工程岩体第7章-岩石力学在地下工程中的应用课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,7,章,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，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代表性的内容，包括应用极为广泛的新奥法作一介绍。,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：,(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）即后卸荷；,(3),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；,(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与位移；,(6),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；,(8),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,所谓,围岩,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。围岩范围的大小与岩体的自身特性有关。那么，,围岩的二次应力状态,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力状态。显然，,分析围岩的二次应力状态，必须掌握两个条件：,一是岩体自身的力学性质；二是岩体的初始应力状态。,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,7.2.1,侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态,7.2.2,侧压力系数 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态,7.2.3,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,7.2.5,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 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态,1.,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、各向同性、线弹性，无流变行为）以外，就侧压力系数,=1,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：,(1),对于深埋（ ）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用在无穷远处的初始应力状态，见图,7.1,。,(2),对于深埋（ ）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,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,7.1,深埋巷道的力学特点,图7.1 深埋巷道的力学特点,图,7.2,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 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态,2.,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,7.3,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。,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 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 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态,4.,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 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,（,2,）巷道围岩的径向位移,（,3,）巷道围岩的应变,（,4,）洞室围岩的稳定性评价,5.,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 时的深埋圆形洞室围岩的二次应力状态,当侧压力系数 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得。其计算简图如图,7.5,所示。情况,作用着 的初始应力，并且垂直应力与水平应力相等。而情况,作用着 的初始应力，其中垂直应力是压应力，而水平应力是拉应力。若将两种情况作用的外荷载相加，其外荷载为垂直应力 ，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,图,7.5,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,(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,1.,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,2.,洞壁应力分布特点分析,洞壁的切向应力不仅与初始应力 与 有关，而且还取决于任意点与,x,轴的夹角 和半轴比,K,的大小。表,7.1,列出了几种特殊条件组合情况下的结果。,表,7.1,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,3.,最佳椭圆截面尺寸,所谓,洞室的最佳截面尺寸,，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条件的洞截面尺寸，被称作,谐洞,。若已知侧压力系数 ，设半轴比 ，并将此假设条件代人公式,(7.25),，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 的值与 角无关，并且在 时 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。,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,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态。其结果可简化成下式,(,，洞室周边应力,),表,7.2,列出了洞壁不同角所对应的应力集中系数。,图,7.8,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,7.2,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,7.8,矩形洞室（ ）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,Howland,于,1934,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,7.9,为其中的两个圆孔。,图,7.9,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,(,与圆孔圆点连线垂直,),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,7.10,所示，图中应力分布曲线分别为：,A,表示洞周；,B,表示沿水平中线；,C,表示两条巷道中间岩柱的铅垂线。,图,7.10,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,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,7.11,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,“屏蔽”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。,Obert,和,Duvall,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,7.12,给出了岩柱应力分布特征。图中， 为平均应力， 为洞壁切向应力， 。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 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,图,7.12,巷道间岩柱尺寸和形状对岩柱应力分布的影响图7.12,7.3,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,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弹、塑性状态并存的应力分布特点。,本小节着重介绍 条件下的应力状态，由于这是个轴对称问题，且应力与 角无关，使得弹、塑性区都成为一个圆环状，应力随着,r,的变化而变化。由于塑性区域的存在，计算公式比较复杂，因此有关其他条件,(,包括 以及各种洞截面形状,),的应力分析，不作进一步讨论。,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,卡斯特纳求解,1.,基本假设和解题条件,（,1,）深埋圆形平巷、无限长；,（,2,）原岩应力各向等压；,（,3,）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；,（,5,）巷道埋深,。,图,7.13,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,(2008),对围岩,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,-,库伦准则作为进入塑性状态的判据。,轴对称圆巷的力学模型如图,7.14,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,7.14,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,2. 基本方程,3.,边界条件,3. 边界条件,4.,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,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,7.15,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,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,7. 讨论,图,7.16,莫尔,-,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,7.3.2 塑性区半径处的应力,7.3.3,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,7.17,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,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,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,(,例如层状岩体,),，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,7.4.1 剪裂区分析的基本假设,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图。,图,7.18,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,(,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 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,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。,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,7.5.1,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,),。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。,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,如图7.19所示，仅考虑围岩中最大压力为竖向情况。围岩压力随时间的发展过程包括下述三个阶段：,图,7.19,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,7.15(a),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的。,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,(,边界线,),与洞室周界线,(,周壁,),之间的岩体发生松动。,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。,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，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；,（,2,）在相对不坚硬，并且发育有结构面的岩体中,(,中等质量岩体,),，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；,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，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，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,（,1,）场地条件及地质构造,图,7.20,地下洞室偏压成因示意图,(,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,图,7.21,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,（,4,）洞室埋深,（,5,）时间,（,6,）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,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,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,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。,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， 为梁长度,(,洞室跨度,),； 为梁厚度,(,高度,),； 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7.22 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,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。,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,1.,泰沙基的围岩压力计算方法,图,7.23,垂直地层压力计算简图,泰沙基,(Terzaghi),围岩压力计算方法是比较典型的应力传递法。其计算简图与岩柱法相同,(,见图,7.23),。在进行公式推导时，必须分析单元体的应力状态，并利用静力平衡方程，求出计算松散岩体的围岩压力表达式。,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,2. 浅埋山坡处洞室围岩压力的计算,图,7.24,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,普氏理论,（,1,）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。在洞室的侧壁处，沿与侧壁夹角为 的方向产生二个滑动面，其计算简图如图,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体自重。,采用坚固系数 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,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,7.8,新奥法简介及评述,7.8.1,新奥法要点,新奥法（,NATM,）是“新奥地利隧道施工法,(New Austrain tunnelling method)”,的简称。,1964,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（,Belgium Tunnelling Method,）。新奥法的提出，使隧道建设进入了全新的阶段。,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。,新奥法的主要原则和做法如表,7.3,所示。,7.8 新奥法简介及评述7.8.1 新奥法要点,表,7.3,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,7.27,新奥法典型施工顺序,1,混凝土；,2,喷射混凝土；,3,锚杆；,4,金属网；,5,U,型钢可塑性支架；,6,聚能止水膜,图7.27 新奥法典型施工顺序,图,7.28,新奥法典型检测端面布置 图,7.29,检测锚杆,图7.28 新奥法典型检测端面布置,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,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,（,1,）运用围岩,-,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,支护刚度对围岩压力的影响。,（,3,）早期支护,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,7.32,所示的隧道截面形式，支护结构为一闭合环。,（,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。,7.8.2 新奥法的基本原理 （1）运,7.8.3,新奥法及围岩,支护相互作用机理的评述,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,，亦是新奥法的理论基础。,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,-,支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。,(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。,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。,(4),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,支护相互作用的平衡点，在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,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。,侯公羽,(2008),认为，围岩,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,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,(1),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,7.33,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,(2) 竖井围岩中存在水平软弱夹层所引起的破坏分析,图,7.34,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,7.10 斜巷围岩压力计算,图,7.35,斜巷地压计算图,1,梁；,2,柱；,3,顶撑；,4,底撑；,5,顶板破裂带边缘,图7.35 斜巷地压计算图,7.11,围岩,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,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。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。,据此，侯公羽（,2008,）提出对完整围岩进行支护的基本原则是：,(1),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,),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，如围岩的应力水平小于其流变下限值，则不会产生流变，可以不进行力学意义上的支护。但是，为了控制围岩的进一步劣化，应进行维护意义上的支护，如及时喷混凝土封闭围岩等。,7.11 围岩支护相互作用流变变形机制的概念模型建立与分析,7.11.2,围岩,支护相互作用流变变形机制的概念模型建立与新认识,1.,岩石流变性质概述,几乎所有的岩石都具有流变变形性质，但是工程中的围岩是否发生流变变形决定于围岩应力水平的大小以及支护反力的大小。岩石的流变性质包含：蠕变、松弛、弹性后效和黏性流动。通常，岩石流变变形主要是指岩石蠕变变形。因此，以下提到蠕变、蠕变变形等除特别需要说明之处均统一使用流变、流变变形。,岩石流变变形具有,3,阶段和,3,水平特性，如图,7.36,所示。,I,阶段为初期流变，,II,阶段为稳定流变，,III,阶段为加速流变。应力水平越高，流变变形越大。流变,3,水平和,3,阶段，是金属、岩石和其他材料的通性，非岩石特有。,7.11.2 围岩支护相互作用流变变形机制的概念模型建立,图,7.36,侧向约束条件下的岩石侧向流变性质,图7.36 侧向约束条件下的岩石侧向流变性质,2.,围岩,支护相互作用流变变形机制的概念模型建立,根据上述分析，本文建立围岩,支护相互作用的流变变形机制的概念模型，如图,7.37,所示。其中，围岩的流变,(,主要考虑蠕变,),特性曲线如图,7.37,的右半部分即,坐标系所示，支护特性曲线如图,7.37,的左半部分即,坐标系所示。,同一围岩在极高、高、中、低等不同应力水平作用下的径向流变位移变形如图,7.37,中曲线,d,，,c,，,b,，,a,所示。,应当指出，图,7.37,的纵坐标为洞室周边径向流变位移变形，该流变位移与图,7.36,的流变应变是有区别的，两者之间存在换算关系，最简单的是线性关系。,为了简单、明了地说明围岩,支护相互作用的流变力学机制，本文仅考虑围岩洞室周边的径向流变位移变形与该围岩的岩石单轴压缩侧向流变应变的关系为线性关系。显然，这样的选取并不改变岩石蠕变,3,阶段和,3,水平的特性,27,。,2. 围岩支护相互作用流变变形机制的概念模型建立,u,d,c,b,a,t,p,o,图,7.37,围岩,支护相互作用流变力学机制,udcbatpo图7.37 围岩支护相互作用流变力学机制,3.,围岩,支护相互作用流变变形机制的新认识,3. 围岩支护相互作用流变变形机制的新认识,7.11.3,基于围岩,支护相互作用流变变形机制的分析,根据上述建立的围岩,支护相互作用流变变形机制的概念模型,(,见图,7.37),及其对新机制的认识，可以获得有关支护问题的初步研究成果如下：,(1),通常第,I,阶段的流变变形一般发生的较快，待现场工程进行支护时已经发生完成，现场一般支护不到，能支护到的流变变形大部分在其第,II,和第,III,阶段。,(2),岩石的流变试验表明，在应力水平适中时，岩石的流变变形存在稳定流变阶段，即,II,阶段。分析认为，对围岩流变变形进行控制的最佳、最有效的时机应该是在围岩流变变形的,II,阶段。在,II,阶段内，如果能使围岩与支护达到平衡，围岩的流变变形停止，围岩将是稳定的。如果过了,II,阶段，围岩与支护还未达到平衡，围岩的流变变形还未停止，围岩将进入加速流变的,III,阶段，这个阶段一般是无法再稳定围岩的。,(3),围岩的应力水平对支护反力的影响很大。当围岩应力水平较低时即,a,曲线，其蠕变变形较小，达到平衡时需要的支护反力也较小，如曲线所示。当围岩应力水平较高时即,b,和,c,曲线，其蠕变变形也较大，达到平衡时需要的支护反力也较大，如曲线和所示。,(4),支护刚度对支护反力的影响很大。支护刚度越大，达到平衡时需要的支护反力也越大，如曲线所示。支护刚度越小，达到平衡时需要的支护反力也越小，如曲线所示。,7.11.3 基于围岩支护相互作用流变变形机制的分析,(5),支护时机对支护效果的影响很大。一般地，支护时机越早越好。但在现场的施工条件下，至开始支护时，围岩流变变形一般已经处于,II,或,III,阶段。这时，如果支护时机过晚，支护结构无法在,II,阶段将围岩流变变形控制住，一旦围岩流变进入其,III,阶段，将无法对围岩再进行有效的支护控制。,(6),综合考虑支护的刚度和支护时机才能获得最佳的支护效果。如果支护刚度低，一般要求尽早进行支护。即使支护的时机较早，但如果支护刚度过低，也难以保证在围岩流变的,II,阶段内有效地控制住流变变形。如果支护刚度大，支护可以晚一些。但如果现场条件和工艺允许，也应该尽早进行支护，支护的越早支护效果越好。,(7),对于应力水平极高的围岩，如曲线所示，一般在现场环境下无法实施有效的支护，或者说支护极其困难。因为，此时的支护将面临两种困境：其一，支护时机很有限，通常是来不及支护，或者说支护时机很难控制；其二，支护的代价可能非常大，因为流变变形大，所以要求支护结构提供的支护反力通常很大。,高地应力和深部岩石力学的支护问题就属于围岩的应力水平极高,(,即曲线,d,),这种情况。,(5) 支护时机对支护效果的影响,(8),对软岩和中硬及以上岩石在流变变形阶段进行支护的初步认识。大量的流变试验表明：软岩在第,I,阶段和第,II,阶段的流变变形一般比中硬及以上岩石大，有的甚至大,10,倍以上；软岩在第,I,阶段和第,II,阶段完成其流变变形所需的时间也比中硬及以上岩石长，大部分在,2,倍以上。因此，结合图,7.37,的机制模型分析认为：,对于软岩巷道的支护，必须让开其流变变形的第,I,阶段，以避免支护结构与围岩相互作用之后因围岩流变变形过大而迫使支护结构提供较大的支护反力。,对于软岩巷道的支护，一般有充分的支护时间。因为，软岩在第,I,阶段变形时间一般有几天以上，而中硬及以上岩石在第,I,阶段变形时间一般只有约为,1,天。因此，中硬及以上岩石要及时进行二次支护,(,如果需要力学意义上的支护,),，软岩需要根据流变变形量测的结果再定，待其进入第,II,阶段再进行二次支护，不能太早。,对于相同的支护结构来说，中硬及以上岩石的流变变形较小，相互作用之后需要支护结构提供的支护反力也较小。软岩的流变变形较大，而支护结构,(,通常较多使用的是浇注或喷射混凝土,),能退让的变形有限，至使两者相互作用之后需要支护结构提供的支护反力也较大。,(8) 对软岩和中硬及以上岩石在,(9),关于新奥法及时封闭岩面问题。新奥法提倡及时封闭岩面，这是必要且正确的。但在现实中，大部分岩石地下工程只能在临时支护中做到，甚至也有一些做不到。待到进行永久支护时，变形已经发生了相当长的时间，弹塑性变形早已经发生并结束，围岩进入流变变形阶段。,因此，支护时机很重要。在不同的时间段进行支护，需要按照相应时间段的围岩变形特性进行计算、设计。从目前的支护技术来看，临时支护在弹塑性变形发生之后尽早支护是有可能的，这对封闭岩面、避免围岩进一步劣化是有益的。尽管不同的施工方法其支护时间间隔会相差较大，但对中硬及以上岩石如果需要力学意义上的支护则应尽可能早地进行永久支护，在现场条件下也是有可能实现的。,在上述对相关问题的认识及初步研究成果中，有些认识是根据新机制得出的新认识,(,如,(1),，,(2),，,(8),，,(8),；有些认识虽然与现有的认识是一致的，但分析所用的机制不同，这里应用的是流变变形机制，如,(3)(7),，,(8),，,(9),。,应当指出，在上述现有的认识中，大部分的认识是工程实践总结的结果，用现有的围岩,支护相互作用机制解释不了，但用流变变形机制模型都可以解释。更重要的是，流变变形机制模型既具有理论意义又具有工程实践价值。,(9) 关于新奥法及时封闭岩面问,复习思考题,5.1,名词解释：围岩、二次应力场、围岩压力,5.2,分析地下工程围岩应力的弹塑性分布特征。,5.3,简述地下工程围岩体的破坏机理。,5.4,简述地下工程脆性围岩、塑性围岩的破坏形式及产生的机制。,5.5,什么是新奥法？简述其要点。,5.6,简述普氏地压理论。,5.7,立井及斜巷的围岩压力的计算原理。,5.8,什么是围岩变形曲线和支护特性曲线？支护特性曲线的主要作用是什么？,5.9,简述围岩,-,支护相互作用的流变变形机理的概念模型及其对机理的认识。,5.10,在侧压系数,=1,的均质石灰岩体地表下,100m,深度处开挖一个圆形洞室，已知岩体的物理力学指标为：,=25kN/m3,，,=0.3MPa,，,=36,，试问洞壁是否稳？,复习思考题5.1 名词解释：围岩、二次应力场、围岩压力,