地下工程(围岩压力).

围岩压力理论原岩应力初始应力的组成自重应力场和构造应力场原岩应力的变化规律①地应力是个非稳定应力场②实测垂直应力基本上等于上覆岩体重力③水平应力一般大于垂直应力④侧压系数在浅部范围内随深度增加而增加，而在深部则随深度增加而减小。⑤两个水平应力并不相等确定原岩应力的方法（1）现场量测法ⅰ直接法。直接法是指岩体应力由测量仪器所记录的补偿应力、平衡应力或其他应力量直接决定，无需知道岩石的物理力学性质和应力——应变的关系。这类方法包括早期的扁千斤顶法、刚性圆柱应力计法以及后来的水压致裂法、声发射法等。其中水压致裂法是目前应用较为广泛的一种直接量测方法。•地应力恢复法（groundstressrestorationmethod）是测量岩石绝对应力的一种方法。先在岩块表面上安装不同方向的三个应变计，记录它们的初读数；接着在岩块上掏槽，使槽长远大于槽宽，并使槽壁与岩块表面直交，再记录应变计的读数；最后，把扁千斤顶固装在槽内,并逐渐增加千斤顶内的油压，使之逐渐施压于槽壁，直至三个应变计恢复到未掏槽时的初读数为止，此时千斤顶施加于槽壁的压强即等于槽壁平面原有的法向应力。因扁千斤不能对槽壁施加张力和剪力，故此法只适用于测量主平面上的主应力。●直接量测：主要采用压力盒、压力传感器等，压力盒按工作原理分为机械作用式、电测式和液压式等，目前使用较多的是钢弦式压力盒。ⅱ间接法。在间接法中，测试仪器不是直接记录应力或应力变化值，而是测量某些与应力有关的间接物理量的变化，然后，根据己知的应力——应变关系，由测得的间接物理量，计算出测点的原岩应力值。这类方法有应力解除法、松弛应变测量法、地球物理方法等。其中，应力解除法是目前国内外应用最广泛的方法，也是目前唯一能够比较准确地确定岩体中三维应力状态的方法。地应力解除法（groundstressreliefmethod）又称地应变解除法是目前常用的一种绝对地应力测量方法。它用的测量元件有许多类型，如电阻片型、钢弦型和压磁电感型等，而以压磁电感型元件用得较多。使用这种元件测量地应力时，先在被测地点钻一小孔，把三个元件放进孔内，使之分别与小孔的三个不同方向的直径取向一致；然后在每个元件上预加一定的压力，同时记录三个元件的电感值；接着用套钻在小孔四周掏挖环形圆槽，使被测点的岩石与其周围岩体分离，此时再记录三个元件的电感值。根据两次电感值的差异，按一定公式，算出垂直于孔轴的两个主应力的大小和方向。●间接量测：利用量测隧道衬砌的应变、变形来推算作用在其上的围岩压力的方法，即间接量测法。如电阻应变片、钢筋应变计、遥测应变计、混凝土应变砖等（2）构造应力场地质力学分析法岩体中的一切构造形迹，如岩层倾斜、褶曲、破裂和错动等，无一不是岩体在地应力作用下形成的永久变形的形象，是地壳构造运动的力学作用的残迹。因此。根据构造形迹可以宏观地反推出地应力的性质和方向，这就是地质力学分析的基本概念。（3）构造应力场的位移反演法构造应力场的反演法是根据现场实测位移来反推岩体应力场的方法。基于此法，不仅可以反演原岩应力场，而且还可反演岩体参数。ⅰ应力反分析法。该法是依据在工程区域内有限个实测应力值，建立相应的数学力学模型，推求整个工程区域内的初始应力场；ⅱ位移反分析法。该法是基于现场量测位移来反推系统的力学特征及其地质背景的初始参数（即工程区域内的力学特征参数、初始地应力等）；ⅲ混合反分析法。反分析所采用的信息既有位移量测值，又有应力（或荷载）量测值。1、围岩压力的概念●围岩压力：是指围岩作用在支护结构上的压力。●围岩压力按作用力发生形态分为：⑴松散压力：是指由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构的压力。⑵形变压力：是指由于围岩变形受到与之密贴的支护的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。⑶膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。⑷冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性变性能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，⑴松散压力：常通过下列三种情况发生：①在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；②在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落；③在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。⑵形变压力：是指由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。⑶膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。⑷冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性变性能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与弹性模量直接相关。弹性模量较大的岩体，在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件，就会突然猛烈的大量释放。2、围岩松散压力的产生开挖隧道所引起的围岩松动和破坏的范围有大有小，对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅局限在隧道周围一定深度，作用在支护结构上的围岩松散压力远远小于其上覆岩层自重所造成的压力，这可用围岩的“成拱作用”来解释。2、围岩松散压力的产生⑴隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始沉陷，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段；⑵顶板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面切割等原因，逐渐转变为松动，可视为松动阶段；⑶顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌阶段；⑷顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一近似的拱形，可视为成拱阶段。深埋隧道的自然拱圈自然拱的范围的大小除受上述的围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态外，还取决于以下诸因素：⑴隧道的形状和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压力也越大；⑵隧道的埋深：实践证明，只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然拱。习惯上称这种隧道为深埋隧道，否则为浅埋隧道。由于浅埋隧道不能形成自然拱，所以，它的围岩压力的大小与埋置深度直接相关。⑶施工因素：如爆破所产生的震动，常常是引起塌方的重要原因之一，造成围岩压力过大，又如分部开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大自然拱范围。浅埋隧道不能形成拱圈3、围岩压力的确定方法围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：●直接量测法●经验法或工程类比法●理论估算法●直接量测法：是一种切合实际的方法，对隧道工程而言，也是研究发展的方向；但由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍适用。●经验法或工程类比法：是根据大量以前工程的实际资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值，作为后建隧道工程确定围岩压力的依据的方法。是目前使用较多的方法。⑴深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法)围岩竖向匀布压力p按下式计算：p=0.45×2s-1×γω(kN/m2)式中：S—围岩级别，如属II级，则S＝2；γ—围岩容重，(kN/m3)；ω＝1+i(B-5)—宽度影响系数；B—隧道宽度，（m）；i—以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。当B5m，取i＝0.2；当B5m,取i＝0.1。⑴深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法)p=0.45×2s-1×γω(kN/m2)●适用条件①H/B1.7，式中H为隧道高度；②深埋隧道；③不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道；④采用钻爆法施工的隧道。●围岩的水平均布压力e的确定，按下表中的经验公式计算围岩级别I、IIIIIIVVVI水平匀布压力00.15p(0.15～0.3)p(0.3～0.5)p(0.5～1.0)p●铁路新规范：p＝γhh=0.41×1.79S这是全国1046座铁路隧道得出的经验公式，其中S—新规范围岩的分级。注：铁路隧道跨度小于公路隧道围岩压力分布特征基于有界破裂区的计算方法•这一计算方法是将破裂区内的岩体自重作为隧洞支护上的荷载。为了确定破裂区的范围，必须首先对破裂区的边界线作出假定，如认为是抛物线、半椭圆形等，此外还有采用弹塑性区的分界面作为破裂区的边界线。普氏压力拱理论、康姆端尔的岩体破碎理论，以及卡柯弹塑性理论都属于这一类计算方法。其中以普氏压力拱理论在我国应用最广。•普氏假定压力拱形状为二次抛物线形，压力拱高按经验确定，它取决于隧洞跨度和岩石性质。普氏采用下式确定压力拱高：fah11f----岩石坚固性系数，又称普氏系数。f=Rc/10围岩竖向压力为：1hp•侧向围岩压力24tan)(21yhe⑵浅埋隧道围岩松散压力的计算①深、浅埋隧道的判定原则●隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。●深埋隧道围岩松散压力值是以施工坍方平均高度(等效荷载高度值)为根据，为了形成此高度值，隧道上覆岩体就有一定的厚度。根据经验，这个深度通常为2～2.5倍的坍方平均高度值①深、浅埋隧道的判定原则Hp＝（2～2.5）hp式中:Hp—深浅埋隧道分界深度;hp—荷载等效高度，按下式计算：hp＝p/γp—深埋隧道竖向均布压力kN／m2；γ—围岩容重（kN／m2）。在矿山法施工的条件下I一III级围岩取Hp＝2hpIV～VI级围岩取Hp＝2.5hp当隧道覆盖层厚度H≥Hp时为深埋，H＜Hp时为浅埋②浅埋隧道围岩压力的确定方法●埋深(H)小于或等于等效荷载高度hp时，荷载视为均布竖向压力p=γH式中:p—匀布布竖向压力；γ—深度上覆围岩容重；H—隧道埋深，指隧道顶至地面的距离。②浅埋隧道围岩压力的确定方法侧向压力e，按匀布考虑时，其值为：e=γ(H+1/2Hi)tg2(450–Φ/2)式中:e—侧向匀布压力；γ—围岩容重，以kN/m3计；H—隧道埋深，以m计；Hi—隧道高度，以m计；Φ一围岩计算摩擦角，可查有关规范。围岩的物理力学参数围岩级别重度（Kn/m3）弹性抗力系数（MPa/m）变形模量（GPa）泊松比内摩擦角（°）粘聚力（MPa）计算摩擦角（°）Ⅰ26～281800～2800＞33＜0.2＞60＞2.1＞78Ⅱ25～271200～180020～330.2～0.2550～601.5～2.170～78Ⅲ23～25500～12006～200.25～0.339～500.7～1.560～70Ⅳ20～23200～5001.3～60.3～0.3527～390.2～0.750～60Ⅴ17～20100～2001～20.35～0.4520～270.05～0.240～50Ⅵ15～17＜100＜10.4～0.5＜20＜0.230～40●埋深大于hp、小于等于Hp时采用松散介质极限平衡理论进行分析，即：围岩松动压力=滑动岩体重量－滑面上的阻力（1）岩柱理论考虑到隧洞两侧的岩体也可能下滑，需将可能滑动的岩柱宽度比隧洞宽度适当增大，并考虑岩柱的应力传递)24tan(1haatanzect24tan224tan2czeztan24tantan24tan)21(21d2212120kkkcHkHztTH)21(212111kackaHkHkT/aHp1顶部压力为：（2）太沙基公式太沙基认为，隧洞开挖后，岩体将沿OAB曲面滑动，作用在隧洞顶部的压力等于滑动岩体的重量减去滑移面上摩擦力的垂直分量。为推导简单起见，太沙基又进一步假定岩体沿垂直面AC滑动，而且假定滑动体中任意水平面上的垂直压力为均布。取地面下埋置深度z处，滑动体的体宽为2a1，厚为dz的单元体，由垂直方向平衡条件得：11tanddaaczvv边界条件为：平衡方程为：0zqvHzpv111tanexptanexp1tanaHqaHcap隧洞顶部的围岩压力为：——为静止侧压力系数，太沙基取为1.0；——地面超载。q（3）侧向围岩压力按挡土墙理论来计算24tan)(2