地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析

地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第1頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一第9章地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析§9.1概述§9.2圍巖重分布應(yīng)力計算§9.3圍巖的變形與破壞§9.4圍巖壓力計算§9.5圍巖抗力與極限承載力第2頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一§9.1概述1、地下洞室(undergroundcavity)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。2、地下洞室的分類按用途分：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉庫）、地下軍事工程按洞壁受壓情況分：有壓洞室、無壓洞室按斷面形狀分：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形按與水平面關(guān)系分：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介質(zhì)類型分：巖石洞室、土洞按應(yīng)力情況分：單式洞室、群洞第3頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一開挖完成后的結(jié)構(gòu)圖隧道錨桿彎矩與軸力分布曲線第4頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一圍巖應(yīng)力重分布問題——重分布應(yīng)力計算圍巖變形與破壞問題——位移計算、破壞區(qū)確定圍巖壓力問題——圍巖壓力計算有壓洞室圍巖抗力問題——圍巖抗力計算3、洞室圍巖力學問題hV第5頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一§9.2圍巖重分布應(yīng)力計算圍巖應(yīng)力計算：

①開挖前巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的確定②開挖后圍巖重分布應(yīng)力的計算③支護襯砌后圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改善重分布應(yīng)力：地下開挖擾動后在圍巖中形成的新的應(yīng)力。重分布應(yīng)力與圍巖性質(zhì)、洞形、洞室受外力狀態(tài)有關(guān)第6頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一一、無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計算1、彈性圍巖重分布應(yīng)力堅硬致密的塊狀巖體，圍巖呈彈性變形。可近似視為各向同性、連續(xù)、均質(zhì)的線彈性體，其圍巖重分布應(yīng)力可根據(jù)彈性力學計算。如果洞室半徑相對洞長很小，按平面應(yīng)變問題考慮，概化為受均布壓力的薄板中心小圓孔周邊應(yīng)力分布的計算問題。第7頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一MxVHMxVMxH=+假定洞室開挖在天然應(yīng)力比值系數(shù)為λ的巖體中，則問題可簡化為右圖所示的無重板巖體力學模型。σH=λσv第8頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一（1）圓形洞室設(shè)無限大彈性薄板，在邊界上受有沿x方向的外力p作用，薄板中有一半徑為R0的小圓孔，按平面問題考慮，不計體力，M點的各應(yīng)力分量,根據(jù)彈性理論為：第9頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一邊界條件：設(shè)應(yīng)力函數(shù)φ解微分方程，得各常數(shù)柯西課題第10頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一M點的應(yīng)力分量第11頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一由σv引起的重分布應(yīng)力由σH產(chǎn)生的重分布應(yīng)力第12頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一σv和σH同時作用時圓形洞室圍巖重分布應(yīng)力第13頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一討論：

1）洞壁上的重分布應(yīng)力洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，僅有σθ作用，為單向應(yīng)力狀態(tài)σθ大小僅與天然應(yīng)力狀態(tài)及計算點的位置θ有關(guān)，而與洞室尺寸R0無關(guān)。當θ=0、1800時，σθ=3σv

–σh當θ=90、2700時，σθ=3σh

–σv第14頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一

2）洞壁上的重分布應(yīng)力隨λ變化當λ＜1/3時，洞頂?shù)讓⒊霈F(xiàn)拉應(yīng)力；當1/3＜λ＜3時，洞壁的σθ全為壓應(yīng)力且應(yīng)力分布較均勻；當λ＞3時，兩側(cè)壁將出現(xiàn)拉應(yīng)力，洞頂?shù)讋t出現(xiàn)高壓應(yīng)力集中。每種洞形的洞室都有一個不出現(xiàn)拉應(yīng)力的臨界λ值，這對不同天然應(yīng)力場中合理洞形的選擇很有意義。第15頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一3）λ=1（σH=σv=σ0）時的圍巖重分布應(yīng)力圍巖內(nèi)重分布應(yīng)力與θ角無關(guān)，僅與R0和σ0有關(guān)。由于τrθ=0，則σr，σθ均為主應(yīng)力，且σθ恒為最大主應(yīng)力，σr恒為最小主應(yīng)力。當r＝R0(洞壁)時，σr=0，σθ=2σ0，可知洞壁上的應(yīng)力差最大，且處于單向受力狀態(tài)，說明洞壁最易發(fā)生破壞。第16頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一

4）σr、σθ隨著離洞壁距離r的變化隨著離洞壁距離r增大，σr逐漸增大，σθ逐漸減小，并都漸漸趨近于天然應(yīng)力σ0值。在理論上，σr，σθ要在r→∞處才達到σ0值，但實際上σr，σθ趨近于σ0的速度很快。當r=6R0時，σr和σθ與σ0相差僅2.8%。因此，一般認為，地下洞室開挖引起的圍巖分布應(yīng)力范圍為6R0。在該范圍以外，不受開挖影響，這一范圍內(nèi)的巖體就是常說的圍巖，是有限元計算模型的邊界范圍。第17頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一5）σr、σθ為主應(yīng)力的條件由式（8—10）可知，當τrθ＝0時，σr、σθ為主應(yīng)力，即：可得:當1)θ=0、90、180、2700

2)σh=σv

3)r=R0

時，

σr、σθ為主應(yīng)力第18頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一（2）其他形狀洞室應(yīng)力集中系數(shù)

地下洞室開挖后洞壁上一點的應(yīng)力與開挖前洞壁處該點天然應(yīng)力的比值，稱為應(yīng)力集中系數(shù)。該系數(shù)反映了洞壁各點開挖前后應(yīng)力的變化情況。α，β為應(yīng)力集中系數(shù)，其大小僅與點的位置有關(guān)。圓形洞室第19頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一第20頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一特點：①橢圓形洞室長軸兩端點應(yīng)力集中最大，易引起壓碎破壞；而短軸兩端易出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，不利于圍巖穩(wěn)定②各種形狀洞室的角點或急拐彎處應(yīng)力集中最大，如正方形或矩形洞室角點等。③長方形短邊中點應(yīng)力集中大于長邊中點，而角點處應(yīng)力集中最大，圍巖最易失穩(wěn)。④當巖體中天然應(yīng)力σh和σv相差不大時，以圓形洞室圍巖應(yīng)力分布最均勻，圍巖穩(wěn)定性最好。⑤當巖體中天然應(yīng)力σh和σv相差較大時，則應(yīng)盡量使洞室長軸平行于最大天然應(yīng)力的作用方向。⑥在天然應(yīng)力很大的巖體中，洞室斷面應(yīng)盡量采用曲線形，以避免角點上過大的應(yīng)力集中。第21頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一第22頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一2塑性圍巖重分布應(yīng)力地下開挖后，洞壁的應(yīng)力集中最大,當它超過圍巖屈服極限時，洞壁圍巖就由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，并在圍巖中形成一個塑性松動圈。隨著距洞壁距離增大，徑向應(yīng)力σr由零逐漸增大，應(yīng)力狀態(tài)由洞壁的單向應(yīng)力狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為雙向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖也就由塑性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)。圍巖中出現(xiàn)塑性圈和彈性圈。第23頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一塑性松動圈的出現(xiàn)，使圈內(nèi)一定范圍內(nèi)的應(yīng)力因釋放而明顯降低，而最大應(yīng)力集中由原來的洞壁移至塑、彈圈交界處，使彈性區(qū)的應(yīng)力明顯升高。彈性區(qū)以外則是應(yīng)力基本未產(chǎn)生變化的天然應(yīng)力區(qū)(或稱原巖應(yīng)力區(qū))。第24頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一彈塑性理論求解塑性圈內(nèi)的圍巖重分布應(yīng)力假設(shè)在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的巖體中開挖一半徑為R0的水平圓形洞室，開挖后形成的塑性松動圈半徑為R1，巖體中的天然應(yīng)力為σh＝σv＝σ0，圈內(nèi)巖體強度服從莫爾直線強度條件。塑性圈以外圍巖體仍處于彈性狀態(tài)。在塑性圈內(nèi)取一微小單元體abdc，bd上作用有σr，ac上作用有σr＋dσr。第25頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一平衡方程塑性條件第26頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一第27頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一當r=R0時當r=R0，Pi=0時塑性圈內(nèi)圍巖重分布應(yīng)力與巖體天然應(yīng)力(σ0)無關(guān)，而取決于支護力(pi)和巖體強度(Cm，φm)值。洞壁上第28頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一塑性圈與彈性圈交界面(r＝R1)該面上：彈性應(yīng)力=塑性應(yīng)力塑、彈性圈交界面上的重分布應(yīng)力取決于σ0和Cm、φm，而與pi無關(guān)。支護力不能改變交界面上的應(yīng)力大小，只能控制塑性松動圈半徑(R1)的大小。彈性圈內(nèi)的應(yīng)力用（8—12）式求。第29頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一二、有壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計算由于洞室內(nèi)壁上作用有較高的內(nèi)水壓力，使圍巖中的重分布應(yīng)力比較復雜。應(yīng)力變化過程：1）圍巖最初處于開挖后引起的重分布應(yīng)力之中2）進行支護襯砌，使圍巖重分布應(yīng)力得到改善3）洞室建成運行后洞內(nèi)壁作用有內(nèi)水壓力，使圍巖中產(chǎn)生一個附加應(yīng)力第30頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一彈性厚壁筒理論在一內(nèi)半徑為a，外半徑為b的厚壁筒內(nèi)壁上作用有均布內(nèi)水壓力pa，外壁作用有均勻壓力pb。在內(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。附加應(yīng)力也是近洞壁大，遠離洞壁小。第31頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一若使b→∞，pb＝σ0(天然應(yīng)力)時，則b2/(b2－a2)≈1，a2/(b2＋a2)＝0；a→R0,；Pa若有壓洞室半徑為R0，內(nèi)水壓力為pa有壓洞室圍巖重分布應(yīng)力σr和σθ由開挖以后圍巖重分布應(yīng)力和內(nèi)水壓力引起的附加應(yīng)力兩項組成。前項為重分布應(yīng)力；后項為內(nèi)水壓力引起的附加應(yīng)力值。第32頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)水壓力使圍巖產(chǎn)生負的環(huán)向應(yīng)力，即拉應(yīng)力。當這個環(huán)向應(yīng)力很大時，則常使圍巖產(chǎn)生放射狀裂隙。內(nèi)水壓力使圍巖產(chǎn)生附加應(yīng)力的影響范圍大致也為6倍洞半徑。內(nèi)水壓力引起的附加應(yīng)力值第33頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一§9.3圍巖的變形與破壞地下開挖后自由變形空間松脹變形等變形現(xiàn)象；如果這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞：坍塌、滑動或巖爆等現(xiàn)象。第34頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一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第35頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點

1、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學強度和抗變形能力，主要結(jié)構(gòu)面是節(jié)理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學屬性上可視為均質(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。圍巖具有很好的自穩(wěn)能力，其變形破壞形式主要有巖爆、脆性開裂及塊體滑移等。這類圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析，局部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來分析。第36頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應(yīng)力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。脆性開裂出現(xiàn)在拉應(yīng)力集中部位堅硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙塊體滑移是以結(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關(guān)系控制。第37頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一第38頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一2、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。結(jié)構(gòu)面以層理面為主，并有層間錯動及泥化夾層等軟弱結(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，破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。變形破壞?？捎脧椥粤骸椥园寤虿牧狭W中的壓桿平衡理論來分析。

第39頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一在水平層狀圍巖中，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。在傾斜層狀圍巖中，常表現(xiàn)為現(xiàn)為沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落。另一側(cè)邊墻巖塊滑移等破壞形式，形成不對稱的塌落拱。將出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象。在直立層狀圍巖中，當天然應(yīng)力比值系數(shù)λ＜1/3時，洞頂發(fā)生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側(cè)墻則因壓力平行于層面，常發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，進而危及洞頂安全。第40頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一第41頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一3、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風化破碎加次生夾泥的巖體。變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方和滑動。用松散介質(zhì)極限平衡理論來分析。在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大規(guī)模塌方。圍巖中含泥量很高時，由于巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入第42頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一第43頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一4、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強烈構(gòu)造破碎、強烈風化的巖體。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。圍巖結(jié)構(gòu)均勻時，以拱頂冒落為主。當圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松動巖體僅構(gòu)成局部圍巖時，常表現(xiàn)為局部塌方、塑性擠入及滑動等變形破壞形式。可用松散介質(zhì)極限平衡理論配合流變理論來分析。第44頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一圍巖的變形破壞是漸進式逐次發(fā)展的。

開挖-->應(yīng)力調(diào)整-->變形、局部破壞-->再次調(diào)整-->再次變形-->較大范圍破壞圍巖的變形破壞過程第45頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一分析圍巖變形破壞時，應(yīng)抓住其變形破壞的始發(fā)點和發(fā)生連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵點，預(yù)測變形破壞逐次發(fā)展及遷移的規(guī)律。在圍巖變形破壞的早期就加以處理，這樣才能有效地控制圍巖變形，確保圍巖的穩(wěn)定性。第46頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一二、圍巖位移計算1、彈性位移計算

圍巖處于彈性狀態(tài),位移可用彈性理論進行計算。分兩種情況:(1)由重分布應(yīng)力引起(2)由重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力之差引起(1)由重分布應(yīng)力引起平面應(yīng)變條件下洞壁圍巖彈性位移據(jù)彈性理論，平面應(yīng)變與位移間的關(guān)系為：第47頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一平面應(yīng)變與應(yīng)力的物理方程第48頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一洞壁的彈性位移平面應(yīng)變條件下的圍巖位移(8-30)第49頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一當天然應(yīng)力為靜水壓力狀態(tài)(σh＝σv＝σ0)時洞壁的彈性位移在σh＝σv＝σ0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。第50頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一(2)由重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力之差引起天然應(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由于開挖卸荷(開挖后重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力的應(yīng)力差)引起的。假設(shè)巖體中天然應(yīng)力為σh＝σv＝σ0，則開挖前洞壁圍巖中一點的應(yīng)力為σr1＝σθ1＝σ0，而開挖后洞壁上的重分布應(yīng)力為σr2＝0，σθ2＝2σ0。因開挖卸荷引起的應(yīng)力差為第51頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一是否考慮天然應(yīng)力對位移的影響，計算出的洞壁位移是不同的。若開挖后有支護力pi作用，則其洞壁的徑向位移為洞壁圍巖的徑向位移為第52頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一2、塑性位移計算洞壁圍巖的塑性位移采用彈塑性理論來分析。基本思路是先求出彈、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的徑向位移。假定洞壁圍巖位移是由開挖卸荷引起的，且?guī)r體中的天然應(yīng)力為σh＝σv＝σ0。由于開挖卸荷形成塑性圈后，彈、塑性圈交界面上的徑向應(yīng)力增量(Δσr)r＝R1和環(huán)向應(yīng)力增量(Δσθ)r＝R1為：第53頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一彈、塑性圈交界面上的徑向應(yīng)變εR1為彈、塑性圈交界面的徑向位移uR1塑性圈作用于彈性圈的徑向應(yīng)力(8-37)第54頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一塑性圈變形前后體積不變略去高階微量后，可得洞壁的徑向位移R1為塑性圈半徑；R0為洞室半徑；σ0為巖體天然應(yīng)力；Cm，φm為巖體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角(8-39)第55頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一三、圍巖破壞區(qū)范圍的確定方法對于整體狀、塊狀巖體可用彈性力學或彈塑性力學方法確定其圍巖破壞區(qū)厚度。松散巖體常用松散介質(zhì)極限平衡理論方法來確定。1、彈性力學方法確定：破壞范圍

破壞圈厚度第56頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一當巖體天然應(yīng)力比值系數(shù)λ＜1/3時，洞頂、底將出現(xiàn)拉應(yīng)力。若拉應(yīng)力大于圍巖的抗拉強度σt，則圍巖就要發(fā)生破壞。在λ＞1/3的天然應(yīng)力場中，洞壁圍巖均為壓應(yīng)力集中，當大于圍巖的抗壓強度σc時，洞壁圍巖就要破壞。破壞范圍第57頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一破壞圈厚度當r>R0時，在θ＝0，π/2，π，3π/2四個方向上，τrθ=0，σr和σθ為主應(yīng)力。圍巖的強度為第58頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一2、彈塑性力學方法在裂隙巖體中開挖地下洞室時，將在圍巖中出現(xiàn)一個塑性松動圈。圍巖的破壞圈厚度為R1－R0關(guān)鍵是確定塑性松動圈半徑R1設(shè)巖體中的天然應(yīng)力為σh＝σv＝σ0第59頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一由σ0引起的應(yīng)力由σR1引起的附加應(yīng)力彈性圈內(nèi)的應(yīng)力等于σ0引起的應(yīng)力，疊加上塑性圈作用于彈性圈的徑向應(yīng)力σR1引起的附加應(yīng)力之和第60頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一彈性圈內(nèi)的重分布應(yīng)力為彈、塑性圈交界面上的彈性應(yīng)力為：交界面上的塑性應(yīng)力：第61頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一界面上彈性應(yīng)力與塑性應(yīng)力相等聯(lián)立以上方程，相加消除σR1解出R1為：第62頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一地下洞室開挖后，圍巖塑性圈半徑R1隨天然應(yīng)力σ0增加而增大，隨支護力pi、巖體強度Cm增加而減小。修正芬納-塔羅勃公式卡斯特納(Kastner)公式第63頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一§9.4圍巖壓力計算一、基本概念地下洞室圍巖在重分布應(yīng)力作用下產(chǎn)生過量的塑性變形或松動破壞，進而引起施加于支護襯砌上的壓力，稱為圍巖壓力(peripheralrockpressure)。圍巖壓力是圍巖與支襯間的相互作用力，它與圍巖應(yīng)力不是同一個概念。圍巖應(yīng)力是巖體中的內(nèi)力，而圍巖壓力則是針對支襯結(jié)構(gòu)來說的，是作用于支護襯砌上的外力。按圍巖壓力的形成機理，可將其劃分為形變圍巖壓力、松動圍巖壓力和沖擊圍巖壓力。第64頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一1、形變圍巖壓力形變圍巖壓力是由于圍巖塑性變形如塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓、彎折內(nèi)鼓等形成的擠壓力。產(chǎn)生形變圍巖壓力的條件：①巖體較軟弱或破碎，這時圍巖應(yīng)力很容易超過巖體的屈服極限而產(chǎn)生較大的塑性變形；②深埋洞室，由于圍巖受壓力過大易引起塑性流動變形。第65頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一一種特殊的形變圍巖壓力膨脹圍巖壓力：膨脹圍巖由于礦物吸水膨脹產(chǎn)生的對支襯結(jié)構(gòu)的擠壓力。形成的基本條件：一是巖體中要有膨脹性粘土礦物(如蒙脫石等)；二是要有地下水的作用。第66頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一2、松動圍巖壓力松動圍巖壓力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，這是一種有限范圍內(nèi)脫落巖體重力施加于支護襯砌上的壓力。大小取決于圍巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面交切組合關(guān)系及地下水活動和支護時間等因素。松動圍巖壓力可采用松散體極限平衡或塊體極限平衡理論進行分析計算。第67頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一3、沖擊圍巖壓力沖擊圍巖壓力是由巖爆形成的一種特殊圍巖壓力。它是強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)、圍巖力學屬性等密切相關(guān)，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影響。沖擊圍巖壓力的大小，目前無法進行準確計算，只能對沖擊圍巖壓力的產(chǎn)生條件及其產(chǎn)生可能性進行定性的評價預(yù)測。第68頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一二、圍巖壓力計算 1、形變圍巖壓力計算支襯結(jié)構(gòu)對圍巖的支護力pi就是作用于支襯上的形變圍巖壓力Ⅰ+Ⅱ當R1愈大時，維持極限平衡所需的pi愈小。因此，在圍巖不至失穩(wěn)的情況下，適當擴大塑性區(qū)，可以減小圍巖壓力。第69頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一不僅處于彈性變形階段的圍巖有自承能力，處于塑性變形階段的圍巖也具有自承能力。塑性圍巖的這種自承能力是有限的，當pi降到某一低值pimin時，塑性圈就要塌落，這時圍巖壓力可能反而增大。當φm一定時，pi取決于天然應(yīng)力σ0和巖體Cm，而Cm的存在將減小維持圍巖穩(wěn)定所需的支護力pi值。第70頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一圍巖壓力pi隨洞壁位移uR0增大而減小，說明適當?shù)淖冃斡欣诮档蛧鷰r壓力，減小襯砌厚度。因此在實際工作中常采用柔性支襯結(jié)構(gòu)。隨uR0增大pi逐漸降低，到B點，pi達到最低值。之后，pi又隨uR0增大而增大。因此，支護襯砌必須在AB之間進行，越接近A點，pi越大，越近B點，pi越小。第71頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一如果支護襯砌是在B點以后，則圍巖就要產(chǎn)生松動塌落，這時作用于支護襯砌上的圍巖壓力反而會增大，其值等于松動圈塌落巖體的自重。當松動圈塌落時，最大松動圍巖壓力pi可用下式計算式中：ρ，Cm為巖體密度和內(nèi)聚力；k1，k2為松動壓力系數(shù)，用下式確定。第72頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一2、松動圍巖壓力松動圍巖壓力是指松動塌落巖體重量所引起的作用在支護襯砌上的壓力。圍巖過度變形超過了它的抗變形能力，就會引起塌落等松動破壞，這時作用于支護襯砌上的圍巖壓力就等于塌落巖體的自重或分量。計算松動圍巖壓力的方法主要有：平衡拱理論、太沙基理論及塊體極限平衡理論。第73頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一1.平衡拱理論（又稱普氏理論）該理論認為：洞室開挖以后，如不及時支護，洞頂巖體將不斷跨落而形成一個拱形，又稱塌落拱。最初這個拱形是不穩(wěn)定的，如果洞側(cè)壁穩(wěn)定，則拱高隨塌落不斷增高；反之，如側(cè)壁也不穩(wěn)定，則拱跨和拱高同時增大。當洞的埋深較大時，塌落拱不會無限發(fā)展，最終將在圍巖中形成一個自然平衡拱。這時，作用于支護襯砌上的圍巖壓力就是平衡拱與襯砌間破碎巖體的重量，與拱外巖體無關(guān)。利用該理論計算圍巖壓力時，首先要找出平衡拱的形狀和拱高。第74頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一曲線LOM為平衡拱，對稱于y軸。在半跨LO段內(nèi)任取一點A，取OA考察它的受力與平衡條件。OA段受力狀態(tài)：半跨OM段對OA的水平作用力Rx，Rx對A點的力矩為RxY；鉛直天然應(yīng)力σv在OA上的作用力σvX，它對A點的力矩為σvX2/2；LA段對OA段的反力W，它對A點的力矩為零。拱的曲線方程設(shè)平衡拱的拱高為h，半跨為b第75頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一考慮半拱LO的平衡，如圖所示，L0除受力Rx、σv作用外，在拱腳L點還有反力T和N。洞側(cè)壁穩(wěn)定時：洞頂?shù)乃蓜訃鷰r壓力即為L0M以下巖體的重量f為巖體的普氏系數(shù)(或稱堅固性系數(shù))代入前式得：第76頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一如果洞室、側(cè)壁都不穩(wěn)定，則：洞的半跨將由b擴大至b1，側(cè)壁巖體將沿LE和MF滑動，滑面與垂直洞壁的夾角為α＝45°－φm/2。洞頂?shù)乃蓜訃鷰r壓力p1為AA′B′B塊體的重量第77頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一側(cè)壁圍巖壓力為滑移塊體A′EL或B′MF的自重在水平方向上的投影。也可按土壓力理論計算側(cè)壁圍巖壓力平衡拱理論只適用散體結(jié)構(gòu)巖體。洞室上覆巖體需有一定的厚度(埋深H＞5b1)，才能形成平衡拱。第78頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一2.太沙基理論受節(jié)理裂隙切割的巖體視為一種具有一定內(nèi)聚力的散粒體。假定跨度為2b的矩形洞室，開挖在深度為H的巖體中。開挖以后側(cè)壁穩(wěn)定，頂拱不穩(wěn)定，并可能沿面AA′和BB′發(fā)生滑移?；泼娴募羟袕姸圈訛椋簬r體的天然應(yīng)力狀態(tài)為：第79頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一取厚度為dz的薄層分析薄層的自重dG＝2bρgdz，極限平衡條件當z＝0時，σv＝0。當z＝H時，σv即為作用于洞頂單位面積上的圍巖壓力，用q表示為：第80頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一若開挖后，側(cè)壁亦不穩(wěn)定時，則側(cè)壁圍巖將沿與洞壁夾45°－φm/2角的面滑移將柱體A′ABB′的自重扣除A′A，B′B面上的摩擦阻力，可求得作用于洞頂單位面積上的圍巖壓力q適用于散體結(jié)構(gòu)巖體中開挖的淺埋洞室。第81頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一3、塊體極限平衡理論地下洞室開挖后，圍巖中的某些塊體在自重作用下向洞內(nèi)滑移。作用在支護襯砌上的壓力就是這些滑體的重量或其分量。第82頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一從地質(zhì)構(gòu)造分析著手，找出結(jié)構(gòu)面的組合形式及其與洞軸線的關(guān)系。確定圍巖中可能不穩(wěn)定楔形體(或分離體)的位置和形狀。對不穩(wěn)定體塌落或滑移的運動學特征進行分析，確定其滑動方向、可能滑動面的位置、產(chǎn)狀和力學強度參數(shù)。對楔形體進行穩(wěn)定性計算。如果楔形體處于穩(wěn)定狀態(tài)，其圍巖壓力為零；如果不穩(wěn)定，就要具體地計算其圍巖壓力。步驟第83頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一(1)洞頂圍巖壓力作用在楔形體的力：①圍巖重分布應(yīng)力；②結(jié)構(gòu)面剪切強度產(chǎn)生的抗滑力；③楔形體的自重G1。如果楔形體不穩(wěn)定，則作用于洞頂支襯上的圍巖壓力pv就是該楔形體的自重。第84頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一(2)側(cè)壁圍巖壓力側(cè)壁不穩(wěn)定楔形體DEFH所形成的側(cè)壁圍巖壓力ph等于楔形體的重量在滑動方向上的分力減去滑動面的摩阻力后，在水平方向上的分力。楔形體的穩(wěn)定條件為：若楔形體不穩(wěn)定，則該楔形體產(chǎn)生的側(cè)向圍巖壓力ph為：第85頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一3、巖爆(rockburst)巖爆地下開挖周邊巖體中應(yīng)力高度集中，積聚于較高的彈性應(yīng)變能當圍巖中應(yīng)力超過巖體容許極限狀態(tài)高天然應(yīng)力彈脆性巖體第86頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一第87頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一（1）巖爆的產(chǎn)生條件1)圍巖應(yīng)力條件

判斷巖爆發(fā)生的應(yīng)力條件有兩種方法：一是用洞壁的最大環(huán)向應(yīng)力σθ與圍巖單軸抗壓強度σc之比值作為巖爆產(chǎn)生的應(yīng)力條件；一是用天然應(yīng)力中的最大主應(yīng)力σ1與巖塊單軸抗壓強度σc之比進行判斷。第88頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一1)圍巖應(yīng)力條件根據(jù)我國已產(chǎn)生巖爆的地下洞室資料統(tǒng)計，得出σ1／σc大于0.165～0.35的脆性巖體最易發(fā)生巖爆。第89頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一2)巖性條件用彈性變形能系數(shù)ω與應(yīng)變能消耗比來判斷來判斷巖爆的巖性條件。ω是指加載到0.7σc后再卸載至0.05σc時，卸載釋放的彈性變形能與加載吸收的變形能之比的百分數(shù)。當ω＞70％時，會產(chǎn)生巖爆，ω越大發(fā)生巖爆的可能性越大。第90頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)變能消耗比：巖石單向壓縮時，達到強度極限前積累于巖石內(nèi)的應(yīng)變能與強度極限后消耗于巖石破壞的應(yīng)變能之比。式中：FOAB為圖8-28中曲線OAB包圍的面積；FBAC為圖中曲線BAC包圍的面積。n＜1時，不會發(fā)生巖爆；n＞1時，在高應(yīng)力條件下可能發(fā)生巖爆。第91頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一（2）影響巖爆的因素1)地質(zhì)構(gòu)造實踐表明，巖爆大都發(fā)生在褶皺構(gòu)造中。巖爆與斷層、節(jié)理構(gòu)造也有密切的關(guān)系。調(diào)查表明，當掌子面與斷裂或節(jié)理走向平行時，將觸發(fā)巖爆。巖體中節(jié)理密度和張開度對巖爆也有明顯的影響。據(jù)南非金礦觀測表明，節(jié)理間距小于40cm，且張開的巖體中，一般不發(fā)生巖爆。掌子面巖體中有大量巖脈穿插時，也將發(fā)生巖爆。2)洞室埋深隨著洞室埋深增加，巖爆次數(shù)增多，強度也增大。發(fā)生巖爆的臨界深度H可按下式估算：第92頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一（3）巖爆形成機理和圍巖破壞區(qū)分帶巖爆的孕育、發(fā)生和發(fā)展過程，分為三個階段。1)劈裂成板階段（巖爆孕育）垂直洞壁方向受張應(yīng)力作用而產(chǎn)生平行于最大環(huán)向應(yīng)力的板狀劈裂。僅在洞壁表部，部分板裂巖體脫離母巖而剝落，而無巖塊彈射出現(xiàn)。2)剪切成塊階段(巖爆的醞釀)劈裂巖板向洞內(nèi)彎曲，發(fā)生張剪復合破壞。處于爆裂彈射的臨界狀態(tài)。3)塊、片彈射階段劈裂、剪斷巖板，產(chǎn)生響聲和震動。巖塊發(fā)生彈射，巖爆形成。第93頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一上述巖爆三個階段構(gòu)成的漸進性破壞過程都是很短促的。各階段在演化的時序和發(fā)展的空間部位，都是由洞壁向圍巖深部依次重復更迭發(fā)生的。因此，巖爆引起的圍巖破壞區(qū)可以分彈射帶、劈裂-剪切帶和劈裂帶等三帶。綜上所述，巖爆是地下工程中與地殼巖體內(nèi)動力作用有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害，它不僅與巖體天然應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，而且與巖體的力學屬性有關(guān)。巖爆的發(fā)生還受到地質(zhì)構(gòu)造、洞室埋深、形狀、施工方法及爆破震動等因素的影響。并可根據(jù)巖爆顯現(xiàn)的各種物理力學現(xiàn)象對巖爆進行預(yù)測預(yù)報，采取相應(yīng)的消除和控制措施，以減少其災(zāi)害損失。第94頁，共105頁，2023年，2月20日，星期一§9.5

圍巖抗力與極限承載力洞室由于存在很高的內(nèi)水壓力作用，迫使襯砌向圍巖方向變形，圍巖被迫后退時，將產(chǎn)生一個反力來阻止襯砌的變形。圍巖對襯砌的反力稱為圍巖抗力，或稱彈性抗力。圍巖抗力愈大，愈有利于襯砌的穩(wěn)定。圍巖抗力承擔了一部分內(nèi)水壓力，從而減小了襯砌所承受的內(nèi)水壓力，起到了保護襯砌的作用。充分利用圍巖抗力，可以大大地減薄襯砌的厚度，降低工程造價。圍巖極限承載力是表征圍巖承擔內(nèi)水壓力能力的指標。它主要與圍巖的強度性質(zhì)及天然應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。第