岩石地下工程之三围岩的变形与破坏

岩石地下工程之三--围岩的变形与破坏地下开挖后，岩体中形成一个自由变形空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去了支撑而发生向洞内松胀变形；如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏，并从母岩中脱落形成坍塌、滑动或岩爆，称前者为变形，后者为破坏。围岩变形破坏形式决定因素:围岩应力状态、岩体结构及洞室断面形状等一、各类结构围岩的变形破坏特点

1、整体状和块状岩体围岩岩体具有很高的力学强度和抗变形能力，主要结构面是节理，很少有断层，含有少量的裂隙水。在力学属性上可视为均质、各向同性、连续的线弹性介质，应力应变呈近似直线关系。围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等。这类围岩的整体变形破坏可用弹性理论分析，局部块体滑移可用块体极限平衡理论来分析。岩爆是高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩产生突发性变形破坏的现象。脆性开裂出现在拉应力集中部位。块体滑移是块状岩体常见的破坏形成。它是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及其与开挖面的相对关系控制。坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图1.层面；2.断裂；3.裂隙2、层状岩体围岩常呈软硬岩层相间的互层形式。结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制，破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。变形破坏常可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。

在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。在倾斜层状围岩中，沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移，形成不对称的塌落拱。在直立层状围岩中，当天然应力比值系数λ＜1/3时，洞顶发生沿层面纵向拉裂，被拉断塌落。侧墙因压力平行于层面，发生纵向弯折内鼓，危及洞顶安全。3、碎裂状岩体围岩碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。变形破坏形式常表现为塌方和滑动。用松散介质极限平衡理论来分析。在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，不易大规模塌方。围岩中含泥量很高时，由于岩块间不是刚性接触，易产生大规模塌方或塑性挤入4、散体状岩体围岩散体状岩体是指强烈构造破碎、强烈风化的岩体。常表现为弹塑性、塑性或流变性。围岩结构均匀时，以拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。围岩的变形破坏是渐进式逐次发展的。

开挖-->应力调整-->变形、局部破坏-->再次调整-->再次变形-->较大范围破坏围岩的变形破坏过程分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的始发点和发生连锁反应的关键点，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。在围岩变形破坏的早期就加以处理，这样才能有效地控制围岩变形，确保围岩的稳定性。二、怜围岩竹位移快计算1、后弹性戏位移鲁计算围岩寄处于革弹性抚状态抚,位熟移可吃用弹牲性理液论进架行计均算。分两赖种情吗况:由重糟分布亿应力艇引起由重症分布好应力悲与天末然应王力之愚差引黄起(1纷)由重引分布擦应力饶引起平面答应变帜条件狸下洞逃壁围丑岩弹纵性位赚移据弹性需理论，平患面应明变与捞位移移间的收关系有为：平面榜应变兰-应姑力的臭物理沫方程平面祥应变清条件蓝下的害围岩煎位移静水厅压力雁式天仅然应供力在σh＝σv＝σ0的天省然应个力状揪态中路，洞乒壁仅话产生眉径向亲位移解，而无环向寸位移抢。洞壁体的弹索性位稳移(2达)由重难分布丹应力腹与天辞然应猪力之歪差引浪起天然室应力耗引起符的位效移在到洞室竞开挖登前就勾已经垂完成嘴了，着开挖碧后洞跳壁的网位移伐仅是汤重分贿布应战力与泳天然狐应力杏的应喊力差陕引起谢的。假设睛岩体士中天伤然应摸力为σh＝σv＝σ0，开挖呼前洞俯壁应叶力为σr1＝σθ1＝σ0，开挖斤后重刚分布巾应力贸为σr2＝0，σθ2＝2σ0。应力巩差为洞壁串围岩众的径恼向位艰移为支护翅力为pi，洞壁泳的径鞋向位掘移2、荒塑性滨位移岭计算塑性恰位移记采用弹塑鸦性理馆论分析基本托思路:先声求出蹈弹、遗塑性天圈交佣界面叮上的宗径向流位移移，然削后根深据塑匙性圈驶体积杯不变滋的条禽件求六洞壁哄的径累向位翅移。弹性脊圈内的应允力等潮于σ0引起需的应夺力，抓叠加蓬上塑刮性圈棍作用躲于弹逢性圈岁的径出向应哈力σR1引起记的附阵加应让力之回和。由σ0引起压的应艺力由σR1引起冷的附慰加应的力弹性作圈内崭的重起分布温应力开挖守形成晋塑性担圈后葬，弹隐、塑册性圈更交界烛面上邻的径呜向应杰力增许量(Δ增σr)r＝R1和环参向应汁力增难量(Δ刃σθ)r＝R1为：弹、耀塑性掠圈交顾界面铺上的径向四应变εR1弹、此塑性鸦圈交壁界面娘的径向寇位移uR1塑性撕圈作览用于眨弹性什圈的候径向伸应力塑性绿圈变重形前崭后体延积不给变略去埋高阶院微量片后，亏可得锈洞壁伍的径当向位源移三、永围岩殿破坏务区范乒围的昏确定清方法对于整体续状、拜块状婶岩体可用淹弹性半力学未或弹术塑性门力学凭方法灾确定棍其围查岩破哈坏区摇厚度蜂。松散侧岩体常用幻玉松散驴介质爷极限守平衡塞理论特方法扛来确械定。1、弹性呆力学乓方法确定洋：破山坏范扇围破坏理圈厚钉度洞顶缘瑞、底巾将出俯现拉更应力甩。若炮拉应稳力大歼于围窗岩的漫抗拉占强度歉σt，则姻围岩烟就要矩发生要破坏凶。破坏急范围宜(λ＜弃1/洒3)洞壁使围岩暑均为中压应醋力集坟中，症当大掀于围残岩的钉抗压娇强度σc时，点洞壁溪围岩抬就要纽奉破坏净。破坏秧范围霉(λ>速1/赶3)破坏骨圈厚说度当r洁>R0时，移在θ些＝0够，π舌/2弹，π爽，3厚π/赌2四麻个方采向上记，τrθ=0腊，σr和σθ为主广应力写。围岩攻的强减度2、妈弹塑秆性力说学方服法在裂派隙岩袋体中嗽开挖父地下回洞室烧时，扔将在诞围岩议中出辈现一皂个塑鄙性松期动圈同。围晶岩的见破坏福圈厚蹦度为获R1－R0关键授是确授定塑性恒松动寨圈半蓄径R1设岩交体中阁的天业然应轮力为晋σh＝σv＝σ0弹性勺圈内往的应微力弹、娃塑性尿圈交廊界面神上的股弹性匪应力貌为交界催面上停的塑吨性应腿力界面甲上弹罚性应萌力与歪塑性锻