岩石力学课程Chapter6-精品文档资料系列.ppt

6.1.1 基本概念基本概念 p 围岩围岩surrounding Rock 在岩体内开挖洞室以后，岩体的原始平衡状态被在岩体内开挖洞室以后，岩体的原始平衡状态被破坏，发生应力重分布。这种重新分布的应力称为破坏，发生应力重分布。这种重新分布的应力称为岩体中的二次应力或称为洞室围岩应力。产生应力岩体中的二次应力或称为洞室围岩应力。产生应力重分布的这一部分岩体，一般称为洞室的围岩。重分布的这一部分岩体，一般称为洞室的围岩。（对于作为基础的岩体而言，我们一般称为基岩或（对于作为基础的岩体而言，我们一般称为基岩或岩基，对于边坡，则称为边坡岩体等）。岩基，对于边坡，则称为边坡岩体等）。6.1.1 基本概念基本概念 当围岩压力到达或超过岩体强度时，当围岩压力到达或超过岩体强度时，洞室围岩就出现塑性变形，剪切破坏甚洞室围岩就出现塑性变形，剪切破坏甚至崩塌、滑动。至崩塌、滑动。 为保证洞室的稳定，常对洞室进行为保证洞室的稳定，常对洞室进行必要的支护，必要的支护，(1)承担坍落岩块的重量承担坍落岩块的重量（松动压力）；（松动压力）；(2)限制围岩变形（形变限制围岩变形（形变压力）。因而，支护与衬砌必然要受到压力）。因而，支护与衬砌必然要受到岩石的压力。岩石的压力。 我们把由于地下洞室开挖形成的围岩我们把由于地下洞室开挖形成的围岩变形或破坏，且作用于衬砌（支护）上变形或破坏，且作用于衬砌（支护）上的压力称为围岩压力，包括松动和形变的压力称为围岩压力，包括松动和形变压力。压力。p 围岩压力围岩压力6.2.1 围岩压力的形成围岩压力的形成1.围岩质量优良（完整、强度等）围岩质量优良（完整、强度等）-地下洞室开挖后，围岩仅产生弹性回地下洞室开挖后，围岩仅产生弹性回弹，二次应力小于围岩强度，围岩只有弹性变形而无塑性变形，且开挖后弹，二次应力小于围岩强度，围岩只有弹性变形而无塑性变形，且开挖后即完成，岩石无破坏或松动，围岩整体稳定，无支护力，支护（水工隧洞，即完成，岩石无破坏或松动，围岩整体稳定，无支护力，支护（水工隧洞， 较小糙率）较小糙率）,防止表层岩石风化及局部剥落。防止表层岩石风化及局部剥落。2.中等质量岩石中等质量岩石-地下洞室开挖后，围岩产生弹性、塑性变形，少量岩石地下洞室开挖后，围岩产生弹性、塑性变形，少量岩石破坏，应力重分布需要一定时间，具有粘性（变形随时间发展），但围岩破坏，应力重分布需要一定时间，具有粘性（变形随时间发展），但围岩整体稳定，作用于支护上形变压力；但支护的浇筑时间和结构刚度对山岩整体稳定，作用于支护上形变压力；但支护的浇筑时间和结构刚度对山岩压力影响大。压力影响大。3.质量较差围岩（破碎、软弱岩体）质量较差围岩（破碎、软弱岩体） -岩石强度低，洞室开挖，塑性岩石强度低，洞室开挖，塑性+粘弹粘弹性变形较大，二次应力超过岩石强度很多，局部围岩不稳定，容易塌落，性变形较大，二次应力超过岩石强度很多，局部围岩不稳定，容易塌落，形成松动形成松动+形变压力，支护的作用主要是支撑塌落岩块的重量，阻止岩体形变压力，支护的作用主要是支撑塌落岩块的重量，阻止岩体继续变形、松动和破坏。继续变形、松动和破坏。释放荷载释放荷载-二次应力二次应力松动松动+变形变形大小大小洞室形状，大小洞室形状，大小影响二次应力影响二次应力 一般而言，圆形、椭圆、拱形，优于其他洞一般而言，圆形、椭圆、拱形，优于其他洞形，围岩压力跨度近似成正比。形，围岩压力跨度近似成正比。岩石的强度，节理裂隙发育程度，节理的方向。岩石的强度，节理裂隙发育程度，节理的方向。6.2.2 影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素刚度刚度约束变形能力约束变形能力围岩压力围岩压力围岩变位围岩变位u随随t发展发展最佳支护时间。最佳支护时间。浅埋洞室浅埋洞室承担洞顶岩体重量。深埋：承担洞顶岩体重量。深埋：承担压力拱至洞顶之间岩体重量。承担压力拱至洞顶之间岩体重量。开挖爆破形式：钻爆法，全断面掘进机开挖爆破形式：钻爆法，全断面掘进机6.2.2 影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素地质构造简单，地层完整、无软弱结构地质构造简单，地层完整、无软弱结构面，围岩稳定，围岩压力小；反之。面，围岩稳定，围岩压力小；反之。6.2.2 影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素围岩压力随时间的增加而增大（一方面，围岩压力随时间的增加而增大（一方面，变形和破坏有一个过程，另外还有蠕变变形和破坏有一个过程，另外还有蠕变的原因）的原因） 对于整体性良好的坚硬岩体来说，节理不发育，强度较大，无塑性对于整体性良好的坚硬岩体来说，节理不发育，强度较大，无塑性变形，且弹性变形迅速完成。变形，且弹性变形迅速完成。 洞室稳定分析只需验算边界上的切向应力是否超过岩体强度。洞室稳定分析只需验算边界上的切向应力是否超过岩体强度。地应力特征地应力特征 、vphp洞室形状、尺寸洞室形状、尺寸maxmincmaxRtminR许可抗压强度一般取单轴湿抗压强度的许可抗压强度一般取单轴湿抗压强度的0.50.6倍倍取值注意围岩质量取值注意围岩质量 压力拱理论一般适用于压力拱理论一般适用于破碎性较大破碎性较大的岩石的围岩压力计算，的岩石的围岩压力计算，计算的压力为计算的压力为松动压力松动压力。洞室开挖洞室开挖应力重分布应力重分布洞顶出现拉应力洞顶出现拉应力拉应力超过岩石抗拉应力超过岩石抗拉强度拉强度顶部岩石破坏，失顶部岩石破坏，失去平衡而逐渐塌落去平衡而逐渐塌落塌落到一定程度后自塌落到一定程度后自然平衡，不在塌落然平衡，不在塌落压力拱压力拱坍落拱坍落拱6.4.1 垂直围岩压力垂直围岩压力确定垂直围岩压力确定垂直围岩压力 关键在于松动区的体形，即关键在于松动区的体形，即压力拱形状压力拱形状 关于推求压力拱形状的方面存在不用的假设，假设不同，关于推求压力拱形状的方面存在不用的假设，假设不同，围岩压力也不同，一般采用围岩压力也不同，一般采用普罗托奇耶柯诺夫普罗托奇耶柯诺夫的压力拱理的压力拱理论，即普氏压力拱理论。论，即普氏压力拱理论。 普氏认为：岩体内总是有许多大小的裂隙、层理、节理等软弱结构普氏认为：岩体内总是有许多大小的裂隙、层理、节理等软弱结构面，将岩体切割成各种大小的块体，破坏岩体的完整性，造成松动性。面，将岩体切割成各种大小的块体，破坏岩体的完整性，造成松动性。可以把洞室周围的岩体看成没有凝聚力的大块散粒体。可以把洞室周围的岩体看成没有凝聚力的大块散粒体。6.4.1 垂直围岩压力垂直围岩压力p 岩石坚固系数的概念岩石坚固系数的概念 实际上岩石存在凝聚力，一般采用增大内摩擦系数的方法来补偿这实际上岩石存在凝聚力，一般采用增大内摩擦系数的方法来补偿这一因素，这个增大的内摩擦系数称为一因素，这个增大的内摩擦系数称为岩石的坚固系数岩石的坚固系数。原岩体的抗剪强度原岩体的抗剪强度tgcf岩体看作散粒体时岩体看作散粒体时KffKftgctg/cfK1o 砂土及松散材料砂土及松散材料tgfK2o 整体性岩石整体性岩石10/RfcK6.4.2 压力拱的形状压力拱的形状 根据普氏理论，对于比较破碎岩体（根据普氏理论，对于比较破碎岩体（fK2），地），地下洞室开挖：下洞室开挖： 侧墙剪切破裂侧墙剪切破裂+顶拱顶拱“压力拱压力拱”.2452220012Ktghbb式中：式中：b1洞室跨度的一半；洞室跨度的一半； b2压力拱跨度的一半；压力拱跨度的一半； h0洞室的高度；洞室的高度；换算内摩擦角换算内摩擦角6.4.2 压力拱的形状压力拱的形状 压力拱稳定条件：假定岩体为散粒体，其抗拉、压力拱稳定条件：假定岩体为散粒体，其抗拉、抗弯能力很小，洞室顶部上的压力拱最稳定的条抗弯能力很小，洞室顶部上的压力拱最稳定的条件是沿着拱的切线方向仅作用压力。件是沿着拱的切线方向仅作用压力。0MM022TypxTpxy22抛物线方抛物线方程程2bx hy Tpxy22Tpbh2226.4.2 压力拱的形状压力拱的形状Tpbh2220 xF0yF0AM2pbV FT F是岩石对拱向是岩石对拱向外移动的摩阻力外移动的摩阻力2pbfFK6.4.2 压力拱的形状压力拱的形状FT 为了保证为了保证A点的稳定：点的稳定：一般，只能取最大摩阻力的一半来平衡拱顶推力一般，只能取最大摩阻力的一半来平衡拱顶推力T：221pbfTKTpbh222Kfbh2 压力拱的高度等于拱跨度的一半压力拱的高度等于拱跨度的一半除以岩石的坚固系数。除以岩石的坚固系数。6.4.2 压力拱的形状压力拱的形状Kfbh210 洞室顶部的最大压力在拱轴线上：洞室顶部的最大压力在拱轴线上：Tpxy22Tpbh222Kfbxy22压力拱上任压力拱上任一点纵坐标一点纵坐标Kmaxmaxf/bqhq2或2o 洞室任何其他点上的垂直压力：洞室任何其他点上的垂直压力：KKfbxfbyhq2226.4.3 侧向围岩压力侧向围岩压力245021Khtge利用主动朗肯土压力公式：利用主动朗肯土压力公式：A. 洞顶洞顶2450202KtghheB. 洞底洞底245220200KhtghhhpC. 总侧向压力总侧向压力6.4.4 压力拱理论的适用条件压力拱理论的适用条件基本前提：洞室上方的岩体能够形成自然压力拱。基本前提：洞室上方的岩体能够形成自然压力拱。下列情况不能应用压力拱理论：下列情况不能应用压力拱理论：1o 岩石的岩石的fK0.8，洞室的埋深，洞室的埋深H小于小于2倍压力拱高度或小于压力拱倍压力拱高度或小于压力拱 跨度的跨度的2.5倍倍(H2.0h or H2.5b2).2o 明挖地下结构；明挖地下结构；3o 当当fKPAl 与与不平行不平行: 支支护刚度的影响，护刚度的影响，PcPB6.6.2 喷锚支护的特点喷锚支护的特点 在洞室开挖后及时向围岩表面喷一层砼，必要时增设部在洞室开挖后及时向围岩表面喷一层砼，必要时增设部分锚筋，从而及时有效地控制和调整围岩变形和应力重分布范分锚筋，从而及时有效地控制和调整围岩变形和应力重分布范围，充分发挥围岩的自承能力，达到安全和经济的支护目的。围，充分发挥围岩的自承能力，达到安全和经济的支护目的。p 适时、紧贴、柔性适时、紧贴、柔性较小变形压力较小变形压力p 支护与围岩共同作用（与传统刚性支护（松动压支护与围岩共同作用（与传统刚性支护（松动压力）山岩压力设计支护观点相反，维持稳定）力）山岩压力设计支护观点相反，维持稳定）6.6.4 喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则 “关于新奥法关于新奥法/喷锚支护的原理还不能从理论上去完善、喷锚支护的原理还不能从理论上去完善、定量地分析定量地分析”。 实际上，岩石力学的发展已经给喷锚支护原理的解释提实际上，岩石力学的发展已经给喷锚支护原理的解释提供了新的理论，如蠕变理论等供了新的理论，如蠕变理论等6.8.4 喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则一、整体围岩一、整体围岩围岩特点：岩块强度高，节理裂隙不发育，整体性良好围岩特点：岩块强度高，节理裂隙不发育，整体性良好喷锚支护：喷锚支护： 岩壁表层喷薄层砼岩壁表层喷薄层砼防止风化防止风化（岩体出现破碎）（岩体出现破碎） 在主应力区在主应力区布置预应力锚杆布置预应力锚杆 以减小拉应力水平，或转化为压应以减小拉应力水平，或转化为压应力力 锚杆长度锚杆长度穿过拉应力区，锚固穿过拉应力区，锚固至压力区至压力区6.8.4 喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则二、块状围岩二、块状围岩围岩特点：节理裂隙发育，围岩切剖成块状，其中岩块强度较围岩特点：节理裂隙发育，围岩切剖成块状，其中岩块强度较 高，结构面错动。高，结构面错动。 控制围岩的稳定，关键在于控制危石（关键控制围岩的稳定，关键在于控制危石（关键块体）块体） 关键块关键块 控制控制重点加固（锚杆、喷砼）重点加固（锚杆、喷砼） 一般来说岩块之间相互镶嵌、咬合、互锁、卡一般来说岩块之间相互镶嵌、咬合、互锁、卡紧在一起，围岩的坍塌总是从某个岩块（危石）紧在一起，围岩的坍塌总是从某个岩块（危石）开始，然后发展。开始，然后发展。6.8.4 喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则sinsinTQ Gsin 180-+二、块状围岩二、块状围岩l 锚杆加固关键块体（危石）锚杆加固关键块体（危石） 取危石取危石ABC重量重量G，沿锚杆，沿锚杆EF的分力的分力T，沿破裂面沿破裂面AB的分力的分力QsinTG sin+锚杆拉力锚杆拉力sinQG sin+锚杆剪力锚杆剪力确定锚杆截面确定锚杆截面/大小大小6.8.4 喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则二、块状围岩二、块状围岩l 锚杆加固围岩裂隙面锚杆加固围岩裂隙面 洞顶裂隙面洞顶裂隙面AB，水平向压力，水平向压力P，锚杆预应力，锚杆预应力T要求校核沿要求校核沿AB面是否滑动，挽救，保护稳定面是否滑动，挽救，保护稳定 计算所需计算所需T，沿，沿AB面：面：裂隙面jtgsinPTcosP法向力法向力sinPT抗滑力抗滑力jtgsinPT滑动力滑动力cosPsintgcosPtgTj6.8.4 喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则二、块状围岩二、块状围岩l 喷砼层支护危石喷砼层支护危石 1）按）按“冲切型冲切型”破坏验算喷层厚度破坏验算喷层厚度 设危石重设危石重G，底面周边长，喷层厚度，底面周边长，喷层厚度h，以砼，以砼抗拉强度作为不发生抗拉强度作为不发生“冲切型冲切型”破坏条件破坏条件.tRhlGlRGht穿透喷层穿透喷层6.8.4 喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则二、块状围岩二、块状围岩l 喷砼层支护危石喷砼层支护危石 2）按）按“撕开型撕开型”验算喷层厚度验算喷层厚度 验算岩面与砼喷层之间的粘结力是否满足强验算岩面与砼喷层之间的粘结力是否满足强度要求根据弹性地基梁理论推导：（设喷层与岩度要求根据弹性地基梁理论推导：（设喷层与岩面间的粘结强度面间的粘结强度 ）岩面与喷层间最大拉应力）岩面与喷层间最大拉应力03max/63. 2khElGqcLuRqmax41330G3.634LLuckhlRE 6.8.4 喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则三、层状围岩三、层状围岩层状岩体层面发育洞室开挖后由层面粘结强度很低，洞顶塌落。洞室开挖后由层面粘结强度很低，洞顶塌落。工程上：一般采用锚杆形成工程上：一般采用锚杆形成“组合梁组合梁”保持稳定保持稳定锚杆的作用：增加层间握裹力，切向摩擦力锚杆的作用：增加层间握裹力，切向摩擦力6.8.4 喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则四、软弱围岩四、软弱围岩围岩特点：围岩强度很低围岩特点：围岩强度很低; 节理裂隙极度发育切割成散离体；节理裂隙极度发育切割成散离体；（3）按弹性理论和弹塑性理论分析比较适合）按弹性理论和弹塑性理论分析比较适合 喷射混凝土作用：防止围岩表面碎块掉落，保证碎块之间的喷射混凝土作用：防止围岩表面碎块掉落，保证碎块之间的镶嵌、咬合作用，防止继续坍塌；喷射混凝土喷入岩体内宽的张镶嵌、咬合作用，防止继续坍塌；喷射混凝土喷入岩体内宽的张开裂隙，改善岩体力学指标；同时，及时、贴紧对围岩施加抗力开裂隙，改善岩体力学指标；同时，及时、贴紧对围岩施加抗力（变形压力）改善应力状态；（变形压力）改善应力状态； 锚杆作用：通过成组、按一定规律不止的径向锚杆，将洞室锚杆作用：通过成组、按一定规律不止的径向锚杆，将洞室周边一定深度的围岩进行加固，提高岩体强度和整体性。周边一定深度的围岩进行加固，提高岩体强度和整体性。6.8.4 喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则四、软弱围岩四、软弱围岩l 由砼喷层支护可能产生的破坏模式由砼喷层支护可能产生的破坏模式 在压应力集中区，发生剪切破坏在压应力集中区，发生剪切破坏 取圆形取圆形 ，砼抗剪强度，砼抗剪强度设计要求：喷层保持围岩稳定！设计要求：喷层保持围岩稳定！ 根据喷层根据喷层AA的受力情况，写出水的受力情况，写出水平向平衡方程：平向平衡方程： 10k2sindbpcicisinbpd26.8.4 喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则四、软弱围岩四、软弱围岩l 由径向锚杆形成承载环支护由径向锚杆形成承载环支护 设由径向锚杆，形成厚度设由径向锚杆，形成厚度t的承载环，由预应力锚杆提的承载环，由预应力锚杆提供径向应力：供径向应力：未支护时：未支护时： 发生塑性破坏，发生塑性破坏， (砼抗压强度砼抗压强度)0rcR1支护时：支护时： 产生破坏所需的切向力产生破坏所需的切向力rar22454522cracTRtgRtgbaab/Tra弹塑性交界处弹塑性交界处 时，须满足：时，须满足：Rr sinsincctgcctgr11塑性条件：塑性条件：02pr弹性区内：弹性区内：P113，式（，式（5-15）Hr/rHr/rr22022011联立上面两式，即可求得：联立上面两式，即可求得：返回返回sincctgpcctgRrr10