成都理工大学(05围岩压力)

5围岩压力主讲林锋5.1概述5.2弹塑性理论计算围岩压力5.2.1弹性分析5.2.2弹塑性分析5.3松散围岩的围岩压力计算5.3.1普氏理论5.3.2太沙基理论5.3.3块体平衡理论计算围岩压力脆性围岩变形与破坏的形式和特点主要决定于围岩结构，一般有弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移、碎裂松动以及岩爆等。5.1概述塑性围岩在应力重分布和水的作用下，主要变形破坏类型包括：(1)塑性挤出；(2)膨胀内鼓；(3)塑流涌出；(4)重力坍塌等。5围岩压力•（二）基本概念•（1）围岩压力•硐室开挖破坏了围岩范围内的应力平衡状态，导致围岩变形甚至破坏。为了保障硐室的稳定安全必须进行支护以阻止围岩过大变形和破坏，这样，支护结构与围岩间产生相互作用，围岩作用于支护结构上的力就是围岩压力。围岩压力可以分为垂直压力、水平压力和底部压力。•在采矿工程中，围岩应力和围岩压力都称为矿山压力。•广义围岩压力包括以下几部分：•变形压力，松动压力，•膨胀压力，冲击和撞击压力。5.1概述（2）变形压力，也可称为变形围岩压力，由于围岩的变形受到支护的抑制而产生的围岩压力。变形压力的大小，与原岩应力大小、岩体力学性质、支护结构刚度和支护时间等因素有关。一般在用弹塑性、粘弹塑性原理进行分析，包括解析法和数值分析方法。（3）松动压力包括塌落围岩压力和块体滑落围岩压力。由于硐室开挖，导致围岩松动或塌落，并以重力形式直接作用在支护上的形成的围岩压力。较大块体稳定性问题，可以采用块体理论进行分析。塌落岩体形成的围岩压力，可以采用普氏理论、泰沙基理论、有关规范的围岩压力计算公式等进行分析（4）膨胀压力岩体具有吸水、膨胀、崩解特性，由此引起的围岩压力称为膨胀压力。岩体的膨胀性，主要决定于其中蒙脱石、伊利石和高岭土的含量，以及外界水的渗入和地下水的活动特征。膨胀压力与岩体的状态、隧道结构形式等因素有关，膨胀荷载的大小确定，通常根据经验数据或测量结果来估计。（5）冲击和撞击压力撞击围岩压力：是回采工作面上覆岩层剧烈运动时对巷道支护所产生的压力。冲击围岩压力是指围岩积累了大量弹性变形能之后，突然释放出来所产生的压力。冲击压力又称为岩爆。5.1概述•围岩压力主要决定于以下7方面因素：•（1）初始应力状态及硐室形状、大小•圆形、椭圆形和拱形硐室的围岩应力集中程度较小，显然，围岩压力相对较小。•围岩压力随跨度的增加而增加，但不一定成正比。如我国单线和双线铁路隧道的跨度相差80%,但围岩压力相差仅为50%左右。在稳定性较差的岩体内开挖硐室，实际的围岩压力往往比按照常用方法计算得到的压力大得多。（2）地层岩性及地质构造地层岩性及地质构造条件不同，岩体结构特征及岩体质量不同，相应地，岩体的变形破坏特征及围岩压力也就不同。三、围岩压力影响因素5.1概述（3）地下水的影响：软化岩体，直接提供压力；（4）支护的形式、时机及和刚度：当围岩出现松动圈或塌落拱时，支护的作用主要承受松动岩体或塌落岩体的重量，支护主要起承载作用，这类支护可以称为外部支护；当围岩处于有限变形中，支护的作用主要为限制围岩的变形，起约束作用，这类支护也叫内承支护或自承支护，主要通过化学灌浆、水泥灌浆、锚杆、预应力锚杆、喷混凝土等方式加固围岩，提高围岩的自承能力。支护时机的早晚，支护结构本身的刚度，与围岩变形限制程度有关，从而决定围岩压力的大小。（5）时间：流变效应或变形的时间滞后效应，与围岩变形发展有关，从而影响围岩压力的大小。（6）施工方法：掘进的方法不同，对围岩扰动程度不同。（7）埋深：上覆岩层安全厚度，初始地应力。三、围岩压力影响因素•大体上，围岩压力确定方法主要有：•（1）现场实测法；•（2）连续介质力学方法：解析法、数值分析（有限元，有限差分法，边界元法、流形元等）；•（3）非连续介质力学方法，如离散元法；•（4）围岩分类法：公路、铁路围岩分类法；•（5）散体围岩压力理论：普氏理论和太沙基理论等；•（6）块体理论及赤平投影分析•（7）工程地质类比法•（8）物理模拟法等•目前，围岩压力理论总体上还处于验证和发展阶段。采用一种理论来解决各种不同地质条件下和不同目的的地下工程围岩稳定是不现实的。四、围岩压力的确定方法5.1概述5.2弹塑性理论计算围岩压力考虑围岩为连续介质，计算保持围岩变形稳定的需要提供的支护力，计算出来的围岩压力属于变形压力。围岩具有弹性、塑性和粘性性质。根据问题的复杂性和安全性要求，可以选用如下方法：（1）解析法，可以将围岩考虑为弹性介质、弹塑性介质，甚至可以考虑粘性性质。只适用于少数情况。（2）数值法，包括有限单元法和有限差分法，流形元等。由于目前数值计算理论的发展，可以采用简单的线性弹性模型，也可以考虑采用弹塑性模型，粘弹塑性模型等。5围岩压力（2）用硐室周边位移表示围岩压力围岩压力或叫支撑反力的位移表达公式如下：（5.2-1)ctgcctgcGUctgcaaa))(sin1(]2)(sin[0sin1sin0式中，G为剪切模量：)1(2EG为洞壁径向位移，单位m。a为围岩压力或支撑反力。aUsinsin100])))(sin1([2)(sinctgcctgcGctgcaUaa由上式变换，可得洞壁径向位移计算公式：（5.2-2）5.2.2弹塑性分析（2）用硐室周边位移表示围岩压力1）硐壁径向位移与支撑反力成反比（曲线Ⅰ），当支撑反力低到一定值，围岩破坏，坍塌岩体导致压力增大。讨论：aaU2）支护时机选择不同，则有不同的结果：选择的过早，围岩压力很大，变形很快稳定；过晚，且支护力不够，则变形会进一步发展到失稳；合适的支护时机，变形会趋于稳定，且支护力也不大（曲线Ⅱ）aaU稳定支护径向位移实测曲线硐壁径向位移实测曲线示意3）上述分析为新奥法施工根据反馈信息选择支护时机及支护力的主要思路。Ⅰ5.3松散围岩的围岩压力计算•地下开挖对周围地层的力学作用强度随距离而衰减。深埋隧道上覆地层的变形—松动—坍塌过程会在地表以下某个相对稳定的范围终止，就好像坍塌范围的周边出现了一架能够承受上覆岩层的“压力拱结构”。这种现象叫做地层的成拱作用。此时，拱下坍落的重量决定的顶部压力。5.3.1普氏理论•此理论是由俄国学者普罗托季亚科诺夫提出的。•（一）基本假定•（1）岩体为没有粘聚力的松散体：他认为岩体中的结构面完全破坏了的岩体整体性，虽然岩体具有弱的粘聚力，但可以忽略；岩体抗拉、抗减、抗弯能力都极其微弱。•（2）深埋硐室开挖首先引起洞顶塌落，但这种塌落是有一定限度的，并在洞顶形成一自然平衡拱。5.3.1普氏理论•（1）自然拱的切线方向只作用有压应力，固称为压力拱；•（2）压力拱以上岩体的重量（压力）通过压力拱传递到拱脚及附近岩体中。•这可能会导致边墙破坏。固稳定的压力拱应是考虑边墙可能失稳范围后的最终压力拱。•（3）作用在衬砌上的压力就是压力拱与衬砌之间的岩石的重量，而与拱外岩体无关。•所以，问题的关键在于正确确定拱的形状。VHHa•（二）受力分析Rx245f5.3.1普氏理论当地质条件对称时，压力拱的受力和形状也必然对称。将压力拱（线）作为研究对象，按对称问题进行研究。取一半拱线分析，上端点受到轴向力Rx，下端点受水平和垂向力作用（T，N）。拱线受垂直和水平应力作用，一般将水平应力计入拱座水平推力T中。忽略应力随着高度的变化。•（二）受力分析当压力拱处于极限平衡状态时，在拱座处，满足下式：由（3）、（5）式：上式中，h为普氏拱的高度，也可以成为荷载等效高度；b为拱跨一半；f为普氏系数，或者称为岩石的坚固性系数，其物理意义可以理解为增大了的摩擦系数。fNT（5.3-5）fNRx从安全角度，普氏将上式改为：fNRx21（5.3-6）由（2）、（4）、（6）式得：fbh（5.3-7）（三）拱形及拱高普氏系数表普氏系数的确定一般有三种方法：一般岩体：tgf/c砂土及其他松散材料tgf完整坚硬岩石(Rc(MPa))10/cRf•洞顶的垂向压力为:式中，b为半拱跨，其与半洞跨的关系如下：（5.3-8）γfbγhpV)tg(Habf245（四）洞顶垂直围岩压力如果硐壁不稳，硐壁两侧产生向洞内变形，从而导致测向围岩压力。侧向围岩压力可根据朗肯主动土压力理论计算。洞顶垂向压力可以作为超载计入对侧压的影响。（五）侧向围岩压力（五）侧向围岩压力硐壁侧向围岩压力计算公式如下（梯形分布）。hb2a1ap2apPa245f（5.3-9）)245()(22fatgHhpHppPaaa221)245(21fatghp需要求出合力作用点的位置。引起底部围岩压力的有几种可能：硐底岩石的膨胀；硐室两侧岩石在较大压力作用下使其向洞内挤入。考虑第二种情况。底部围岩压力的计算模型：AB线外侧，在上覆压力作用下，形成水平向内的主动土压力；硐底岩体以被动土压力方式对抗上述主动土压力，硐底阻抗岩体最大宽度为硐室跨度2a。（六）底部围岩压力显然，在主动土压力大于被动土压力范围段内，才会有可能导致底部围岩压力。为此，首先需要确定临界深度。（令上两式相等）：对于BF段，右侧为主动土压力，左侧为被动土压力，对于BF段上任一点y处，有：)245()(20fatgyHhp)245(2fbytgp（5.3-10）)245()245()245()(22200ffftgtgtgHhy普氏理论虽然比较简单，使用比较方便，但存在以下问题:（1）将围岩视为无粘聚力的松散体，这与大多数岩体的实际情况不符；一般在断裂破碎带内才接近这种假设；（2）岩石坚固性系数不是岩体本身的特性参数，也无法通过试验直接确定；（3）普氏理论中，顶部围岩压力最大，这与许多实际工程不符（最大顶压常常偏离洞顶）；（4）按照普氏理论，围岩压力只与硐室跨度大小有关，而与硐型、上覆岩层的厚度以及施工方法、程序等无关，这些都与实际不完全相符。实际上，只适用于足够埋深以下。（5）不适用于围岩明显偏压情况。（七）对“普氏理论”的讨论例题5.3-1某洞室建在普通的泥灰岩中。宽2a=8m，高H=5m，试求围岩压力。解.根据围岩条件查普氏分类表，f=2，γ=24KN/m3，φf=65°。则普氏拱高度h0为：f)φtg(Hafbhf2450)(108.52)26545(54mtg(1)求顶部围岩压力)/(8.980108.5248201mKNhaPV顶部围岩压力方向：垂直向下，合力作用点在洞室拱顶中部。)(6.122108.5240KPahpV例题5.3-1(2)求侧向围岩压力)(03.6)26545(tan60.122)245(tan221KPappfVa)(92.11)26545(tan)52460.122(2KPa)245(tan)(22fVaHpp侧向围岩压力的合力为：HppPaqaa22)/(87.445292.1103.6mKN侧向围岩压力方向为水平指向洞内，其合力作用点计算如下：以墙脚作为参考点（如图）：6/)(2/121HHpPHHpyPaaaaa)6/)(2/(1121HHpPHHpPyaaaaa)(23.2)6/55)03.692.11(2/5503.6(87.441m例题5.3-1(3)求底部围岩压力首先求底部压力计算深度y0:)245(tan)245(tan)(20200ffyyHh)245(tan)245(tan)245(tan)(22200fffHhy)(024.0297.20497.0)26545(tan)26545(tan)26545(tan)5108.5(222m由于y0≈0，远小于洞室跨度，故可以认为无底部压力。答：略。在两潜在破裂面间