第十章 岩石地下工程

资源与环境工程学院岩石地下工程资源与环境工程学院基本概念基本概念围岩：在岩体中进行开挖以后，扰动了原岩的自然平衡状态，引起岩体中应力的重新分布，发生应力变化的那部分岩体称之为围岩。围岩压力：由于洞室围岩变形和破坏而作用于支护或衬砌上的压力称为围岩压力。资源与环境工程学院基本概念应力集中系数：巷道开往后的次生应力与开挖前的原岩应力之比。横向侧压系数：水平应力与垂直应力之比。资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析巷道围岩弹性区次生应力分析基本假设：①围岩为均质，各向同性、线弹性、无蠕变或粘性行为。②巷道长度远远大于巷道断面尺寸，符合平面变形条件。③巷道深度远远大于巷道断面尺寸，因此可忽略巷道围岩自重。资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析1、圆形巷道次生应力分布ppqqaZ20a巷道影响圈忽略自重rrr,,ppqqaZ20a巷道影响圈忽略自重rrr,,资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析2cos34121121442222rarapqrapqr2cos31211214422rapqrapq2sin321214422rarapqrr岩体某点径向应力岩体某点切向应力r岩体某点剪切应力p原岩垂直应力q原岩水平应力a巷道半径r距离巷道中心距离资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析2cos3411211121442222raraprapr2cos3112111214422raprap2sin3211214422rarapr资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析221rapr221rap0rqp,1时当12345aroa0p02pr12345aroa0p02pr资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析弹性区次生应力场特点：①、各应力分量大小与巷道大小无关。②、各应力分量与岩石的弹性模量和泊松比无关。③、侧压系数对围岩应力有决定性影响。资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析①、应力集中系数的影响。②、采动范围的影响。③、巷道周边应力分布的影响。,1时当资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析①、应力集中系数的影响。②、采动范围的影响。③、巷道周边应力分布的影响。,1时当资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析λ不同时切向应力随角度变化的对应值-0.25p0.5p0.8p2p2.55p2.75p1/400.66p1.33p2p2.49p2.66p1/30.5pp1.5p2p2.36p2.5p1/22p2p2p2p2p2p190O60O45O30O15O0O-0.25p0.5p0.8p2p2.55p2.75p1/400.66p1.33p2p2.49p2.66p1/30.5pp1.5p2p2.36p2.5p1/22p2p2p2p2p2p190O60O45O30O15O0O资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析0rr：对于巷道周边2cos121Pp0应力的条件：巷道两帮中点不出现拉31得0拉应力的条件：巷道顶底板中点不出现3得331的条件：巷道周边不出现拉应力资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析2、椭圆形巷道次生应力分布,roxyabpqpq,roxyabpqpq资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析22222222cossincossin12sincos2mmmmmp0rrabm资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析-0.58p-0.5p-0.25p0.25p0.75p1.25p1.75顶底板中央6.75p4.75p2.75p1.75p1.42p1.25p1.15p两帮中央1/31/212345轴比m=b/a应力-0.58p-0.5p-0.25p0.25p0.75p1.25p1.75顶底板中央6.75p4.75p2.75p1.75p1.42p1.25p1.15p两帮中央1/31/212345轴比m=b/a应力椭圆形巷道周边次生应力分布随轴比的变化(λ=1/4)资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析3、矩形巷道次生应力分布资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析4、直壁拱形巷道次生应力分布资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析弹性区围岩应力分布规律：①、围岩应力中，其决定作用的因素是：原岩应力、侧压系数、断面以及a/r等。②、形状对围岩应力的影响往往比断面大小更明显。资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析③、不论何种形状的巷道，其围岩应力均随着远离孔边急剧下降，而且应力集中程度越高，下降幅度越明显。④、圆形巷道应力集中程度最低，平直周边容易出现拉应力，拐角处容易产生高剪应力。⑤、巷道的高宽比对围岩应力分布有重大影响，断面的尺寸应尽量与最大来压方向一致。资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析相邻巷道间的相互影响规律rayxowowpwrayxowowpw资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析相邻巷道间的相互影响规律①、当巷道断面相同时，其相互影响的距离可定为巷道最大尺寸的3—5倍，当受爆破影响时，可增大为4—6倍。②、当相邻巷道中心连线与最大主应力垂直时，巷道间岩柱的应力集中程度增加；当连线与最大主应力一致时，应力集中程度降低巷道可相互起到屏蔽作用。资源与环境工程学院巷道围岩弹性区次生应力分析③、当巷道断面不等时，随着两者半径之比的增大与距离的减小，大巷道对小巷道的影响越来越大，而小巷道对大巷道则几乎没有影响。试验表明，若大小巷道半径之比为20时，减小间距，可使处于连线上的小巷道周边应力集中明显增大，但垂直于连线上的周边应力明显降低，也起到了屏蔽作用。为降低大巷道对小巷道的影响，可减小两巷道的半径比。资源与环境工程学院巷道围岩塑性区次生应力分析巷道围岩塑性区次生应力分析1、圆形巷道次生应力(λ=1)极限平衡条件rdrrrddr2d2doyxABCDrdrrrddr2d2doyxABCD资源与环境工程学院巷道围岩塑性区次生应力分析02sin2ddrrdddrrdrrr0drdrrr上式中忽略高阶无穷小，并令ddsin22sindd资源与环境工程学院巷道围岩塑性区次生应力分析2、库仑-摩尔理论压剪破坏条件ctgCrr22sin资源与环境工程学院巷道围岩塑性区次生应力分析CctgarCctgpirsin1sin2CctgarCctgpisin1sin2sin1sin1由厚壁筒公式：2202201rRrRpRr2202201rRrRpRpr2资源与环境工程学院巷道围岩塑性区次生应力分析sin2sin10sin1CctgpCctgpaRi塑性区半径的确定：a塑性区半径松动区半径弹性区r0pa塑性区半径松动区半径弹性区r0p资源与环境工程学院巷道围岩塑性区次生应力分析塑性区围岩应力分布规律：当λ=1时，根据围岩变形状态，可将巷道周围岩体从周边开始向深部分为4个区域：①、松动区（破裂区）：区内岩体裂隙增多，越靠近巷道周边越严重，其内聚力趋近于0，内摩擦角也有所降低，岩体强度明显削弱。区内岩体应力低于原岩应力，故也称应力降低区。但岩体尚保持平衡，未发生冒落。资源与环境工程学院巷道围岩塑性区次生应力分析②、塑性强化区：区内岩体处于塑性状态，但仍具有较高的承载能力。区内岩体应力大于原岩应力，最大的应力集中在塑性区与弹性区的交界处。资源与环境工程学院巷道围岩塑性区次生应力分析③、弹性变形区：区内岩体处于弹性状态，区内各点应力高于原岩应力，应力接触后能恢复到原岩应力状态。④、原岩状态区：不受开挖影响，仍处于原岩状态。当λ≠1时，塑性区的形状随测压系数λ不同而改变，此外塑性区的形状还受巷道形状、围岩强度和原岩应力大小的影响。资源与环境工程学院巷道围岩塑性区次生应力分析影响塑性区半径的因素：①、巷道所在处的原岩应力越大，巷道埋深越深，则塑性区范围越大。②、支架对围岩的支反力越大，塑性区的范围越小，当不支设支架时，巷道塑性区最大。③、岩体的内聚力和内摩擦角越小，岩体强度越低，塑性区越大。④、巷道半径越大，塑性区越大，二者成正比关系。资源与环境工程学院巷道围岩塑性区次生应力分析2cos34121121442222rarapqrapqr2cos31211214422rapqrapq2sin321214422rarapqr塑性区（λ≠1）半径的确定：1、围岩应力条件：资源与环境工程学院巷道围岩塑性区次生应力分析2、莫尔应力圆条件：Cctgrrr22sin22资源与环境工程学院巷道围岩弹性区位移巷道围岩位移：弹性区位移（无支护）2cos2212cos422134234222rarpqrarpqErararpqrarpqEu2sin2212sin2213423422rararpqErararpqEvp原岩垂直应力q原岩水平应力a巷道半径u径向位移v切向位移r距离巷道中心距离资源与环境工程学院巷道围岩弹性区位移巷道周边位移（无支护）au巷道周边径向位移av巷道周边切向位移2cos12112paEua2sin1122paEva资源与环境工程学院巷道围岩弹性区位移开巷前原岩在原岩应力作用下产生的位移2cos121122110paEpaEu2sin2110paEv0v开巷前原岩切向位移0u开巷前原岩径向位移资源与环境工程学院巷道围岩弹性区位移由于开巷产生的位移2cos4311210paEuuua2sin43121paEvu开巷后巷道周边径向位移v开巷后巷道周边切向位移资源与环境工程学院巷道围岩弹性区位移均匀围压条件下（λ=1）由于开巷产生的位移paEu10vu开巷后巷道周边径向位移v开巷后巷道周边切向位移资源与环境工程学院巷道围岩弹性区位移巷道周边位移（有支护）au巷道周边径向位移ip巷道周边支护力iappaEu121资源与环境工程学院巷道围岩弹性区位移开巷前原岩在原岩应力作用下产生的位移paEppaEu2111210由于开巷产生的位移iappaEuuu10资源与环境工程学院巷道围岩塑性区位移RiRpREppaEu011Ru弹性区边界位移R塑形区对弹性区的支护力0R塑形区半径塑性区（λ=1）位移