地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析課件

地下洞室圍巖穩(wěn)定性

的工程地質(zhì)分析地下洞室圍巖穩(wěn)定性

的工程地質(zhì)分析本章學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求

1）了解地下洞室的研究意義和一般分類方法，掌握地下洞室、洞室圍巖及支護的基本概念；

2）熟悉地下開挖后圍巖應(yīng)力重分布的特征，重點掌握圓-橢圓形洞室圍邊拉應(yīng)力與壓應(yīng)力的產(chǎn)生條件；

3）掌握洞室圍巖的變形破壞類型、特征及其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)與力學(xué)條件；

4）掌握影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素，熟悉地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析與評價方法；

5）了解地下巖體支護措施分類，熟悉常見、常用的圍巖支護措施。本章學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求1）了解地下洞室的研究意義和一般分類

本章重點：

1）地下洞室開挖后圍巖應(yīng)力分布特征；

2）地下洞室圍巖的各類變形破壞特征及其產(chǎn)生條件；

3）地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析與評價方法。

本章難點：

1）各類洞室圍巖在重分布應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中的條件；

2）各類圍巖變形破壞的控制因素和產(chǎn)生條件。本章重點及難點本章重點：本章重點及難點10.1地下洞室概念及研究意義

10.1.1基本概念

1地下洞室(undergroundcavity)

天然存在于巖土體中或為各種目的修建在地下的具有一定斷面形狀和尺寸并有較大延伸長度的中空通道或中空洞室統(tǒng)稱為地下洞室，包括礦山坑道、鐵路隧道、水工隧洞、地下發(fā)電站廠房、地下鐵道及地下停車場、地下儲油庫、地下彈道導(dǎo)彈發(fā)射井、以及地下飛機庫等。

10.1地下洞室概念及研究意義10.1.1基本公路隧道武漢長江隧道水電站地下廠房ssss公路隧道武漢長江隧道水電站地下廠房ssss10.1地下洞室概念及研究意義

10.1.1基本概念

2

圍巖（surroundingrock）

開挖空間周圍應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變的那部分巖體。

3二次應(yīng)力（secondarystress）巖體開挖引起的重新分布的應(yīng)力，也稱次生應(yīng)力。

4支護（Support）

用于支撐地下洞室圍巖，使其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。10.1地下洞室概念及研究意義10.1.1基本10.1地下洞室概念及研究意義

1

按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉庫）、地下市政工程、地下軍事工程；

2

按洞壁受壓情況：有壓洞室、無壓洞室；

3

按斷面形狀：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形；

4

按與水平面關(guān)系：水平式、傾斜式、垂直式；

5

按介質(zhì)類型：巖體洞室、土體洞室、水中洞室；

6

按應(yīng)力情況：單式洞室、群洞；

7

按埋置深度：淺埋式、深埋式。10.1.2地下洞室的分類10.1地下洞室概念及研究意義1按用途：二灘地下廠房錦屏地下廠房拉西瓦水工建筑二灘地下廠房錦屏地下廠房拉西瓦水工建筑10.1.3研究意義

1.地下空間應(yīng)用的歷史從15世紀開始的近代與現(xiàn)代諾貝爾發(fā)明黃色炸藥，成為地下空間開發(fā)的有效武器。第一時代第二時代第三時代至今古代時期（公元前3000～5世紀）埃及金字塔、古巴比倫引水隧洞，秦漢陵墓等。5世紀～14世紀的中世紀時代歐洲經(jīng)歷了封建社會最黑暗的千年文化低潮，地下空間開發(fā)利用基本處于停滯狀態(tài)。我國石窟逐漸形成。遠古時期（人類出現(xiàn)—公元前3000年）人類原始穴居,北京周口店的“山頂洞人”人類居住地址。第四時代10.1.3研究意義1.地下空間應(yīng)用的歷史從10.1.3研究意義

2.中國是世界地下工程發(fā)展強國中國是世界隧道和地下工程最多、發(fā)展最快、地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜的國家。

工程建設(shè)空間資源的局限，促進了地下洞室的建筑需求，但軟基、高地應(yīng)力、高水壓、高地溫、強破碎等復(fù)雜地質(zhì)條件及深埋、大跨度、超長等建筑要求增大了地下洞室的失穩(wěn)風(fēng)險。

3.中國也是世界地下工程風(fēng)險最大的國家10.1.3研究意義2.中國是世界地下工程發(fā)

以上客觀事實要求對地下洞室進行系統(tǒng)研究,解決圍巖應(yīng)力與強度之間的矛盾，防止地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生:為地下建筑的安全、經(jīng)濟提供保障；為工程設(shè)計、施工和各類問題提供充分可靠的地質(zhì)依據(jù)。10.1.3研究意義10.1地下洞室概念及研究意義圍巖應(yīng)力圍巖強度

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，各類地下洞室中的圍巖失穩(wěn)事故頻發(fā)，如塌方、涌水、巖爆、大變形、瓦斯爆炸等屢見不鮮；以上客觀事實要求對地下洞室進行系統(tǒng)研究,解決圍巖10.1.3研究意義10.1.3研究意義印度板塊歐亞板塊四川盆地青藏高原塔里木盆地鄂爾多斯地下地質(zhì)災(zāi)害問題，如：

地下工程坍方問題高地應(yīng)力與圍巖巖爆及大變形災(zāi)害問題巖溶隧道涌水突泥災(zāi)害及超前預(yù)報問題隧道瓦斯突出及防爆問題。。。。印度板塊歐亞板塊四川盆地青藏高原塔里木盆地鄂爾多斯地下地質(zhì)災(zāi)2009年6月6日，三亞市繞城高速公路迎賓隧道塌方，8名工人被困2009年6月6日，三亞市繞城高速公路迎賓隧道塌方，8名2008年5月17日，大盈江四級電站是盈江縣在建的重要水電站之一，它位于盈江縣東南距離縣城約70公里的崇山之中2006年01月16日，貴昆鐵路輔助隧道發(fā)生塌方12名施工人員被困2007年1月12日，巴西圣保羅市西部地鐵4號線一處工地發(fā)生塌方事故。當天下午發(fā)生的這次塌方事故造成至少3人受傷，1人失蹤2005.10.27，天汕高速廣福隧道塌方12人被困，該隧道是雙洞分離式高速公路隧道，出事點離出口約463米、離工作面約80米；原設(shè)計該段巖層為較堅固的V類圍巖，開挖后發(fā)現(xiàn)實際變更為較差的III類圍巖2008年5月17日，大盈江四級電站是盈江縣在建的重要水電站

錦屏二級水電站輔助洞巖爆錦屏二級水電站輔助洞巖爆

錦屏二級水電站輔助洞五次大涌水錦屏二級水電站輔助洞五次大涌水

圓梁山隧道突泥圓梁山隧道突泥

都汶高速公路隧道瓦斯爆炸

事故的直接原因：由于掌子面處塌方，瓦斯異常涌出，致使模板臺車附近瓦斯?jié)舛冗_到爆炸界限，模板臺車配電箱附近懸掛的三芯插頭短路產(chǎn)生火花引起瓦斯爆炸。

2005年12月22日14日40分，四川省都江堰至汶川高速公路董家山右線隧道發(fā)生特別重大瓦斯爆炸事故，造成44人死亡，11人受傷，直接經(jīng)濟損失2035萬元。董家山隧道左線全長4090米，右線全長4060米，事故發(fā)生時右線隧道完成開挖1487米、襯砌1419米。都汶高速公路隧道瓦斯爆炸事故的直接原因：由于掌子面處塌單軸應(yīng)力作用下的主應(yīng)力跡線

穩(wěn)態(tài)水流環(huán)繞圓柱形障礙時的流線

10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布

10.2.1圍巖應(yīng)力重分布的一般特點巖體初始應(yīng)力狀態(tài)洞室開挖后應(yīng)力重分布對比開挖巖體產(chǎn)生應(yīng)力重分布的主應(yīng)力跡線與穩(wěn)態(tài)水流越過障礙物時的流線。單軸應(yīng)力作用下的主應(yīng)力跡線穩(wěn)態(tài)水流環(huán)繞圓柱形障礙時的流線

理想彈性平板在單軸應(yīng)力作用下主應(yīng)力跡線的分布與穩(wěn)態(tài)水流經(jīng)過障礙物時的流線特征具有相似性：

①圓柱形障礙物置于光滑穩(wěn)態(tài)水流中時，水流環(huán)繞障礙物呈現(xiàn)彎曲；②緊靠障礙物的上、下游處，水流速度減慢，流線向外展開，與拉應(yīng)力區(qū)所出現(xiàn)的應(yīng)力跡線分開相似；③在障礙物兩側(cè)，水流加速，產(chǎn)生匯流現(xiàn)象，與壓應(yīng)力增大區(qū)應(yīng)力跡線的聚集相似；

④在大約三倍于障礙物直徑以外的區(qū)域，流線并不受障礙物的影響而產(chǎn)生明顯的彎曲。10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布理想彈性平板在單軸應(yīng)力作用下主應(yīng)力跡線的分布與穩(wěn)10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布巖體內(nèi)任何一點的初始應(yīng)力狀態(tài)（即原巖應(yīng)力）通?？梢源怪闭龖?yīng)力σv（通常為主應(yīng)力）和水平正應(yīng)力σh來表示（其中σvo值可以是零，也可以是常數(shù)）：

由上式可知：巖體內(nèi)的初始應(yīng)力隨深度而變化，對于地下洞室來說，其垂直剖面上各點的原巖應(yīng)力大小是不等的，即地下洞室在巖體內(nèi)將是處在一種非均勻的初始應(yīng)力場中。h10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布巖體內(nèi)任何一點的初始應(yīng)10.2開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征h圍巖原巖(3-5)Dh

據(jù)森維南原理，開挖洞室引起的應(yīng)力狀態(tài)的重大變化局限在洞室橫剖面中最大尺寸的3-5倍范圍之內(nèi)。若此范圍不超出地表，則可假定在洞室的整個影響帶內(nèi)巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)與洞中心處是一樣的,這樣，就將非均勻應(yīng)力場簡化為均勻應(yīng)力場，從而簡化了圍巖應(yīng)力計算。圍巖及圍巖內(nèi)的初始應(yīng)力(a)(b)10.2開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征h圍巖原巖(3-5)Dh

由右圖(N=0.25)可以看出：①徑向應(yīng)力：隨著向自由表面的接近而逐漸減小,至洞壁處變?yōu)榱?；②切向?yīng)力：在一些部位愈接近自由表面切向應(yīng)力愈大,并于洞壁達最高值,產(chǎn)生壓應(yīng)力集中；在另一些部分,愈接近自由表面切向應(yīng)力愈低,有時甚至于洞壁附近出現(xiàn)拉應(yīng)力,產(chǎn)生拉應(yīng)力集中.引起強烈的主應(yīng)力分異應(yīng)力分布特征圍巖開挖引起洞室周邊各質(zhì)點向自由臨空面方向移動,隨圍巖處初始應(yīng)力狀態(tài)的不同，在洞室周邊產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布特征。10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布由右圖(N=0.25)可以看出：應(yīng)力分布特征

對于圓-橢圓形洞室，周邊可能的最大拉應(yīng)力集中和最大壓應(yīng)力集中分別發(fā)生于巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力軸和最小主應(yīng)力軸與周邊垂直相交的A、B兩點，而兩點之間的應(yīng)力則介于上述兩個極值之間，呈逐漸過渡狀態(tài)?？梢姡@兩點是判定圍巖是否穩(wěn)定的關(guān)鍵部位。10.2.2圓-橢圓形洞室周邊應(yīng)力集中的一般規(guī)律

圓～橢圓形洞室周邊上可能產(chǎn)生最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力集中的部位

10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布對于圓-橢圓形洞室，周邊可能的最大拉應(yīng)力集中和A點：①當N>1/3時，

σθ/συ>0，為壓應(yīng)力；②當N<1/3時，

σθ/συ<0，為拉應(yīng)力。

B點：

N不論取何值，都不產(chǎn)生拉應(yīng)力

對于不同N值條件下的圓形隧洞,其關(guān)鍵點的應(yīng)力狀態(tài)為：不同N值條件下圓形隧洞周邊的應(yīng)力分布10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布ABA點：對于不同N值條件下的圓形隧洞,其

根據(jù)彈性理論，圓-橢圓形地下洞室周邊A、B兩點的切向應(yīng)力可根據(jù)下式求得：式中:(α+βN）稱為應(yīng)力集中系數(shù)，記為Kc，則有,Kc=σθ/σv

。

A點和B點的α和β值列于下表：

由公式可知：對于不同N值，圓-橢圓形隧洞圍邊關(guān)鍵點的應(yīng)力狀態(tài)不同，可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，也可能出現(xiàn)壓應(yīng)力。10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布根據(jù)彈性理論，圓-橢圓形地下洞室周邊A

①當N=1,任何b/a,均不產(chǎn)生拉應(yīng)力;②當N=0,最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在A點,且其應(yīng)力集中系數(shù)與洞形無關(guān),σθ

／σv≡-1;③當0

N

1,特定洞形有特定的產(chǎn)生拉應(yīng)力的臨界N值：N<l時,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在A點,且N愈低于1,拉應(yīng)力愈大;N>1時,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在B點,N愈高于1,拉應(yīng)力愈大.1）拉應(yīng)力產(chǎn)生的條件洞室圍邊應(yīng)力集中系數(shù)與N值和軸比的關(guān)系①當N=1,任何b/a,均不產(chǎn)生拉應(yīng)力;1）拉應(yīng)力產(chǎn)生2）壓應(yīng)力產(chǎn)生的條件

①當b/a=N時，周邊無拉應(yīng)力,各點的壓應(yīng)力集中系數(shù)相等,為特定N值下,不同軸比洞室中可能產(chǎn)生最大壓應(yīng)力集中系數(shù)中的最小值,穩(wěn)定條件最好;

②當b/a＞N時,最大壓應(yīng)力集中產(chǎn)生于B點,且應(yīng)力集中系數(shù)隨兩者差值的增大而增大;

③當b/a＜N時,最大壓應(yīng)力集中產(chǎn)生于A點,且兩者的差值愈大,其應(yīng)力集中系數(shù)愈高.

洞室圍邊應(yīng)力集中系數(shù)與N值和軸比的關(guān)系2）壓應(yīng)力產(chǎn)生的條件①當b/a=N時，周邊無拉應(yīng)力,各點10.2.3方形-矩形洞室周邊應(yīng)力集中的一般規(guī)律

以上各圖表明：

①方形-矩形洞室周邊上最大壓應(yīng)力集中均產(chǎn)生于角點上;②角點上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)隨洞室寬高比(B/H)的不同而變化，在不同N值條件下，大體上都是方形或近似于方形洞室上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)最低，隨著B/H增大或減小，洞室角點上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)則線性或近似干線性地增大。10.2.3方形-矩形洞室周邊應(yīng)力集中的一般規(guī)律

10.2.4圓拱直墻形洞室應(yīng)力分布特征

據(jù)光彈試驗資料,城門洞型斷面上各特征點的切向應(yīng)力仍可按前式求得。圖中各特征點的應(yīng)力集中系數(shù)中α和β值列于下表，據(jù)此數(shù)據(jù)可作出N值與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系圖。10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布10.2.4圓拱直墻形洞室應(yīng)力分布特征據(jù)光圓拱直墻形洞室周邊各點的應(yīng)力集中系數(shù)與N的關(guān)系

根據(jù)左圖可以看出：①當N<7時，洞室周邊上的最大壓應(yīng)力集中產(chǎn)生在邊墻腳處的E點；②當N>7時，周邊上的最大壓應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到洞室頂拱的A點處。1）壓應(yīng)力產(chǎn)生的條件10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布圓拱直墻形洞室周邊各點的應(yīng)力集中系數(shù)與N的關(guān)系根

由圖中可以看出：①當N＜1時,隨著N值的降低,F處首先出現(xiàn)拉應(yīng)力(N

0.37),隨后A點處也開始產(chǎn)生拉應(yīng)力(N

0.25)；②當N＞1時,隨著N值的增加,C點最先出現(xiàn)拉應(yīng)力,(N＞2.02),隨后D點處也開始產(chǎn)生拉應(yīng)力(N＞2.31)。2）拉應(yīng)力產(chǎn)生的條件圓拱直墻形洞室周邊各點的應(yīng)力集中系數(shù)與N的關(guān)系10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布由圖中可以看出：2）拉應(yīng)力產(chǎn)生的條件圓拱直墻形洞

據(jù)森維南原理可知:洞室周邊的應(yīng)力狀態(tài)，只要其表面是光滑的,主要受其局部幾何形態(tài)的控制。在下圖所示的特定條件下,洞室周邊特定點A、B處的應(yīng)力與其形態(tài)間有如下定量關(guān)系：σA，σB:分別為A,B點的切向應(yīng)力;eA，eB:分別為A,B點的曲率半徑;W,H

:洞室的寬度和高度;10.2.5洞室周邊應(yīng)力與其形狀的定量關(guān)系

上述關(guān)系式表明：

①洞室周邊應(yīng)力與其曲率半徑呈負相關(guān)；②洞室周邊應(yīng)力與其寬或高呈正相關(guān)關(guān)系。利用上述關(guān)系式，可近似地計算任一形狀洞室周邊與主應(yīng)力垂直相交兩點(即A、B點)處的周邊應(yīng)力。據(jù)森維南原理可知:洞室周邊的應(yīng)力狀態(tài)，只要其

1初始應(yīng)力狀態(tài)不同N值條件下，相同形態(tài)的洞室周邊產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度和部位均不同

10.2.6影響圍巖應(yīng)力狀況的主要因素

對具有明顯蠕變特性的圍巖,洞室周邊附近的切向應(yīng)力要小于理想彈性巖層時的應(yīng)力;當遠離洞壁一定距離后，巖層內(nèi)的切向應(yīng)力要大于理想彈性巖層時的應(yīng)力TO理想彈性體

非理想彈性體

圍巖非線性特征對圍巖應(yīng)力的影響3

圍巖力學(xué)特性

2

洞室形態(tài)相同N值條件下，不同形態(tài)的洞室周邊產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度和部位均不同1初始應(yīng)力狀態(tài)10.2.6影響圍巖應(yīng)力

相鄰或交叉洞室的存在通常使圍巖應(yīng)力的集中程度增高，對洞室圍巖穩(wěn)定不利。

當洞室附近有斷層平行于洞壁通過時，在洞室和斷層之間的狹窄地帶往往產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，使該區(qū)圍巖的穩(wěn)定條件大為惡化。

斷層等不連續(xù)面對圍巖應(yīng)力分布的影響

各向異性的巖層或巖體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度遠大于各向同性的巖層或巖體結(jié)構(gòu)。5

巖性及結(jié)構(gòu)的各向異性4

不連續(xù)面6洞室群的空間關(guān)系并行傾斜隧道的圍巖應(yīng)力分布相鄰或交叉洞室的存在通常使圍巖應(yīng)力的集中程度增高①當圍巖應(yīng)力已經(jīng)超過巖體的極限強度時,圍巖發(fā)生破壞；②當圍巖應(yīng)力的量級介于巖體的極限強度和長期強度之間時，圍巖需經(jīng)瞬時的彈性變形及較長時期蠕動變形的發(fā)展方能達到最終的破壞；③當圍巖應(yīng)力的量級介于巖體的長期強度及蠕變臨界應(yīng)力之間時，除發(fā)生瞬時的彈性變形外，還要經(jīng)過一段時間的蠕動變形才能達到最終的穩(wěn)定；④當圍巖應(yīng)力小于巖體的蠕變臨界應(yīng)力時，圍巖將于瞬時的彈性變形后立即穩(wěn)定下來。2

圍巖變形破壞與巖體強度的關(guān)系1

圍巖變形破壞的實質(zhì)

圍巖變形破壞實質(zhì)上是圍巖結(jié)構(gòu)、圍巖強度與回彈應(yīng)力和應(yīng)力重分布及地下水重分布作用相互適應(yīng)的結(jié)果。10.3圍巖的變形破壞10.3.1圍巖變形破壞的一般規(guī)律性①當圍巖應(yīng)力已經(jīng)超過巖體的極限強度時,圍巖發(fā)生破③圍巖表部低應(yīng)力區(qū)的形成會促使巖體內(nèi)部的水分由高應(yīng)力區(qū)向圍巖的表部轉(zhuǎn)移，進一步惡化圍巖的穩(wěn)定條件，且使某些易于吸水膨脹的表部圍巖發(fā)生強烈的膨脹變形開挖→位移調(diào)整→應(yīng)力調(diào)整→變形、局部破壞→應(yīng)力再次調(diào)整→再次變形→較大范圍破壞②圍巖變形破壞具有漸進式逐次發(fā)展的特點應(yīng)力降低區(qū)應(yīng)力增高區(qū)應(yīng)力不變區(qū)圓形隧洞圍巖應(yīng)力分帶（N=1）①圍巖的變形、破壞通常從洞室周邊,特別是從那些最大壓應(yīng)力或拉應(yīng)力集中的部位開始,而后逐步向圍巖內(nèi)部發(fā)展的.

從而表成明顯的應(yīng)力分帶特征,其中表部的應(yīng)力降低區(qū)即為松動圈。3

圍巖變形破壞的一般規(guī)律③圍巖表部低應(yīng)力區(qū)的形成會促使巖體內(nèi)部的水分由圍巖的變形破壞形式及其與圍巖巖性及結(jié)構(gòu)的關(guān)系

巖體按介質(zhì)強度分為脆性圍巖與塑性圍巖，不同介質(zhì)的變形破壞類型及特征不同。4

圍巖變形破壞的類型與特征圍巖的變形破壞形式及其與圍巖巖性及結(jié)構(gòu)的關(guān)系巖

脆性圍巖的內(nèi)涵:

包括各種塊體狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的堅硬或半堅硬的脆性巖體（單軸飽和抗壓強度σc>30MPa）；力學(xué)機制：回彈變形和重分布應(yīng)力作用；影響因素：巖體初始應(yīng)力狀態(tài)、洞形、圍巖的巖體結(jié)構(gòu)；主要變形破壞類型：彎折內(nèi)鼓、張裂塌落、劈裂剝落、剪切滑移和巖爆10.3圍巖的變形破壞10.3.2脆性圍巖變形破壞脆性圍巖的內(nèi)涵:包括各種塊體狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的堅

①結(jié)構(gòu)條件：層狀、薄層狀巖體

②力學(xué)機制：

a）卸荷回彈的結(jié)果；

b）壓應(yīng)力集中使洞壁處的切向應(yīng)力超過巖層的抗彎折強度所造成的。

③應(yīng)力條件：

a)初始應(yīng)力較高（洞室埋深較大、水平地應(yīng)力較高）,且初始最大主應(yīng)力與平行洞向的巖層垂直（對應(yīng)卸荷回彈機制）；

b)初始最大主應(yīng)力與平行洞向的巖層平行（對應(yīng)壓應(yīng)力集中機制）

1彎折內(nèi)鼓①結(jié)構(gòu)條件：層狀、薄層狀巖體1彎折內(nèi)鼓

④產(chǎn)生部位：

a）洞壁、頂拱（對應(yīng)機制a-卸荷回彈）;b）洞室角點、洞壁、頂拱（對應(yīng)機制b-應(yīng)力集中）。

⑤表現(xiàn)形式：彎曲、拉裂、折斷圖10-8薄層狀圍巖的彎折內(nèi)鼓破壞a.水平巖層；b.陡立巖層1.設(shè)計斷面;2.破壞區(qū);3.崩塌;4.滑動;5.彎曲,張裂,折斷

圖10-9有利于產(chǎn)生彎折內(nèi)鼓破壞的局部構(gòu)造條件

10.3圍巖的變形破壞④產(chǎn)生部位：圖10-8薄層狀圍巖的彎折內(nèi)鼓破壞

①結(jié)構(gòu)條件：厚層狀或塊狀巖體

②力學(xué)機制：拉應(yīng)力集中導(dǎo)致應(yīng)力值超過圍巖的抗拉強度.

③應(yīng)力條件：初始最大主應(yīng)力垂直（豎直方向）時（N<1）

④產(chǎn)生部位：洞室的頂拱

⑤表現(xiàn)形式：掉塊、坍塌2張裂塌落N=1/3的應(yīng)力場中寬高比為6的坑道頂拱冒落對頂拱應(yīng)力的影響①結(jié)構(gòu)條件：厚層狀或塊狀巖體②力學(xué)機制：壓應(yīng)力集中導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生平行于洞室周邊的破裂.③應(yīng)力條件：初始最大主應(yīng)力與洞軸垂直或近垂直相交④產(chǎn)生部位：邊墻、頂拱⑤表現(xiàn)形式：片邦（邊墻）、片狀冒落（頂拱）3劈裂①結(jié)構(gòu)條件：厚層狀或塊狀巖體2張裂塌落N=1①結(jié)構(gòu)條件:厚層狀或塊狀巖體，存在不利結(jié)構(gòu)面；②力學(xué)機制:壓應(yīng)力集中程度較高導(dǎo)致沿斜向結(jié)構(gòu)面剪切滑移；③應(yīng)力條件:初始最大主應(yīng)力與洞軸垂直或近垂直相交；④產(chǎn)生部位:邊墻、頂拱；⑤表現(xiàn)形式:滑移（邊墻）、冒落（頂拱）塊體結(jié)構(gòu)圍巖中的剪切滑移1.層面；2.斷層；3.節(jié)理4

剪切滑動或剪切破壞①結(jié)構(gòu)條件:厚層狀或塊狀巖體，存在不利結(jié)構(gòu)面；塊體結(jié)

1）巖爆的基本概念地下洞室開挖后，巖體應(yīng)力重分布引起圍巖高彈性應(yīng)變能的突然釋放，而在洞室出現(xiàn)的巖體突發(fā)性爆裂現(xiàn)象。實質(zhì)上是洞室圍巖突然釋放大量潛能的一種動力脆性破壞。

5巖爆

2）巖爆的產(chǎn)生條件

內(nèi)因：

a）高儲能體的存在(高強度、塊狀或厚層狀脆性巖體)；

b）存在高地應(yīng)力或應(yīng)力接近于巖體強度極限.

外因：

a）機械開挖、爆破以及圍巖局部破裂產(chǎn)生的彈性振蕩

b）開挖迅速推進或累進性破壞所引起的局部應(yīng)力集中1）巖爆的基本概念5巖爆

3）巖爆的類型及特征

a）爆裂型

發(fā)生時伴有響聲，巖體出現(xiàn)不規(guī)則裂縫、裂隙擴張和巖塊掉落，在堅硬脆性巖體中易發(fā)生；

b）剝落型

發(fā)生時無響聲，巖體驟然劈裂，在半堅硬巖或?qū)訝顜r體中易發(fā)生；

c）彈射型

巖塊或巖片驟然向外射出或伴有氣噴，在高地應(yīng)力區(qū)或深埋隧洞、礦井中易發(fā)生；

d）松動型

發(fā)生時不易覺察,巖體中裂隙擴大,但尚未掉塊。3）巖爆的類型及特征

3）巖爆的類型及特征巖爆動力特征破壞方式片/層狀剝落彎曲鼓折破裂穹狀/楔狀爆裂破裂面特征

平整破裂面階梯狀破裂面貝殼狀破裂面穹狀破裂面弧形破裂面破壞性質(zhì)：以為張性、張剪性破壞為主，少量剪切。3）巖爆的類型及特征巖爆動力特征

4）巖爆烈度等級劃分4）巖爆烈度等級劃分

5）巖爆形成機制

劈裂成板階段（巖爆孕育）

洞壁表部在環(huán)向應(yīng)力作用下形成板狀劈裂，部分板裂巖體脫離母巖而剝落,而無巖塊彈射出現(xiàn).

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(fù)合破壞.處于爆裂彈射的臨界狀態(tài).

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.a）巖爆形成過程巖爆漸進破壞過程示意圖A、劈裂；B、剪斷；C、彈射

5）巖爆形成機制劈裂成板階段（巖爆孕育）a）b）巖爆形成機制的地質(zhì)力學(xué)模式

5）巖爆形成機制張裂-剝落機制

b）巖爆形成機制的地質(zhì)力學(xué)模式5）巖爆形成機制張裂-剝b）巖爆形成機制的地質(zhì)力學(xué)模式

5）巖爆形成機制張裂-傾倒機制模式

b）巖爆形成機制的地質(zhì)力學(xué)模式5）巖爆形成機制張裂-傾b）巖爆形成機制的地質(zhì)力學(xué)模式

5）巖爆形成機制張裂-滑移機制模式

b）巖爆形成機制的地質(zhì)力學(xué)模式5）巖爆形成機制張裂-滑b）巖爆形成機制的地質(zhì)力學(xué)模式

5）巖爆形成機制張剪-爆裂機制模式

b）巖爆形成機制的地質(zhì)力學(xué)模式5）巖爆形成機制張剪-爆b）巖爆形成機制的地質(zhì)力學(xué)模式

5）巖爆形成機制彎曲-鼓折機制模式

b）巖爆形成機制的地質(zhì)力學(xué)模式5）巖爆形成機制彎曲-鼓b）巖爆形成機制的地質(zhì)力學(xué)模式

5）巖爆形成機制穹狀剪切-爆裂機制模式

b）巖爆形成機制的地質(zhì)力學(xué)模式5）巖爆形成機制穹狀剪切巖爆傾向性指數(shù)Wet

彈性變形能系數(shù)w:加載到0.7σc后再卸載至0.05σc時,卸載釋放的彈性應(yīng)變能（фSP））與耗損的彈性應(yīng)變能（фST）變形能之比。

6）巖爆的基本預(yù)測方法Wet=фSP/фST根據(jù)波蘭國家標準：Wet≥5.0，將出現(xiàn)嚴重巖爆；

Wet=2.0～4.9，出現(xiàn)中、低烈度巖爆；

Wet<2.0，則不產(chǎn)生巖爆。巖爆傾向性指數(shù)Wet6）巖爆的基本預(yù)測方法W

6）巖爆的基本預(yù)測方法

應(yīng)力強度比法

a）用洞壁的最大環(huán)向應(yīng)力σθ與圍巖單軸飽和抗壓強度σb之比值作為巖爆產(chǎn)生的判斷應(yīng)力條件；

b）用天然應(yīng)力中的最大主應(yīng)力σ1與圍巖單軸飽和抗壓強度σb之比進行判斷。

6）巖爆的基本預(yù)測方法

6）巖爆的基本預(yù)測方法

強度應(yīng)力比法

利用圍巖飽和單軸抗壓強度σb與最大主應(yīng)力σm之比預(yù)測巖爆等級。（據(jù)水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范GB50287-2006）

6）巖爆的基本預(yù)測方法利用圍巖飽a)挪威Russense判據(jù)（點荷載指數(shù)與圍巖切向應(yīng)力比）

Is/

<0.083

嚴重巖爆

Is/

=0.083-0.15

中等巖爆

Is/

=0.15-0.20

輕微巖爆

Is/

>0.20

無巖爆

b)安德森提出的判據(jù)

/

c<0.35

一般不發(fā)生片幫及巖爆

/

c=0.35-0.5

可能發(fā)生巖爆、片幫

/

c>0.5-1.0

強烈?guī)r爆

c)Barton和Grimstad提出的判據(jù)

/

c 0.5-0.6 片幫及輕微巖爆

/

c 0.6-1.0 巖爆

/

c >1.0 嚴重巖爆以上,Is—點荷載指數(shù),

—切向應(yīng)力；

c—巖石抗壓強度其他方法

a)挪威Russense判據(jù)（點荷載指數(shù)與圍巖切向應(yīng)力比10.3.3塑性圍巖的變形與破壞

塑性圍巖的內(nèi)涵:

包括各種軟弱巖體（如頁巖、泥巖、粘土巖、炭質(zhì)千枚巖等）、斷層破碎帶和散體結(jié)構(gòu)巖體。主要影響因素：巖體初始應(yīng)力狀態(tài)、圍巖的巖性和巖體結(jié)構(gòu)、地下水。主要變形破壞類型：擠出、膨脹、涌流和坍塌等不同類型。10.3圍巖的變形與破壞10.3.3塑性圍巖的變形與破壞塑

1擠出①結(jié)構(gòu)條件:層狀及似層狀結(jié)構(gòu)的巖體(通常具有軟硬相間的特征)②巖性條件：

(a)固結(jié)程度較差的泥巖、粘土巖；

(b)各種富含泥質(zhì)的沉積或變質(zhì)巖層(如泥巖、頁巖、板巖和千枚巖等)中的擠壓剪切破碎帶;(c)火成巖中的富含泥質(zhì)的風(fēng)化破碎夾層等。

③地應(yīng)力條件：多處于高地應(yīng)力或者相對高應(yīng)力狀態(tài)。④力學(xué)機制：壓應(yīng)力集中使洞壁處的切向應(yīng)力超過圍巖的屈服強度.地下水往往成為“催化劑”。⑤表現(xiàn)形式：局部鼓出或突起，全斷面擠出。10.3圍巖的變形與破壞1擠出10.3圍巖的變形與破壞幾種發(fā)生塑性擠出的地質(zhì)條件幾種發(fā)生塑性擠出的地質(zhì)條件地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析課件

2膨脹①巖性條件：

a）富含粘土礦物(特別是蒙脫石、伊利石)的塑性巖石,如泥質(zhì)巖、粘土質(zhì)巖石等;b）含硬石膏的地層,如硬石膏遇水后就會發(fā)水化而轉(zhuǎn)化為石膏，體積隨之而增大，可增大20%；

②

膨脹機制：

a）吸水膨脹：易于吸水的塑性巖層；

b）減壓膨脹：通常發(fā)生在一些特殊的巖層中。例如一些富含橄欖石的超基性巖在地質(zhì)時期內(nèi)由于遭熱液、水解的作用而生成蛇紋石。這種轉(zhuǎn)變伴有體積的膨脹，但在有側(cè)限而不能自由膨脹的天然條件下，新生成的礦物只能部分地膨脹，并于地層內(nèi)形成一種新的體積－壓力平衡狀態(tài)。洞體開挖所造成的卸荷減壓，必然使附近這類地層的體積隨之而增大。③表現(xiàn)形式：鼓出或突起2膨脹

3涌流（塑流涌出）①結(jié)構(gòu)條件:松散結(jié)構(gòu)的巖體②力學(xué)機制:水壓力作用為主③產(chǎn)生部位:飽水斷層破碎帶、巖溶管道等部位④表現(xiàn)形式:懸浮并突然涌出平洞開挖時遭遇斷層破碎帶導(dǎo)致大量含泥碎塊石涌出3涌流（塑流涌出）平洞開挖時遭遇斷層破碎帶導(dǎo)致大量含泥碎4重力坍塌①結(jié)構(gòu)條件:主要為散體結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)的圍巖②力學(xué)機制:重力作用③產(chǎn)生部位:頂拱④表現(xiàn)形式:塌方松散介質(zhì)重力坍塌4重力坍塌松散介質(zhì)重力坍塌10.3.4圍巖變形破壞的累進性發(fā)展不同條件下圍巖的累進性破壞發(fā)展示意圖①原巖應(yīng)力的方向及大小；②地下洞室的形狀及尺寸；③巖體結(jié)構(gòu)及其強度。

圍巖內(nèi)應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)、強度等的不均一性及各向異性,導(dǎo)致應(yīng)力集中程度高、結(jié)構(gòu)強度較低的薄弱部位最先產(chǎn)生破壞,隨應(yīng)力的調(diào)整轉(zhuǎn)移,又引起次薄弱部位的破壞,如此累進發(fā)展,終將導(dǎo)致大范圍的失穩(wěn)破壞。

1

基本涵義（progressivefailure）

2

影響因素10.3圍巖的變形與破壞10.3.4圍巖變形破壞的累進性發(fā)展不同條件下圍巖的累進10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價

地下洞室圍巖穩(wěn)定性主要是可能出現(xiàn)的圍巖應(yīng)力與圍巖強度間的矛盾問題，各因素都是通過這兩個方面來影響洞室的穩(wěn)定性，歸納為三大類型：

①是通過圍巖應(yīng)力狀態(tài)而影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性主要包括巖體的原巖應(yīng)力狀態(tài)及洞室的剖面形狀和尺寸

②是通過圍巖的強度來影響洞室圍巖穩(wěn)定性主要包括圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)。

③是既能影響應(yīng)力狀態(tài)，又能影響圍巖強度的因素主要為地下水的賦存、活動條件。10.4.1影響圍巖穩(wěn)定性的因素分析

10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價地下洞室圍巖10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價

塑性圍巖：風(fēng)化速度快、力學(xué)強度低及遇水易軟化、膨脹或崩解，對圍巖的穩(wěn)定性最為不利。

脆性圍巖：巖石本身的強度遠高于結(jié)構(gòu)面的強度,故主要取決于巖體結(jié)構(gòu)。1

褶曲與斷裂①破壞了巖層的完整性，降低了巖體的強度。②經(jīng)受的構(gòu)造變動次數(shù)愈多、愈強烈，巖層節(jié)理就愈發(fā)育，巖石也就愈破碎。2

巖體的巖性及結(jié)構(gòu)

散體狀及碎裂狀結(jié)構(gòu)的巖體穩(wěn)定性最差，薄層狀結(jié)構(gòu)者次之，而厚層狀、塊狀及整體狀結(jié)構(gòu)巖體穩(wěn)定性最好。1）巖體巖性2）巖體結(jié)構(gòu)10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價塑性圍巖：風(fēng)化速①可使巖石軟化，強度降低，加速巖石風(fēng)化；②還能軟化和沖走軟弱結(jié)構(gòu)面的充填物；③減小結(jié)構(gòu)面的抗剪強度，促使巖體滑動與破壞；④在膨脹性巖體中地下水可造成膨脹地壓。

是控制地下工程圍巖變形破壞的重要因素。為避免洞室的頂拱和邊墻出現(xiàn)過大的切向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力的集中，軸線應(yīng)盡可能與區(qū)域最大主應(yīng)力方向一致；當?shù)叵鹿こ痰臄嗝娉时馄叫螒B(tài)時，為避免頂拱出現(xiàn)拉應(yīng)力，改善頂拱圍巖的穩(wěn)定條件，則應(yīng)使洞室軸線垂直于最大主應(yīng)力方向。3

地下水4

原巖應(yīng)力10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價①可使巖石軟化，強度降低，加速巖石風(fēng)化；10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價

對于一般的工程隧洞，由于規(guī)模和埋深不大，破壞失穩(wěn)總是發(fā)生在圍巖強度顯著降低的部位，不穩(wěn)定的地質(zhì)標志較為明顯，主要有：

①破碎松散巖石或軟弱的塑性巖類分布區(qū)：包括巖體中的風(fēng)化、構(gòu)造破碎帶以及風(fēng)化速度快、力學(xué)強度低、遇水易于軟化、膨脹或崩解的鉆土質(zhì)巖類的分布地帶；

②碎裂結(jié)構(gòu)巖體及半堅硬的薄層狀結(jié)構(gòu)巖體分布區(qū);

③堅硬塊體狀及厚層狀巖體中：為幾組軟弱結(jié)構(gòu)面切割、能于洞頂或邊墻上構(gòu)成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的部位。10.4.2圍巖穩(wěn)定性的定性評價1地質(zhì)判斷10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價對于一般的工程隧①破碎松散巖體，穩(wěn)定性最差②碎裂或半堅硬薄層結(jié)構(gòu)巖體,穩(wěn)定性較差③堅硬層狀巖體結(jié)構(gòu)緊密，穩(wěn)定性較好④新鮮、堅硬塊層狀巖體,穩(wěn)定性最好①破碎松散巖體，穩(wěn)定性最差②碎裂或半堅硬薄層結(jié)構(gòu)巖體,穩(wěn)定2圍巖分類(廣義工程地質(zhì)類比)

中國地下建筑圍巖分類大體經(jīng)歷了二個階段：

①以巖石強度為指標的分類階段

20世紀50年代至60年代末，基本采用以巖石強度為指標的分類法，該法對地質(zhì)構(gòu)造、巖石風(fēng)化、地下水以及工程因素等的影響考慮較少。如按巖石的極限抗壓強度的大小的分類方法和以巖石堅固性為指標的前蘇聯(lián)普氏圍巖分類法。

②視圍巖為結(jié)構(gòu)體的分類階段實踐中逐漸認識到控制圍巖穩(wěn)定的決定性因素是巖體結(jié)構(gòu)和巖體強度，而不是巖石強度，視圍巖為結(jié)構(gòu)的分類法在實踐中很快廣泛所接受。例如我國的Z系統(tǒng)分類、鐵路隧道圍巖分類及國外的RMR分類、RSR分類以及Q系統(tǒng)分類。1）地下工程圍巖分類概況10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價2圍巖分類(廣義工程地質(zhì)類比)中國地下建有代表性的地下洞室圍巖分類方案一覽表有代表性的地下洞室圍巖分類方案一覽表70年代以來在總結(jié)以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，中國一些部門各自根據(jù)本部門的經(jīng)驗和需求相繼制定了一些圍巖分類，其中有鐵道部制定的鐵路隧道圍巖分類（6級劃分），水電部制定的水工隧道圍巖分類（5級劃分）具有代表性。

1994年，國家頒布了工程巖體質(zhì)量分類（GB50218-94），標志著我國巖體分類進入了新的階段。該方法采用兩級分類法，首先按巖體的基本質(zhì)量指標BQ進行初步分級；然后針對各類工程巖體的特征，考慮其它影響因素進行修正，如天然應(yīng)力、地下水、結(jié)構(gòu)面方位等。再按修正后的BQ進行詳細分級。

2）中國若干地下工程圍巖分類10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價70年代以來在總結(jié)以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，中國一些部門各自3）典型圍巖分類方案10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價巖體基本質(zhì)量分級（GB50218-94）①工程巖體質(zhì)量分級（國內(nèi)）a）工程巖體初步定級時巖體質(zhì)量指標按下式計算：

BQ=90+3Rc+250Kv

3）典型圍巖分類方案10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價巖體基

式中，[BQ]為巖體基本質(zhì)量指標修正值；BQ為巖體基本質(zhì)量指標值。地下水修正系數(shù)K1、初始應(yīng)力修正系數(shù)K2、結(jié)構(gòu)面組合情況修正系數(shù)K3

使用上式時應(yīng)遵守下列限制條件：當Rc>90Kv+30時，應(yīng)以Rc=90Kv+30和Kv代入計算BQ值；當Kv>0.04Rc+0.4時，應(yīng)以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入BQ計算值。10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）b）工程巖體詳細定級時巖體質(zhì)量指標計算公式：式中，[BQ]為巖體基本質(zhì)量指標修正值；BQ為巖體基本RMR分類因素及評分標準（DL/T5337-2006）②RMR分類方案（國外）RMR分類因素及評分標準（DL/T5337-2006）②為周邊最大壓應(yīng)力值；R為極限抗壓強度；H為極限抗拉強度；K為安全系數(shù)。為周邊最大拉應(yīng)力值；

關(guān)鍵部位是洞室周邊最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力集中的部位。整體圍巖穩(wěn)定的先決條件是這兩個部位的應(yīng)力-強度條件滿足下列關(guān)系：1）均質(zhì)或似均質(zhì)圍巖的穩(wěn)定性驗算

穩(wěn)定性驗算時一般應(yīng)考慮較大的安全系數(shù),采用對邊墻，K=4；對頂拱；K=4～8。

1圍巖穩(wěn)定性的解析分析方法10.4.3圍巖穩(wěn)定性的定量評價

10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價為周邊最大壓應(yīng)力值；R為極限抗壓強度；H為極限抗拉強2）含有單一軟弱結(jié)構(gòu)面的圍巖的穩(wěn)定性驗算（a）（b）靜水應(yīng)力場中圓形隧洞頂拱圍巖內(nèi)有一水平軟弱結(jié)構(gòu)面通過a為洞室半徑；r為研究點距洞中心的距離。

據(jù)Kirsch公式求得各分量，代入上式：σrr為徑向應(yīng)力；σθθ為切向應(yīng)力；σrθ

為剪應(yīng)力；2）含有單一軟弱結(jié)構(gòu)面的圍巖的穩(wěn)定性驗算（a）

如圖示兩組走向平行洞軸、傾向相反的結(jié)構(gòu)面將隧洞頂拱圍巖切割成對稱結(jié)構(gòu)塊體3）頂拱圍巖中簡單結(jié)構(gòu)塊體穩(wěn)定性驗算

可采用松弛法進行分析，其步驟要點為：

①先假定圍巖為無體力的彈性介質(zhì)，據(jù)彈性理論解求出切向應(yīng)力Ho及其作用在結(jié)構(gòu)面上的正應(yīng)力分量No及剪應(yīng)力分量So：兩組走向平行洞軸、傾向相反的結(jié)構(gòu)面將隧洞頂拱圍巖切割成對稱結(jié)構(gòu)塊體如圖示兩組走向平行洞軸、傾向相反的結(jié)構(gòu)面將隧②定量研究洞室開挖后頂拱圍巖結(jié)構(gòu)的松弛效應(yīng)

假定結(jié)構(gòu)體在重力作用下的垂直位移為uy，其垂直和平行于結(jié)構(gòu)面的位移分量分別為un和us，則有：

結(jié)構(gòu)體的上述位移必將引起圍巖應(yīng)力及結(jié)構(gòu)面上應(yīng)力的相應(yīng)變化：Ho及No減小為H及N，而So則增大為S。由于結(jié)構(gòu)松弛過程中表面應(yīng)力的增量與位移增量成正比，故有：式中：Kn與Ks分別為結(jié)構(gòu)面的法向剛度和剪切剛度。

②定量研究洞室開挖后頂拱圍巖結(jié)構(gòu)的松弛效應(yīng)

據(jù)水平方向力的平衡條件，可得：

所以據(jù)Ho、Kn、Ks和uy求得N、S后即可計算出H的大小

假定其中N、S以及H所代表的恰是結(jié)構(gòu)體處于極限平衡狀態(tài)時的應(yīng)力，則有：

整理，可得：簡化上式，可得：

據(jù)水平方向力的平衡條件，可得：根據(jù)垂直方向力的平衡條件：當Kn>>Ks時，上式可簡化為：④評價結(jié)構(gòu)體在實際自重力作用下的穩(wěn)定性③使單位長度結(jié)構(gòu)體處于極限平衡狀態(tài)的臨界體力Pt

式中：P為結(jié)構(gòu)體的實際自重力，K為結(jié)構(gòu)體安全系數(shù)

顯然，當K<1時，結(jié)構(gòu)體是不穩(wěn)定的。為保證頂拱的穩(wěn)定性，必須采取支護措施，使其提供的抗力大于（P-Pt）.將各分量代入得到：據(jù)上述各式可得：根據(jù)垂直方向力的平衡條件：當Kn>>Ks時，上式可簡化為：

1）圖解法的基本原理及結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性的一般判定赤平投影網(wǎng)及其透視圖2

圍巖穩(wěn)定性的圖解分析法（分離結(jié)構(gòu)體）OO90平面投影直線投影直線投影到已經(jīng)平面直線旋轉(zhuǎn)①赤平投影的基本原理與方法1）圖解法的基本原理及結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性的一般判定赤平投影網(wǎng)及②結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性及失穩(wěn)方式的一般判定（a）直接垮落型（b）滑動型（c）穩(wěn)定的塊體

如圖所示為三種典型情況：

a）塊體頂點的鉛垂線通過塊體的底面，則塊體是在重力作用下的直接垮落；

b）塊體頂點的投影不落在底面上，圖中的虛線為摩擦角φ，若滑動面或兩個滑面的交線的傾角大于φ，則塊體會沿該結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面交線產(chǎn)生滑動破壞；

c）則屬于穩(wěn)定的塊體。②結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性及失穩(wěn)方式的一般判定（a）直接垮落型（b）滑EWSNL1L2L3L1L2L3ACBOWSNL1L2L3EWSNL1L2L3E213DEB’D’E’A’O’D”E”B”A”①拱頂結(jié)構(gòu)體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算ABCCOO’EDBA2）特殊結(jié)構(gòu)體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算EWSNL1L2L3L1L2L3ACBOWSNL1L2L3EEWSNL1L2L3ABCDEFWESNL1L2L3ABCDEFA’B’C’OPlOO’PWESNL1L2L3ACDEFA’C’BB’ABEFA’C’CB’DWESNL1L2L3D’A”E’B"C”F’ABFA’C’CB’DWESNL1L2L3D’A”E’B"C”F’OWESNL1L2L3ABEFA’C’CB’DA”C”B"E’F’D’L1L2L3②邊墻結(jié)構(gòu)體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算EWSNL1L2L3ABCDEFWESNL1L2L3ABCD3）一般結(jié)構(gòu)體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算①幾何學(xué)分析

基于石根華的塊體理論，開發(fā)的專門用于地下工程塊體分析的Unwedge程序。假定結(jié)構(gòu)面相切形成的塊體為四面體；僅考慮塊體的重力及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)，而不考慮地應(yīng)力作用；結(jié)構(gòu)面為平面，結(jié)構(gòu)體為剛體，巖體變形僅為結(jié)構(gòu)面的變形；結(jié)構(gòu)面貫穿研究區(qū)域，且在保持產(chǎn)狀不變的情況下可任意移動；開挖斷面沿軸線方向恒定不變。3）一般結(jié)構(gòu)體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算①幾何學(xué)分析掉塊②運動學(xué)分析K=0沿單面滑動沿雙面滑動穩(wěn)定性系數(shù)計算公式：掉塊②運動學(xué)分析K=0沿單面滑動沿雙面滑動穩(wěn)定性系數(shù)計算公3

結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)解析法

通過平面方程與曲面方面聯(lián)立求解，獲得包括四面體在內(nèi)的多面分離塊體的幾何學(xué)參數(shù)：10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價3結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)解析法通過平面方程與曲面方面聯(lián)立分解為平面四面體和曲面五面體分解為平面五面體和曲面四面體拱頂塊體分解為平面四面體和曲面楔形體分解為平面四面體和曲面五面體分解為平面五面體和曲面四面體拱頂4

地下洞室圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究

利用有限元、離散元、有限差分、邊界元等數(shù)值計算方法可以計算洞室圍巖應(yīng)力、追蹤變形和破壞過程、分析失穩(wěn)破壞機制等。10.4地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價①可以處理含有軟弱結(jié)構(gòu)面及具有流變特性和復(fù)雜洞形的各種涉及非均質(zhì)、非線性圍巖的復(fù)雜應(yīng)力-應(yīng)變問題；②可以模擬研究各種支護方案的有效性以及不同施工程序?qū)鷰r穩(wěn)定性的影響。1）分析方法2）主要特點及優(yōu)勢4地下洞室圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究利用有限元、離散①通過地表調(diào)查、平硐編錄和專門的節(jié)理裂隙統(tǒng)計分析，掌握區(qū)內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)的定量化模式及構(gòu)造特征。②基于地應(yīng)力實測及數(shù)值反演