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第六章山岩压力与围岩稳定性

Chapter6RockPressureandStabilityofSurroundingRock第1页学习内容→地下洞室概述，洞室围岩应力计算，岩体应力和稳定性验算；山岩压力概念，涣散围岩压力计算，形变山岩压力-围岩压力弹塑性理论计算；衬砌刚度影响山岩压力计算。学习对象→地下洞室，围岩应力，岩体稳定性，山岩压力，涣散围岩压力，形变山岩压力-围岩压力弹塑性。学习目标→ 了解地下洞室、山岩压力、涣散围岩压力、形变山岩压力-围岩压力弹塑性理论；掌握洞室围岩应力计算，山岩压力概念，涣散围岩压力计算，形变山岩压力-围岩压力弹塑性理论计算以及衬砌刚度影响山岩压力计算。学习提醒

LearningHints第2页§6.1概述6.1.1基本概念围岩surroundingRock在岩体内开挖洞室以后，岩体原始平衡状态被破坏，发生应力重分布。这种重新分布应力称为岩体中二次应力或称为洞室围岩应力。产生应力重分布这一部分岩体，普通称为洞室围岩。第3页§6.1概述6.1.1基本概念当围岩压力抵达或超出岩体强度时，洞室围岩就出现塑性变形，剪切破坏甚至崩塌、滑动。为确保洞室稳定，常对洞室进行必要支护，(1)负担坍落岩块重量（松动压力）；(2)限制围岩变形（形变压力）。因而，支护与衬砌必定要受到岩石压力。我们把因为地下洞室开挖形成围岩变形或破坏，且作用于衬砌（支护）上压力，包含松动和形变压力。山岩压力第4页§6.2山岩压力影响原因6.2.1支护（衬砌）作用1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，围岩整体稳定，支护（水工隧洞，较小糙率）,预防表层岩石风化及局部剥落。2中等质量岩石----地下洞室开挖后，围岩产生弹性、塑性变形。普通含有粘性（变形随时间发展），但围岩整体稳定，作用于支护上形变压力。3质量较差围岩（破碎、软弱岩体）----洞室开挖，塑性+粘弹性变形较大，二次应力超出强度，局部围岩不稳定，形成松动+形变压力，由支护负担。第5页初始地应力释放荷载----二次应力→松动+变形→大小洞室形状及大小洞室形状，大小→影响二次应力普通而言，圆形、椭圆、拱形，优于其它洞形，围岩压力～跨度近似成正比。岩体质量岩石强度，节理裂隙发育程度，节理方向。6.2.2影响山岩压力原因§6.2山岩压力影响原因第6页支护刚度＆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→最正确支护时间。洞室埋深浅埋洞室→负担洞顶岩体重量。深埋：负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影响山岩压力原因§6.2山岩压力影响原因第7页围岩弹性变形:弹性回弹→围岩压力与埋深相关围岩塑性变形:与（埋深相关，包括σ1，σ3大小影响变形量大小）6.2.2影响山岩压力原因§6.2山岩压力影响原因第8页§6.3坚硬岩体应力和稳定验算对于整体性良好坚硬岩体来说，节理不发育，强度较大，无塑性变形，且弹性变形快速完成。洞室稳定分析只需验算边界上切向应力是否超出岩体强度。地应力特征、洞室形状、尺寸许可抗压强度普通取单轴湿抗压强度0.5～0.6倍取值注意围岩质量第9页§6.4压力拱理论6.4.1垂直山岩压力压力拱理论普通适合用于破碎性较大岩石山岩压力计算，计算压力为松动压力。洞室开挖应力重分布洞顶出现拉应力拉应力超出岩石抗拉强度顶部岩石破坏，失去平衡而逐步塌落塌落到一定程度后平衡，不在塌落压力拱坍落拱第10页§6.4压力拱理论6.4.1垂直山岩压力确定垂直山岩压力→关键在于松动区体形，即压力拱形状关于推求压力拱形状方面存在不用假设，假设不一样，山岩压力也不一样，普通采取普罗托奇耶柯诺夫压力拱理论，即普氏压力拱理论。普氏认为：岩体内总是有许多大小裂隙、层理、节理等软弱结构面，将岩体切割成各种大小块体，破坏岩体完整性，造成松动性。能够把洞室周围岩体看成没有凝聚力大块散粒体。第11页§6.4压力拱理论6.4.1垂直山岩压力岩石坚固系数概念实际上岩石存在凝聚力，普通采取增大内摩擦系数方法来赔偿这一原因，这个增大内摩擦系数称为岩石坚固系数。原岩体抗剪强度岩体看作散粒体时1o砂土及涣散材料2o整体性岩石第12页6.4.2压力拱形状依据普氏理论，---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——洞室跨度二分之一；b2——压力拱跨度二分之一；h0——洞室高度；换算内摩擦角第13页6.4.2压力拱形状§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，洞室顶部上压力拱最稳定条件是沿着拱切线方向仅作用压力。抛物线方程第14页6.4.2压力拱形状§6.4压力拱理论F是岩石对拱向外移动摩阻力第15页6.4.2压力拱形状§6.4压力拱理论为了确保A点稳定：普通，只能取最大摩阻力二分之一来平衡拱顶推力T：压力拱高度等于拱跨度二分之一除以岩石坚固系数。第16页6.4.2压力拱形状§6.4压力拱理论10洞室顶部最大压力在拱轴线上：压力拱上任一点纵坐标2o洞室任何其它点上垂直压力：第17页6.4.3侧向山岩压力§6.4压力拱理论利用主动朗肯土压力公式：洞顶洞底总侧向压力第18页6.4.4压力拱理论适用条件§6.4压力拱理论基本前提：洞室上方岩体能够形成自然压力拱。以下情况不能应用压力拱理论：1o岩石fK<0.8，洞室埋深H小于2倍压力拱高度或小于压力拱跨度2.5倍(H<2.0horH<2.5b2).2o明挖地下结构；3o当fK<0.3土(淤泥、粉沙、饱和粘土)，不能形成压力拱；第19页6.4.5不能形成压力拱时山岩压力计算§6.4压力拱理论当洞室上面岩体不能形成压力拱或经验算压力拱承载能力不够时：作用于洞顶上总垂直压力Qy为：垂直压力折减系数第20页6.4.5不能形成压力拱时山岩压力计算§6.4压力拱理论适用条件结论:1o偏于安全，可直接按γh计（不计两侧摩擦力）2o有地下水作用，浮容重γ=(γ-1.0)，加上水压力第21页6.5.1基本原理§6.5太沙基理论太沙基理论（K.Terzaghi）是将地层看作涣散体（浅埋洞室），从应力传递概念出发推出作用于衬砌上垂直压力。Case1洞室侧面岩石比较稳定，不会形成45°-ψ/2滑裂面Case2洞室侧面岩石不稳定，形成45°-ψ/2滑裂面第22页6.5.1基本原理§6.5太沙基理论Case1洞室侧面岩石比较稳定，不会形成45°-ψ/2滑裂面依据平衡条件整理后：第23页6.5.1基本原理§6.5太沙基理论Case1洞室侧面岩石比较稳定，不会形成45°-ψ/2滑裂面依据边界条件z=0，σz＝p第24页6.5.1基本原理§6.5太沙基理论Case1洞室侧面岩石比较稳定，不会形成45°-ψ/2滑裂面讨论：10z=H，洞顶面垂直山岩压力q20洞室为深埋时，H→∞30c＝0第25页6.5.1基本原理§6.5太沙基理论Case2洞室侧面岩石不稳定，形成45°-ψ/2滑裂面垂直压力计算公式推导与上述过程一致，只要将前面公式中b1用b2代替。侧压仍按朗肯主动土压力公式计算！！第26页§6.6弹塑性理论6.6.1概述山岩压力普氏、太沙基理论等围岩质量和自承能力较差.围岩质量和自承能力较差.弹塑性理论（芬纳公式）围岩质量和自承能力较强.松动压力变形压力第27页§6.6弹塑性理论6.6.2芬纳（Fenner）公式在开挖隧洞工程实践中，常会碰到软弱围岩。通常软弱围岩大致可分为两种情况：一个是因为岩体节理裂隙发育或经风化作用而形成极度破碎近乎涣散岩体；另一个是块体强度很低，所以在一定程度上可将软弱围岩视为各向同性均匀连续体，计算山岩压力时，可用连续介质弹塑性理论作为工具。第28页§6.6弹塑性理论6.6.1概述Ⅰ区：应力松弛区（松动区）；

Ⅱ区：应力增高区，二者都是应力重分布区，塑性区半径；

Ⅲ区：弹性区；第29页§6.6弹塑性理论6.6.2芬纳（Fenner）公式变形压力公式推导第30页§6.6弹塑性理论6.6.2芬纳（Fenner）公式变形压力公式推导沿垂直洞轴线切取单位厚度（平面问题）。在塑性区内取微分体，满足(力平衡条件)：第31页§6.6弹塑性理论6.6.2芬纳（Fenner）公式变形压力公式推导第32页§6.6弹塑性理论6.6.2芬纳（Fenner）公式变形压力公式推导推导第33页§6.6弹塑性理论6.6.2芬纳（Fenner）公式变形压力公式推导以r0为内径，为外半径厚壁圆筒弹性公式r=r0支护力第34页§6.6弹塑性理论6.6.2芬纳（Fenner）公式讨论10～（开挖洞径）成正比，～成反比（即塑性区↑，↓适度）20～处初始地应力30～包括塑性区岩体、，普通选取残余值（爆破松动）第35页§6.6弹塑性理论6.6.2芬纳（Fenner）公式讨论40塑性区半径计算伴随支护力减小，塑性区半径增大，所以能够求=0是最大塑性区半径。第36页6.6.2芬纳（Fenner）公式讨论50修正芬纳公式（在微分体推导中计入）§6.6弹塑性理论第37页6.6.2卡柯（Caquot）公式芬纳公式推导中：1）未计塑性区体力；2）塑性区与弹性区位移、应力连续、实际洞顶“未脱开”（浅埋）；§6.6弹塑性理论假如考虑上述两个原因，则可推导出卡柯公式（塑性应力承载公式）：10计算时，需已知塑性区半径,普通经过声波测试确定；20当塑性区与洞顶“脱开”时，采取芬纳公式吻合；当塑性区与洞顶“可能脱开”时，采取卡柯公式吻合；第38页6.6.2卡柯（Caquot）公式§6.6弹塑性理论30计算时认为塑性松动圈充分发展，可求得松动压力公式：第39页6.7.1概述§6.7地质分析法计算山岩压力前面介绍山岩压力（普氏理论，太沙基，弹塑性理论）分析方法——围岩均质，没有考虑软弱结构面切割影响，而实际工程，因为软弱结构切割形成块体稳定性非常关键重点分析！！采取地质力学方法计算山岩压力时，首先应查明断层、节理、软弱夹层分布情况以及它们之间形状，分析洞顶和洞壁坍塌、滑动方向，确定可能坍塌或滑动高度和悬空体形状，然后用力学方法求山岩压力大小。第40页6.7.1洞顶“悬空体”§6.7地质分析法计算山岩压力假如洞顶围岩被断层、节理等切割成悬空体，作用于衬砌或支护上总压力即等于悬空体重量，山岩压力可按ABC岩石重量来确定。第41页6.7.2洞顶分离体沿某一软面滑动§6.7地质分析法计算山岩压力由AC,CD,BD节理面切割形成→“ABCD”块体→AC面+CD面拉裂沿BD面滑动。弧AB段山岩压力：第42页6.7.3洞侧壁分离体沿某一软弱面滑动“ABC”沿AC面滑动，(Q向AC面投影)，山岩压力为：§6.7地质分析法计算山岩压力第43页6.7.4分离体滑面由数组平行节理面组成

校核：

洞顶：沿节理是否产生滑动；

侧墙：沿节理是否产生滑动→确定支护力§6.7地质分析法计算山岩压力假定洞壁，节理面参数依据，求得节理面第44页6.7.3洞侧壁分离体沿某一软弱面滑动分析：§6.7地质分析法计算山岩压力洞壁上(对于直墙拱顶洞室)(对于圆形洞室)直墙拱顶洞壁不稳定条件：提供水平方向支护力并使：第45页6.7.3洞侧壁分离体沿某一软弱面滑动分析：§6.7地质分析法计算山岩压力洞顶上不稳定条件：提供铅直方向支护力并使：第46页6.7.3洞侧壁分离体沿某一软弱面滑动分析：§6.7地质分析法计算山岩压力任意位置上可经过应力转轴或M-C圆求得:第47页6.8.1喷锚支护原理原理§6.8喷锚支护原理和设计标准地下洞室开挖→围岩变形→发展不变约束（支护）→充分发展→破坏→形成松动压力适度发展→施加约束（支护）→负担变形压力支护力与塑性区半径成反比锚喷支护，是锚杆与喷射混凝土联合支护简称，锚杆和喷射混凝土也能够独立使用，但工程上常将二者联合使用，这么大大地加强了它们对于围岩支护能力，能够适合用于各种围岩条件。第48页6.8.1喷锚支护原理关于支护时间§6.8喷锚支护原理和设计标准10伴随时间增加，增加，支护力减小;不过，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→A点平衡。显然：越小，越小，越大，支护力↑说明在围岩保护围岩条件下（不出现松动破坏），支护前围岩变形愈充分则支护力愈小。第49页6.8.1喷锚支护原理关于支护刚度§6.8喷锚支护原理和设计标准曲线Ⅱ－Ⅱ与Ⅲ－Ⅲ平行:支护刚度相同，支护时间影响，PB>PAⅡ－Ⅱ与Ⅲ－Ⅲ’不平行:支护刚度影响，Pc>PB第50页6.8.2喷锚支护特点§6.8喷锚支护原理和设计标准在洞室开挖后及时向围岩表面喷一层砼，必要时增设部分锚筋，从而及时有效地控制和调整围岩变形和应力重分布范围，充分发挥围岩自承能力，到达安全和经济支护目标。及时、紧贴、柔性较小变形压力支护与围岩共同作用（与传统刚性支护（松动压力）山岩压力设计支护观点相反，维持稳定）第51页6.8.4喷锚支护设计标准§6.8喷锚支护原理和设计标准整体围岩围岩特点：岩块强度高，节理裂隙不发育，整体性良好喷锚支护：岩壁表层喷薄层砼→预防风化（岩体出现破碎）

在主应力区→布置预应力锚杆以减小拉应力水平，或转化为压应力

锚杆长度→穿过拉应力区，锚固至压力区(天生桥二级调压井事故)！！第52页6.8.4喷锚支护设计标准§6.8喷锚支护原理和设计标准块状围岩围岩特点：节理裂隙发育，围岩切剖成块状，其中岩块强度较高，结构面错动控制岩块稳定→关键块体

关键块①→控制→重点加固（锚杆、喷砼）第53页6.8.4喷锚支护设计标准块状围岩锚杆加固关键块体（危石）取危石ABC→重量G，沿锚杆EF分力T，沿破裂面AB分力Q§6.8喷锚支护原理和设计标准锚杆拉力锚杆剪力确定锚杆截面/大小第54页6.8.4喷锚支护设计标准块状围岩锚杆加固围岩裂隙面洞顶裂隙面AB，水平向压力P，锚杆预应力T→要求校核沿AB面是否滑动，挽救，保护稳定计算所需T，沿AB面：§6.8喷锚支护原理和