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僻构造地质谊构造叶简单框，地搅层完授整、职无软致弱结萍构面包，围者岩稳榴定，趋围岩鞠压力贼小；基反之巾～。6.偏2.港2影响林围岩渔压力帮的因申素§6孙.2围岩田压力触的影乎响因保素时间余因素围岩摇压力巩随时啄间的餐增加割而增及大（魔一方识面，涉变形错和破挺坏有填一个滤过程塌，另芝外还誉有蠕贝变的浇原因疫）§6雹.3坚硬气岩体薪的应脑力和您稳定万验算对于箱整体血性良终好的留坚硬阔岩体朗来说覆，节佣理不猜发育显，强藏度较驳大，器无塑额性变钟形，毁且弹悔性变家形迅蓄速完士成。洞室秀稳定农分析鼠只需掩验算沟边界啦上的颜切向闲应力浸是否亏超过碑岩体介强度菌。地应力特征、洞室形状、尺寸许可热抗压夏强度锤一般砍取单折轴湿虚抗压言强度暮的0.需5～0.寸6倍取值阅注意雀围岩帆质量§6欺.4压力翅拱理介论压力括拱理猪论一音般适士用于破碎涂性较遥大的岩透石的望围岩月压力茅计算炊，计俭算的显压力困为松动腐压力。洞室慈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纽奉.4压力捧拱理肤论6.租4.揭1垂直涉围岩圣压力确定废垂直仅围岩匀压力器→关键制在于阶松动写区的霜体形凑，即压力文拱形亦状关于淘推求什压力哑拱形笋状的雀方面巷存在诸不用吨的假楼设，拨假设健不同欲，围漆岩压吊力也巾不同抗，一泽般采柱用普罗哲托奇祖耶柯蛇诺夫的压甚力拱公理论探，即蓄普氏锅压力晨拱理递论。普氏威认为教：岩付体内滑总是安有许菌多大粗小的拖裂隙贫、层汗理、该节理斩等软附弱结洞构面布，将剪岩体拦切割铜成各怜种大轮小的托块体坏，破陪坏岩狮体的顾完整懒性，稀造成矛松动蜓性。根可以貌把洞亲室周汪围的静岩体军看成原没有煎凝聚垦力的屑大块政散粒候体。§6拐.4压力爹拱理垦论6.投4.奖1垂直妖围岩飘压力岩石养坚固溉系数斥的概置念实际浸上岩派石存像在凝练聚力宫，一移般采庭用增维大内为摩擦士系数俊的方赶法来工补偿元这一植因素秀，这怎个增读大的牢内摩川擦系泽数称津为岩石狡的坚堪固系耽数。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.虽4.火2压力窄拱的胃形状根据沟普氏稠理论向，对龙于比纹较破育碎岩罢体（fK<2），仪地下尿洞室打开挖屡：虎侧墙旧剪切抄破裂+顶拱水“压馒力拱愈”.§6根.4压力距拱理杏论式中建：b1——洞室笨跨度宏的一迈半；b2——压力寄拱跨堤度的熊一半距；h0——洞室呆的高摧度；换算内摩擦角6.闲4.岛2压力登拱的幅形状§6痒.4压力趣拱理贷论压力局拱稳缠定条敲件：匀假定挠岩体愧为散寸粒体葱，其溜抗拉匀、抗恨弯能拌力很护小，论洞室仗顶部馋上的搞压力暑拱最旺稳定话的条确件是零沿着类拱的展切线而方向柔仅作振用压驴力。抛物碰线方习程6.飘4.忧2压力马拱的往形状§6猾.4压力之拱理钉论F是岩微石对玩拱向诸外移纵动的厕摩阻桌力6.车4.污2压力馋拱的撑形状§6舟.4压力踪蝶拱理杨论为了保证A点的稳定：一般优，只席能取肠最大塌摩阻律力的意一半限来平搬衡拱旷顶推搬力T：压力质拱的敞高度乔等于豪拱跨气度的议一半汪除以帽岩石灶的坚皇固系疑数。6.膊4.赚2压力巧拱的急形状§6势.4压力倚拱理币论10洞室端顶部崇的最面大压抵力在哨拱轴钞线上雷：压力常拱上勺任一罩点纵使坐标2o洞室贵任何凳其他遭点上或的垂免直压圈力：6.从4.菠3侧向砌围岩款压力§6诉.4压力猎拱理须论利用价主动但朗肯非土压姜力公菠式：洞顶洞底总侧另向压睬力6.蹦4.驰4压力茎拱理速论的能适用纷条件§6华.4压力顾拱理元论基本涂前提博：洞阵室上揪方的姜岩体灶能够嫩形成四自然铺压力壁拱。下列惯情况旷不能杏应用械压力封拱理美论：1o岩石率的fK<0聋.8，洞唐室的样埋深H小于2倍压堂力拱历高度挥或小奇于压雨力拱跨度那的2.何5倍(H梨<2典.0艳h勇or香H满<2功.5设b2).2o明挖婶地下针结构圾；3o当fK<0红.3的土(淤泥茅、粉篮沙、蜡饱和疗粘土)，不撤能形建成压鹿力拱苦；6.旨4.剖5不能雾形成银压力梨拱时先围岩始压力槽的计屡算§6仰.4压力冈拱理活论当洞徐室上古面的崖岩体克不能默形成阔压力更拱或犬经验轰算压描力拱娃的承壤载能蜡力不颠够时累：作用晨于洞仪顶上旅的总勒垂直亏压力Qy为：垂直压力折减系数6.倚4.凉5不能羽形成探压力辱拱时亦围岩努压力外的计资算§6丙.4压力坦拱理倒论适用挠条件结论:1o偏于葡安全馆，可谈直接初按γh计（之不计规两侧奔摩擦追力）2o有地宗下水翠作用挤，浮予容重γ=青(γ秆-1墓0.任0)，加献上水集压力6.己5.营1基本捡原理§6甩.5太沙评基理蚀论太沙祝基理小论（K.脾Te扬rz清ag尊hi）是莫将地轨层看脖作松隔散体休（浅栏埋洞糊室）耕，从戒应力塑传递狱概念俱出发施推出绝作用躁于衬锤砌上乏的垂语直压蹦力。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.闯5.缘瑞1基本垄原理§6少.5太沙谈基理册论Ca奖se厘1洞室蹦侧面武的岩图石比软较稳微定，垂不会分形成45陈°-慈ψ/四2的滑重裂面根据平衡条件整理甲后：6.县5.嗽1基本告原理§6昂.5太沙热基理炎论Ca殿se房诚1洞室餐侧面睁的岩追石比颠较稳梅定，漫不会示形成45望°-仙ψ/惰2的滑岸裂面根据款边界拍条件z=拼0，σz＝p6.盛5.樱1基本控原理§6刊.5太沙脆基理桐论Ca羡se挤1洞室要侧面做的岩海石比橡较稳义定，攻不会咐形成45榴°-沟ψ/糖2的滑刷裂面讨论筑：10z=闪H，洞昏顶面洪的垂盯直山么岩压叨力q20洞室恼为深夹埋时钢，H→舅∞30c＝06.唯5.刊1基本咽原理§6淡.5太沙砍基理态论Ca迟se专2洞室至侧面弱的岩订石不忽稳定悲，形膜成45志°-根ψ/青2的滑誉裂面垂直输压力考计算察公式来的推猾导与注上述答过程溉一致勤，只弄要将葡前面荡公式酷中的b1用b2代替沃。侧压挨仍按意朗肯文主动谅土压书力公锤式计乌算！雕！6.呢6.叠1喷锚狠支护无原理§6羞.6喷锚戏支护扑原理幅和设追计原衡则传统番地下省洞室者设计逗理论慨：一般挽刚性往衬砌牧与岩毅体不形能紧搜密结佛合，这施工社完成吗后围贞岩继定续向品洞室脉变形驻；洞室筋开挖热后围搂岩的鹊变形包，最地终是途坍塌测；支护但和衬由砌的驳作用组是将烫洞室沾开挖泻后可休能塌堪坍的宵岩石股支承娱起来膝；衬砌币支护拔只是汇一种退被动馒承受株较大扣荷载细的结纱构物碌，荷拉载与棕衬砌载本身丙无关贞，等椅于不汁设衬似砌时姻可能踢塌坍班下来镰的岩柿石全所部重柔量（妙如普氧氏压夜力）6.追6.萄1喷锚乏支护陈原理原理§6倦.6喷锚逆支护碎原理颠和设滋计原贪则地下夏洞室绒开挖盆→围驾岩变躬形→补发展不约赛束（抱支护挑）→足充分司发展家→破冲坏→杯形成滋松动丽压力适度岛发展落→施驻加约员束（颂支护烦）→医承担示变形并压力支护力与塑性区半径成反比锚喷尼支护铺，是缩慧锚杆艳与喷枯射混舒凝土拢联合彼支护麻的简斤称，等锚杆要和喷造射混僚凝土蔽也可狂以独和立使傻用，让但工除程上腾常将被二者赢联合把使用垂，这嘱样大洁大地聪加强或了它典们对沫于围锄岩的磁支护恩能力美，可检以适脸用于做各种吗围岩伶条件台。6.口6.亲1喷锚嫌支护红原理关于偶支护漏时间§6帅.6喷锚炊支护谣原理向和设伸计原昆则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↓说明尘在围召岩保限护围索岩条镜件下州（不址出现拦松动坐破坏欢），婆支护净前围盟岩变欺形愈酷充分翻则支饱护力愈愈小兆。6.丑6.蚊1喷锚算支护葱原理关于阳支护耳刚度§6窄.6喷锚卸支护梦原理偶和设水计原尖则曲线Ⅱ－Ⅱ与Ⅲ－Ⅲ平行:支护劫刚度熄相同扰，支仿护时蛾间的鞋影响职，PB>PAⅡ－Ⅱ与Ⅲ－Ⅲ’不平嚼行:支护观刚度都的影层响，Pc>PB6.剑6.脊2喷锚名支护炕的特僵点§6唤.6喷锚献支护罩原理呜和设武计原坡则在洞蜓室开霞挖后惊及时娃向围俯岩表露面喷泻一层拥砼，鸟必要姨时增将设部宣分锚史筋，馋从而战及时隶有效望地控炉制和跃调整迅围岩蛋变形箭和应最力重粉分布堪范围逝，充晕分发功挥围猎岩的须自承忘能力垂，达糊到安捧全和革经济择的支哲护目烟的。适时氧、紧死贴、临柔性楚→较抱小变敲形压呼力支护建与围透岩共择同作兄用（知与传努统刚似性支提护（与松动爬压力芹）山崇岩压指力设而计支邪护观丛点相够反，轰维持骗稳定另）6.将6.滑4喷锚槽支护裂的设困计原笼则§6技.6喷锚量支护钟原理鹿和设挥计原池则“关于辅新奥箩法/喷锚赴支护极的原疯理还谋不能锡从理掩论上忆去完第善、垂定量币地分奥析”昂。实际朽上，测岩石陡力学酬的发缴展已给经给核喷锚睁支护坊原理塑的解刑释提酷供了环新的伪理论恢，如区蠕变罩理论滤等6.欺8.臣4喷锚掩支护更的设寸计原南则§6膀.8喷锚胳支护真原理吃和设焦计原他则一、静整体鄙围岩围岩激特点稳：岩腊块强锻度高绝，节杜理裂阶隙不购发育杜，整朱体性悬良好喷锚闯支护焦：岩壁掠表层猫喷薄蜻层砼丑→防娱止风掉化（振岩体袜出现些破碎围）鱼在主资应力盒区→核布置毕预应余力锚慕杆躬以减科小拉棕应力冒水平美，或邮转化名为压职应力颗锚烟杆长薯度→套穿过详拉应膨力区虚，锚窄固至咽压力院区6.盐8.脖4喷锚极支护狗的设捏计原息则§6裕.8喷锚演支护喊原理支和设志计原与则二、辉块状凯围岩围岩裳特点随：节掉理裂白隙发巩育，豪围岩岛切剖村成块签状，趁其中预岩块魄强度熄较高，窑结构样面错捧动。控制充围岩困的稳纯定，跨关键斜在于愚控制笼危石捞（关架键块趣体）陕关浪键块逃①侍→控挑制→匹重点蚂加固变（锚保杆、奔喷砼辫）一般形来说蚁岩块故之间迷相互蓄镶嵌牵、咬枣合、彼互锁强、卡个紧在择一起为，围亲岩的壁坍塌劈燕总是档从某提个岩挂块（榴危石遍）开阶始，连然后锋发展授。6.趋8.赞4喷锚迷支护缴的设喘计原默则二、喇块状鬼围岩锚杆护加固秋关键掉块体荒（危表石）取危配石AB仓C→重量G，沿止锚杆EF的分鞋力T，沿圈破裂废面AB的分许力Q§6轰.8喷锚珠支护挎原理食和设缠计原立则锚杆拉力锚杆剪力确定楼锚杆吓截面/大小6.嫌8.突4喷锚钳支护勤的设顿计原辰则二、臣块状告围岩锚杆摇加固博围岩列裂隙柜面洞顶蚕裂隙业面AB，水岭平向贩压力P，锚家杆预醉应力T→要求诸校核暴沿AB面是永否滑海动，劝挽救叨，保狡护稳同定帮计算棵所需T，沿AB面：§6廉.8喷锚夏支护传原理暴和设处计原及则法向力抗滑力滑动力6.撑8.桥4喷锚龟支护慈的设祥计原潜则二、爪块状篮围岩喷砼姑层支讲护危注石1）按缠“冲愁切型舒”破响坏验茫算喷涝层厚拳度侨设危押石重G，底蜘面周盟边长亿，喷袭层厚乓度h，以材砼抗樱拉强跑度作没为不艇发生蛾“冲奸切型盏”破秀坏条厕件.§6绳.8喷锚泊支护汽原理木和设抓计原民则穿透喷层6.仔8.缎4喷锚贵支护刮的设筐计原测则二、揉块状叙围岩喷砼瓶层支犹护危槐石2）按辣“撕层开型位”验少算喷任层厚质度比验算捆岩面掘与砼查喷层祸之间闪的粘姨结力挎是否晋满足齿强度路要求爬根据颈弹性帐地基使梁理灶论推奖导：惊（设业喷层滥与岩近面间衔的粘定结强昆度串）岩状面与袖喷层园间最掌大拉转应力§6落.8喷锚舍支护当原理耗和设俗计原暖则6.袭8.字4喷锚爱支护帅的设阳计原夕则§6日.8喷锚曲支护窑原理伶和设佣计原紫则三、舌层状嚷围岩洞室翼开挖克后由感层面犹粘结领强度谊很低蛇，洞莫顶塌爽落。工程乐上：疑一般牌采用找锚杆撤形成幅“组浊合梁炒”保声持稳吉定锚杆伯的作滚用：俯增加宫层间秀握裹秘力，烤切向锡摩擦起力6.立8.驻4喷锚买支护摔的设惕计原之则§6屡.8喷锚