岩石力学课程Chapter6.ppt

第六章 山岩压力与围岩稳定性 Chapter 6 Rock Pressure and Stability of Surrounding Rock,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；山岩压力的概念，松散围岩压力计算，形变山岩压力-围岩压力的弹塑性理论计算；衬砌刚度影响的山岩压力计算。,学习对象 地下洞室，围岩应力，岩体稳定性，山岩压力，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、山岩压力、松散围岩压力、形变山岩压力-围岩压力的弹塑性理论；掌握洞室围岩应力计算，山岩压力的概念，松散围岩压力计算，形变山岩压力-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 Learning Hints,6.1 概述,6.1.1 基本概念,地下洞室Underground Cavity,指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。,地下洞室的分类,按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程 按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室 按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形 按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井） 按介质类型：岩石洞室、土洞 按应力情况：单式洞室、群洞,6.1 概述,6.1.1 基本概念,围岩surrounding Rock,在岩体内开挖地下洞室以后，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。 因人类活动影响（洞室开挖或支护等）而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，洞室围岩就出现拉裂、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，支护作用包括：（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）上的压力称为山岩压力，包括松动压力和形变压力。,山岩压力,6.1 概述,6.1.1 基本概念,变形压力是由于围岩的弹性恢复或塑性变形所产生的围岩压力。一般塑性变形主要有塑性挤入、膨胀内鼓及弯折内鼓等，变形山压具有随时间延长而增大的特点。,山岩压力,松动压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移、碎裂松动等所引起的。松动山压仅限于围岩产生松动脱落的局部范围内。它是以重力的形式作用在衬砌上，其大小取决于脱落岩石的重量。,6.2 山岩压力的影响因素,6.2.1 山岩压力的形成,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。此时山岩压力很小或几乎没有。,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，形成松动压力和形变压力，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 影响山岩压力的因素,6.2 山岩压力的影响因素,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 影响山岩压力的因素,6.2 山岩压力的影响因素,地质构造,地质构造简单，地层完整、无软弱结构面，围岩稳定，山岩压力小；反之。,6.2.2 影响山岩压力的因素,6.2 山岩压力的影响因素,时间因素,山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，另外还有流变/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。,许可抗压强度一般取单轴湿抗压强度的0.50.6倍,取值注意围岩质量,6.3 坚硬岩体的应力和稳定验算,对于稳定性不佳或较差的围岩，需要确定作用于支护上的山岩压力的大小，从而确定支护的参数（如喷混凝土的厚度，锚杆的直径、间距、是否施加钢支撑等）。 确定山岩压力的大小在工程上具有重要的意义。如果取值过大，则衬砌需要做得很厚，造成浪费；反之，取值太小，衬砌做得很薄，承受不了实际的山岩压力，造成衬砌的破坏和围岩失稳。 由于山岩压力包括松动压力和形变压力，两者产生的机理存在较大差异，因此相应的计算方法也大大不同。,6.4 普氏压力拱理论,压力拱理论一般适用于破碎性较大的岩石的山岩压力计算，计算的压力为松动压力。,洞室开挖,6.4 普氏压力拱理论,6.4.1 垂直山岩压力,确定垂直山岩压力 关键在于松动区的体形，即压力拱形状,关于推求压力拱形状的方面存在不同的假设，假设不同，山岩压力也不同，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 普氏压力拱理论,6.4.1 垂直山岩压力,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（fK2），地下洞室开挖： 侧墙剪切破裂+顶拱“压力拱”.,6.4 普氏压力拱理论,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；,6.4.2 压力拱的形状,6.4 普氏压力拱理论,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 普氏压力拱理论,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 普氏压力拱理论,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 普氏压力拱理论,20 洞室顶部的最大压力在拱轴线上：,压力拱上任一点纵坐标,1o 洞室任何其他点上的垂直压力：,6.4.3 侧向山岩压力,6.4 普氏压力拱理论,利用主动朗肯土压力公式：,洞顶,洞底,总侧向压力,6.4.4 压力拱理论的适用条件,6.4 普氏压力拱理论,基本前提：洞室上方的岩体能够形成自然压力拱。,下列情况不能应用压力拱理论：,1o 岩石的fK0.8，洞室的埋深H小于2倍压力拱高度或小于压力拱 跨度的2.5倍(H2.0h or H2.5b2).,2o 明挖地下结构；,3o 当fK0.3的土(淤泥、粉沙、饱和粘土)，不能形成压力拱；,6.4.5 不能形成压力拱时山岩压力的计算,6.4 普氏压力拱理论,当洞室上面的岩体不能形成压力拱或经验算压力拱的承载能力不够时：,作用于洞顶上的总垂直压力Qy为：,6.4.5 不能形成压力拱时山岩压力的计算,6.4 普氏压力拱理论,适用条件,结论:,1o 偏于安全，可直接按h 计（不计两侧摩擦力）,2o 有地下水作用，浮容重 =(-10.0) ，加上水压力,6.5.1 基本原理,6.5 太沙基理论,太沙基理论（K.Terzaghi）是将地层看作松散体（浅埋洞室），从应力传递的概念出发推出作用于衬砌上的垂直压力。,Case1 洞室侧面的岩石比较稳定，不会形成45-/2的滑裂面,Case2 洞室侧面的岩石不稳定，形成45-/2的滑裂面,6.5.1 基本原理,6.5 太沙基理论,Case1 洞室侧面的岩石比较稳定，不会形成45-/2的滑裂面,根据平衡条件,整理后：,6.5.1 基本原理,6.5 太沙基理论,Case1 洞室侧面的岩石比较稳定，不会形成45-/2的滑裂面,根据边界条件z=0，zp,6.5.1 基本原理,6.5 太沙基理论,Case1 洞室侧面的岩石比较稳定，不会形成45-/2的滑裂面,讨论：,10 z=H，洞顶面的垂直山岩压力q,20 洞室为深埋时， H,30 c0,6.5.1 基本原理,6.5 太沙基理论,Case2 洞室侧面的岩石不稳定，形成45-/2的滑裂面,垂直压力计算公式的推导与上述过程一致，只要将前面公式中的b1用b2代替。,侧压仍按朗肯主动土压力公式计算！,6.6 弹塑性理论,6.6.1 概述,山岩压力,6.6 弹塑性理论,6.6.2 芬纳（Fenner）公式,在开挖隧洞的工程实践中，常会遇到软弱围岩。通常软弱围岩大体可分为两种情况：一种是由于岩体节理裂隙发育或经风化作用而形成极度破碎的近乎松散的岩体；另一种是块体强度很低，因此在一定程度上可将软弱围岩视为各向同性的均匀连续体，计算山岩压力时，可用连续介质的弹塑性理论作为工具。,6.6 弹塑性理论,6.6.1 概述,区：应力松弛区（松动区）； 区：应力增高区，二者都是应力重 分布区，塑性区半径； 区：弹性区；,6.6 弹塑性理论,6.6.2 芬纳（Fenner）公式,变形压力公式推导,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)：,6.6 弹塑性理论,6.6.2 芬纳（Fenner）公式,变形压力公式推导,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,利用该式即可求塑性区内任一点应力（径向和切向）,6.6 弹塑性理论,6.6.2 芬纳（Fenner）公式,变形压力公式推导,r=r0(洞壁处)的径向压力即为支护力,该应力即为维持洞室在以半径为R的范围内达到塑性平衡所需施加在洞壁上的力，对围岩而言是支护力，对支护而言，是围岩施加给支护的山岩压力（变形压力）。,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，理论上Pi可以为0，但实际位移过大产生松动压力,20 处的初始地应力,30 涉及塑性区岩体的 、 ，一般选用残余值（爆破松动）,40 Pi与支护的刚度有关，刚度大，Pi大，反之则小；如柔性支护，变形大，Pi大，R随着增大，但随后用于维持稳定Pi也减小（NATM，图）。,6.6 弹塑性理论,6.6.2 芬纳（Fenner）公式,讨论,50 塑性区半径的计算,随着支护力 的减小，塑性区半径 增大，因此可以求 =0是的最大塑性区半径。,6.6.2 芬纳（Fenner）公式,讨论,60 修正芬纳公式（在微分体的推导中计入 ）,6.6 弹塑性理论,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,如果考虑上述两个因素，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 ,一般通过声波测试确定；,20 当塑性区与洞顶“未脱开”时，采用芬纳公式吻合； 当塑性区与洞顶“可能脱开或脱开”时，采用卡柯公式吻合；,6.6.2 卡柯（Caquot）公式,6.6 弹塑性理论,30 由于必须事先知道塑性区半径R，计算时认为塑性松动圈充分发展，可求得松动压力的公式：,6.7.1 概述,6.7地质分析法计算山岩压力,前面介绍了山岩压力（普氏理论，太沙基，弹塑性理论）分析方法，即主要针对：围岩均质，没有考虑软弱结构面切割的影响，而实际工程，由于软弱结构切割形成的块体稳定性非常关键(重点分析)！,实际工程中，一般采用地质力学方法计算山岩压力。首先应查明断层、节理、软弱夹层的分布情况以及它们之间的形状，分析洞顶和洞壁坍塌、滑动的方向，确定可能坍塌或滑动的高度和悬空体的形状，然后用力学的方法求山岩压力的大小。,6.7.1 洞顶“悬空体”,6.7地质分析法计算山岩压力,如果洞顶围岩被断层、节理等切割成悬空体，作用于衬砌或支护上的总压力即等于悬空体的重量，山岩压力可按ABC岩石的重量来确定。,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段的山岩压力：,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,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,根据 ，求得节理面,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),直墙拱顶洞壁的不稳定条件：,提供水平方向支护力 并使：,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：,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,可通过应力转轴或 M-C 圆求得:,6.7地质分析法计算山岩压力,Unwedge软件,6.8.1 喷锚支护原理,6.8 喷锚支护原理和设计原则,传统地下洞室设计理论：,一般刚性衬砌与岩体不能紧密结合，施工完成后围岩继续向洞室变形；,洞室开挖后围岩的变形，最终是坍塌；,支护和衬砌的作用是将洞室开挖后可能塌坍的岩石支承起来；,衬砌支护只是一种被动承受较大荷载的结构物，荷载与衬砌本身无关，等于不设衬砌时可能塌坍下来的岩石全部重量（如普氏压力）,6.8.1 喷锚支护原理,原理,6.8 喷锚支护原理和设计原则,地下洞室开挖围岩变形发展 不约束（支护）充分发展破坏形成松动压力 适度发展施加约束（支护）承担变形压力,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的简称，锚杆和喷射混凝土也可以独立使用，但工程上常将二者联合使用，这样大大地加强了它们对于围岩的支护能力，可以适用于各种围岩条件。,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原则,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。,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原则,曲线 与平行: 支护刚度相同，支护时间的影响，PBPA,与不平行: 支护刚度的影响，PcPB,6.8.2 喷锚支护的特点,6.8 喷锚支护原理和设计原则,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，充分发挥围岩的自承能力，达到安全和经济的支护目的。,适时、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）,6.8.4 喷锚支护的设计原则,6.8 喷锚支护原理和设计原则,“关于新奥法/喷锚支护的原理还不能从理论上去完善、定量地分析”。,实际上，岩石力学的发展已经给喷锚支护原理的解释提供了新的理论，如蠕变理论等,6.8.4 喷锚支护的设计原则,6.8 喷锚支护原理和设计原则,一、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： 岩壁表层喷薄层砼防止风化（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,6.8.4 喷锚支护的设计原则,6.8 喷锚支护原理和设计原则,二、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。,控制围岩的稳定，关键在于控制危石（关键块体） 关键块 控制重点加固（锚杆、喷砼）,一般来说岩块之间相互镶嵌、咬合、互锁、卡紧在一起，围岩的坍塌总是从某个岩块（危石）开始，然后发展。,6.8.4 喷锚支护的设计原则,二、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的分力T，沿破裂面AB的分力Q,6.8 喷锚支护原理和设计原则,锚杆拉力,锚杆剪力,确定锚杆截面/大小,6.8.4 喷锚支护的设计原则,二、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 喷锚支护原理和设计原则,6.8.4 喷锚支护的设计原则,二、块状围岩,喷砼层支护危石,1）按“冲切型”破