第九章地下洞室圍巖穩(wěn)定性

1第九章地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析§9.1

概述§9.2

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算§9.3

圍巖的變形與破壞§9.4

圍巖壓力計(jì)算§9.5

圍巖抗力與極限承載力2§9.1

概述地下洞室(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。地下洞室的分類按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉(cāng)庫(kù)）、地下軍事工程按洞壁受壓情況：有壓洞室、無(wú)壓洞室按斷面形狀：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、垂直洞室（井）按介質(zhì)類型：巖石洞室、土洞按應(yīng)力情況：?jiǎn)问蕉词?、群洞地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章3圍巖應(yīng)力重分布問(wèn)題——計(jì)算重分布應(yīng)力圍巖變形與破壞問(wèn)題——計(jì)算位移、確定破壞范圍圍巖壓力問(wèn)題——計(jì)算圍巖壓力有壓洞室圍巖抗力問(wèn)題——計(jì)算圍巖抗力洞室圍巖力學(xué)問(wèn)題hV地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章4§9.2

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算重分布應(yīng)力：地下開挖擾動(dòng)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)。圍巖重分布應(yīng)力計(jì)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(jì)算③支護(hù)襯砌后圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改善地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章5一、無(wú)壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算1、彈性圍巖重分布應(yīng)力堅(jiān)硬致密的塊狀巖體，當(dāng)天然應(yīng)力大約等于或小于其單軸抗壓強(qiáng)度的一半時(shí)，圍巖呈彈性變形?？山埔暈楦飨蛲?、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(xué)計(jì)算。如果洞室半徑相對(duì)洞長(zhǎng)很小，按平面應(yīng)變問(wèn)題考慮，概化為兩側(cè)受均布?jí)毫Φ谋“逯行男A孔周邊應(yīng)力分布的計(jì)算問(wèn)題。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章6（1）圓形洞室設(shè)無(wú)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(wèn)題考慮，不計(jì)體力，M點(diǎn)的各應(yīng)力分量為：柯西課題地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章xppR07邊界條件地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章解微分方程8M點(diǎn)的應(yīng)力分量地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章9MxVHMxH=+VMx假定洞室開挖在天然應(yīng)力比值系數(shù)為λ的巖體中，把問(wèn)題簡(jiǎn)化為無(wú)重板巖體力學(xué)模型柯西課題柯西課題無(wú)重板巖體力學(xué)模型地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章10σv引起的圍巖重分布應(yīng)力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章11由σH產(chǎn)生的重分布應(yīng)力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章12σv和σH同時(shí)作用時(shí)圓形洞室圍巖重分布應(yīng)力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章13σv和σH同時(shí)作用時(shí)圓形洞室圍巖重分布應(yīng)力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章14討論：

洞壁上的重分布應(yīng)力洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，為單向應(yīng)力狀態(tài)σθ大小與與洞室尺寸R0無(wú)關(guān)當(dāng)θ=0、180o，σθ=3σV-σh=（3-）σV

當(dāng)θ=90、270o，σθ=3σh-σV=（3-1）σV當(dāng)λ＜1/3時(shí)，洞頂?shù)讓⒊霈F(xiàn)拉應(yīng)力當(dāng)1/3＜λ＜3時(shí)，σθ為壓應(yīng)力且分布較均勻當(dāng)λ＞3時(shí)，洞壁兩側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，洞頂?shù)壮霈F(xiàn)較高的壓應(yīng)力集中地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章15地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章16討論

靜水壓力式天然應(yīng)力場(chǎng)中的圍巖重分布應(yīng)力圍巖內(nèi)重分布應(yīng)力與θ角無(wú)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(dāng)r＝R0(洞壁)時(shí)，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(shuō)明洞壁最易發(fā)生破壞地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章17r增大，σr增大，σθ減小，都漸趨于σ0值。在理論上，σr，σθ要在r→∞處才達(dá)到σ0值，但實(shí)際上σr，σθ趨近于σ0的速度很快，當(dāng)r=6R0時(shí)，σr和σθ與σ0接近。一般認(rèn)為，地下洞室開挖引起的圍巖分布應(yīng)力范圍為6R0。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章18（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(diǎn)的應(yīng)力與開挖前洞壁處該點(diǎn)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(diǎn)開挖前后應(yīng)力的變化情況。圓形洞室α,β為應(yīng)力集中系數(shù)，其大小僅與點(diǎn)的位置有關(guān)。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章19地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章20特點(diǎn)：①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②各種形狀洞室的角點(diǎn)或急拐彎處應(yīng)力集中最大，如正方形或矩形洞室角點(diǎn)等。③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)。④當(dāng)巖體中天然應(yīng)力σh和σv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。⑤當(dāng)巖體中天然應(yīng)力σh和σv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。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(diǎn)上過(guò)大的應(yīng)力集中。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章21地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章1、σθA都隨a/b的增加而增加，而σθB隨a/b的增加而減少(ξ=0情況除外)2、對(duì)于ξ=1/3的情況，當(dāng)a=b時(shí)，σθB＝0；a>b時(shí)，σθB<0而ξ=0時(shí)，σθB＝-γZ22地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章23地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章1、應(yīng)力集中的最高部位在四個(gè)角上；2、在ξ=0時(shí)，角點(diǎn)上的集中應(yīng)力隨B/H的增加而升高；3、在ξ=1、1/3，B/H＝1時(shí)，角點(diǎn)的應(yīng)力集中值最??；4、當(dāng)ξ=0、1/3時(shí)頂部出現(xiàn)拉伸應(yīng)力。24地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章25（3）軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖重分布應(yīng)力的影響1)圍巖中有一條垂直于σv、沿水平直徑與洞壁相交的軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)于θ＝0，沿水平直徑方向上所有的點(diǎn)τrθ均為0。因此，沿結(jié)構(gòu)面各點(diǎn)的σθ和σr均為主應(yīng)力，結(jié)構(gòu)面上無(wú)剪應(yīng)力作用。所以不會(huì)沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)面存在對(duì)圍巖重分布應(yīng)力的彈性分析無(wú)影響。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章262)圍巖中存在一平行于

σv、沿鉛直方向直徑與洞壁相交的軟弱結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面上無(wú)剪應(yīng)力作用，不會(huì)因結(jié)構(gòu)面存在而改變圍巖中彈性應(yīng)力分布情況。當(dāng)λ＜1/3時(shí)，在洞頂?shù)讓a(chǎn)生拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)面將被拉開，并在頂?shù)仔纬梢粋€(gè)橢圓形應(yīng)力降低區(qū)。橢圓短軸與洞室水平直徑一致，為2R0，長(zhǎng)軸平行于結(jié)構(gòu)面，為2R0＋2Δh地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章272、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(dāng)它超過(guò)圍巖屈服極限時(shí)，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(gè)塑性松動(dòng)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。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章28塑性松動(dòng)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(lái)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))。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章29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(dòng)圈半徑為R1，巖體中的天然應(yīng)力為σh＝σv＝σ0，圈內(nèi)巖體強(qiáng)度服從莫爾直線強(qiáng)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，在ab和cd上作用有σθ。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章30塑性條件地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章31地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章32地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章塑性圈內(nèi)圍巖重分布應(yīng)力與巖體天然應(yīng)力(σ0)無(wú)關(guān)，而取決于支護(hù)力(pi)和巖體強(qiáng)度(Cm，φm)值。33當(dāng)r=R0時(shí)當(dāng)r=R0，Pi=0時(shí)洞壁上地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章34塑性圈與彈性圈交界面(r＝R1)的應(yīng)力該面上：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(wú)關(guān)。支護(hù)力不能改變交界面上的應(yīng)力大小，只能控制塑性松動(dòng)圈半徑(R1)的大小。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章35二、有壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)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(fù)雜。應(yīng)力變化過(guò)程：1）圍巖最初處于開挖后引起的重分布應(yīng)力之中2）進(jìn)行支護(hù)襯砌，使圍巖重分布應(yīng)力得到改善3）洞室建成運(yùn)行后洞內(nèi)壁作用有內(nèi)水壓力，使圍巖中產(chǎn)生一個(gè)附加應(yīng)力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第八章36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，最后到距內(nèi)壁一定距離時(shí)達(dá)到零。附加徑向和環(huán)向應(yīng)力也是近洞壁大，遠(yuǎn)離洞壁小。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章37b→∞，pb＝σ0時(shí)b2/(b2－a2)≈1，a2/(b2＋a2)≈0地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章38地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章若有壓洞室半徑為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(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。39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。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)力值地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章40§9.3圍巖的變形與破壞地下開挖后，巖體中形成一個(gè)自由變形空間，使原來(lái)處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐而發(fā)生向洞內(nèi)松脹變形；如果這種變形超過(guò)了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落形成坍塌、滑動(dòng)或巖爆，稱前者為變形，后者為破壞。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章41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地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章42一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點(diǎn)

1、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)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(lái)分析。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章43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。塊體滑移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。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.裂隙地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章44地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章452、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(cuò)動(dòng)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?、彈性板或材料力學(xué)中的壓桿平衡理論來(lái)分析。

地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章46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，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。在直立層狀圍巖中，當(dāng)天然應(yīng)力比值系數(shù)λ＜1/3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，發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，危及洞頂安全。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章47地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章483、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)化破碎加次生夾泥的巖體。變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方和滑動(dòng)。用松散介質(zhì)極限平衡理論來(lái)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(shí)，由于巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第八章49地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章504、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎、強(qiáng)烈風(fēng)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(shí)，以拱頂冒落為主。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)為局部塌方、塑性擠入及滑動(dòng)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(lái)分析。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章拱形冒落局部塌方側(cè)鼓底鼓51圍巖的變形破壞是漸進(jìn)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(guò)程地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章52分析圍巖變形破壞時(shí)，應(yīng)抓住其變形破壞的始發(fā)點(diǎn)和發(fā)生連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，預(yù)測(cè)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。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章53二、圍巖位移計(jì)算1、彈性位移計(jì)算

圍巖處于彈性狀態(tài),位移可用彈性理論進(jìn)行計(jì)算。分兩種情況: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(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：地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章54平面應(yīng)變-應(yīng)力的物理方程地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章55平面應(yīng)變條件下的圍巖位移地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章56靜水壓力式天然應(yīng)力在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(wú)環(huán)向位移。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章洞壁的彈性位移57(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

，開挖前洞壁應(yīng)力為σr1＝σθ1＝σ0，開挖后重分布應(yīng)力為σr2＝0，σθ2＝2σ0。應(yīng)力差為地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章58洞壁圍巖的徑向位移為地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章支護(hù)力為pi，洞壁的徑向位移592、塑性位移計(jì)算塑性位移采用彈塑性理論分析基本思路: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。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第八章彈性圈內(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。60由σ0引起的應(yīng)力由σR1引起的附加應(yīng)力彈性圈內(nèi)的重分布應(yīng)力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章61開挖形成塑性圈后，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：地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章62彈、塑性圈交界面上的徑向應(yīng)變?chǔ)臨1地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章彈、塑性圈交界面的徑向位移uR163地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章塑性圈作用于彈性圈的徑向應(yīng)力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64三、圍巖破壞區(qū)范圍的確定方法對(duì)于整體狀、塊狀巖體可用彈性力學(xué)或彈塑性力學(xué)方法確定其圍巖破壞區(qū)厚度。松散巖體常用松散介質(zhì)極限平衡理論方法來(lái)確定。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章1、彈性力學(xué)方法確定：破壞范圍

破壞圈厚度65洞頂、底將出現(xiàn)拉應(yīng)力。若拉應(yīng)力大于圍巖的抗拉強(qiáng)度σt，則圍巖就要發(fā)生破壞。破壞范圍(λ＜1/3)地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章66洞壁圍巖均為壓應(yīng)力集中，當(dāng)大于圍巖的抗壓強(qiáng)度σc時(shí)，洞壁圍巖就要破壞。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章破壞范圍(λ>1/3)67破壞圈厚度當(dāng)r>R0時(shí)，在θ＝0，π/2，π，3π/2四個(gè)方向上，τrθ=0，σr和σθ為主應(yīng)力。圍巖的強(qiáng)度地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章68地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章692、彈塑性力學(xué)方法在裂隙巖體中開挖地下洞室時(shí)，將在圍巖中出現(xiàn)一個(gè)塑性松動(dòng)圈。圍巖的破壞圈厚度為R1－R0關(guān)鍵是確定塑性松動(dòng)圈半徑R1設(shè)巖體中的天然應(yīng)力為σh＝σv＝σ0彈性圈內(nèi)的應(yīng)力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章70彈、塑性圈交界面上的彈性應(yīng)力為交界面上的塑性應(yīng)力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章71界面上彈性應(yīng)力與塑性應(yīng)力相等解出R1地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章72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(hù)力pi、巖體強(qiáng)度Cm增加而減小。修正芬納-塔羅勃公式卡斯特納(Kastner)公式地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章73§8.4

圍巖壓力計(jì)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(guò)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(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(lái)說(shuō)的，是作用于支護(hù)襯砌上的外力。按圍巖壓力的形成機(jī)理，可將其劃分為形變圍巖壓力、松動(dòng)圍巖壓力和沖擊圍巖壓力。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章741、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，圍巖應(yīng)力超過(guò)巖體的屈服極限而產(chǎn)生較大的塑性變形；②深埋洞室，圍巖受壓力過(guò)大引起塑性流動(dòng)變形。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章75一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(duì)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。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章762、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。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(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限平衡理論進(jìn)行分析計(jì)算。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章773、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(qiáng)度較高且較完整的彈脆性巖體過(guò)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(xué)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(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，只能對(duì)沖擊圍巖壓力的產(chǎn)生條件及其產(chǎn)生可能性進(jìn)行定性的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章78二、圍巖壓力計(jì)算 1、形變圍巖壓力計(jì)算支襯結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的支護(hù)力pi就是作用于支襯上的形變圍巖壓力當(dāng)R1愈大時(shí)，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(dāng)擴(kuò)大塑性區(qū)，可以減小圍巖壓力。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章79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。pi取決于天然應(yīng)力σ0和巖體的Cm和φm。塑性圍巖的這種自承能力是有限的，當(dāng)pi降到某一低值pimin時(shí)，塑性圈就要塌落，這時(shí)圍巖壓力可能反而增大。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章80地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章用洞壁位移UR1代替R181在實(shí)際工程中，如果忽略支襯與圍巖間回填層壓縮位移的情況下，uR0主要包括兩部分：洞室開挖后到支襯前的洞壁位移u0和支護(hù)襯砌后支襯結(jié)構(gòu)的位移u2。u0取決于圍巖性質(zhì)及其暴露時(shí)間，可實(shí)測(cè)u2取決于支襯型式和剛度，對(duì)于混凝土襯砌的圓形洞室，假定圍巖與襯砌共同變形，用厚壁筒理論u2地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章82pi隨uR0增大而減小，說(shuō)明適當(dāng)?shù)淖冃斡欣诮档蛧鷰r壓力，減小襯砌厚度。當(dāng)uR0達(dá)到塑性圈開始出現(xiàn)時(shí)的位移(uR0)R1(即圍巖開始出現(xiàn)塑性變形)時(shí)，圍巖壓力將出現(xiàn)最大值pimax。隨uR0增大pi逐漸降低，到B點(diǎn)，

pi達(dá)到最低值。之后，pi又隨uR0增大而增大。因此，支護(hù)襯砌必須在AB之間進(jìn)行，越接近A點(diǎn)，pi越大，越近B點(diǎn)，pi越小。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章832、松動(dòng)圍巖壓力松動(dòng)圍巖壓力是指松動(dòng)塌落巖體重量所引起的作用在支護(hù)襯砌上的壓力。圍巖過(guò)度變形超過(guò)了它的抗變形能力，就會(huì)引起塌落等松動(dòng)破壞，這時(shí)作用于支護(hù)襯砌上的圍巖壓力就等于塌落巖體的自重或分量。計(jì)算松動(dòng)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。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章84(1)平衡拱理論（又稱普氏理論）該理論認(rèn)為：洞室開挖以后，如不及時(shí)支護(hù)，洞頂巖體將不斷跨落而形成一個(gè)拱形，稱塌落拱。這個(gè)拱形最初不穩(wěn)定，如果側(cè)壁穩(wěn)定，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(shí)增大。當(dāng)洞的埋深較大時(shí)，塌落拱不會(huì)無(wú)限發(fā)展，最終將在圍巖中形成一個(gè)自然平衡拱。作用于支護(hù)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(wú)關(guān)。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章85曲線LOM為平衡拱，對(duì)稱于y軸。在半跨LO段內(nèi)任取一點(diǎn)A，OA段的受力狀態(tài)為：半跨OM段對(duì)OA的水平作用力Rx，Rx對(duì)A點(diǎn)的力矩為Rxy；鉛直天然應(yīng)力σv在OA上的作用力σvx，它對(duì)A點(diǎn)的力矩為σvx2/2；LA段對(duì)OA段的反力W，它對(duì)A點(diǎn)的力矩為零。設(shè)平衡拱的拱高為h，半跨為b地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章拱的方程86考慮半拱LO的平衡，L0受Rx、σv作用，在拱腳L點(diǎn)受反力T和N作用。f為巖體的普氏系數(shù)(或稱堅(jiān)固性系數(shù))地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章87洞側(cè)壁穩(wěn)定：洞頂圍巖壓力為L(zhǎng)0M以下巖體的重量洞室、側(cè)壁不穩(wěn)定：洞的半跨將由b擴(kuò)大至b1，側(cè)壁巖體將沿LE和MF滑動(dòng)，滑面與垂直洞壁的夾角為α＝45°－φm/2。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章88洞頂?shù)乃蓜?dòng)圍巖壓力p1為AA′B′B塊體的重量地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章89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。按土壓力理論計(jì)算地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章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。側(cè)壁圍巖壓力90(2)太沙基理論假定跨度為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，沿面AA′和BB′發(fā)生滑移?；泼娴募羟袕?qiáng)度τ為：巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)為：地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章91取厚度為dz的薄層分析薄層的自重dG＝2bρgdz，極限平衡條件當(dāng)z＝0時(shí)，σv＝0地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章92當(dāng)z＝H時(shí)，σv即為作用于洞頂單位面積上的圍巖壓力，用q表示為：側(cè)壁亦不穩(wěn)定: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，可得作用于洞頂單位面積上的圍巖壓力q地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章93適用于散體結(jié)構(gòu)巖體中開挖的淺埋洞室。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章94(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(hù)襯砌上的壓力就是這些滑體的重量或其分量。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章95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。確定不穩(wěn)定體塌落或滑移的滑動(dòng)方向、可能滑動(dòng)面的位置、產(chǎn)狀和力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)。對(duì)楔形體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)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(jì)算其圍巖壓力。步驟地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章961)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(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑力；③楔形體的自重G1。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章97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。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(dòng)方向上的分力減去滑動(dòng)面的摩阻力后，在水平方向上的分力。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章98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：地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章993、巖爆(rockburst)巖爆

高天然應(yīng)力的彈脆性巖體地下開挖工程開挖卸荷及特殊的地質(zhì)構(gòu)造作用周邊巖體中應(yīng)力高度集中，積聚于較高的彈性應(yīng)變能當(dāng)開挖體圍巖中應(yīng)力超過(guò)巖體的容許極限狀態(tài)地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章100地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章101（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(qiáng)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(qiáng)度σc之比進(jìn)行判斷。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章1021)圍巖應(yīng)力條件經(jīng)驗(yàn)公式σ1／σc大于0.165～0.35的脆性巖體最易發(fā)生巖爆。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章1032)巖性條件彈性變形能系數(shù)ω：加載到0.7σc后再卸載至0.05σc時(shí)，卸載釋放的彈性變形能與加載吸收的變形能之比的百分?jǐn)?shù)。當(dāng)ω＞70％時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巖爆，ω越大發(fā)生巖爆的可能性越大。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章104應(yīng)變能消耗比：巖石單向壓縮時(shí)，達(dá)到強(qiáng)度極限前積累于巖石內(nèi)的應(yīng)變能與強(qiáng)度極限后消耗于巖石破壞的應(yīng)變能之比。式中：FOAB為曲線OAB包圍的面積；

FBAC為曲線BAC包圍的面積。n＜1時(shí)，不會(huì)發(fā)生巖爆；n＞1時(shí)，可能發(fā)生巖爆。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章105（2）影響巖爆的因素1)地質(zhì)構(gòu)造巖爆大都發(fā)生在褶皺構(gòu)造中。巖爆與斷層、節(jié)理構(gòu)造密切相關(guān)。當(dāng)掌子面與斷裂或節(jié)理走向平行時(shí)，容易觸發(fā)巖爆。巖體中節(jié)理密度和張開度對(duì)巖爆有明顯的影響。據(jù)南非金礦觀測(cè)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(shí)，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(qiáng)度也增大。發(fā)生巖爆的臨界深度H可按下式估算：地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章106（3）巖爆形成機(jī)理和圍巖破壞區(qū)分帶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(wú)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(fù)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(dòng)。巖塊發(fā)生彈射，巖爆形成。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章107巖爆的漸進(jìn)性破壞過(guò)程很短促。各階段在演化的時(shí)序和發(fā)展的空間部位，都是由洞壁向圍巖深部依次重復(fù)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。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章108§8.5

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(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)反力來(lái)阻止襯砌的變形。圍巖對(duì)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(dān)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(hù)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(jià)。圍巖極限承載力是表征圍巖承擔(dān)內(nèi)水壓力能力的指標(biāo)。它主要與圍巖的強(qiáng)度性質(zhì)及天