围岩压力与围岩稳定性讲义

第六章围岩压力与围岩稳定性

Chapter6RockPressureandStabilityofSurroundingRock学习内容→地下洞室概述，洞室围岩应力计算，岩体的应力和稳定性验算；围岩压力的概念，松散围岩压力计算，形变围岩压力-围岩压力的弹塑性理论计算；衬砌刚度影响的围岩压力计算。学习对象→地下洞室，围岩应力，岩体稳定性，围岩压力，松散围岩压力，形变山岩压力-围岩压力的弹塑性。学习目的→ 了解地下洞室、围岩压力、松散围岩压力、形变围岩压力-围岩压力的弹塑性理论；掌握洞室围岩应力计算，围岩压力的概念，松散围岩压力计算，形变围岩压力-围岩压力的弹塑性理论计算以及衬砌刚度影响的山岩压力计算。学习提示

LearningHints§6.1概述6.1.1基本概念

围岩surroundingRock

在岩体内开挖洞室以后，岩体的原始平衡状态被破坏，发生应力重分布。这种重新分布的应力称为岩体中的二次应力或称为洞室围岩应力。产生应力重分布的这一部分岩体，一般称为洞室的围岩。（对于作为基础的岩体而言，我们一般称为基岩或岩基，对于边坡，则称为边坡岩体等）。§6.1概述6.1.1基本概念

当围岩压力到达或超过岩体强度时，洞室围岩就出现塑性变形，剪切破坏甚至崩塌、滑动。为保证洞室的稳定，常对洞室进行必要的支护，(1)承担坍落岩块的重量（松动压力）；(2)限制围岩变形（形变压力）。因而，支护与衬砌必然要受到岩石的压力。我们把由于地下洞室开挖形成的围岩变形或破坏，且作用于衬砌（支护）上的压力称为围岩压力，包括松动和形变压力。

围岩压力§6.2山岩压力的影响因素6.2.1围岩压力的形成围岩质量优良（完整、强度等）----地下洞室开挖后，围岩仅产生弹性回弹，二次应力小于围岩强度，围岩只有弹性变形而无塑性变形，且开挖后即完成，岩石无破坏或松动，围岩整体稳定，无支护力，支护（水工隧洞，较小糙率）,防止表层岩石风化及局部剥落。中等质量岩石----地下洞室开挖后，围岩产生弹性、塑性变形，少量岩石破坏，应力重分布需要一定时间，具有粘性（变形随时间发展），但围岩整体稳定，作用于支护上形变压力；但支护的浇筑时间和结构刚度对山岩压力影响大。质量较差围岩（破碎、软弱岩体）----岩石强度低，洞室开挖，塑性+粘弹性变形较大，二次应力超过岩石强度很多，局部围岩不稳定，容易塌落，形成松动+形变压力，支护的作用主要是支撑塌落岩块的重量，阻止岩体继续变形、松动和破坏。初始地应力释放荷载----二次应力→松动+变形→大小洞室的形状及大小洞室形状，大小→影响二次应力一般而言，圆形、椭圆、拱形，优于其他洞形，围岩压力～跨度近似成正比。岩体质量岩石的强度，节理裂隙发育程度，节理的方向。6.2.2影响围岩压力的因素§6.2围岩压力的影响因素支护刚度＆时间施工方法刚度→约束变形能力→围岩压力围岩变位u随t发展→最佳支护时间。洞室埋深浅埋洞室→承担洞顶岩体重量。深埋：承担压力拱至洞顶之间岩体重量。开挖爆破形式：钻爆法，全断面掘进机6.2.2影响围岩压力的因素§6.2围岩压力的影响因素地质构造地质构造简单，地层完整、无软弱结构面，围岩稳定，围岩压力小；反之～。6.2.2影响围岩压力的因素§6.2围岩压力的影响因素时间因素围岩压力随时间的增加而增大（一方面，变形和破坏有一个过程，另外还有蠕变的原因）§6.3坚硬岩体的应力和稳定验算

对于整体性良好的坚硬岩体来说，节理不发育，强度较大，无塑性变形，且弹性变形迅速完成。洞室稳定分析只需验算边界上的切向应力是否超过岩体强度。地应力特征、洞室形状、尺寸许可抗压强度一般取单轴湿抗压强度的0.5～0.6倍取值注意围岩质量§6.4压力拱理论

压力拱理论一般适用于破碎性较大的岩石的围岩压力计算，计算的压力为松动压力。洞室开挖应力重分布洞顶出现拉应力拉应力超过岩石抗拉强度顶部岩石破坏，失去平衡而逐渐塌落塌落到一定程度后自然平衡，不在塌落压力拱坍落拱§6.4压力拱理论6.4.1垂直围岩压力确定垂直围岩压力→关键在于松动区的体形，即压力拱形状

关于推求压力拱形状的方面存在不用的假设，假设不同，围岩压力也不同，一般采用普罗托奇耶柯诺夫的压力拱理论，即普氏压力拱理论。

普氏认为：岩体内总是有许多大小的裂隙、层理、节理等软弱结构面，将岩体切割成各种大小的块体，破坏岩体的完整性，造成松动性。可以把洞室周围的岩体看成没有凝聚力的大块散粒体。§6.4压力拱理论6.4.1垂直围岩压力

岩石坚固系数的概念

实际上岩石存在凝聚力，一般采用增大内摩擦系数的方法来补偿这一因素，这个增大的内摩擦系数称为岩石的坚固系数。原岩体的抗剪强度岩体看作散粒体时1o

砂土及松散材料2o

整体性岩石6.4.2压力拱的形状

根据普氏理论，对于比较破碎岩体（fK<2），地下洞室开挖：

侧墙剪切破裂+顶拱“压力拱”.§6.4压力拱理论式中：b1——洞室跨度的一半；

b2——压力拱跨度的一半；

h0——洞室的高度；换算内摩擦角6.4.2压力拱的形状§6.4压力拱理论

压力拱稳定条件：假定岩体为散粒体，其抗拉、抗弯能力很小，洞室顶部上的压力拱最稳定的条件是沿着拱的切线方向仅作用压力。抛物线方程6.4.2压力拱的形状§6.4压力拱理论F是岩石对拱向外移动的摩阻力6.4.2压力拱的形状§6.4压力拱理论为了保证A点的稳定：一般，只能取最大摩阻力的一半来平衡拱顶推力T：

压力拱的高度等于拱跨度的一半除以岩石的坚固系数。6.4.2压力拱的形状§6.4压力拱理论10洞室顶部的最大压力在拱轴线上：压力拱上任一点纵坐标2o洞室任何其他点上的垂直压力：6.4窃.3侧向介围岩姿压力§6.倡4压力拱温理论利用主茶动朗肯天土压力定公式：洞顶洞底总侧向患压力6.野4.缺4压力拱饶理论的纯适用条凭件§6垦.4压力拱扬理论基本前贱提：洞晶室上方炒的岩体风能够形活成自然嫁压力拱似。下列米情况熊不能桌应用纪压力格拱理耗论：1o岩石的fK<0贩.8，洞刚室的别埋深H小于2倍压摄力拱倾高度菊或小抓于压震力拱跨度的2.5倍(H<养2.0翅ho培rH趁<2.谈5b2).2o明挖直地下趟结构吧；3o当fK<0.针3的土(淤泥国、粉恋沙、耻饱和侍粘土)，不能森形成压嘱力拱；6.枝4.两5不能形杰成压力抗拱时围丑岩压力勺的计算§6恋.4压力拱联理论当洞室头上面的跑岩体不忌能形成糕压力拱商或经验爆算压力列拱的承作载能力槽不够时慈：作用窄于洞伴顶上瞎的总勒垂直虑压力Qy为：垂直压力折减系数6.4躬.5不能极形成笑压力淡拱时旱围岩案压力姓的计舟算§6秃.4压力拱营理论适用晒条件结论:1o偏于安榨全，可映直接按γh计（不办计两侧粥摩擦力温）2o有地下披水作用引，浮容忙重γ=(昼γ-1勤0.0省)，加上服水压力6.5徐.1基本炮原理§6.胡5太沙腐基理逃论太沙基爷理论（K.T相erz路agh政i）是膊将地耀层看座作松承散体雀（浅雪埋洞只室）狡，从鸽应力搞传递瞎概念糖出发扫推出牙作用帮于衬贯砌上涛的垂石直压住力。Case1洞室侧面的岩石比较稳定，不会形成45°-ψ/2的滑裂面Case2洞室侧面的岩石不稳定，形成45°-ψ/2的滑裂面6.5钞.1基本斯原理§6圆.5太沙除基理镜论Ca偏se苏1洞室侧趋面的岩验石比较奶稳定，鲁不会形蝇成45含°-够ψ/何2的滑依裂面根据平衡条件整理犁后：6.页5.筝1基本原急理§6歉.5太沙未基理右论Cas湿e1洞室侧福面的岩剃石比较圣稳定，跌不会形览成45°歇-ψ/旅2的滑裂戴面根据边派界条件z=0，σz＝p6.5脆.1基本原灾理§6大.5太沙基疲理论Ca善se榆1洞室侧圈面的岩灵石比较期稳定，勺不会形伴成45替°-廊ψ/猾2的滑裂阀面讨论还：10z=宗H，洞字顶面醋的垂愁直山吃岩压档力q20洞室咬为深节埋时铅，H→山∞30c＝06.5坐.1基本原罪理§6扑.5太沙基念理论Ca阳se掀2洞室侧次面的岩棒石不稳毫定，形俗成45°脏-ψ/晶2的滑裂遗面垂直压渐力计算污公式的替推导与侦上述过腿程一致卵，只要戚将前面亚公式中闯的b1用b2代替文。侧压倡仍按逃朗肯咳主动祝土压放力公衫式计幅算！菊！6.仁6.扬1喷锚换支护巴原理§6带.6喷锚鹿支护望原理效和设状计原项则传统沫地下砍洞室红设计铜理论耀：一般四刚性押衬砌仿与岩更体不迎能紧造密结版合，侦施工滋完成特后围畜岩继历续向垄洞室难变形惊；洞室兰开挖徐后围揪岩的每变形桑，最巨终是芒坍塌押；支护和舟衬砌的娱作用是愧将洞室愁开挖后调可能塌餐坍的岩征石支承巾起来；衬砌余支护洪只是爽一种摇被动循承受挡较大殊荷载铸的结踢构物狠，荷昆载与沃衬砌驼本身佣无关练，等闷于不府设衬绘砌时简可能逮塌坍滤下来浩的岩肆石全醋部重病量（但如普疾氏压瓜力）6.6慌.1喷锚支葛护原理原理§6.糊6喷锚支音护原理蓝和设计科原则地下洞典室开挖扔→围岩扭变形→展发展不约膀束（花支护质）→垫充分毒发展聋→破户坏→福形成滨松动促压力适度发始展→施神加约束鞋（支护摸）→承竭担变形挂压力支护力与塑性区半径成反比锚喷距支护惕，是谦锚杆豆与喷类射混楚凝土悲联合以支护欢的简畏称，樱锚杆幅和喷迁射混戏凝土洗也可泰以独桐立使搏用，兔但工点程上有常将居二者提联合押使用创，这疤样大范大地械加强号了它问们对招于围堆岩的毯支护仗能力严，可培以适服用于壁各种扛围岩巴条件哲。6.6蒙.1喷锚棕支护割原理关于旱支护只时间§6.黑6喷锚句支护块原理羊和设绑计原福则10

随着时间增加，增加，支护力减小;

但是，如塑性区过大，则围岩由形变破坏转化为松动破坏，反而增大20

假设隧洞开挖时间开始支护，洞室变形分为：支护前；支护后的→A点平衡。显然：越小，越小，越大，支护力↓说明在著围岩保摊护围岩浮条件下躲（不出析现松动咏破坏）唯，支护皮前围岩立变形愈增充分则歼支护力高愈小。6.6汤.1喷锚支邪护原理关于支汇护刚度§6司.6喷锚支选护原理射和设计台原则曲线Ⅱ－Ⅱ与Ⅲ－Ⅲ平行:支护洁刚度皂相同诞，支悬护时税间的跟影响非，PB>PAⅡ－Ⅱ与Ⅲ－Ⅲ’不平召行:支护刚婶度的影眯响，Pc>PB6.反6.笋2喷锚暂支护番的特盘点§6搞.6喷锚鲜支护煌原理许和设论计原室则在洞鸭室开游挖后杆及时愧向围股岩表窑面喷嘉一层紫砼，页必要氧时增瞒设部腹分锚脾筋，并从而吵及时总有效遭地控侮制和摧调整芒围岩厘变形泡和应自力重幅分布僻范围饺，充犁分发趣挥围盗岩的种自承度能力贤，达骗到安妖全和夏经济果的支纸护目纵的。适时、刻紧贴、堵柔性→锯较小变春形压力支护肆与围翠岩共别同作邀用（跳与传阁统刚呀性支失护（域松动牛压力循）山吓岩压妻力设访计支扯护观茅点相争反，注维持篮稳定特）6.抓6.惭4喷锚支写护的设置计原则§6符.6喷锚撑支护糟原理奋和设顺计原含则“关于新塔奥法/喷锚洋支护矛的原翅理还牵不能呢从理虏论上志去完撞善、饺定量仆地分识析”企。实际上僚，岩石盖力学的太发展已启经给喷债锚支护他原理的彩解释提轮供了新斩的理论祥，如蠕洞变理论迫等6.释8.悉4喷锚画支护桃的设堆计原薪则§6.乓8喷锚支范护原理烛和设计丧原则一、整播体围岩围岩特做点：岩涛块强度乱高，节矩理裂隙奖不发育落，整体仓性良好喷锚支垫护：岩壁表概层喷薄求层砼→韵防止风腿化（岩名体出现悟破碎）趴在宏主应力位区→布旦置预应济力锚杆迫以减小晴拉应力订水平，鼻或转化场为压应锐力亩锚杆长想度→穿桂过拉应斩力区，妈锚固至漂压力区6.诸8.补4喷锚支休护的设签计原则§6妨.8喷锚兵支护密原理渗和设誉计原顿则二、迹块状针围岩围岩特际点：节驻理裂隙稼发育，炊围岩切轨剖成块带状，其烟中岩块尿强度较高，悟结构章面错愉动。控制茶围岩写的稳友定，盼关键今在于毯控制任危石纲（关陕键块域体）路关添键块柿①笼→控证制→品重点铜加固智（锚哑杆、杏喷砼匪）一般来抬说岩块勤之间相朋互镶嵌脖、咬合变、互锁镜、卡紧沫在一起拣，围岩附的坍塌犯总是从浸某个岩取块（危削石）开弊始，然完后发展缓。6.石8.啦4喷锚布支护紧的设灵计原宾则二、滤块状枯围岩锚杆炼加固版关键杀块体割（危取石）取危置石AB怪C→重量G，沿锚单杆EF的分设力T，沿破去裂面AB的分姻力Q§6.喉8喷锚支仅护原理库和设计叉原则锚杆拉力锚杆剪力确定锚废杆截面/大小6.8棕.4喷锚支脖护的设播计原则二、块位状围岩锚杆加巡寿固围岩器裂隙面洞顶喘裂隙殿面AB，水平犁向压力P，锚杆膝预应力T→要求校烧核沿AB面是否煤滑动，迎挽救，盛保护稳查定轮计算饱所需T，沿AB面：§6椅.8喷锚支成护原理丢和设计之原则法向力抗滑力滑动力6.8项.4喷锚周支护梯的设促计原映则二、块络状围岩喷砼层蜻支护危堆石1）按“汉冲切型很”破坏锅验算喷舅层厚度典设危石曲重G，底面霉周边长绕，喷层率厚度h，以招砼抗俱拉强绑度作剪为不挡发生啄“冲券切型炒”破踩坏条腰件.§6闯.8喷锚杰支护办原理单和设括计原尼则穿透喷层6.8赵.4喷锚劣支护畜的设递计原执则二、敲块状机围岩喷砼础层支伙护危胆石2）按“颠撕开型亭”验算挥喷层厚兽度米验算矿岩面与弓砼喷层保之间的硬粘结力肤是否满必足强度淋要求根手据弹性沈地基梁向理论推诊导：（蛾设喷层疫与岩面盏间的粘赢结强度往）岩剥面与喷退层间最种大拉应唇力§6.勉8喷锚峰支护毅原理倦和设仙计原恶则6.亡8.渴4喷锚支析护的设猾计原则§6窗.8喷锚劝支护叛原理透和设恢计原假则三、层污状围岩洞室开检挖后由蹲层面粘辆结强度虾很低，杂洞顶塌毯落。工程上矛：一般美采用锚睬杆形成失“组合输梁”保苏持稳定锚杆的阵作用：馅增加层类间握裹场力，切揪向摩擦掉力6.饲8.沉4喷锚串支护辰的设强计原饰则§6辨.8喷锚支娃护原理喉和设计拴原则四、桑软弱响围岩围岩特茫点：①愚围岩强者度很低;秤②节理雀裂隙闲极度拖发育窜切割锈成散巡寿离体睡；（3）按择弹性以理论赖和弹配塑性刑理论瞎