大于圍巖的抗拉強(qiáng)度力大于圍巖的抗拉強(qiáng)度 t t，則圍巖

53、就要發(fā)生破壞，則圍巖就要發(fā)生破壞。當(dāng)當(dāng)K K0 01/31/3時(shí)，洞壁圍巖均為壓應(yīng)力集中，當(dāng)大時(shí)，洞壁圍巖均為壓應(yīng)力集中，當(dāng)大于圍巖的抗壓強(qiáng)度于圍巖的抗壓強(qiáng)度 c c時(shí)，洞壁圍巖就要破壞。時(shí)，洞壁圍巖就要破壞。破壞圈厚度：破壞圈厚度：當(dāng)當(dāng)rRrR0 0時(shí)，在時(shí)，在 0 0，/2/2， ，3/23/2四個(gè)方向上，四個(gè)方向上， r r=0=0， r r和和 為主應(yīng)力。為主應(yīng)力。而圍巖的強(qiáng)度（而圍巖的強(qiáng)度（CMCM破壞判據(jù)）：破壞判據(jù)）：利用上述條件即可確定破壞圈的厚度。利用上述條件即可確定破壞圈的厚度。)245(2)245(231 ootgctg)245(2)245(21 oortgctg不不破破

54、壞壞破破壞壞，11 1? 2 2、彈塑性力學(xué)方法、彈塑性力學(xué)方法在裂隙巖體中開挖地下洞室時(shí)，將在圍巖中出在裂隙巖體中開挖地下洞室時(shí)，將在圍巖中出現(xiàn)一個(gè)塑性松動(dòng)圈。圍巖的破壞圈厚度為現(xiàn)一個(gè)塑性松動(dòng)圈。圍巖的破壞圈厚度為R Rp pR R0 0。關(guān)鍵是確定關(guān)鍵是確定塑性松動(dòng)圈半徑塑性松動(dòng)圈半徑R Rp p設(shè)巖體中的天然應(yīng)力為設(shè)巖體中的天然應(yīng)力為p ph hp pv vp p0 0彈性圈內(nèi)的應(yīng)力彈性圈內(nèi)的應(yīng)力彈、塑性圈交界面上的彈性應(yīng)力為彈、塑性圈交界面上的彈性應(yīng)力為 222202222011rRrRprRrRppRpepRprepp RpeRprep 02交界面上的塑性應(yīng)力交界面上的塑性應(yīng)力界面上

55、彈性應(yīng)力與塑性應(yīng)力相等，即界面上彈性應(yīng)力與塑性應(yīng)力相等，即 ctgcRRctgcpprp sin1sin20)( ctgcRRctgcppp sin1sin20sin1sin1)( ctgcRRctgcppRp sin1sin20)( ctgcRRctgcpppRp sin1sin200sin1sin1)(2解出解出RpRp sin2sin100)sin1)( mpctgcpctgcpRR結(jié)論：結(jié)論：地下洞室開挖后，圍巖塑性圈半徑地下洞室開挖后，圍巖塑性圈半徑R Rp p與巷道半徑與巷道半徑R R0 0成正成正比，與比，與p p0 0成正比，與成正比，與c c、 、p p等成反比等成反比，即隨

56、，即隨天然應(yīng)力天然應(yīng)力p p0 0增加而增大增加而增大，隨支護(hù)力隨支護(hù)力p p、巖體強(qiáng)度、巖體強(qiáng)度c c增加而減??；增加而減??；支護(hù)力支護(hù)力p p不能改變交界面上的應(yīng)力大小，但能控制塑性不能改變交界面上的應(yīng)力大小，但能控制塑性松動(dòng)圈半徑松動(dòng)圈半徑(R(Rp p) )的大小。的大小。支護(hù)反力支護(hù)反力p=0p=0時(shí)，時(shí)，R Rp p最大最大。修正芬納修正芬納- -塔羅勃公式塔羅勃公式卡斯特納卡斯特納(Kastner)(Kastner)公式公式 sin1sin200sin1 ctgcpctgcpRRp第七章 巖體力學(xué)在硐室工程中的應(yīng)用一、概述二、圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算三、圍巖的變形與破壞四、圍巖壓力計(jì)算

57、五、圍巖抗力與極限承載力一、基本概念一、基本概念地下洞室圍巖在重分布應(yīng)力作用下產(chǎn)生過量的塑地下洞室圍巖在重分布應(yīng)力作用下產(chǎn)生過量的塑性變形或松動(dòng)破壞，進(jìn)而引起施加于支護(hù)襯砌上性變形或松動(dòng)破壞，進(jìn)而引起施加于支護(hù)襯砌上的壓力，稱為的壓力，稱為圍巖壓力圍巖壓力。圍巖壓力是圍巖與支襯間的相互作用力，它與圍圍巖壓力是圍巖與支襯間的相互作用力，它與圍巖應(yīng)力不是同一個(gè)概念。圍巖應(yīng)力是巖體中的內(nèi)巖應(yīng)力不是同一個(gè)概念。圍巖應(yīng)力是巖體中的內(nèi)力，而圍巖壓力則是針對(duì)支襯結(jié)構(gòu)來說的，是作力，而圍巖壓力則是針對(duì)支襯結(jié)構(gòu)來說的，是作用于支護(hù)襯砌上的外力。用于支護(hù)襯砌上的外力。按圍巖壓力的形成機(jī)理，可將其劃分為按圍巖壓力的

58、形成機(jī)理，可將其劃分為形變圍巖形變圍巖壓力壓力、松動(dòng)圍巖壓力松動(dòng)圍巖壓力和和沖擊圍巖壓力沖擊圍巖壓力。1 1、形變圍巖壓力、形變圍巖壓力形變圍巖壓力形變圍巖壓力是由于圍巖塑性變形如塑性是由于圍巖塑性變形如塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓、彎折內(nèi)鼓等形成的擠壓擠入、膨脹內(nèi)鼓、彎折內(nèi)鼓等形成的擠壓力。力。產(chǎn)生形變圍巖壓力的條件：產(chǎn)生形變圍巖壓力的條件： 巖體較軟弱或破碎，圍巖應(yīng)力超過巖體較軟弱或破碎，圍巖應(yīng)力超過巖體的屈服極限而產(chǎn)生較大的塑性變形；巖體的屈服極限而產(chǎn)生較大的塑性變形； 深埋洞室，圍巖受壓力過大引起塑深埋洞室，圍巖受壓力過大引起塑性流動(dòng)變形。性流動(dòng)變形。一種特殊的形變圍巖壓力膨脹圍巖壓力膨脹圍巖壓

59、力：膨脹：膨脹圍巖由于礦物吸水膨圍巖由于礦物吸水膨脹產(chǎn)生的對(duì)支襯結(jié)構(gòu)脹產(chǎn)生的對(duì)支襯結(jié)構(gòu)的擠壓力。的擠壓力。形成的基本條件：形成的基本條件：一是巖體中要有膨一是巖體中要有膨脹性粘土礦物脹性粘土礦物( (如蒙如蒙脫石等脫石等) )；二是要有地下水的二是要有地下水的作用。作用。2 2、松動(dòng)圍巖壓力、松動(dòng)圍巖壓力松動(dòng)圍巖壓力松動(dòng)圍巖壓力是由于圍巖拉裂塌落、塊體滑移是由于圍巖拉裂塌落、塊體滑移及重力坍塌等破壞引起的壓力，這是一種有限及重力坍塌等破壞引起的壓力，這是一種有限范圍內(nèi)脫落巖體重力施加于支護(hù)襯砌上的壓力。范圍內(nèi)脫落巖體重力施加于支護(hù)襯砌上的壓力。大小取決于圍巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面交切組合關(guān)系及大小取決于

60、圍巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面交切組合關(guān)系及地下水活動(dòng)和支護(hù)時(shí)間等因素。地下水活動(dòng)和支護(hù)時(shí)間等因素。松動(dòng)圍巖壓力可采用松散體極限平衡或塊體極松動(dòng)圍巖壓力可采用松散體極限平衡或塊體極限平衡理論進(jìn)行分析計(jì)算。限平衡理論進(jìn)行分析計(jì)算。3 3、沖擊圍巖壓力、沖擊圍巖壓力沖擊圍巖壓力沖擊圍巖壓力是由是由巖爆巖爆形成的一種特殊圍巖壓形成的一種特殊圍巖壓力。它是強(qiáng)度較高且較完整的彈脆性巖體過度力。它是強(qiáng)度較高且較完整的彈脆性巖體過度受力后突然發(fā)生巖石彈射變形所引起的圍巖壓受力后突然發(fā)生巖石彈射變形所引起的圍巖壓力現(xiàn)象。力現(xiàn)象。沖擊圍巖壓力的大小與天然應(yīng)力狀態(tài)、圍巖力沖擊圍巖壓力的大小與天然應(yīng)力狀態(tài)、圍巖力學(xué)屬性等密切相關(guān)