岩石力学课程Chapter6PPT课件

第六章山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；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。,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，包括松动和形变压力。,山岩压力,6.2山岩压力的影响因素,6.2.1支护（衬砌）的作用,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）,防止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。一般具有粘性（变形随时间发展），但围岩整体稳定，作用于支护上形变压力。,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，二次应力超过强度，局部围岩不稳定，形成松动+形变压力，由支护承担。,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,围岩弹性变形:弹性回弹围岩压力与埋深有关,围岩塑性变形:与（埋深有关，涉及1，3大小影响变形量大小）,6.2.2影响山岩压力的因素,6.2山岩压力的影响因素,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,6.4压力拱理论,6.4.1垂直山岩压力,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用的假设，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，-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：,6.4.3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,6.4.4压力拱理论的适用条件,6.4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(H2.0horHPB,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。,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）,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,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,(天生桥二级调压井事故)！,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,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控制重点加固（锚杆、喷砼）,6.8.4喷锚支护的设计原则,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,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,块状围岩,喷砼层支护危石,1）按“冲切型”破坏验算喷层厚度设危石重G,底面周边长,喷层厚度h，砼抗拉强度不发生“冲切型”破坏条件.,6.8喷锚支护原理和设计原则,穿透喷层,6.8.4喷锚支护的设计原则,块状围岩,喷砼层支护危石,2）按“撕开型”验算喷层厚度验算岩面与砼喷层之间的粘结力是否满足强度要求根据弹性地基梁理论推导：（设喷层与岩面间的粘结强度）岩面与喷层间最大拉应力,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,6.8喷锚支护原理和设计原则,层状围岩,洞室开挖后由层面粘结强度很低，洞顶塌落。,工程上：一般采用锚杆形成“组合梁”保持稳定,锚杆的作用：增加层间握裹力，切向摩擦力,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,软弱围岩,围岩特点：围岩强度很低;节理裂隙极度发育切割成散离体,由砼喷层支护可能产生的破坏模式,在压应力集中区，发生剪切破坏取圆形，砼抗剪强度设计要求：喷层保持围岩稳定！根据喷层AA的受力情况，写出水平向平衡方程：,6.8.4喷锚支护的设计原则,6.8喷锚支护原理