围岩压力与围岩稳定性讲义PPT43

第六章章围围岩压力力与围围岩稳稳定性性Chapter6RockPressureandStabilityofSurroundingRock学习内内容→→地下洞洞室概概述，，洞室室围岩岩应力力计算算，岩岩体的的应力力和稳稳定性性验算算；围围岩压压力的的概念念，松松散围围岩压压力计计算，，形变变围岩岩压力力-围岩压压力的的弹塑塑性理理论计计算；；衬砌砌刚度度影响响的围围岩压压力计计算。。学习对对象→→地下洞洞室，，围岩岩应力力，岩岩体稳稳定性性，围围岩压压力，，松散散围岩岩压力力，形形变山山岩压压力-围岩压压力的的弹塑塑性。。学习目目的→→了解地地下洞洞室、、围岩岩压力力、松松散围围岩压压力、、形变变围岩岩压力力-围岩压压力的的弹塑塑性理理论；；掌握握洞室室围岩岩应力力计算算，围围岩压压力的的概念念，松松散围围岩压压力计计算，，形变变围岩岩压力力-围岩压压力的的弹塑塑性理理论计计算以以及衬衬砌刚刚度影影响的的山岩岩压力力计算算。学习提提示LearningHints§6.1概述6.1.1基本概概念围岩surroundingRock在岩体体内开开挖洞洞室以以后，，岩体体的原原始平平衡状状态被被破坏坏，发发生应应力重重分布布。这这种重重新分分布的的应力力称为为岩体体中的的二次次应力力或称称为洞洞室围围岩应应力。。产生生应力力重分分布的的这一一部分分岩体体，一一般称称为洞洞室的的围岩岩。（（对于于作为为基础础的岩岩体而而言，，我们们一般般称为为基岩岩或岩岩基，，对于于边坡坡，则则称为为边坡坡岩体体等））。§6.1概述6.1.1基本概概念当围岩岩压力力到达达或超超过岩岩体强强度时时，洞洞室围围岩就就出现现塑性性变形形，剪剪切破破坏甚甚至崩崩塌、、滑动动。为保证证洞室室的稳稳定，，常对对洞室室进行行必要要的支支护，，(1)承担坍坍落岩岩块的的重量量（松松动压压力））；(2)限制围围岩变变形（（形变变压力力）。。因而而，支支护与与衬砌砌必然然要受受到岩岩石的的压力力。我们把把由于于地下下洞室室开挖挖形成成的围围岩变变形或或破坏坏，且且作用用于衬衬砌（（支护护）上上的压压力称称为围围岩压压力，，包括括松动动和形形变压压力。。围岩压压力§6.2山岩压压力的的影响响因素素6.2.1围岩压压力的的形成成围岩质质量优优良（（完整整、强强度等等）----地下洞洞室开开挖后后，围围岩仅仅产生生弹性性回弹弹，二二次应应力小小于围围岩强强度，，围岩岩只有有弹性性变形形而无无塑性性变形形，且且开挖挖后即即完成成，岩岩石无无破坏坏或松松动，，围岩岩整体体稳定定，无无支护护力，，支护护（水水工隧隧洞，，较较小小糙率率）,防止表表层岩岩石风风化及及局部部剥落落。中等质质量岩岩石----地下洞洞室开开挖后后，围围岩产产生弹弹性、、塑性性变形形，少少量岩岩石破破坏，，应力力重分分布需需要一一定时时间，，具有有粘性性（变变形随随时间间发展展），，但围围岩整整体稳稳定，，作用用于支支护上上形变变压力力；但但支护护的浇浇筑时时间和和结构构刚度度对山山岩压压力影影响大大。质量较较差围围岩（（破碎碎、软软弱岩岩体））----岩石强强度低低，洞洞室开开挖，，塑性性+粘弹性性变形形较大大，二二次应应力超超过岩岩石强强度很很多，，局部部围岩岩不稳稳定，，容易易塌落落，形形成松松动+形变压压力，，支护护的作作用主主要是是支撑撑塌落落岩块块的重重量，，阻止止岩体体继续续变形形、松松动和和破坏坏。初始地应应力释放荷载载----二次应力力→松动动+变形→大大小洞室的形形状及大大小洞室形状状，大小小→影响响二次应应力一般而言言，圆形形、椭圆圆、拱形形，优于于其他洞洞形，围围岩压力力～跨度度近似成成正比。。岩体质量量岩石的强强度，节节理裂隙隙发育程程度，节节理的方方向。6.2.2影响围岩岩压力的的因素§6.2围岩压力力的影响响因素支护刚度度＆时间间施工方法法刚度→约约束变形形能力→→围岩压压力围岩变位位u随t发展→最最佳支护护时间。。洞室埋深深浅埋洞室室→承担担洞顶岩岩体重量量。深埋埋：承担担压力拱拱至洞顶顶之间岩岩体重量量。开挖爆破破形式：：钻爆法法，全断断面掘进进机6.2.2影响围岩岩压力的的因素§6.2围岩压力力的影响响因素地质构造造地质构造造简单，，地层完完整、无无软弱结结构面，，围岩稳稳定，围围岩压力力小；反反之～。。6.2.2影响围岩岩压力的的因素§6.2围岩压力力的影响响因素时间因素素围岩压力力随时间间的增加加而增大大（一方方面，变变形和破破坏有一一个过程程，另外外还有蠕蠕变的原原因）§6.3坚硬岩体体的应力力和稳定定验算对于整体体性良好好的坚硬硬岩体来来说，节节理不发发育，强强度较大大，无塑塑性变形形，且弹弹性变形形迅速完完成。洞室稳定定分析只只需验算算边界上上的切向向应力是是否超过过岩体强强度。地应力特征、洞室形状、尺寸许可抗压压强度一一般取单单轴湿抗抗压强度度的0.5～0.6倍取值注意意围岩质质量§6.4压力拱理理论压力拱理理论一般般适用于于破碎性较较大的岩石的的围岩压压力计算算，计算算的压力力为松动压力力。洞室开挖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压力拱理理论6.4.1垂直围岩岩压力确定垂直直围岩压压力→关键在于于松动区区的体形形，即压力拱形形状关于推求求压力拱拱形状的的方面存存在不用用的假设设，假设设不同，，围岩压压力也不不同，一一般采用用普罗托奇奇耶柯诺诺夫的压力拱拱理论，，即普氏氏压力拱拱理论。。普氏认为为：岩体体内总是是有许多多大小的的裂隙、、层理、、节理等等软弱结结构面，，将岩体体切割成成各种大大小的块块体，破破坏岩体体的完整整性，造造成松动动性。可可以把洞洞室周围围的岩体体看成没没有凝聚聚力的大大块散粒粒体。§6.4压力拱理理论6.4.1垂直围岩岩压力岩石坚固固系数的的概念实际上岩岩石存在在凝聚力力，一般般采用增增大内摩摩擦系数数的方法法来补偿偿这一因因素，这这个增大大的内摩摩擦系数数称为岩石的坚坚固系数数。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压力拱的的形状根据普氏氏理论，，对于比比较破碎碎岩体（（fK<2），地下下洞室开开挖：侧侧墙墙剪切破破裂+顶拱“压压力拱””.§6.4压力拱理理论式中：b1——洞室跨度度的一半半；b2——压力拱跨跨度的一一半；h0——洞室的高高度；换算内摩擦角6.4.2压力拱的的形状§6.4压力拱理理论压力拱稳稳定条件件：假定定岩体为为散粒体体，其抗抗拉、抗抗弯能力力很小，，洞室顶顶部上的的压力拱拱最稳定定的条件件是沿着着拱的切切线方向向仅作用用压力。。抛物线方方程6.4.2压力拱的的形状§6.4压力拱理理论F是岩石对对拱向外外移动的的摩阻力力6.4.2压力拱的的形状§6.4压力拱理理论为了保证A点的稳定：一般，只只能取最最大摩阻阻力的一一半来平平衡拱顶顶推力T：压力拱的的高度等等于拱跨跨度的一一半除以以岩石的的坚固系系数。6.4.2压力拱的的形状§6.4压力拱理理论10洞室顶部部的最大大压力在在拱轴线线上：压力拱上上任一点点纵坐标标2o洞室任何何其他点点上的垂垂直压力力：6.4.3侧向围岩岩压力§6.4压力拱理理论利用主动动朗肯土土压力公公式：洞顶洞底总侧向压压力6.4.4压力拱理理论的适适用条件件§6.4压力拱理理论基本前提提：洞室室上方的的岩体能能够形成成自然压压力拱。。下列情况况不能应应用压力力拱理论论：1o岩石的fK<0.8，洞室的的埋深H小于2倍压力拱拱高度或或小于压压力拱跨度的2.5倍(H<2.0horH<2.5b2).2o明挖地下下结构；；3o当fK<0.3的土(淤泥、粉粉沙、饱饱和粘土土)，不能形形成压力力拱；6.4.5不能形成成压力拱拱时围岩岩压力的的计算§6.4压力拱理理论当洞室上上面的岩岩体不能能形成压压力拱或或经验算算压力拱拱的承载载能力不不够时：：作用于洞洞顶上的的总垂直直压力Qy为：垂直压力折减系数6.4.5不能形成成压力拱拱时围岩岩压力的的计算§6.4压力拱理理论适用条件件结论:1o偏于安全全，可直直接按γh计（不计计两侧摩摩擦力））2o有地下水水作用，，浮容重重γ=(γγ-10.0)，加上水水压力6.5.1基本原理理§6.5太沙基理理论太沙基理理论（K.Terzaghi）是将地地层看作作松散体体（浅埋埋洞室）），从应应力传递递概念出出发推出出作用于于衬砌上上的垂直直压力。。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6.5.1基本原理理§6.5太沙基理理论Case1洞室侧面面的岩石石比较稳稳定，不不会形成成45°-ψ/2的滑裂面面根据平衡条件整理后：：6.5.1基本原理理§6.5太沙基理理论Case1洞室侧面面的岩石石比较稳稳定，不不会形成成45°-ψ/2的滑裂面面根据边界界条件z=0，σz＝p6.5.1基本原理理§6.5太沙基理理论Case1洞室侧面面的岩石石比较稳稳定，不不会形成成45°-ψ/2的滑裂面面讨论：10z=H，洞顶面面的垂直直山岩压压力q20洞室为深深埋时，，H→∞30c＝06.5.1基本原理理§6.5太沙基理理论Case2洞室侧面面的岩石石不稳定定，形成成45°-ψ/2的滑裂面面垂直压力力计算公公式的推推导与上上述过程程一致，，只要将将前面公公式中的的b1用b2代替。侧压仍按按朗肯主主动土压压力公式式计算！！！6.6.1喷锚支护护原理§6.6喷锚支护护原理和和设计原原则传统地下下洞室设设计理论论：一般刚性性衬砌与与岩体不不能紧密密结合，，施工完完成后围围岩继续续向洞室室变形；；洞室开挖挖后围岩岩的变形形，最终终是坍塌塌；支护和衬衬砌的作作用是将将洞室开开挖后可可能塌坍坍的岩石石支承起起来；衬砌支护护只是一一种被动动承受较较大荷载载的结构构物，荷荷载与衬衬砌本身身无关，，等于不不设衬砌砌时可能能塌坍下下来的岩岩石全部部重量（（如普氏氏压力））6.6.1喷锚支护护原理原理§6.6喷锚支护护原理和和设计原原则地下洞室室开挖→→围岩变变形→发发展不约束（（支护））→充分分发展→→破坏→→形成松松动压力力适度发展展→施加加约束（（支护））→承担担变形压压力支护力与塑性区半径成反比锚喷支护护，是锚锚杆与喷喷射混凝凝土联合合支护的的简称，，锚杆和和喷射混混凝土也也可以独独立使用用，但工工程上常常将二者者联合使使用，这这样大大大地加强强了它们们对于围围岩的支支护能力力，可以以适用于于各种围围岩条件件。6.6.1喷锚支护护原理关于支护护时间§6.6喷锚支护护原理和和设计原原则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↓说明在围围岩保护护围岩条条件下（（不出现现松动破破坏），，支护前前围岩变变形愈充充分则支支护力愈愈小。6.6.1喷锚支护护原理关于支护护刚度§6.6喷锚支护护原理和和设计原原则曲线Ⅱ－Ⅱ与Ⅲ－Ⅲ平行:支护刚度度相同，，支护时时间的影影响，PB>PAⅡ－Ⅱ与Ⅲ－Ⅲ’不平行:支护刚度度的影响响，Pc>PB6.6.2喷锚支护护的特点点§6.6喷锚支护护原理和和设计原原则在洞室开开挖后及及时向围围岩表面面喷一层层砼，必必要时增增设部分分锚筋，，从而及及时有效效地控制制和调整整围岩变变形和应应力重分分布范围围，充分分发挥围围岩的自自承能力力，达到到安全和和经济的的支护目目的。适时、紧紧贴、柔柔性→较较小变形形压力支护与围围岩共同同作用（（与传统统刚性支支护（松松动压力力）山岩岩压力设设计支护护观点相相反，维维持稳定定）6.6.4喷锚支护护的设计计原则§6.6喷锚支护护原理和和设计原原则“关于新奥奥法/喷锚支护护的原理理还不能能从理论论上去完完善、定定量地分分析”。。实际上，，岩石力力学的发发展已经经给喷锚锚支护原原理的解解释提供供了新的的理论，，如蠕变变理论等等6.8.4喷锚支护护的设计计原则§6.8喷锚支护护原理和和设计原原则一、整体体围岩围岩特点点：岩块块强度高高，节理理裂隙不不发育，，整体性性良好喷锚支护护：岩壁表层层喷薄层层砼→防防止风化化（岩体体出现破破碎）在在主主应力区区→布置置预应力力锚杆以以减小拉拉应力水水平，或或转化为为压应力力锚锚杆长度度→穿过过拉应力力区，锚锚固至压压力区6.8.4喷锚支护护的设计计原则§6.8喷锚支护护原理和和设计原原则二、块状状围岩围岩特点点：节理理裂隙发发育，围围岩切剖剖成块状状，其中中岩块强强度较高，结构构面错动动。控制围岩岩的稳定定，关键键在于控控制危石石（关键键块体））关关键块①①→控控制→重重点加固固（锚杆杆、喷砼砼）一般来说说岩块之之间相互互镶嵌、、咬合、、互锁、、卡紧在在一起，，围岩的的坍塌总总是从某某个岩块块（危石石）开始始，然后后发展。。6.8.4喷锚支护护的设计计原则二、块状状围岩锚杆加固固关键块块体（危危石）取危石ABC→→重量G，沿锚杆杆EF的分力T，沿破裂裂面AB的分力Q§6.8喷锚支护护原理和和设计原原则锚杆拉力锚杆剪力确定锚杆杆截面/大小6.8.4喷锚支护护的设计计原则二、块状状围岩锚杆加固固围岩裂裂隙面洞顶裂隙隙面AB，水平向向压力P，锚杆预预应力T→要求校核核沿AB面是否滑滑动，挽挽救，保保护稳定定计计算所所需T，沿AB面：§6.8喷锚支护护原理和和设计原原则法向力抗滑力滑动力6.8.4喷锚支护护的设计计原则二、块状状围岩喷砼层支支护危石石1）按“冲冲切型””破坏验验算喷层层厚度设设危石重重G，底面周周边长，，喷层厚厚度h，以砼抗抗拉强度度作为不不发生““冲切型型”破坏坏条件.§6.8喷锚支护护原理和和设计原原则穿透喷层6.8.4喷锚支护护的设计计原则二、块状状围岩喷砼层支支护危石石2）按“撕撕开型””验算喷喷层厚度度验验算岩岩面与砼砼喷层之之间的粘粘结力是是否满足足强度要要求根据据弹性地地基梁理理论推导导：（设设喷层与与岩面间间的粘结结强度））岩面面与喷层层间最大大拉应力力§6.8喷锚支护护原理和和设计原原则6.8.4喷锚支护护的设计计原则§6.8喷锚支护护原理和和设计原原则三、层状状围岩洞室开挖挖后由层