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1、第八章 地下洞室围岩稳定性分析n8.1 概述n8.2 围岩重分布应力计算n8.3 围岩的变形与破坏n8.4 围岩压力计算n8.5 围岩抗力与极限承载力8.1 概述1、地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途 的构筑物。 2、地下洞室的分类n按用途分：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、 地下厂房（仓库）、地下军事工程n按洞壁受压情况分：有压洞室、无压洞室n按断面形状分：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形n按与水平面关系分：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井 ）n按介质类型分：岩石洞室、土洞n按应力情况分：单式洞室、群洞开挖完成 后的结构 图隧道锚 杆弯矩
2、 与轴力 分布曲 线n围岩应力重分布问题重分布应力计算n围岩变形与破坏问题位移计算、破坏区确 定n围岩压力问题围岩压力计算n有压洞室围岩抗力问题围岩抗力计算3 3、洞室、洞室围岩力学问题围岩力学问题hV8.2 围岩重分布应力计算n重分布应力：地下开挖扰动后在围岩中形成的 新的应力。n重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状 态有关。n围岩重分布应力计算：开挖前岩体天然应力状态的确定开挖后围岩重分布应力的计算支护衬砌后围岩应力状态的改善一、无压洞室围岩重分布应力计算1、弹性围岩重分布应力n坚硬致密的块状岩体，围岩呈弹性变形。n可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其 围岩重分布应力可根据弹性
3、力学计算。n如果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑 ，概化为两侧受均布压力的薄板中心小圆孔周边应 力分布的计算问题。M xVHM xVMx H=+（1）圆形洞室设无限大弹性薄板，在边界上受有沿x方向的外力p作 用，薄板中有一半径为R0的小圆孔，按平面问题考虑 ，不计体力，M点的各应力分量,根据弹性理论为：柯西课题的 边界条件：应力函数解微分方程，得各常数M点的应力分量M xVHM xVMx H=+假定洞室开挖在天 然应力比值系数为 的岩体中，则问 题可简化为右图所 示的无重板岩体力 学模型。H =vv引起的围岩重分布应力由H产生的重分布应力v和H同时作用时圆形洞室围岩重分布应力讨论： 1
4、）洞壁上的重分布应力n洞壁上的r0，r0，仅有作用 ，为单向应力状态n大小仅与天然应力状态及计算点的位置 有关，而与洞室尺寸R0无关。2）洞壁上的重分布应力随变化n当1/3时，洞顶底将出现拉应力 ；当1/33时，洞壁围岩内的 全为压应力且应力分布较均匀 ；当3时，洞壁两侧将出现拉应力 ，洞顶底则出现较高的压应力集中 。n每种洞形的洞室都有一个不出现拉 应力的临界值，这对不同天然应 力场中合理洞形的选择很有意义。3） =1（H=v=0 ）时的围岩重分布应力n围岩内重分布应力与角无关， 仅与R0和0有关。n由于r=0，则r，均为主 应力，且恒为最大主应力， r恒为最小主应力。n当rR0(洞壁)时，
5、r=0， =20，可知洞壁上的应力差 最大，且处于单向受力状态，说 明洞壁最易发生破坏。n4） r 、随着离洞壁距离r的变化n随着离洞壁距离r增大，r逐渐增大，逐渐 减小，并都渐渐趋近于天然应力0值。在理论 上，r，要在r处才达到0值，但实 际上r，趋近于0的速度很快。n当r=6R0时，r和与0相差仅2.8%。因此 ，一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应 力范围为6R0。在该范围以外，不受开挖影响， 这一范围内的岩体就是常说的围岩，也是有限 元计算模型的边界范围。（2）其他形状洞室n应力集中系数地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁 处该点天然应力的比值，称为应力集中系数。该系 数反映了
6、洞壁各点开挖前后应力的变化情况。，为应力集中系数，其大小仅与点的位置有关。圆形 洞室特点：n椭圆形洞室长轴两端点应力集中最大，易引起压 碎破坏；而短轴两端易出现拉应力集中，不利于围 岩稳定。n各种形状洞室的角点或急拐弯处应力集中最大， 如正方形或矩形洞室角点等。n长方形短边中点应力集中大于长边中点，而角点 处应力集中最大，围岩最易失稳。n当岩体中天然应力h和v相差不大时，以圆形 洞室围岩应力分布最均匀，围岩稳定性最好。n当岩体中天然应力h和v相差较大时，则应尽 量使洞室长轴平行于最大天然应力的作用方向。n在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用 曲线形，以避免角点上过大的应力集中。（3）软弱
7、结构面对围岩重分布应力的影响1)围岩中有一条垂直于v、沿水平直径与洞壁相交 的软弱结构面n对于0，沿水平直径方向上所有的点r均为 0。因此，沿结构面各点的和r均为主应力， 结构面上无剪应力作用。所以不会沿结构面产生 滑动，结构面存在对围岩重分布应力的弹性分析 无影响。2)围岩中存在一平行于v、沿铅直方向直 径与洞壁相交的软弱结构面n对90，结构面上也无剪应力作用。所以也不 会因结构面存在而改变围岩中弹性应力分布情况。 但是，当1/3时，在洞顶底将产生拉应力，结构 面将被拉开，并在顶底形成一个椭圆形应力降低区 。n设椭圆短轴与洞室水平直径一致，为2R0，长轴平行 于结构面，其大小为2R02h，而
8、h可由下式确 定：2 塑性围岩重分布应力n地下开挖后，洞壁的应力集中最大,当它超过围 岩屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态转化为 塑性状态，并在围岩中形成一个塑性松动圈。n随着距洞壁距离增大，径向应力r由零逐渐增 大，应力状态由洞壁的单向应力状态逐渐转化 为双向应力状态，围岩也就由塑性状态逐渐转 化为弹性状态。围岩中出现塑性圈和弹性圈。n塑性松动圈的出现，使圈内一定范围内的应力因 释放而明显降低，而最大应力集中由原来的洞壁 移至塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明显升高 。n弹性区以外则是应力基本未产生变化的天然应力 区(或称原岩应力区)。弹塑性理论求解塑性圈内的围岩重分布应力n假设在均质、各向同性
9、、连续的岩体中开挖一半 径为R0的水平圆形洞室，开挖后形成的塑性松动 圈半径为R1，岩体中的天然应力为hv0 ，圈内岩体强度服从莫尔直线强度条件。塑性圈 以外围岩体仍处于弹性状态。n在塑性圈内取一微小单元体abdc，bd上作用有r ，ac上作用有rdr，在ab和cd上作用有 。平衡方程塑性条件当r=R0时当r=R0，Pi=0时塑性圈内围岩重分布应力与岩体天然应力(0)无 关，而取决于支护力(pi)和岩体强度(Cm，m)值。洞壁上塑性圈与弹性圈交界面(rR1) 该面上： 弹性应力=塑性应力塑、弹性圈交界面上的重分布应力取决于0和 Cm，m，而与pi无关。 支护力不能改变交界面上的应力大小，只能控
10、 制塑性松动圈半径(R1)的大小。二、有压洞室围岩重分布应力计算n由于洞室内壁上作用有较高的内水压力，使围 岩中的重分布应力比较复杂。n应力变化过程： 1）围岩最初处于开挖后引起的重分布应力之中 2）进行支护衬砌，使围岩重分布应力得到改善 3）洞室建成运行后洞内壁作用有内水压力，使 围岩中产生一个附加应力弹性厚壁筒理论n在一内半径为a，外半径为b的厚壁筒内壁上作用有 均布内水压力pa，外壁作用有均匀压力pb。在内水压 力作用下，内壁向外均匀膨胀，其膨胀位移随距离 增大而减小，最后到距内壁一定距离时达到零。附 加径向和环向应力也是近洞壁大，远离洞壁小。n若使b，pb0时， 则b2/(b2a2)1
11、，a2/(b2 a2)0；a R0,；Pa若有压洞室半径为R0，内 水压力为pa有压洞室围岩重分布应力r和 由开挖以后围岩重分布应力 和内水压力引起的附加应力两项 组成。前项为重分布应力；后项 为内水压力引起的附加应力值。n内水压力使围岩产生负的环向应力，即拉应力 。当这个环向应力很大时，则常使围岩产生放 射状裂隙。n内水压力使围岩产生附加应力的影响范围大致 也为6倍洞半径。内水压力引起的附加应力值8.3 围岩的变形与破坏n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
12、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 取决于围 岩应力状 态、岩体 结构及洞 室断面形 状等因素一、各类结构围岩的变形破坏特点1、整体状和块状岩体围岩n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。n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。n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。n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。n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
13、突发性变形破坏的现象。n脆性开裂出现在拉应力集中部位 。n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n常呈软硬岩层相间的互层形式。n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。n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。n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。 n在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的
14、板 梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。n在倾斜层状围岩中，常表现为现为沿倾斜方向一侧 岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移等破坏形式， 形成不对称的塌落拱。将出现偏压现象。n在直立层状围岩中，当天然应力比值系数1/3 时，洞顶发生沿层面纵向拉裂，被拉断塌落。侧墙 则因压力平行于层面，常发生纵向弯折内鼓，进而 危及洞顶安全。3、碎裂状岩体围岩n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。n变形破坏形式常表现为塌方和滑动。n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
15、模塌方或塑性挤入4、散体状岩体围岩n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。n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。n可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。n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n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
16、的稳 定性。二、围岩位移计算1、弹性位移计算 n围岩处于弹性状态,位移可用弹性理论进行计算 。 分两种情况:n(1)由重分布应力引起n(2)由重分布应力与天然应力之差引起 (1)由重分布应力引起 平面应变条件下洞壁围岩弹 性位移 据弹性理论，平面应变与位 移间的关系为：平面应变与应力的物理方程洞壁的弹 性位移平面应变条件下的围岩位移(8-30)当天然应力为静水压力状态(hv0) 时洞壁的弹性位移n在hv0的天然应力状态中，洞壁仅产生径 向位移，而无环向位移。(2)由重分布应力与天然应力之差引起n天然应力引起的位移在洞室开挖前就已经完成了 ，开挖后洞壁的位移仅是由于开挖卸荷(开挖后重 分布应力与天然应力的
