PPT地下工程围岩压力讲义95

地下工程程围岩压压力讲义义原岩应力力初始应力力的组成成自重应力力场和构构造应力力场原岩应力力的变化化规律①地应力力是个非非稳定应应力场②实测垂垂直应力力基本上上等于上上覆岩体体重力③水平应应力一般般大于垂垂直应力力④侧压系系数在浅浅部范围围内随深深度增加加而增加加，而在在深部则则随深度度增加而而减小。。⑤两个水水平应力力并不相相等确定原岩岩应力的的方法（1）现场量量测法ⅰ直接法。。直接法法是指岩岩体应力力由测量量仪器所所记录的的补偿应应力、平平衡应力力或其他他应力量量直接决决定，无无需知道道岩石的的物理力力学性质质和应力力——应变的关关系。这这类方法法包括早早期的扁扁千斤顶顶法、刚刚性圆柱柱应力计计法以及及后来的的水压致致裂法、、声发射射法等。。其中水压致裂法是目前应用较较为广泛的一一种直接量测测方法。地应力恢复法法（groundstressrestorationmethod）是测量岩石石绝对应力的的一种方法。。先在岩块表表面上安装不不同方向的三三个应变计，，记录它们的的初读数；接接着在岩块上上掏槽，使槽槽长远大于槽槽宽，并使槽槽壁与岩块表表面直交，再再记录应变计计的读数；最最后，把扁千千斤顶固装在在槽内,并逐渐增加千千斤顶内的油油压，使之逐逐渐施压于槽槽壁，直至三三个应变计恢恢复到未掏槽槽时的初读数数为止，此时时千斤顶施加加于槽壁的压压强即等于槽槽壁平面原有有的法向应力力。因扁千斤斤不能对槽壁壁施加张力和和剪力，故此此法只适用于于测量主平面面上的主应力力。●直接量测：主要采用压力力盒、压力传传感器等，压压力盒按工作作原理分为机机械作用式、、电测式和液液压式等，目目前使用较多多的是钢弦式式压力盒。ⅱ间接法。在间间接法中，测测试仪器不是是直接记录应应力或应力变变化值，而是是测量某些与与应力有关的的间接物理量量的变化，然然后，根据己己知的应力——应变关系，由由测得的间接接物理量，计计算出测点的的原岩应力值值。这类方法法有应力解除除法、松弛应应变测量法、、地球物理方方法等。其中中，应力解除法是目前国内外外应用最广泛泛的方法，也也是目前唯一一能够比较准准确地确定岩岩体中三维应应力状态的方方法。地应力解除法法（groundstressreliefmethod）又称地应变变解除法是目目前常用的一一种绝对地应力测测量方法。它用的的测量元件有有许多类型，，如电阻片型型、钢弦型和和压磁电感型型等，而以压压磁电感型元元件用得较多多。使用这种种元件测量地地应力时，先先在被测地点点钻一小孔，，把三个元件件放进孔内，，使之分别与与小孔的三个个不同方向的的直径取向一一致；然后在在每个元件上上预加一定的的压力，同时时记录三个元元件的电感值值；接着用套套钻在小孔四四周掏挖环形形圆槽，使被被测点的岩石石与其周围岩岩体分离，此此时再记录三三个元件的电电感值。根据据两次电感值值的差异，按按一定公式，，算出垂直于于孔轴的两个个主应力的大大小和方向。。●间接量测：利用量测隧道道衬砌的应变变、变形来推推算作用在其其上的围岩压压力的方法，，即间接量测测法。如电阻阻应变片、钢钢筋应变计、、遥测应变计计、混凝土应应变砖等（2）构造应力场场地质力学分分析法岩体中的一切切构造形迹，，如岩层倾斜斜、褶曲、破破裂和错动等等，无一不是是岩体在地应应力作用下形形成的永久变变形的形象，，是地壳构造造运动的力学学作用的残迹迹。因此。根根据构造形迹迹可以宏观地地反推出地应应力的性质和和方向，这就就是地质力学学分析的基本本概念。（3）构造应力场场的位移反演演法构造应力场的的反演法是根根据现场实测测位移来反推推岩体应力场场的方法。基基于此法，不不仅可以反演演原岩应力场场，而且还可可反演岩体参参数。ⅰ应力反分析法法。该法是依依据在工程区区域内有限个个实测应力值值，建立相应应的数学力学学模型，推求求整个工程区区域内的初始始应力场；ⅱ位移反分析法法。该法是基基于现场量测测位移来反推推系统的力学学特征及其地地质背景的初初始参数（即即工程区域内内的力学特征征参数、初始始地应力等））；ⅲ混合反分析法法。反分析所所采用的信息息既有位移量量测值，又有有应力（或荷荷载）量测值值。1、围岩压力的的概念●围岩压力：是指围岩作用用在支护结构构上的压力。●围岩压力按作作用力发生形形态分为：⑴松散压力力：是指由于开挖挖而松动或坍坍塌的岩体以以重力形式直直接作用在支支护结构的压压力。⑵形变压力力：是指由于围岩岩变形受到与与之密贴的支支护的抑制，，而使围岩与与支护结构共共同变形过程程中，围岩对对支护结构施施加的接触压压力。⑶膨胀压力力：是指由于围岩岩吸水而膨胀胀崩解所引起起的压力。⑷冲击压力力：是指围岩中积积累了大量的的弹性变性能能之后，由于于隧道的开挖挖，围岩的约约束被解除，，⑴松散压力：常通过下列三三种情况发生生：①在整体稳稳定的岩体中中，可能出现现个别松动掉掉块的岩石；；②在松散软软弱的岩体中中，坑道顶部部和两侧片帮帮冒落；③在节理发育育的裂隙岩体体中，围岩某某些部位沿弱弱面发生剪切切破坏或拉坏坏等局部塌落落。⑵形变压力：是指由于围岩岩变形受到与与之密贴的支支护如锚喷支支护等的抑制制，而使围岩岩与支护结构构共同变形过过程中，围岩岩对支护结构构施加的接触触压力。形变变压力除与围围岩应力状态态有关外，还还与支护时间间和支护刚度度有关。⑶膨胀压力力：是指由于围岩岩吸水而膨胀胀崩解所引起起的压力。它它与形变压力力的基本区别别在于它是由由吸水膨胀引引起的。⑷冲击压力：是指围岩中积积累了大量的的弹性变性能能之后，由于于隧道的开挖挖，围岩的约约束被解除，，能量突然释释放所产生的的压力。冲击压力是岩岩体能量的积积累与释放问问题，所以它它与弹性模量量直接相关。。弹性模量较较大的岩体，，在高地应力力作用下，易易于积累大量量的弹性变形形能，一旦遇遇到适宜条件件，就会突然然猛烈的大量量释放。2、围岩松散压压力的产生开挖隧道所引引起的围岩松松动和破坏的的范围有大有有小，对于一一般裂隙岩体体中的深埋隧隧道，其波及及范围仅局限在隧道周周围一定深度度，作用在支护护结构上的围围岩松散压力力远远小于其其上覆岩层自自重所造成的的压力，这可可用围岩的“成拱作用”来解释。2、围岩松散压压力的产生⑴隧道开挖挖后，在围岩岩应力重分布布过程中，顶顶板开始沉陷陷，并出现拉拉断裂纹，可可视为变形阶阶段；⑵顶板的裂裂纹继续发展展并且张开，，由于结构面面切割等原因因，逐渐转变变为松动，可可视为松动阶阶段；⑶顶板岩体体视其强度的的不同而逐步步坍塌，可视视为坍塌阶段段；⑷顶板塌落落停止，达到到新的平衡，，此时其界面面形成一近似似的拱形，可可视为成拱阶阶段。深埋隧道的自自然拱圈自然拱的范围围的大小除受上述的围围岩地质条件件、支护结构构架设时间、、刚度以及它它与围岩的接接触状态外，，还取决于以以下诸因素：：⑴隧道的形状和和尺寸：隧道拱圈越越平坦，跨度度越大，则自自然拱越高，，围岩松散压压力也越大；；⑵隧道的埋埋深：实践证明，只只有当隧道埋埋深超过某一一临界值时，，才有可能形形成自然拱。。习惯上称这这种隧道为深深埋隧道，否否则为浅埋隧隧道。由于浅浅埋隧道不能能形成自然拱拱，所以，它它的围岩压力力的大小与埋埋置深度直接接相关。⑶施工因素素：如爆破所产生生的震动，常常常是引起塌塌方的重要原原因之一，造造成围岩压力力过大，又如如分部开挖多多次扰动围岩岩，也会引起起围岩失稳，，加大自然拱拱范围。浅埋隧道不能能形成拱圈3、围岩压力的的确定方法围岩压力的确确定目前常用用有下列三种种方法：●直接量测测法●经验法或或工程类比法法●理论估算算法●直接量测法：：是一种切合实实际的方法，，对隧道工程程而言，也是是研究发展的的方向；但由由于受量测设设备和技术水水平的制约，，目前还不能能普遍适用。。●经验法或工程程类比法：是根据大量以以前工程的实实际资料的统统计和总结，，按不同围岩岩分级提出围围岩压力的经经验数值，作作为后建隧道道工程确定围围岩压力的依依据的方法。。是目前使用用较多的方法法。⑴深埋隧道围岩岩压力的确定定(工程类比法)围岩竖向匀布布压力p按下式计算：：p=0.45×2s-1×γω(kN/m2)式中：S—围岩级别，如如属II级，则S＝2；γ—围岩容重，(kN/m3)；ω＝1+i(B-5)—宽度影响系数数；B—隧道宽度，（（m）；i—以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩压力力增减率。当B<5m，取i＝0.2；当B>5m,取i＝0.1。⑴深埋隧道围岩岩压力的确定定(工程类比法)p=0.45×2s-1×γω(kN/m2)●适用条件①H/B<1.7，式中H为隧道高度；；②深埋隧道道；③不产生显显著偏压力及及膨胀力的一一般隧道；④采用钻爆爆法施工的隧隧道。●围岩的水平均均布压力e的确定，按下下表中的经验验公式计算围岩级别I、IIIIIIVVVI水平匀布压力0<0.15p(0.15～0.3)p(0.3～0.5)p(0.5～1.0)p●铁路新规范：：p＝γhh=0.41×1.79S这是全国1046座铁路隧道得得出的经验公公式，其中S—新规范围岩的的分级。注：铁路隧道跨度度小于公路隧隧道围岩压力分布布特征基于有界破裂裂区的计算方方法这一计算方法法是将破裂区区内的岩体自自重作为隧洞洞支护上的荷荷载。为了确确定破裂区的的范围，必须须首先对破裂裂区的边界线线作出假定，，如认为是抛抛物线、半椭椭圆形等，此此外还有采用用弹塑性区的的分界面作为为破裂区的边边界线。普氏氏压力拱理论论、康姆端尔尔的岩体破碎碎理论，以及及卡柯弹塑性性理论都属于于这一类计算算方法。其中中以普氏压力力拱理论在我我国应用最广广。普氏假假定压压力拱拱形状状为二二次抛抛物线线形，，压力力拱高高按经经验确确定，，它取取决于于隧洞洞跨度度和岩岩石性性质。。普氏氏采用用下式式确定定压力力拱高高：f----岩石坚坚固性性系数，，又称称普氏氏系数。。f=Rc/10围岩竖竖向压压力为为：侧向围围岩压压力⑵浅埋隧隧道围围岩松松散压压力的的计算算①深深、浅浅埋隧隧道的的判定定原则则●隧道埋埋深不不同，，确定定围岩岩压力力的计计算方方法不不同，，应以隧道道顶部部覆盖盖层能能否形形成“自然拱拱”为原则则。●深埋隧隧道围围岩松松散压压力值值是以以施工工坍方平平均高高度(等效荷荷载高高度值值)为根据据，为为了形形成此此高度度值，，隧道道上覆覆岩体体就有有一定定的厚厚度。。根据据经验验，这这个深深度通常为为2～2.5倍的坍坍方平平均高高度值值①深、浅浅埋隧隧道的的判定定原则则Hp＝（2～2.5）hp式中:Hp—深浅埋埋隧道道分界界深度度;hp—荷载等等效高高度，，按下下式计计算：：hp＝p/γγp—深埋隧隧道竖竖向均均布压压力kN／m2；γ—围岩容容重（（kN／m2）。在矿山山法施施工的的条件件下I一III级围岩岩取Hp＝2hpIV～VI级围岩岩取Hp＝2.5hp当隧道道覆盖盖层厚厚度H≥Hp时为深深埋，，H＜Hp时为浅浅埋②浅埋隧隧道围围岩压压力的的确定定方法法●埋深(H)小于或或等于于等效效荷载载高度度hp时，荷荷载视视为均均布竖竖向压压力p=γγH式中:p—匀布布布竖向向压力力；γ—深度上上覆围围岩容容重；；H—隧道埋埋深，，指隧隧道顶顶至地地面的的距离离。②浅埋隧隧道围围岩压压力的的确定定方法法侧向压压力e，按匀匀布考考虑时时，其其值为为：e=γγ(H+1/2Hi)tg2(450–ΦΦ/2)式中:e—侧向匀匀布压压力；；γ—围岩容容重，，以kN/m3计；H—隧道埋埋深，，以m计；Hi—隧道高高度，，以m计；Φ一围岩岩计算摩摩擦角角，可查查有关关规范范。围岩的的物理理力学学参数数围岩级别重度（Kn/m3）弹性抗力系数（MPa/m）变形模量（GPa）泊松比内摩擦角（°）粘聚力（MPa）计算摩擦角（°）Ⅰ26～281800～2800＞33＜0.2＞60＞2.1＞78Ⅱ25～271200～180020～330.2～0.2550～601.5～2.170～78Ⅲ23～25500～12006～200.25～0.339～500.7～1.560～70Ⅳ20～23200～5001.3～60.3～0.3527～390.2～0.750～60Ⅴ17～20100～2001～20.35～0.4520～270.05～0.240～50Ⅵ15～17＜100＜10.4～0.5＜20＜0.230～40●埋深大大于hp、小于于等于于Hp时采用松松散介介质极极限平平衡理理论进进行分分析，，即：：围岩岩松动动压力力=滑动岩岩体重重量－－滑面面上的的阻力力（1）岩柱柱理论论考虑到到隧洞洞两侧侧的岩岩体也也可能能下滑滑，需需将可可能滑滑动的的岩柱柱宽度度比隧隧洞宽宽度适适当增增大，，并考考虑岩岩柱的的应力力传递递顶部部压压力力为为：：（2）太太沙沙基基公公式式太沙沙基基认认为为，，隧隧洞洞开开挖挖后后，，岩岩体体将将沿沿OAB曲面面滑滑动动，，作作用用在在隧隧洞洞顶顶部部的的压压力力等等于于滑滑动动岩岩体体的的重重量量减减去去滑滑移移面面上上摩摩擦擦力力的的垂垂直直分分量量。。为推推导导简简单单起起见见，，太太沙沙基基又进进一一步步假假定定岩岩体体沿沿垂垂直直面AC滑动动，，而而且且假假定定滑滑动动体中中任任意意水水平平面面上上的的垂垂直直压力力为为均均布布。。取取地地面面下下埋埋置深深度度z处，，滑滑动动体体的的体体宽为为2a1，厚厚为为dz的单单元元体，，由由垂垂直直方方向向平平衡衡条件件得得：：边界界条条件件为为：：平衡衡方方程程为为：：隧洞洞顶顶部部的的围围岩岩压压力力为：：———为静静止止侧侧压压力力系系数数，，太太沙沙基基取取为为1.0；———地面面超超载载。。（3）侧侧向向围围岩岩压压力力按挡挡土土墙墙理理论论来来计计算算理论论估估算算法法围岩岩应应力力与与变变形形的的线线弹弹性性分分析析由于于开开挖挖，，洞洞室室周周围围地地层层中中应应力力大大小小和和主主应应力力方方向向发发生生了了变变化化，，这这种种现现象象叫叫做做应应力力的的重重分分布布，，把把重重分分布布后后的的应应力力状状态态叫叫做做围围岩岩二二次次应应力力状状态态。。对于于裂裂隙隙不不多多的的坚坚硬硬岩岩体体，，或或对对于于裂裂隙隙岩岩体体、、软软弱弱岩岩体体，，如如果果围围岩岩应应力力不不高高，，当当采采用用紧紧跟跟作作业业面面的的施施工工方方法法及及支支护护向向围围岩岩提提供供很很大大的的抗抗力力时时，，围围岩岩有有可可能能处处于于弹弹性性状状态态，，如如再再略略去去其其各各向向异异性性的的影影响响，，那那么么可可以以应应用用线线弹弹性性理理论论分分析析。。1.无衬衬砌砌圆圆形形洞洞室室的的围围岩岩应应力力与与变变形形应力力分分析析应力力集集中中系系数数（环环向向应应力力与与P0的比比值值））讨论论洞室室两两侧侧容容易易压压碎碎，，顶顶底底容容易易拉拉坏坏围岩岩位位移移u———径向向位位移移，，以以向向洞洞内内方方向向为为正正；；v———切向向位位移移，，以以顺顺时时针针方方向向为为正正；；在轴轴对对称称情情况况下下，，即即2.围岩岩与与支支护护相相互互作作用用的的应应力力与与位位移移衬砌砌的的应应力力和和变变形形r0、r1-------衬砌砌的的外外半半径径和和内内半半径径衬砌砌材材料料刚刚度度系系数数由洞洞壁壁的的位位移移与与衬衬砌砌外外径径的的位位移移相相等等得得到到衬砌砌抗抗力力（其其反反作作用用力力即为为围围岩岩对对支支护护的的弹弹性性变变形形压压力力））3.开挖挖面面的的空空间间效效应应4.立即即支支护护与与延延迟迟支支护护的的计计算算立即即支支护护就就是是紧紧贴贴开开挖挖面面进进行行支支护护，，开开挖挖面面处处已已释释放放的的弹弹性性位位移移较较小小，，将将来来作作用用在在支支护护上上的的压压力力较较大大；；延迟支护护就是离离开挖面面一段距距离进行行支护，，此时支支护处已已释放的的弹性位位移较大大，将来来作用在在支护上上的压力力较小；；由于是线线弹性关关系，计计算围岩与支支护相互互作用的的应力与与位移时时，可采采用AP0代替上述述公式中中的P0，A=1-ur/ur0（ur为洞壁实实际释放放的位移移，ur0为无支护护时洞壁壁所能释释放的位位移）5.非圆形洞洞室的围围岩应力力椭圆形洞洞室其它洞形形（直墙墙拱、曲曲墙拱））的简化化计算采采用等代代圆法6.无衬砌洞洞室的最最佳形状状使围岩保保持稳定定的最佳佳洞形是是具有一一定轴比比的椭圆圆。如果洞形形周边的的应力等等于原岩岩应力张张量的第第一不变变量，并保持沿沿洞周各各点的应应力不变变，那么么就能得得到最小小的应力集中中，这种种洞形也也就是谐谐洞。等应力轴轴比零拉应力力轴比洞顶不出出现拉应应力的条条件为洞壁两侧侧不出现现拉应力力的条件件围岩应力力与位移移的弹塑塑性分析析1.概述围岩破坏坏的两种种情况：：拉裂破坏坏，围岩局局部区域域的拉应应力达到到了抗拉拉强度，，产生局局部受拉拉分离破破坏；剪切破坏坏，局部区区域的剪剪应力达达到岩体体抗剪强强度，从从而使这这部分围围岩进入入塑性状状态，但但其余部部分围岩岩仍然处处于弹性性状态。。设计人员员可以通通过改变变隧洞形形状和轴轴比来消消除围岩岩中的拉拉应力，，所以一一般情况况下，围围岩破坏坏主要是是剪切破破坏。进入塑性性状态的的围岩分分为两部部分：塑性承载载区（外圈）），与开开挖前的的初始应应力相比比,外圈的应应力高于于初始应应力，它它与围岩岩弹性区区中应力力升高部部分合在在一起称称作围岩岩承载区区。塑性松动动区（内圈）），松动动区内应应力和强强度都有有明显下下降，裂裂隙扩张张增多，，容积扩扩大，出出现了明明显的塑塑性滑移移，这时时没有足足够的支支护抗力力就不能能使围岩岩维持平平衡状态态。2.轴对称应应力条件件下围岩岩应力的的弹塑性性分析概述塑性区满满足平衡衡方程与与塑性条条件，塑塑性区外外围的弹弹性区满满足平衡衡方程和和弹性条条件，在在弹性区区与塑性性区交界界处既满满足弹性性条件又又满足塑塑性条件件。轴对称条条件下，，塑性区区为一个个等厚度度圆塑性区求求解平衡方程程塑性条件件边界条件件当r=r0时塑性区应应力支护抗力力与塑性性区的半半径设塑性区区的半径径为R0，在弹、塑塑性区的的界面上上（r=R0），弹性区（（））的应应力为弹塑性边边界上的的应力满满足联立两式式解得支护抗力力与塑性性区半径径的关系系结论：塑性区半半径越小小，支护护抗力越越大；反反之依然然；在围岩稳稳定的前前提下，，扩大塑塑性区半半径，可可降低为维持持极限平平衡状态态所需的的支护抗抗力，从从而充分发挥挥了围岩岩的自承承作用。。位移分析析松动区半半径设松动区区与承载载区界面面处的半半径为R，松动区区边界上上环向正正应力为为原岩应应力，即即解得围岩弹塑塑性变形形压力围岩松动动区内的的滑裂面面为一对对对数螺螺线。假设松动动区内强强度己大大大下降降，滑移移岩体已已无丝毫毫自承作作用，松松动区内内滑移体体的全部部重量要要由支护护抗力来来承受，，由此有有，如果考虑虑到实际际情况下下，真正正作用在在支护结结构上的的压力应应当是松松动区的的重力与与承载区区传递过过来的变变形压力力相叠加加，简化化考虑，，取弹塑性变变形压力力为岩爆岩爆高天然应力力的弹脆性性岩体地下开挖工工程开挖卸荷及及特殊的地地质构造作作用周边岩体中中应力高度度集中，积积聚于较高高的弹性应应变能当开挖体围围岩中应力力超过岩体体的容许极极限状态1.岩爆的产生生条件1)围岩应力条条件判断岩爆发发生的应力力条件有两两种方法：：一是用洞壁壁的最大环环向应力σθ与围岩单轴轴抗压强度度σc之比值作为为岩爆产生生的应力条条件；一是用天然然应力中的的最大主应应力σ1与岩块单轴轴抗压强度度σc之比进行判判断。经验公式σ1／σc大于0.165～0.35的脆性岩体体最易发生生岩爆。2)岩性条件弹性变形能能系数ω：加载到0.7σc后再卸载至至0.05σσc时，卸载释释放的弹性性变形能与与加载吸收收的变形能能之比的百百分数。当ω＞70％时，会产产生岩爆，，ω越大发生岩岩爆的可能能性越大。。应变能消耗耗比：岩石石单向压缩缩时，达到到强度极限限前积累于于岩石内的的应变能与与强度极限限后消耗于于岩石破坏坏的应变能能之比。式中：FOAB为曲线OAB包围的面积积；FBAC为曲线BAC包围的面积积。n＜1时，不会发发生岩爆；；n＞1时，可能发发生岩爆。。2.影响岩爆的的因素1)地质构造岩爆大都发发生在褶皱皱构造中。。岩爆与断层层、节理构构造密切相相关。