圍巖壓力與圍巖穩(wěn)定性講義

第六章圍巖壓力與圍巖穩(wěn)定性

Chapter6RockPressureandStabilityofSurroundingRock學習內容→地下洞室概述，洞室圍巖應力計算，巖體的應力和穩(wěn)定性驗算；圍巖壓力的概念，松散圍巖壓力計算，形變圍巖壓力-圍巖壓力的彈塑性理論計算；襯砌剛度影響的圍巖壓力計算。學習對象→地下洞室，圍巖應力，巖體穩(wěn)定性，圍巖壓力，松散圍巖壓力，形變山巖壓力-圍巖壓力的彈塑性。學習目的→ 了解地下洞室、圍巖壓力、松散圍巖壓力、形變圍巖壓力-圍巖壓力的彈塑性理論；掌握洞室圍巖應力計算，圍巖壓力的概念，松散圍巖壓力計算，形變圍巖壓力-圍巖壓力的彈塑性理論計算以及襯砌剛度影響的山巖壓力計算。學習提示

LearningHints§6.1概述6.1.1基本概念

圍巖surroundingRock

在巖體內開挖洞室以后，巖體的原始平衡狀態(tài)被破壞，發(fā)生應力重分布。這種重新分布的應力稱為巖體中的二次應力或稱為洞室圍巖應力。產生應力重分布的這一部分巖體，一般稱為洞室的圍巖。（對于作為基礎的巖體而言，我們一般稱為基巖或巖基，對于邊坡，則稱為邊坡巖體等）?！?.1概述6.1.1基本概念

當圍巖壓力到達或超過巖體強度時，洞室圍巖就出現(xiàn)塑性變形，剪切破壞甚至崩塌、滑動。為保證洞室的穩(wěn)定，常對洞室進行必要的支護，(1)承擔坍落巖塊的重量（松動壓力）；(2)限制圍巖變形（形變壓力）。因而，支護與襯砌必然要受到巖石的壓力。我們把由于地下洞室開挖形成的圍巖變形或破壞，且作用于襯砌（支護）上的壓力稱為圍巖壓力，包括松動和形變壓力。

圍巖壓力§6.2山巖壓力的影響因素6.2.1圍巖壓力的形成圍巖質量優(yōu)良（完整、強度等）----地下洞室開挖后，圍巖僅產生彈性回彈，二次應力小于圍巖強度，圍巖只有彈性變形而無塑性變形，且開挖后即完成，巖石無破壞或松動，圍巖整體穩(wěn)定，無支護力，支護（水工隧洞，較小糙率）,防止表層巖石風化及局部剝落。中等質量巖石----地下洞室開挖后，圍巖產生彈性、塑性變形，少量巖石破壞，應力重分布需要一定時間，具有粘性（變形隨時間發(fā)展），但圍巖整體穩(wěn)定，作用于支護上形變壓力；但支護的澆筑時間和結構剛度對山巖壓力影響大。質量較差圍巖（破碎、軟弱巖體）----巖石強度低，洞室開挖，塑性+粘彈性變形較大，二次應力超過巖石強度很多，局部圍巖不穩(wěn)定，容易塌落，形成松動+形變壓力，支護的作用主要是支撐塌落巖塊的重量，阻止巖體繼續(xù)變形、松動和破壞。初始地應力釋放荷載----二次應力→松動+變形→大小洞室的形狀及大小洞室形狀，大小→影響二次應力一般而言，圓形、橢圓、拱形，優(yōu)于其他洞形，圍巖壓力～跨度近似成正比。巖體質量巖石的強度，節(jié)理裂隙發(fā)育程度，節(jié)理的方向。6.2.2影響圍巖壓力的因素§6.2圍巖壓力的影響因素支護剛度＆時間施工方法剛度→約束變形能力→圍巖壓力圍巖變位u隨t發(fā)展→最佳支護時間。洞室埋深淺埋洞室→承擔洞頂巖體重量。深埋：承擔壓力拱至洞頂之間巖體重量。開挖爆破形式：鉆爆法，全斷面掘進機6.2.2影響圍巖壓力的因素§6.2圍巖壓力的影響因素地質構造地質構造簡單，地層完整、無軟弱結構面，圍巖穩(wěn)定，圍巖壓力小；反之～。6.2.2影響圍巖壓力的因素§6.2圍巖壓力的影響因素時間因素圍巖壓力隨時間的增加而增大（一方面，變形和破壞有一個過程，另外還有蠕變的原因）§6.3堅硬巖體的應力和穩(wěn)定驗算

對于整體性良好的堅硬巖體來說，節(jié)理不發(fā)育，強度較大，無塑性變形，且彈性變形迅速完成。洞室穩(wěn)定分析只需驗算邊界上的切向應力是否超過巖體強度。地應力特征、洞室形狀、尺寸許可抗壓強度一般取單軸濕抗壓強度的0.5～0.6倍取值注意圍巖質量§6.4壓力拱理論

壓力拱理論一般適用于破碎性較大的巖石的圍巖壓力計算，計算的壓力為松動壓力。洞室開挖應力重分布洞頂出現(xiàn)拉應力拉應力超過巖石抗拉強度頂部巖石破壞，失去平衡而逐漸塌落塌落到一定程度后自然平衡，不在塌落壓力拱坍落拱§6.4壓力拱理論6.4.1垂直圍巖壓力確定垂直圍巖壓力→關鍵在于松動區(qū)的體形，即壓力拱形狀

關于推求壓力拱形狀的方面存在不用的假設，假設不同，圍巖壓力也不同，一般采用普羅托奇耶柯諾夫的壓力拱理論，即普氏壓力拱理論。

普氏認為：巖體內總是有許多大小的裂隙、層理、節(jié)理等軟弱結構面，將巖體切割成各種大小的塊體，破壞巖體的完整性，造成松動性?？梢园讯词抑車膸r體看成沒有凝聚力的大塊散粒體?！?.4壓力拱理論6.4.1垂直圍巖壓力

巖石堅固系數(shù)的概念

實際上巖石存在凝聚力，一般采用增大內摩擦系數(shù)的方法來補償這一因素，這個增大的內摩擦系數(shù)稱為巖石的堅固系數(shù)。原巖體的抗剪強度巖體看作散粒體時1o

砂土及松散材料2o

整體性巖石6.4.2壓力拱的形狀

根據(jù)普氏理論，對于比較破碎巖體（fK<2），地下洞室開挖：

側墻剪切破裂+頂拱“壓力拱”.§6.4壓力拱理論式中：b1——洞室跨度的一半；

b2——壓力拱跨度的一半；

h0——洞室的高度；換算內摩擦角6.4.2壓力拱的形狀§6.4壓力拱理論

壓力拱穩(wěn)定條件：假定巖體為散粒體，其抗拉、抗彎能力很小，洞室頂部上的壓力拱最穩(wěn)定的條件是沿著拱的切線方向僅作用壓力。拋物線方程6.4.2壓力拱的形狀§6.4壓力拱理論F是巖石對拱向外移動的摩阻力6.4.2壓力拱的形狀§6.4壓力拱理論為了保證A點的穩(wěn)定：一般，只能取最大摩阻力的一半來平衡拱頂推力T：

壓力拱的高度等于拱跨度的一半除以巖石的堅固系數(shù)。6.4.2壓力拱的形狀§6.4壓力拱理論10洞室頂部的最大壓力在拱軸線上：壓力拱上任一點縱坐標2o洞室任何其他點上的垂直壓力：6.4竊.3側向介圍巖姿壓力§6.倡4壓力拱溫理論利用主茶動朗肯天土壓力定公式：洞頂洞底總側向患壓力6.野4.缺4壓力拱饒理論的純適用條憑件§6墾.4壓力拱揚理論基本前賤提：洞晶室上方炒的巖體風能夠形活成自然嫁壓力拱似。下列米情況熊不能桌應用紀壓力格拱理耗論：1o巖石的fK<0販.8，洞剛室的別埋深H小于2倍壓攝力拱傾高度菊或小抓于壓震力拱跨度的2.5倍(H<養(yǎng)2.0翅ho培rH趁<2.談5b2).2o明挖直地下趟結構吧；3o當fK<0.針3的土(淤泥國、粉戀沙、恥飽和侍粘土)，不能森形成壓囑力拱；6.枝4.兩5不能形杰成壓力抗拱時圍丑巖壓力勺的計算§6戀.4壓力拱聯(lián)理論當洞室頭上面的跑巖體不忌能形成糕壓力拱商或經驗爆算壓力列拱的承作載能力槽不夠時慈：作用窄于洞伴頂上瞎的總勒垂直慮壓力Qy為：垂直壓力折減系數(shù)6.4躬.5不能極形成笑壓力淡拱時旱圍巖案壓力姓的計舟算§6禿.4壓力拱營理論適用曬條件結論:1o偏于安榨全，可映直接按γh計（不辦計兩側粥摩擦力溫）2o有地下披水作用引，浮容忙重γ=(晝γ-1勤0.0省)，加上服水壓力6.5徐.1基本炮原理§6.胡5太沙腐基理逃論太沙基爺理論（K.T相erz路agh政i）是膊將地耀層看座作松承散體雀（淺雪埋洞只室）狡，從鴿應力搞傳遞瞎概念糖出發(fā)掃推出牙作用幫于襯貫砌上濤的垂石直壓住力。Case1洞室側面的巖石比較穩(wěn)定，不會形成45°-ψ/2的滑裂面Case2洞室側面的巖石不穩(wěn)定，形成45°-ψ/2的滑裂面6.5鈔.1基本斯原理§6圓.5太沙除基理鏡論Ca偏se蘇1洞室側趨面的巖驗石比較奶穩(wěn)定，魯不會形蠅成45含°-夠ψ/何2的滑依裂面根據(jù)平衡條件整理犁后：6.頁5.箏1基本原急理§6歉.5太沙未基理右論Cas濕e1洞室側福面的巖剃石比較圣穩(wěn)定，跌不會形覽成45°歇-ψ/旅2的滑裂戴面根據(jù)邊派界條件z=0，σz＝p6.5脆.1基本原災理§6大.5太沙基疲理論Ca善se榆1洞室側圈面的巖靈石比較期穩(wěn)定，勺不會形伴成45替°-廊ψ/猾2的滑裂閥面討論還：10z=宗H，洞字頂面醋的垂愁直山吃巖壓檔力q20洞室咬為深節(jié)埋時鉛，H→山∞30c＝06.5坐.1基本原罪理§6撲.5太沙基念理論Ca陽se掀2洞室側次面的巖棒石不穩(wěn)毫定，形俗成45°臟-ψ/晶2的滑裂遺面垂直壓漸力計算污公式的替推導與偵上述過腿程一致卵，只要戚將前面亞公式中闖的b1用b2代替文。側壓倡仍按逃朗肯咳主動祝土壓放力公衫式計幅算！菊！6.仁6.揚1噴錨換支護巴原理§6帶.6噴錨鹿支護望原理效和設狀計原項則傳統(tǒng)沫地下砍洞室紅設計銅理論耀：一般四剛性押襯砌仿與巖更體不迎能緊造密結版合，偵施工滋完成特后圍畜巖繼歷續(xù)向壟洞室難變形驚；洞室蘭開挖徐后圍揪巖的每變形桑，最巨終是芒坍塌押；支護和舟襯砌的娛作用是愧將洞室愁開挖后調可能塌餐坍的巖征石支承巾起來；襯砌余支護洪只是爽一種搖被動循承受擋較大殊荷載鑄的結踢構物狠，荷昆載與沃襯砌駝本身傭無關練，等悶于不府設襯繪砌時簡可能逮塌坍濾下來浩的巖肆石全醋部重病量（但如普疾氏壓瓜力）6.6慌.1噴錨支葛護原理原理§6.糊6噴錨支音護原理藍和設計科原則地下洞典室開挖扔→圍巖扭變形→展發(fā)展不約膀束（花支護質）→墊充分毒發(fā)展聾→破戶壞→福形成濱松動促壓力適度發(fā)始展→施神加約束鞋（支護摸）→承竭擔變形掛壓力支護力與塑性區(qū)半徑成反比錨噴距支護惕，是謙錨桿豆與噴類射混楚凝土悲聯(lián)合以支護歡的簡畏稱，櫻錨桿幅和噴遷射混戲凝土洗也可泰以獨桐立使搏用，兔但工點程上有常將居二者提聯(lián)合押使用創(chuàng)，這疤樣大范大地械加強號了它問們對招于圍堆巖的毯支護仗能力嚴，可培以適服用于壁各種扛圍巖巴條件哲。6.6蒙.1噴錨棕支護割原理關于旱支護只時間§6.黑6噴錨句支護塊原理羊和設綁計原福則10

隨著時間增加，增加，支護力減小;

但是，如塑性區(qū)過大，則圍巖由形變破壞轉化為松動破壞，反而增大20

假設隧洞開挖時間開始支護，洞室變形分為：支護前；支護后的→A點平衡。顯然：越小，越小，越大，支護力↓說明在著圍巖保攤護圍巖浮條件下躲（不出析現(xiàn)松動詠破壞）唯，支護皮前圍巖立變形愈增充分則殲支護力高愈小。6.6湯.1噴錨支邪護原理關于支匯護剛度§6司.6噴錨支選護原理射和設計臺原則曲線Ⅱ－Ⅱ與Ⅲ－Ⅲ平行:支護潔剛度皂相同誕，支懸護時稅間的跟影響非，PB>PAⅡ－Ⅱ與Ⅲ－Ⅲ’不平召行:支護剛嬸度的影瞇響，Pc>PB6.反6.筍2噴錨暫支護番的特盤點§6搞.6噴錨鮮支護煌原理許和設論計原室則在洞鴨室開游挖后桿及時愧向圍股巖表窯面噴嘉一層紫砼，頁必要氧時增瞞設部腹分錨脾筋，并從而吵及時總有效遭地控侮制和摧調整芒圍巖厘變形泡和應自力重幅分布僻范圍餃，充犁分發(fā)趣揮圍盜巖的種自承度能力賢，達騙到安妖全和夏經濟果的支紙護目縱的。適時、刻緊貼、堵柔性→鋸較小變春形壓力支護肆與圍翠巖共別同作邀用（跳與傳閣統(tǒng)剛呀性支失護（域松動牛壓力循）山嚇巖壓妻力設訪計支扯護觀茅點相爭反，注維持籃穩(wěn)定特）6.抓6.慚4噴錨支寫護的設置計原則§6符.6噴錨撐支護糟原理奮和設順計原含則“關于新塔奧法/噴錨洋支護矛的原翅理還牽不能呢從理虜論上志去完撞善、餃定量仆地分識析”企。實際上僚，巖石蓋力學的太發(fā)展已啟經給噴債錨支護他原理的彩解釋提輪供了新斬的理論祥，如蠕洞變理論迫等6.釋8.悉4噴錨畫支護桃的設堆計原薪則§6.乓8噴錨支范護原理燭和設計喪原則一、整播體圍巖圍巖特做點：巖濤塊強度亂高，節(jié)矩理裂隙獎不發(fā)育落，整體倉性良好噴錨支墊護：巖壁表概層噴薄求層砼→韻防止風腿化（巖名體出現(xiàn)悟破碎）趴在宏主應力位區(qū)→布旦置預應濟力錨桿迫以減小晴拉應力訂水平，鼻或轉化場為壓應銳力畝錨桿長想度→穿桂過拉應斬力區(qū)，媽錨固至漂壓力區(qū)6.諸8.補4噴錨支休護的設簽計原則§6妨.8噴錨兵支護密原理滲和設譽計原頓則二、跡塊狀針圍巖圍巖特際點：節(jié)駐理裂隙稼發(fā)育，炊圍巖切軌剖成塊帶狀，其煙中巖塊尿強度較高，悟結構章面錯愉動?？刂撇鑷鷰r寫的穩(wěn)友定，盼關鍵今在于毯控制任危石綱（關陜鍵塊域體）路關添鍵塊柿①籠→控證制→品重點銅加固智（錨啞桿、杏噴砼匪）一般來抬說巖塊勤之間相朋互鑲嵌脖、咬合變、互鎖鏡、卡緊沫在一起揀，圍巖附的坍塌犯總是從浸某個巖取塊（危削石）開弊始，然完后發(fā)展緩。6.石8.啦4噴錨布支護緊的設靈計原賓則二、濾塊狀枯圍巖錨桿煉加固版關鍵殺塊體割（危取石）取危置石AB怪C→重量G，沿錨單桿EF的分設力T，沿破去裂面AB的分姻力Q§6.喉8噴錨支僅護原理庫和設計叉原則錨桿拉力錨桿剪力確定錨廢桿截面/大小6.8棕.4噴錨支脖護的設播計原則二、塊位狀圍巖錨桿加巡壽固圍巖器裂隙面洞頂喘裂隙殿面AB，水平犁向壓力P，錨桿膝預應力T→要求校燒核沿AB面是否煤滑動，迎挽救，盛保護穩(wěn)查定輪計算飽所需T，沿AB面：§6椅.8噴錨支成護原理丟和設計之原則法向力抗滑力滑動力6.8項.4噴錨周支護梯的設促計原映則二、塊絡狀圍巖噴砼層蜻支護危堆石1）按“漢沖切型很”破壞鍋驗算噴舅層厚度典設危石曲重G，底面霉周邊長繞，噴層率厚度h，以招砼抗俱拉強綁度作剪為不擋發(fā)生啄“沖券切型炒”破踩壞條腰件.§6闖.8噴錨杰支護辦原理單和設括計原尼則穿透噴層6.8趙.4噴錨劣支護畜的設遞計原執(zhí)則二、敲塊狀機圍巖噴砼礎層支伙護危膽石2）按“顛撕開型亭”驗算揮噴層厚獸度米驗算礦巖面與弓砼噴層保之間的硬粘結力膚是否滿必足強度淋要求根手據(jù)彈性沈地基梁向理論推診導：（蛾設噴層疫與巖面盞間的粘贏結強度往）巖剝面與噴退層間最種大拉應唇力§6.勉8噴錨峰支護毅原理倦和設仙計原惡則6.亡8.渴4噴錨支析護的設猾計原則§6窗.8噴錨勸支護叛原理透和設恢計原假則三、層污狀圍巖洞室開檢挖后由蹲層面粘輛結強度蝦很低，雜洞頂塌毯落。工程上矛：一般美采用錨睬桿形成失“組合輸梁”保蘇持穩(wěn)定錨桿的陣作用：餡增加層類間握裹場力，切揪向摩擦掉力6.飼8.沉4噴錨串支護辰的設強計原飾則§6辨.8噴錨支娃護原理喉和設計拴原則四、桑軟弱響圍巖圍巖特茫點：①愚圍巖強者度很低;秤②節(jié)理雀裂隙閑極度拖發(fā)育竄切割銹成散巡壽離體睡；（3）按擇彈性以理論賴和彈配塑性刑理論瞎