工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件

第第7章章 岩石力学在地下工程中的应用岩石力学在地下工程中的应用第7章 岩石力学在地下工程中的应用 地下工程是岩石工程中建造最多的地下构造地下工程是岩石工程中建造最多的地下构造物，如公路和铁路的隧道、地下厂房等。如何解物，如公路和铁路的隧道、地下厂房等。如何解决在建造地下洞室时所遇到的各种岩石力学问题，决在建造地下洞室时所遇到的各种岩石力学问题，包括岩体的二次应力分布，围岩压力的计算、节包括岩体的二次应力分布，围岩压力的计算、节理等不连续面对围岩二次应力状态和围岩压力的理等不连续面对围岩二次应力状态和围岩压力的影响以及开挖洞室后围岩的稳定性评价等问题，影响以及开挖洞室后围岩的稳定性评价等问题，将直接指导地下洞室的施工、设计工作。如同其将直接指导地下洞室的施工、设计工作。如同其他学科一样，岩体力学在洞室工程中的应用也经他学科一样，岩体力学在洞室工程中的应用也经历了一个发展的过程。本章就各时期各阶段具有历了一个发展的过程。本章就各时期各阶段具有代表性的内容，包括应用极为广泛的新奥法作一代表性的内容，包括应用极为广泛的新奥法作一介绍。介绍。地下工程是岩石工程中建造最多的地下构造物，如公路岩石地下工程在力学上和结构上有如下主要特点：岩石地下工程在力学上和结构上有如下主要特点：(1)岩石在组构与力学性质上与其它材料存在不同点，如具有节理和岩石在组构与力学性质上与其它材料存在不同点，如具有节理和塑性段的扩容（剪胀）现象等；塑性段的扩容（剪胀）现象等；(2)地下工程是先受力（原岩应力）即先加荷，后开挖（开巷）即后地下工程是先受力（原岩应力）即先加荷，后开挖（开巷）即后卸荷；卸荷；(3)深埋巷道属于无限域问题，影响圈内自重可以忽略；深埋巷道属于无限域问题，影响圈内自重可以忽略；(4)大部分较长巷道可作为平面应变问题处理；大部分较长巷道可作为平面应变问题处理；(5)围岩与支护相互作用，共同决定着围岩的变形及支护所受的荷载围岩与支护相互作用，共同决定着围岩的变形及支护所受的荷载与位移；与位移；(6)地下工程结构容许超负荷时具有可缩性；地下工程结构容许超负荷时具有可缩性；(7)地下工程结构在一定条件下出现周岩抗力；地下工程结构在一定条件下出现周岩抗力；(8)几何不稳定结构在地下可以是稳定的；几何不稳定结构在地下可以是稳定的；岩石地下工程在力学上和结构上有如下主要特点：(1)岩石在组7.1 围岩二次应力状态的基本概念围岩二次应力状态的基本概念所谓所谓围岩围岩是指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变是指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，而这部分被改变了应力状态的岩体称作围岩。围岩化，而这部分被改变了应力状态的岩体称作围岩。围岩范围的大小与岩体的自身特性有关。那么，范围的大小与岩体的自身特性有关。那么，围岩的二次围岩的二次应力状态应力状态就是指经开挖后岩体在无支护条件下岩体经应就是指经开挖后岩体在无支护条件下岩体经应力调整后的应力状态。顾名思义，若将初始应力看作是力调整后的应力状态。顾名思义，若将初始应力看作是一次应力状态，那么二次应力状态其特点是经人工开挖一次应力状态，那么二次应力状态其特点是经人工开挖而引起的、在无支护的条件下，经应力重新分布后的应而引起的、在无支护的条件下，经应力重新分布后的应力状态。显然，力状态。显然，分析围岩的二次应力状态，必须掌握两分析围岩的二次应力状态，必须掌握两个条件：个条件：一是岩体自身的力学性质；二是岩体的初始应一是岩体自身的力学性质；二是岩体的初始应力状态。力状态。7.1 围岩二次应力状态的基本概念所谓围岩是指由于人7.2 深埋圆形洞室围岩二次应力状态的弹性分析深埋圆形洞室围岩二次应力状态的弹性分析7.2.1 侧压力系数侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态状态7.2.2 侧压力系数侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态状态7.2.3 深埋椭圆形洞室的二次应力状态深埋椭圆形洞室的二次应力状态7.2.4 深埋矩形洞室的二次应力状态深埋矩形洞室的二次应力状态7.2.5 群洞围岩的弹性应力计算群洞围岩的弹性应力计算7.2 深埋圆形洞室围岩二次应力状态的弹性分析7.2.1 侧7.2.1 侧压力系数侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态1.基本假设基本假设 在深埋岩体中，开挖一圆形洞室，可利用弹性力学的理论分析该在深埋岩体中，开挖一圆形洞室，可利用弹性力学的理论分析该洞室围岩二次应力的弹性应力分布状态。对于岩体这一介质而言，洞室围岩二次应力的弹性应力分布状态。对于岩体这一介质而言，除了要满足弹性力学中的基本假设条件（即视围岩为均质、各向同除了要满足弹性力学中的基本假设条件（即视围岩为均质、各向同性、线弹性，无流变行为）以外，就侧压力系数性、线弹性，无流变行为）以外，就侧压力系数 =1时深埋圆形洞时深埋圆形洞室的二次应力分析，还必须作一些补充的假设条件：室的二次应力分析，还必须作一些补充的假设条件：(1)对于深埋（对于深埋（）洞室，取计算单元为一无自重的单元）洞室，取计算单元为一无自重的单元体，不计由于洞室开挖而产生的重力变化，并将岩体的自重作为作体，不计由于洞室开挖而产生的重力变化，并将岩体的自重作为作用在无穷远处的初始应力状态，见图用在无穷远处的初始应力状态，见图7.1。(2)对于深埋（对于深埋（）洞室，岩体的初始应力状态在不作特）洞室，岩体的初始应力状态在不作特殊说明时，仅考虑岩体的自重应力。且侧压力系数按弹性力学中殊说明时，仅考虑岩体的自重应力。且侧压力系数按弹性力学中 计算，本小节取计算，本小节取 =1。这样，原问题就简化为荷载与结构都是轴对称的平面应变圆孔问这样，原问题就简化为荷载与结构都是轴对称的平面应变圆孔问题，见图题，见图7.2。7.2.1 侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次 图图7.1 深埋巷道的力学特点深埋巷道的力学特点 图7.1 深埋巷道的力学特点图图7.2 轴对称圆巷的条件轴对称圆巷的条件图7.2 轴对称圆巷的条件7.2.1 侧压力系数侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态2.基本方程基本方程 用弹性力学求解上述问题时，通常先根据计算简图（图用弹性力学求解上述问题时，通常先根据计算简图（图7.3和图和图7.4）建立反映简图中单元体的静力平衡方程和位移的几何方程，通）建立反映简图中单元体的静力平衡方程和位移的几何方程，通过本构方程建立应力与应变之间的关系式，求得用应变表示过本构方程建立应力与应变之间的关系式，求得用应变表示(或应力或应力表示表示)的微分方程，在求得该微分方程的通解之后，再利用洞室开挖的微分方程，在求得该微分方程的通解之后，再利用洞室开挖后的圆形边界条件确定其积分常数，求出最终的位移、应力、应变后的圆形边界条件确定其积分常数，求出最终的位移、应力、应变的表示式。的表示式。7.2.1 侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次图7.3 微元体受力状态 图7.4 微元体位移图图7.3 微元体受力状态 工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件7.2.1 侧压力系数侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态7.2.1 侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次7.2.1 侧压力系数侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态4.结果结果7.2.1 侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件7.2.1 侧压力系数侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态（1）巷道围岩的二次应力分布规律）巷道围岩的二次应力分布规律（2）巷道围岩的径向位移）巷道围岩的径向位移（3）巷道围岩的应变）巷道围岩的应变（4）洞室围岩的稳定性评价）洞室围岩的稳定性评价 5.讨论讨论7.2.1 侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二7.2.2 侧压力系数侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态 当侧压力系数当侧压力系数 时，深埋圆形洞室的二次应力计算，通常将时，深埋圆形洞室的二次应力计算，通常将其计算简图分解成两个较为简单的计算模式，然后将两者叠加而求其计算简图分解成两个较为简单的计算模式，然后将两者叠加而求得。其计算简图如图得。其计算简图如图7.5所示。情况所示。情况作用着作用着 的初始应力，的初始应力，并且垂直应力与水平应力相等。而情况并且垂直应力与水平应力相等。而情况作用着作用着 的初始的初始应力，其中垂直应力是压应力，而水平应力是拉应力。若将两种情应力，其中垂直应力是压应力，而水平应力是拉应力。若将两种情况作用的外荷载相加，其外荷载为垂直应力况作用的外荷载相加，其外荷载为垂直应力 ，水平应力为，水平应力为 。根据弹性学的解将两者叠加而求得任意一点的应力状态为根据弹性学的解将两者叠加而求得任意一点的应力状态为 图图7.5 时圆形洞室二次应力的计算见图时圆形洞室二次应力的计算见图7.2.2 侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次(7.20)(7.21)而其位移计算公式为而其位移计算公式为(7.20)(7.21)而其位移计算公式为工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件 由公式(7.22)可知，围岩的总应力集中系数 是 角、初始应力 以及侧压力系数 的函数，将受到这三个因素的影响。图7.6表示了洞壁应力 的总应力集中系数K，受 角以及不同 的变化状态。图7.6 洞壁应力总应力集中系数变化图 由公式(7.22)可知，围岩的总应力集中系数工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件7.2.3 深埋椭圆形洞室的二次应力状态深埋椭圆形洞室的二次应力状态1.洞壁应力计算公式洞壁应力计算公式 图7.7 椭圆洞室单向受力计算简图 7.2.3 深埋椭圆形洞室的二次应力状态1.洞壁应力计算公工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件7.2.3 深埋椭圆形洞室的二次应力状态深埋椭圆形洞室的二次应力状态2.洞壁应力分布特点分析洞壁应力分布特点分析 洞壁的切向应力不仅与初始应力洞壁的切向应力不仅与初始应力 与与 有关，而且还取决于任意有关，而且还取决于任意点与点与x轴的夹角轴的夹角 和半轴比和半轴比K的大小。表的大小。表7.1列出了几种特殊条件组合列出了几种特殊条件组合情况下的结果。情况下的结果。表表7.1 切向应力的变化特征切向应力的变化特征7.2.3 深埋椭圆形洞室的二次应力状态2.洞壁应力分布特7.2.3 深埋椭圆形洞室的二次应力状态深埋椭圆形洞室的二次应力状态3.最佳椭圆截面尺寸最佳椭圆截面尺寸 所谓所谓洞室的最佳截面尺寸洞室的最佳截面尺寸，通常应满足三个条件。首先，洞室，通常应满足三个条件。首先，洞室周边的应力分布应该是均匀应力，且在同一半径上其应力相等；第周边的应力分布应该是均匀应力，且在同一半径上其应力相等；第二，洞室周边的应力应该都为压应力，在洞壁处不出现拉应力；第二，洞室周边的应力应该都为压应力，在洞壁处不出现拉应力；第三，其应力值应该是各种截面中最小的。椭圆洞室可求得满足上述三，其应力值应该是各种截面中最小的。椭圆洞室可求得满足上述条件的洞截面尺寸，被称作条件的洞截面尺寸，被称作谐洞谐洞。若已知侧压力系数。若已知侧压力系数 ，设半轴比，设半轴比 ，并将此假设条件代人公式，并将此假设条件代人公式(7.25)，即，即7.2.3 深埋椭圆形洞室的二次应力状态3.最佳椭圆截面尺得出的结果很为理想。其洞室周边的切向应力得出的结果很为理想。其洞室周边的切向应力 的值与的值与 角无关，并且在角无关，并且在 时时 也为均匀的压应力，且其应力值小于圆形洞室也为均匀的压应力，且其应力值小于圆形洞室 时的洞室周边切向应力值。时的洞室周边切向应力值。得出的结果很为理想。其洞室周边的切向应力 的值与 7.2.4 深埋矩形洞室的二次应力状态深埋矩形洞室的二次应力状态 矩形洞室一般采用旋轮线代替矩形洞室一般采用旋轮线代替4个直角，利用级数求解其应力状个直角，利用级数求解其应力状态。其结果可简化成下式态。其结果可简化成下式(，洞室周边应力，洞室周边应力)表表7.2列出了洞壁不同角所对应的应力集中系数。列出了洞壁不同角所对应的应力集中系数。图图7.8是这一计算的实例。是这一计算的实例。(7.27)7.2.4 深埋矩形洞室的二次应力状态 表表7.2 矩形洞室周边应力的数值矩形洞室周边应力的数值表7.2 矩形洞室周边应力的数值图图7.8 矩形洞室（矩形洞室（）周边应力分布图）周边应力分布图 图7.8 矩形洞室（）周边应7.2.5 群洞围岩的弹性应力计算群洞围岩的弹性应力计算 Howland于于1934年给出了无限介质中一排平行等间隔的圆孔的年给出了无限介质中一排平行等间隔的圆孔的应力分布，图应力分布，图7.9为其中的两个圆孔。为其中的两个圆孔。图图7.9 无限介质中的等间距圆孔无限介质中的等间距圆孔 7.2.5 群洞围岩的弹性应力计算 在竖向在竖向(与圆孔圆点连线垂直与圆孔圆点连线垂直)虚力作用下，巷道间距与直径相等虚力作用下，巷道间距与直径相等时，巷道围岩的应力集中系数分布如图时，巷道围岩的应力集中系数分布如图7.10所示，图中应力分布曲所示，图中应力分布曲线分别为：线分别为：A表示洞周；表示洞周；B表示沿水平中线；表示沿水平中线；C表示两条巷道中间岩表示两条巷道中间岩柱的铅垂线。柱的铅垂线。图图7.10 隧道围岩集中系数分布隧道围岩集中系数分布 在竖向(与圆孔圆点连线垂直)虚力作 图图7.11为外加应力沿着水平方向时的应力分布，其他条件与上为外加应力沿着水平方向时的应力分布，其他条件与上图相同，图中曲线为沿着水平中线巷间岩柱的切向应力分布。图相同，图中曲线为沿着水平中线巷间岩柱的切向应力分布。图图7.11 水平方向加载时的围岩应力分布水平方向加载时的围岩应力分布 图7.11为外加应力沿着水平方向 由此可见，沿着水平方向加载，巷道之间存在由此可见，沿着水平方向加载，巷道之间存在“屏蔽屏蔽”作用作用，即巷道之问的岩柱应力明显降低。从图中还可以推断，相邻巷道的即巷道之问的岩柱应力明显降低。从图中还可以推断，相邻巷道的影响范围仅为一倍巷道直径的范围。巷道间岩柱的形状和尺寸对于影响范围仅为一倍巷道直径的范围。巷道间岩柱的形状和尺寸对于岩柱中的应力分布有直接的影响。岩柱中的应力分布有直接的影响。Obert和和Duvall用光弹试验的方法研究了巷道间岩柱尺寸对应力用光弹试验的方法研究了巷道间岩柱尺寸对应力分布的影响，图分布的影响，图7.12给出了岩柱应力分布特征。图中，给出了岩柱应力分布特征。图中，为平均应为平均应力，力，为洞壁切向应力，为洞壁切向应力，。从图中可以看出，岩柱的平。从图中可以看出，岩柱的平均应力随着岩柱宽度的减小而增加，但均应力随着岩柱宽度的减小而增加，但 却降低了。却降低了。由此可见，沿着水平方向加载，巷道之巷道间岩柱尺寸和形状对岩柱应力分布的影响巷道间岩柱尺寸和形状对岩柱应力分布的影响图图7.12巷道间岩柱尺寸和形状对岩柱应力分布的影响图7.127.3 深埋圆形洞室围岩二次应力状态的弹塑性分析深埋圆形洞室围岩二次应力状态的弹塑性分析 岩体经开挖，破坏了原有岩体自身的应力平衡，促使岩体进行岩体经开挖，破坏了原有岩体自身的应力平衡，促使岩体进行应力调整。经重新分布的应力往往会出现超出岩体屈服强度的现象，应力调整。经重新分布的应力往往会出现超出岩体屈服强度的现象，这时接近洞壁的部分岩体将进入塑性状态，随着距洞轴中心的距离这时接近洞壁的部分岩体将进入塑性状态，随着距洞轴中心的距离r的增大，二次应力逐渐向弹性状态过渡，使得二次应力状态将出现的增大，二次应力逐渐向弹性状态过渡，使得二次应力状态将出现弹、塑性状态并存的应力分布特点。弹、塑性状态并存的应力分布特点。本小节着重介绍本小节着重介绍 条件下的应力状态，由于这是个轴对称条件下的应力状态，由于这是个轴对称问题，且应力与问题，且应力与 角无关，使得弹、塑性区都成为一个圆环状，应角无关，使得弹、塑性区都成为一个圆环状，应力随着力随着r的变化而变化。由于塑性区域的存在，计算公式比较复杂，的变化而变化。由于塑性区域的存在，计算公式比较复杂，因此有关其他条件因此有关其他条件(包括包括 以及各种洞截面形状以及各种洞截面形状)的应力分析，不的应力分析，不作进一步讨论。作进一步讨论。7.3 深埋圆形洞室围岩二次应力状态的弹塑性分析 7.3.1 轴对称圆巷的理想弹塑性分析轴对称圆巷的理想弹塑性分析卡斯特纳求解卡斯特纳求解1.基本假设和解题条件基本假设和解题条件 （1）深埋圆形平巷、无限长；）深埋圆形平巷、无限长；（2）原岩应力各向等压；）原岩应力各向等压；（3）原岩为理想弹塑性体，本构关系见图）原岩为理想弹塑性体，本构关系见图7.13；（4）原岩为不可压缩材料；）原岩为不可压缩材料；（5）巷道埋深）巷道埋深 。图图7.13 理想弹塑性材料的本构关系理想弹塑性材料的本构关系7.3.1 轴对称圆巷的理想弹塑性分析卡斯特纳求解1.侯公羽侯公羽(2008)对围岩对围岩支护相互作用发生的起因进行的详细分析支护相互作用发生的起因进行的详细分析表明，在卡斯特纳方程求解中，对支护反力进行的力学简化处理没表明，在卡斯特纳方程求解中，对支护反力进行的力学简化处理没有真实地反映出支护反力的产生及其支护时机、加载路径等物理意有真实地反映出支护反力的产生及其支护时机、加载路径等物理意义，虽然从纯粹的数学意义和纯粹的力学意义上看是正确的，但从义，虽然从纯粹的数学意义和纯粹的力学意义上看是正确的，但从工程实际角度看却存在严重的错误，即弹塑性变形阶段考虑支护反工程实际角度看却存在严重的错误，即弹塑性变形阶段考虑支护反力不具有工程实践意义。因此，本书的求解不予考虑支护反力的作力不具有工程实践意义。因此，本书的求解不予考虑支护反力的作用。用。当洞室周边的二次应力超出岩体的屈服应力，则洞室周边围岩当洞室周边的二次应力超出岩体的屈服应力，则洞室周边围岩将产生塑性区。就岩石的力学特性而言，多数的岩石属脆性材料，将产生塑性区。就岩石的力学特性而言，多数的岩石属脆性材料，其屈服应力的大小不太容易求得。因此，近似地采用莫尔其屈服应力的大小不太容易求得。因此，近似地采用莫尔-库伦准则库伦准则作为进入塑性状态的判据。作为进入塑性状态的判据。轴对称圆巷的力学模型如图轴对称圆巷的力学模型如图7.14所示。所示。侯公羽(2008)对围岩支护相互弹性区原岩应力区塑性区图图7.14 力学模型力学模型弹性区原岩应力区塑性区图7.14 力学模型2.基本方程基本方程2.基本方程3.边界条件边界条件3.边界条件4.解题解题4.解题工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件5.结果结果5.结果工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件图图7.15 弹塑性应力分布弹塑性应力分布 图7.15 弹塑性应力分布 6.关于有支护反力情况下的弹塑性求解的概念澄清关于有支护反力情况下的弹塑性求解的概念澄清6.关于有支护反力情况下的弹塑性求解的概念澄清7.讨论讨论7.讨论图图7.16 莫尔莫尔-库仑准则库仑准则图7.16 莫尔-库仑准则7.3.2 塑性区半径处的应力塑性区半径处的应力7.3.2 塑性区半径处的应力7.3.3 塑性区的位移塑性区的位移7.3.3 塑性区的位移工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件图图7.17 塑性区体积不变假设条件下的轴对称圆巷周边位移塑性区体积不变假设条件下的轴对称圆巷周边位移 图7.17 塑性区体积不变假设条件下的轴对称圆巷周边位移 工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件7.3.4 深埋圆形洞室二次应力状态的弹塑性分布特性小结深埋圆形洞室二次应力状态的弹塑性分布特性小结7.3.4 深埋圆形洞室二次应力状态的弹塑性分布特性小结7.4 节理岩体中深埋圆形洞室的剪裂区及应力分析节理岩体中深埋圆形洞室的剪裂区及应力分析 在以上几节中所讨论的二次应力都是以连续、均质、各向同在以上几节中所讨论的二次应力都是以连续、均质、各向同性的介质这一假设条件为基础。当岩体在某些特殊的条件下性的介质这一假设条件为基础。当岩体在某些特殊的条件下(例例如层状岩体如层状岩体)，则与这些假设条件有着很大的差别。就岩体的强，则与这些假设条件有着很大的差别。就岩体的强度而言，由于这些不连续面的存在，往往会出现由节理强度控制度而言，由于这些不连续面的存在，往往会出现由节理强度控制岩体的强度，最终产生岩体剪切滑移破坏的现象，这时的二次应岩体的强度，最终产生岩体剪切滑移破坏的现象，这时的二次应力分布状态将出现剪裂区。所谓剪裂区，是指节理岩体由于开挖力分布状态将出现剪裂区。所谓剪裂区，是指节理岩体由于开挖产生沿节理剪切滑移破坏的区域。由于节理岩体的强度随节理的产生沿节理剪切滑移破坏的区域。由于节理岩体的强度随节理的产状明显地呈各向异性。因此，剪裂区并不像前两节所讨论的结产状明显地呈各向异性。因此，剪裂区并不像前两节所讨论的结果那样呈环状分布，而是在洞周呈类似猫耳状的分布形态。本节果那样呈环状分布，而是在洞周呈类似猫耳状的分布形态。本节主要介绍剪裂区范围以及剪裂区内应力分析等内容。主要介绍剪裂区范围以及剪裂区内应力分析等内容。7.4 节理岩体中深埋圆形洞室的剪裂区及应力分析7.4.1 剪裂区分析的基本假设剪裂区分析的基本假设7.4.1 剪裂区分析的基本假设7.4.2 剪裂区内的应力剪裂区内的应力图图7.18为剪裂区应力分析的计算简图。为剪裂区应力分析的计算简图。图图7.18 剪裂区应力计算简图剪裂区应力计算简图7.4.2 剪裂区内的应力图7.18为剪裂区应力分析的计算简 根据假设条件可知，剪裂区内的应力应满足节理面的强度条件根据假设条件可知，剪裂区内的应力应满足节理面的强度条件(由于剪裂区已发生沿节理的剪切滑移破坏，因此，应力符号采用由于剪裂区已发生沿节理的剪切滑移破坏，因此，应力符号采用 和和 以区别于弹性区内的应力，即以区别于弹性区内的应力，即(7.46)根据假设条件可知，剪裂区内的应力7.4.3 剪裂区范围的计算剪裂区范围的计算 如前所述，所谓的剪裂区是指岩体将沿节理面产生剪切滑移破坏的如前所述，所谓的剪裂区是指岩体将沿节理面产生剪切滑移破坏的区域。区域。7.4.3 剪裂区范围的计算 如前所工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件7.5 围岩压力成因及影响因素围岩压力成因及影响因素7.5.1 围岩压力的基本概念围岩压力的基本概念 实践告诉我们，岩体本身就是支护结构的一部分，它将承担部实践告诉我们，岩体本身就是支护结构的一部分，它将承担部分二次应力的作用。支护结构应该与岩体是一个整体，两者应成为分二次应力的作用。支护结构应该与岩体是一个整体，两者应成为一个系统，来共同承担由于开挖而引起的二次应力作用。因此，对一个系统，来共同承担由于开挖而引起的二次应力作用。因此，对围岩压力的定义又可理解为：二次应力的全部作用围岩压力的定义又可理解为：二次应力的全部作用(广义的围岩压力广义的围岩压力)。在这广义的围岩压力概念中，最具特色的是支护与围岩的共同作用。在这广义的围岩压力概念中，最具特色的是支护与围岩的共同作用。洞室开挖后，岩体的应力调整、向洞内位移的变化也说明了围岩与洞室开挖后，岩体的应力调整、向洞内位移的变化也说明了围岩与支护一起，发挥各自所具有的强度特性，共同参与了这一应力重分支护一起，发挥各自所具有的强度特性，共同参与了这一应力重分布的整个过程。布的整个过程。7.5 围岩压力成因及影响因素7.5.1 围岩压力的基本概念7.5.2 围岩压力成因围岩压力成因 如图如图7.19所示，仅考虑围岩中最大压力为竖向情况。围岩压力随所示，仅考虑围岩中最大压力为竖向情况。围岩压力随时间的发展过程包括下述三个阶段：时间的发展过程包括下述三个阶段：图图7.19 地下洞室围岩压力成因机理及演化过程地下洞室围岩压力成因机理及演化过程7.5.2 围岩压力成因 如图7.1第一阶段：如图第一阶段：如图7.15(a)所示，由于洞室开挖引起围岩变形，在周壁所示，由于洞室开挖引起围岩变形，在周壁七产生挤压作用，同时在左、右两侧围岩中形成楔形岩块，这两个七产生挤压作用，同时在左、右两侧围岩中形成楔形岩块，这两个楔块具有向洞内移动的趋势，从而洞室两侧又产生压力，并且由此楔块具有向洞内移动的趋势，从而洞室两侧又产生压力，并且由此过渡到第二阶段。这种楔形岩块是由于洞室两侧围岩剪切破坏产生过渡到第二阶段。这种楔形岩块是由于洞室两侧围岩剪切破坏产生的。的。第二阶段：如图第二阶段：如图7.15(b)所示，当洞室左、右两侧围岩中的侧向楔形所示，当洞室左、右两侧围岩中的侧向楔形岩块发生移动及变形之后，洞室的跨度似乎增大了。因此，在围岩岩块发生移动及变形之后，洞室的跨度似乎增大了。因此，在围岩内形成一个椭圆形高压力区。在椭圆形高压力区曲线内形成一个椭圆形高压力区。在椭圆形高压力区曲线(边界线边界线)与洞室与洞室周界线周界线(周壁周壁)之间的岩体发生松动。之间的岩体发生松动。第三阶段：如图第三阶段：如图7.15(c)所示，位于洞顶和洞底的松动岩体开始发生所示，位于洞顶和洞底的松动岩体开始发生变形，并且向着洞内移动，其中洞顶松动岩体在重力作用下有掉落变形，并且向着洞内移动，其中洞顶松动岩体在重力作用下有掉落到洞内的危险。围岩压力逐渐增加。到洞内的危险。围岩压力逐渐增加。第一阶段：如图7.15(a)所示，由于洞室开挖引起围岩变形，对于岩性及结构不同的围岩，由于其变形和破坏的性质及程度不同，对于岩性及结构不同的围岩，由于其变形和破坏的性质及程度不同，所产生围岩压力的主要原因也就不同，经常碰到以下三种情况：所产生围岩压力的主要原因也就不同，经常碰到以下三种情况：（1）在坚硬而完整的岩体中，由于洞室围岩应力一般是小于岩体极限）在坚硬而完整的岩体中，由于洞室围岩应力一般是小于岩体极限强度的，所以岩体只发生弹性变形而无塑性流动，岩体没有破坏及松动。强度的，所以岩体只发生弹性变形而无塑性流动，岩体没有破坏及松动。又因为岩体弹性变形在洞室开挖后即已结束，所以这种岩体中的洞室不会又因为岩体弹性变形在洞室开挖后即已结束，所以这种岩体中的洞室不会发生坍塌等失稳现象。如果在开挖后对洞室进行支护或设置衬砌，则支护发生坍塌等失稳现象。如果在开挖后对洞室进行支护或设置衬砌，则支护及衬砌上将没有围压压力；及衬砌上将没有围压压力；（2）在相对不坚硬，并且发育有结构面的岩体中）在相对不坚硬，并且发育有结构面的岩体中(中等质量岩体中等质量岩体)，由于，由于洞室围岩变形较大，不仅发生弹性变形，而且伴有塑性流变，尚有少量岩洞室围岩变形较大，不仅发生弹性变形，而且伴有塑性流变，尚有少量岩石破碎作用，加之围岩应力重新分布需要一定时间，所以在设置支护或衬石破碎作用，加之围岩应力重新分布需要一定时间，所以在设置支护或衬砌之后，围岩变形将受到支护及衬砌的约束，于是便产生对支护及衬砌的砌之后，围岩变形将受到支护及衬砌的约束，于是便产生对支护及衬砌的压力。因此，在这种情况下，支护或衬砌的设置时间及结构刚度对于围岩压力。因此，在这种情况下，支护或衬砌的设置时间及结构刚度对于围岩压力的大小影响较大。在这类岩体中，压力主要是由围岩较大的变形引起压力的大小影响较大。在这类岩体中，压力主要是由围岩较大的变形引起的，而岩体的破坏、松动及塌落很小。也就是说，这类岩体中主要是变形的，而岩体的破坏、松动及塌落很小。也就是说，这类岩体中主要是变形压力，而较少产生松动压力；压力，而较少产生松动压力；对于岩性及结构不同的围岩，由于其 （3）在软弱而破碎的岩体中，由于岩体结构面极为发育，并且极限强）在软弱而破碎的岩体中，由于岩体结构面极为发育，并且极限强度很低，在洞室开挖结束后或开挖过程中，重新分布的应力很容易超过岩度很低，在洞室开挖结束后或开挖过程中，重新分布的应力很容易超过岩体强度而引起围岩破坏、松动与坍落。因此，在这类岩体中，破坏和松动体强度而引起围岩破坏、松动与坍落。因此，在这类岩体中，破坏和松动是产生围岩压力的主要原因，松动压力占居主导地位，而变形压力则是次是产生围岩压力的主要原因，松动压力占居主导地位，而变形压力则是次要的。若不及时设置支护或衬砌的话：围岩变形与破坏的范围将不断扩展，要的。若不及时设置支护或衬砌的话：围岩变形与破坏的范围将不断扩展，以至于造成洞室失稳，有的甚至在施工过程中就出现坍塌事故。支护或衬以至于造成洞室失稳，有的甚至在施工过程中就出现坍塌事故。支护或衬砌的主要作用是支承坍落岩块的重量，并且阻止围岩变形与破坏的进一步砌的主要作用是支承坍落岩块的重量，并且阻止围岩变形与破坏的进一步扩大。在这类岩体中开挖洞室，若支护或衬砌设置较晚，当岩体变形与破扩大。在这类岩体中开挖洞室，若支护或衬砌设置较晚，当岩体变形与破坏发展到一定程度时，由于围岩压力太大，将给支护或衬砌设置带来很大坏发展到一定程度时，由于围岩压力太大，将给支护或衬砌设置带来很大困难，轻则抬高工程造价，严重的将无法支护或衬砌而导致工程被迫放弃。困难，轻则抬高工程造价，严重的将无法支护或衬砌而导致工程被迫放弃。最后需要指出的是，在地应力高度集中地区，地应力将对地下洞室围最后需要指出的是，在地应力高度集中地区，地应力将对地下洞室围岩压力产生强烈影响。这种情况下，在地下洞室设计之前，首先必须做系岩压力产生强烈影响。这种情况下，在地下洞室设计之前，首先必须做系统的地应力研究工作。而在洞室施工过程中，也少不了对地应力的测量，统的地应力研究工作。而在洞室施工过程中，也少不了对地应力的测量，往往需要据此调整施工方案及进度，并且为及时设置支护及衬砌提供依据。往往需要据此调整施工方案及进度，并且为及时设置支护及衬砌提供依据。此外，在洞室运营过程中进行安全监测，也少不了对围岩地应力变化的长此外，在洞室运营过程中进行安全监测，也少不了对围岩地应力变化的长期考察分析。期考察分析。（3）在软弱而破碎的岩体中，由于岩体结构面极为发7.5.3 围岩压力影响因素围岩压力影响因素（1）场地条件及地质构造）场地条件及地质构造图图7.20 地下洞室偏压成因示意图地下洞室偏压成因示意图(箭头表较高压力方向箭头表较高压力方向)7.5.3 围岩压力影响因素（1）场地条件及地质构造图7.2（2）洞室形状及大小）洞室形状及大小图图7.21 不同断面尺寸洞室围岩压力大小对比示意图不同断面尺寸洞室围岩压力大小对比示意图（2）洞室形状及大小图7.21 不同断面尺寸洞室围岩压力大（3）衬砌或支护型式及刚度）衬砌或支护型式及刚度（4）洞室埋深）洞室埋深（5）时间）时间（6）施工方法及施工速率）施工方法及施工速率（3）衬砌或支护型式及刚度 7.6 地下洞室围岩压力及稳定性验算地下洞室围岩压力及稳定性验算 由于地下洞室围岩压力是否超出其极限强度或屈服极限，以及由于地下洞室围岩压力是否超出其极限强度或屈服极限，以及围岩是否破坏与失稳等将直接关系到对围岩压力的正确估算，所以围岩是否破坏与失稳等将直接关系到对围岩压力的正确估算，所以在对围岩压力估算之前应首先进行围岩压力及稳定性验算。而对于在对围岩压力估算之前应首先进行围岩压力及稳定性验算。而对于较软弱及破碎岩体已没有必要进行围岩压力及稳定性验算，因为在较软弱及破碎岩体已没有必要进行围岩压力及稳定性验算，因为在这种岩体中开挖洞室无疑会产生围岩压力。经常需要作围岩压力及这种岩体中开挖洞室无疑会产生围岩压力。经常需要作围岩压力及稳定性验算的岩体有完整而坚硬岩体、水平层状岩体及倾斜层状岩稳定性验算的岩体有完整而坚硬岩体、水平层状岩体及倾斜层状岩体等三种类型。体等三种类型。7.6 地下洞室围岩压力及稳定性验算 由于7.6.1 完整而坚硬岩体之围岩压力及稳定性验算完整而坚硬岩体之围岩压力及稳定性验算7.6.1 完整而坚硬岩体之围岩压力及稳定性验算7.6.2 水平层状岩体之围岩压力及稳定性验算水平层状岩体之围岩压力及稳定性验算 靠近洞室顶壁的水平层状岩体，尤其是薄层状岩体，有脱离围靠近洞室顶壁的水平层状岩体，尤其是薄层状岩体，有脱离围岩主体而形成独立梁的趋势。但是，一般情况下，除非有锚杆或排岩主体而形成独立梁的趋势。但是，一般情况下，除非有锚杆或排架结构及时支撑，否则这种位于洞室顶壁的薄层状岩体有可能塌落架结构及时支撑，否则这种位于洞室顶壁的薄层状岩体有可能塌落下来。下来。如图如图7.22所示，为一个位于洞室顶壁的水平层状岩体坍塌过程示所示，为一个位于洞室顶壁的水平层状岩体坍塌过程示意图。意图。位于洞室顶壁之上的水平层状岩体可以看作为两端固定的水平位于洞室顶壁之上的水平层状岩体可以看作为两端固定的水平梁。而这种梁的最大拉应力出现于两端的顶面处，其值为梁。而这种梁的最大拉应力出现于两端的顶面处，其值为 其中，其中，为梁长度为梁长度(洞室跨度洞室跨度)；为梁厚度为梁厚度(高度高度)；为岩体容重。为岩体容重。(7.55)7.6.2 水平层状岩体之围岩压力及稳定性验算 图图7.22 位于洞室顶壁水平薄层状岩体逐步坍塌过程不恿图位于洞室顶壁水平薄层状岩体逐步坍塌过程不恿图图7.22 位于洞室顶壁水平薄层状岩体逐步坍塌过程不恿图工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件7.7 松散岩体的围岩压力计算松散岩体的围岩压力计算 节理密集和非常破碎的岩体的力学性能与无粘结力的松散地层节理密集和非常破碎的岩体的力学性能与无粘结力的松散地层相似，经开挖洞室后所产生的围岩压力主要表现为松动压力。围岩相似，经开挖洞室后所产生的围岩压力主要表现为松动压力。围岩压力的松散体理论是在长期观察地下洞室开挖后的破坏特性的基础压力的松散体理论是在长期观察地下洞室开挖后的破坏特性的基础上而建立的。浅埋的地下洞室，开挖后洞室顶部岩体往往会产生较上而建立的。浅埋的地下洞室，开挖后洞室顶部岩体往往会产生较大的沉降，有的岩体甚至会出现塌落、冒顶等现象。基于这样一种大的沉降，有的岩体甚至会出现塌落、冒顶等现象。基于这样一种破坏形式，建立了以应力传递、岩柱重量等计算方法。而在深埋的破坏形式，建立了以应力传递、岩柱重量等计算方法。而在深埋的地下洞室，开挖后往往仅发生洞室部分岩体的塌落，在这一塌落过地下洞室，开挖后往往仅发生洞室部分岩体的塌落，在这一塌落过程中，上部岩体进行了应力重新分布而形成了自然平衡拱，而作用程中，上部岩体进行了应力重新分布而形成了自然平衡拱，而作用在支护上的荷载即为平衡拱内的岩体自重。本小节根据松散岩体的在支护上的荷载即为平衡拱内的岩体自重。本小节根据松散岩体的特殊性质介绍类似于上述基本思想的围岩松动压力的计算方法。特殊性质介绍类似于上述基本思想的围岩松动压力的计算方法。7.7 松散岩体的围岩压力计算 节理7.7.1 浅埋洞室的围岩松动压力计算浅埋洞室的围岩松动压力计算1.泰沙基的围岩压力计算方法泰沙基的围岩压力计算方法图图7.23 垂直地层压力计算简图垂直地层压力计算简图泰沙基泰沙基(Terzaghi)围岩压围岩压力计算方法是比较典型力计算方法是比较典型的应力传递法。其计算的应力传递法。其计算简图与岩柱法相同简图与岩柱法相同(见图见图7.23)。在进行公式推导。在进行公式推导时，必须分析单元体的时，必须分析单元体的应力状态，并利用静力应力状态，并利用静力平衡方程，求出计算松平衡方程，求出计算松散岩体的围岩压力表达散岩体的围岩压力表达式。式。7.7.1 浅埋洞室的围岩松动压力计算1.泰沙基的围岩压力工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件2.浅埋山坡处洞室围岩压力的计算浅埋山坡处洞室围岩压力的计算2.浅埋山坡处洞室围岩压力的计算图图7.24 山坡处洞室围岩压力的计算简图山坡处洞室围岩压力的计算简图 图7.24 山坡处洞室围岩压力的计算简图 工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件7.7.2 深埋洞室的松散体围岩压力计算深埋洞室的松散体围岩压力计算普氏理论普氏理论（1）普氏理论的基本假设）普氏理论的基本假设 普氏在自然平衡拱的理论基础上，作了如下假设，以便从理论普氏在自然平衡拱的理论基础上，作了如下假设，以便从理论上进行计算：上进行计算：岩体由于节理的切割，经开挖后形成松散岩体，但仍具有一岩体由于节理的切割，经开挖后形成松散岩体，但仍具有一定的粘结力。定的粘结力。洞室开挖后，洞顶岩体将形成一自然平衡拱。在洞室的侧壁洞室开挖后，洞顶岩体将形成一自然平衡拱。在洞室的侧壁处，沿与侧壁夹角为处，沿与侧壁夹角为 的方向产生二个滑动面，其计算简的方向产生二个滑动面，其计算简图如图图如图7.25所示。而作用在洞顶的围岩压力仅是自然平衡拱内的岩所示。而作用在洞顶的围岩压力仅是自然平衡拱内的岩体自重。体自重。采用坚固系数采用坚固系数 来表征岩体的强度。来表征岩体的强度。形成的自然平衡拱的洞顶岩体只能承受压应力不能承受拉应形成的自然平衡拱的洞顶岩体只能承受压应力不能承受拉应力。力。7.7.2 深埋洞室的松散体围岩压力计算普氏理论（1）普（2）普氏理论的计算公式）普氏理论的计算公式 自然平衡拱拱轴线方程的确定自然平衡拱拱轴线方程的确定（2）普氏理论的计算公式工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件 围岩压力的计算围岩压力的计算 围岩压力的计算 7.8 新奥法简介及评述新奥法简介及评述7.8.1 新奥法要点新奥法要点 新奥法（新奥法（NATM）是）是“新奥地利隧道施工法新奥地利隧道施工法(New Austrain tunnelling method)”的简称。的简称。1964年，由拉布谢维茨（年，由拉布谢维茨（L.V.Rabcewicz）教授总结一批奥地利工程师在软岩中进行隧道施工的经）教授总结一批奥地利工程师在软岩中进行隧道施工的经验后命名创立的，包括隧道的设计、施工方法、现场监测等各个环验后命名创立的，包括隧道的设计、施工方法、现场监测等各个环节的隧道建设系统，用以区别旧的比利时隧道施工法（节的隧道建设系统，用以区别旧的比利时隧道施工法（Belgium Tunnelling Method）。新奥法的提出，使隧道建设进入了全新的阶）。新奥法的提出，使隧道建设进入了全新的阶段。段。以往软岩隧道施工做法的弱点是：不注意立即封闭岩面，不注以往软岩隧道施工做法的弱点是：不注意立即封闭岩面，不注意封底，盲目加厚拱墙，提高配筋率；更谈不上注意监控，通过不意封底，盲目加厚拱墙，提高配筋率；更谈不上注意监控，通过不断变化的实际情况，动态地修改支护设计。断变化的实际情况，动态地修改支护设计。新奥法的主要原则和做法如表新奥法的主要原则和做法如表7.3所示。所示。7.8 新奥法简介及评述7.8.1 新奥法要点表表7.3 新奥法的主要原则与做法新奥法的主要原则与做法表7.3 新奥法的主要原则与做法图图7.27 新奥法典型施工顺序新奥法典型施工顺序1混凝土；混凝土；2喷射混凝土；喷射混凝土；3锚杆；锚杆；4金属网；金属网；5U型钢可塑性支架；型钢可塑性支架；6聚能止水膜聚能止水膜 图7.27 新奥法典型施工顺序图图7.28 新奥法典型检测端面布置新奥法典型检测端面布置 图图7.29 检测锚杆检测锚杆 图7.28 新奥法典型检测端面布置 图图7.30 某隧道监测的表面与岩体内部位移量随时间的变化曲线某隧道监测的表面与岩体内部位移量随时间的变化曲线 图7.30 某隧道监测的表面与岩体内部位移量随时间的变化曲7.8.2 新奥法的基本原理新奥法的基本原理 （1）运用围岩）运用围岩-支护共同作用的理论，充分发挥围岩的自承能力。支护共同作用的理论，充分发挥围岩的自承能力。（2）柔性支护）柔性支护支护刚度对围岩压力的影响。支护刚度对围岩压力的影响。（3）早期支护）早期支护支护时间的不同将给予岩体稳定性的影响。支护时间的不同将给予岩体稳定性的影响。（4）新奥法中建议采用图）新奥法中建议采用图7.32所示的隧道截面形式，支护结构所示的隧道截面形式，支护结构为一闭合环。为一闭合环。（5）在施工过程中，加强施工现场的监测，并以现场监测所得）在施工过程中，加强施工现场的监测，并以现场监测所得的数据作为反馈信息，进行补充设计。的数据作为反馈信息，进行补充设计。新奥法是能较好地利用岩体的力学特性，充分发挥岩体的自身新奥法是能较好地利用岩体的力学特性，充分发挥岩体的自身的承载能力，合理地设计支护结构，更完善、更经济地进行隧道建的承载能力，合理地设计支护结构，更完善、更经济地进行隧道建设。因此，获得了工程技术界的好评。设。因此，获得了工程技术界的好评。7.8.2 新奥法的基本原理 （1）运7.8.3 新奥法及围岩新奥法及围岩支护相互作用机理的评述支护相互作用机理的评述 围岩围岩支护相互作用理论的核心内容自诞生起就一直占据岩石力学的主支护相互作用理论的核心内容自诞生起就一直占据岩石力学的主导地位，至今仍被作为岩石地下工程支护结构设计的基本原理导地位，至今仍被作为岩石地下工程支护结构设计的基本原理113，亦是，亦是新奥法的理论基础。新奥法的理论基础。侯公羽侯公羽(2008)对弹塑性变形阶段的支护反力及基于弹塑性变形的围岩对弹塑性变形阶段的支护反力及基于弹塑性变形的围岩-支支护作用机理进行了详细的分析研究，主要结论是：护作用机理进行了详细的分析研究，主要结论是：(1)对著名的卡斯特纳方程进行了详细的分析、研究认为：方程求解模对著名的卡斯特纳方程进行了详细的分析、研究认为：方程求解模型中对支护反力的考虑虽然在纯粹的数学和力学上是正确的，但从其物理型中对支护反力的考虑虽然在纯粹的数学和力学上是正确的，但从其物理意义上分析，将支护反力视为与原岩应力同时作用的主动性加载、一次性意义上分析，将支护反力视为与原岩应力同时作用的主动性加载、一次性加载是错误的；弹塑性变形阶段的支护反力在工程实践中是不存在的，即加载是错误的；弹塑性变形阶段的支护反力在工程实践中是不存在的，即弹塑性变形阶段考虑支护反力没有工程实践意义。弹塑性变形阶段考虑支护反力没有工程实践意义。(2)卡斯特纳在塑性区应力求解中，因为没有使用到假设的理想弹塑性卡斯特纳在塑性区应力求解中，因为没有使用到假设的理想弹塑性材料单轴加载时的塑性本构关系、没有考虑沿巷道轴向方向的应力的影响材料单轴加载时的塑性本构关系、没有考虑沿巷道轴向方向的应力的影响及对求解、没有求解围岩开始屈服时的原岩应力条件，因此，导致将一些及对求解、没有求解围岩开始屈服时的原岩应力条件，因此，导致将一些常见的和特例的围岩应力状态代入其弹、塑性区应力方程时得出一些有悖常见的和特例的围岩应力状态代入其弹、塑性区应力方程时得出一些有悖于力学基本原理和事实的结果。于力学基本原理和事实的结果。7.8.3 新奥法及围岩支护相互作用机理的评述 (3)由于在围岩的弹塑性变形阶段对其施加支护反力在工程实践中无法由于在围岩的弹塑性变形阶段对其施加支护反力在工程实践中无法实现，当然也就不存在基于弹塑性变形的围岩特性曲线，因此，也不存在实现，当然也就不存在基于弹塑性变形的围岩特性曲线，因此，也不存在围岩特性曲线与支护特性曲线相交的可能。围岩特性曲线与支护特性曲线相交的可能。(4)围岩特性曲线是描述围岩围岩特性曲线是描述围岩支护达到平衡状态时的状态函数，是离散支护达到平衡状态时的状态函数，是离散函数，支护特性曲线是描述支护结构被围岩作用后的变化全过程的连续函函数，支护特性曲线是描述支护结构被围岩作用后的变化全过程的连续函数，将这两个方程（或曲线）相交求解围岩数，将这两个方程（或曲线）相交求解围岩支护相互作用的平衡点，在支护相互作用的平衡点，在概念上和逻辑上是错误的。概念上和逻辑上是错误的。(5)对广为使用的卡斯特纳方程和围岩对广为使用的卡斯特纳方程和围岩支护作用机制存在的缺陷和错误支护作用机制存在的缺陷和错误进行详细的分析、研究，澄清了相关的概念。分析认为，这些缺陷和错误进行详细的分析、研究，澄清了相关的概念。分析认为，这些缺陷和错误是导致岩石地下工程的支护理论和设计方法发生错误、现场工程发生支护是导致岩石地下工程的支护理论和设计方法发生错误、现场工程发生支护失败事故的真正原因。失败事故的真正原因。侯公羽侯公羽(2008)认为，围岩认为，围岩支护作用理论不能指导支护设计的最重要原支护作用理论不能指导支护设计的最重要原因是，在分析、应用围岩因是，在分析、应用围岩支护相互作用机制时存在缺陷，即忽视、混淆了支护相互作用机制时存在缺陷，即忽视、混淆了岩石地下工程的围岩弹塑性变形和流变变形之间的区别以及这两种变形发岩石地下工程的围岩弹塑性变形和流变变形之间的区别以及这两种变形发生的时间与作用过程的不同。生的时间与作用过程的不同。(3)由于在围岩的弹塑性变形阶7.9 立井围岩压力计算立井围岩压力计算(1)竖井围岩为完整、连续岩石介质的压力计算竖井围岩为完整、连续岩石介质的压力计算 7.9 立井围岩压力计算(1)竖井围岩为完整、连续岩石介质图图7.33 圆形断面坚井围岩应力计算简图圆形断面坚井围岩应力计算简图 图7.33 圆形断面坚井围岩应力计算简图 工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件(2)竖井围岩中存在水平软弱夹层所引起的破坏分析竖井围岩中存在水平软弱夹层所引起的破坏分析(2)竖井围岩中存在水平软弱夹层所引起的破坏分析图图7.34 竖井围岩存在水平软弱夹层时应力计算简图竖井围岩存在水平软弱夹层时应力计算简图图7.34 竖井围岩存在水平软弱夹层时应力计算简图工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件7.10 斜巷围岩压力计算斜巷围岩压力计算7.10 斜巷围岩压力计算图图7.35 斜巷地压计算图斜巷地压计算图1梁；梁；2柱；柱；3顶撑；顶撑；4底撑；底撑；5顶板破裂带边缘顶板破裂带边缘图7.35 斜巷地压计算图7.11 围岩围岩支护相互作用流变变形机制的概念模型建立与分析支护相互作用流变变形机制的概念模型建立与分析7.11.1 基于流变变形特性的完整围岩支护的基本原则基于流变变形特性的完整围岩支护的基本原则 应用岩石流变力学解决岩石地下工程的支护问题时，应当注意产生流变应用岩石流变力学解决岩石地下工程的支护问题时，应当注意产生流变的阈值问题，即流变下限。该下限值视围压情况均可由流变试验具体确定。的阈值问题，即流变下限。该下限值视围压情况均可由流变试验具体确定。当围岩的应力水平达到或超过流变下限值时，就将产生流变效应；反之，当围岩的应力水平达到或超过流变下限值时，就将产生流变效应；反之，如围岩的应力水平小于其流变下限值，则不会产生流变。如围岩的应力水平小于其流变下限值，则不会产生流变。据此，侯公羽（据此，侯公羽（2008）提出对完整围岩进行支护的基本原则是：）提出对完整围岩进行支护的基本原则是：(1)不不论是软岩还是硬岩，当围岩的应力水平达到或超过其流变下限值时，都将论是软岩还是硬岩，当围岩的应力水平达到或超过其流变下限值时，都将可能产生流变效应，应该按照岩石流变力学特性可能产生流变效应，应该按照岩石流变力学特性(围岩流变特性曲线围岩流变特性曲线)进行支进行支护设计。这时的支护目的主要是通过支护结构对围岩提供支护反力来改善护设计。这时的支护目的主要是通过支护结构对围岩提供支护反力来改善围岩的应力状态进而控制围岩的流变变形；围岩的应力状态进而控制围岩的流变变形；(2)反之，不论是软岩还是硬岩，反之，不论是软岩还是硬岩，如围岩的应力水平小于其流变下限值，则不会产生流变，可以不进行力学如围岩的应力水平小于