地下洞室围岩应力与围岩压力计算

第六章地下洞室围岩应力与围岩压力1第六章地下洞室围岩应力与围岩压力计算第一节概述一、地下洞室的定义与分类1、定义:地下洞室(undergroundcavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的地下空间。2、地下洞室的分类按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介质类型：岩石洞室、土洞二、洞室围岩的力学问题（1）围岩应力重分布问题——计算重分布应力1）天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。又称地应力、初始应力、一次应力等。2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。又称二次分布应力等。地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。第六章地下洞室围岩应力与围岩压力2（2）围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。（3）围岩压力问题——计算围岩压力围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护、衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。（4）有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。天然应力，没有工程活动开挖洞室后的应立场，为重分布应力，与天然应力有所改变在附近开挖第二个洞室，则视前一个洞室开挖后的应力场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力第六章地下洞室围岩应力与围岩压力3第二节围岩重分布应力计算一、围岩重分布应力的概念围岩：洞室开挖后，应力重分布影响范围内的岩体。围岩（重分布）应力：应力重分布影响范围内岩体的应力。围岩应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。围岩应力计算包括以下步骤：①开挖前岩体天然应力状态的确定;②开挖后围岩重分布应力的计算;③支护衬砌后围岩应力状态的改善;围岩应力计算包括以下情形：弹性无压洞室围岩应力塑性无压洞室围岩应力有压洞室围岩应力二、无压洞室围岩应力计算1、弹性围岩应力围岩为坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一半时，围岩呈弹性变形。可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体（假设1），其围岩重分布应力可根据弹性力学计算。（1）圆形洞室重分布应力的大小第六章地下洞室围岩应力与围岩压力4如果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑（假设2），概化为受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。并忽略天然应力场沿洞室高度方向的变化（假设3）。可以把它看成是两个柯西课题的叠加如下图。根据柯西课题，由σh产生的重分布应力:σVσV第六章地下洞室围岩应力与围岩压力5根据柯西课题，由σh产生的重分布应力:σhσh第六章地下洞室围岩应力与围岩压力6σv和σh同时作用时圆形洞室围岩重分布应力：引入天然应力比值系数：σh=λσV则σv和σh同时作用时圆形洞室围岩重分布应力可表示为：（2）圆形洞室重分布应力的特征1）洞壁上的重分布应力为考察洞壁上的重分布应力的特点令：r=R0代入上式，得洞壁上的重分布应力为：①②第六章地下洞室围岩应力与围岩压力7由上式可知，洞壁上的重分布应力具有下列特点：①洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，为单向应力状态；②σθ大小与洞室尺寸R0无关；③当θ=0、180°（侧壁），σθ=3σV—σh=（3—λ）σV；④当θ=90、270°（顶底），σθ=3σh—σV=（3λ—1）σV；⑤当λ＜1/3时，洞顶底将出现拉应力；⑥当1/3＜λ＜3时，σθ为压应力；⑦当λ＞3时，洞壁两侧出现拉应力，洞顶底出现较高的压应力集中；圆形洞室洞壁切向应力σθ随角θ的变化规律：（图中λ为天然应力比值系数，即侧压力系数）31V32102461XY第六章地下洞室围岩应力与围岩压力82）静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力静水压力式天然应力场是指水平天然应力与铅直天然应力相等的应力场，即λ=1。把λ=1（即σv=σh=σ0）代入②式，得静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力为：由上式可知，静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力具有下列特点：第六章地下洞室围岩应力与围岩压力9①围岩内重分布应力与θ角无关，仅与R0和σ0有关；②由于τrθ=0，则σr，σθ均为主应力，且σθ恒为最大主应力，σr恒为最小主应力；③当r＝R0(洞壁)时，σr=0，σθ=2σ0，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④r增大，σr增大，σθ减小，都渐趋于σ0值(见下图)；⑤在理论上，σr，σθ要在r→∞处才达到σ0值，但实际上σr、σθ趋近于σ0的速度很快，当r=6R0时，σr和σθ与σ0就很接近，如图;所以，一般认为，地下洞室开挖引起的围岩重分布应力范围为6R0。第六章地下洞室围岩应力与围岩压力10（2）其他形状洞室重分布应力的特征1）应力集中系数的概念为了最有效和经济地利用地下空间，地下建筑的断面常需根据实际需要，开挖成非圆形的各种形状。但非圆形洞室的围岩应力很难用解析解表示。由圆形洞室围岩重分布应力分析可知，重分布应力的最大值在洞壁上，且仅有σθ，因此只要洞壁围岩在重分布应力σθ的作用下不发生破坏，那么洞室内部围岩也是稳定的。为了研究各种洞形洞壁上的重分布应力及其变化情况，引进应力集中系数的概念。应力集中系数：是指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。该系数反映了洞壁各点开挖前后应力的变化情况。应力集中系数一般用α,β表示，其大小仅与该点的位置有关。对于圆形洞室，改写为：所以，圆形洞室应力集中系数α=1-2cos2θ，β=1+2cos2θ2）各种形状洞室重分布应力特点：①椭圆形洞室：长轴两端点应力集中最大，易引起压碎破坏；短轴两端易拉应力集中，不利于围岩稳定；第六章地下洞室围岩应力与围岩压力11②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。③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。④当岩体中天然应力σh和σv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。⑤当岩体中天然应力σh和σv相差较大时（高地应力区），则应尽量使洞室长轴平行于最大天然应力的作用方向。（图中N为侧压力系数）第六章地下洞室围岩应力与围岩压力12⑥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。σh大第六章地下洞室围岩应力与围岩压力132、塑性围岩重分布应力地下开挖后，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。随着距洞壁距离增大，径向应力σr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。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)。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。一般采用弹塑性理论求解塑性圈内的围岩重分布应力。假设：①在均质、连续、各向同性的岩体中开挖一半径为a的洞室，开挖后形成的塑性松动圈半径为R；②岩体天然应力为：σh=σv=σ0（即λ=1）；第六章地下洞室围岩应力与围岩压力14③圈内岩体强度服从莫尔直线强度条件。由ΣＦ=0，得沿r方向的平衡方程式：当dθ很小时，sindθ/2≈dθ/2，将上式展开，略去高次微量得：解方程组，利用边界条件时，得塑性区应力：径向应力为：切向应力为：剪应力：（因为λ=1属轴对称问题）aR02sin2)()(ddrrddrrddrrr0rdrdrrCctgrr2sin又由莫尔强度条件：（1）ararCctgCctgCctgCctgararaar)()(sin1sin2sin1sin2)(sin1sin2)(0r第六章地下洞室围岩应力与围岩压力15（4）塑性圈内围岩重分布应力与岩体天然应力(σ0)无关，而取决于支护力(σa)和岩体强度(C，φ)值。（5）若弹性区边界上的径向应力为σR，则弹性区的应力：由图可见：（1）塑性区内σθ降低了很多，硐壁上降低最多，但并不为零。（说明岩石产生了塑性变形后还具有一定的承载能力）；（2）在弹性区σθ略有升高。（这是因为在塑性区内，一部分应力释放了，一部分应力则转嫁给弹性区的结果）；（3）σr变化不大，在硐壁上。arrRrRrRrRRVRVr22222222)1()1(第六章地下洞室围岩应力与围岩压力16三、有压洞室围岩重分布应力计算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更加复杂。应力变化过程如下：•围岩最初处于开挖后引起的重分布应力之中•进行支护衬砌，使围岩重分布应力得到改善•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。内水压力引起的围岩附加应力，可用弹性厚壁筒理论来计算。由弹性理论可推导厚壁筒内的应力计算公式：若有压洞室半径为R0，内水压力为pa则有压洞室围岩重分布应力为：上rarararaaarpp2222022220)1()1(第六章地下洞室围岩应力与围岩压力17有压洞室围岩重分布应力σr和σθ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。上式前项为重分布应力，后项为内水压力引起的附加应力值，即：上式表明：内水压力使围岩产生负的切向应力，即拉应力。当这个切向应力很大时，则常使围岩产生放射状裂隙。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。第三节围岩压力的类型及影响因素前面我们讲了地下硐室的围岩应力计算及应力分布。我们将要讨论的围岩压力与围岩应力是两个不同的概念围岩应力：应力重分布影响范围内岩体的应力。那么什么叫围岩压力呢？他的分布规律如何？又怎样计算围岩压力？首先来看一、围岩压力的概念开挖硐室应力重分布围岩变形、位移第六章地下洞室围岩应力与围岩压力18重分布应力＜围岩强度时，只产生弹性变形或微量塑性变形。重分布应力≥围岩强度时，围岩破坏（产生裂缝、滑落、滑塌），硐室不稳定状态（影响使用甚至完全丧失使用条件）为了阻止围岩的过大变形和破坏，保证硐室安全稳定，往往必须对硐室进行必要的支护与衬砌———目的是防止岩石塌落和变形，所以支护与衬砌上必然要受到围岩的压力。——作用在支护与衬砌结构上的围岩变形挤压力或坍塌岩体的重力统称围岩压力。二、围岩压力类型：围岩压力是由于围岩的过大变形和破坏而产生的，不同岩性、不同结构的岩体，其变形与破坏的机制不同，因而，并非所有的硐室都需要支护与衬砌。由于硐室的支护与衬砌要消耗大量的木材，水泥及钢材、人力，直接影响工程造价。因此，在进行设计与施工时，工程人员必须解决这样的问题a.硐室要不要支护与衬砌？b.若要，围岩对支护与衬砌的压力又多大？这就是所要解决的问题不同岩性和结构的围岩，其围岩压力类型不同，所采用的评价理论和计算方法也不一样：（1）比较坚硬完整的围岩：一般重分布应力小于弹性极限（不支护或衬砌仍能维持稳定）第六章地下洞室围岩应力与围岩压力19重分布应力引起的弹性变形在开挖过程中就完成了，因而没有围岩压力或不显现。有时支护或衬砌，仅是为了防止围岩风化和局部掉块。（2）强度较低的围岩：弹性变形（瞬时完成）塑性变形（较长时间完成），为防止过大变形支护限制变形围岩压力。弹性圈应力重分布——围岩压力是由于应力重分布使围岩产生过大的变形所引起的，叫变形围岩压力（弹、塑性理论）。第六章地下洞室围岩应力与围岩压力20（3）破碎或破裂发育的围岩：当围岩应力大于岩体强度时，