围岩压力与围岩稳定性.pptx
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1、会计学1围岩压力与围岩稳定性围岩压力与围岩稳定性n n狭义围岩压力:围岩作用于支护上的压力。(围岩和狭义围岩压力:围岩作用于支护上的压力。(围岩和狭义围岩压力:围岩作用于支护上的压力。(围岩和狭义围岩压力:围岩作用于支护上的压力。(围岩和支护被看成独立的两个体系)支护被看成独立的两个体系)支护被看成独立的两个体系)支护被看成独立的两个体系)n n广义围岩压力:支护与围岩是一个共同体,二次应力广义围岩压力:支护与围岩是一个共同体,二次应力广义围岩压力:支护与围岩是一个共同体,二次应力广义围岩压力:支护与围岩是一个共同体,二次应力的全部作用力视为围岩压力。的全部作用力视为围岩压力。的全部作用力视为
2、围岩压力。的全部作用力视为围岩压力。n n(1 1)稳定状态:稳定状态:稳定状态:稳定状态:(2)不稳定状态:不稳定状态:塑性 破坏塌垮 失稳第1页/共41页2.围岩压力与支护衬砌的关系围岩压力与支护衬砌的关系围岩压力值的正确估计与否,关系到能否合理地设围岩压力值的正确估计与否,关系到能否合理地设计支护衬砌的尺寸。如围岩压力估计值大于实际值,设计支护衬砌的尺寸。如围岩压力估计值大于实际值,设计的技衬必然偏大,浪费了材料及人力,反之,支衬被计的技衬必然偏大,浪费了材料及人力,反之,支衬被压坏,出现事故,洞室安全不能保证。压坏,出现事故,洞室安全不能保证。支衬与围岩压力支衬与围岩压力相适应,相适应
3、,围岩压力越大,设计支衬的尺寸就要大些。围岩压力越大,设计支衬的尺寸就要大些。3.围岩压力的影响因素围岩压力的影响因素围岩压力的影响因素极为复杂,地质方面与工程方面。围岩压力的影响因素极为复杂,地质方面与工程方面。地质方面的因素(自然属性)地质方面的因素(自然属性)(1)完整性或破碎程度。)完整性或破碎程度。(2)结构面的产状、分布密度、力学性质、充填物性)结构面的产状、分布密度、力学性质、充填物性质及其充填状态。质及其充填状态。(3)地下的活动状况。)地下的活动状况。(4)岩体的性质和强度。)岩体的性质和强度。第2页/共41页工程方面的因素工程方面的因素工程方面的因素工程方面的因素 (1 1
4、 1 1)洞室的形状和尺寸)洞室的形状和尺寸)洞室的形状和尺寸)洞室的形状和尺寸 三心拱半圆拱切圆拱(2 2)支护结构的形式和刚度)支护结构的形式和刚度 支护作用:阻止围岩变形,维护围岩稳定支护作用:阻止围岩变形,维护围岩稳定支护支护外部支护内承支护刚性柔性(3 3)洞室的位置、尺度和覆盖层厚度。)洞室的位置、尺度和覆盖层厚度。(4 4)施工中的技术措施。)施工中的技术措施。例如,控制爆破(光、预裂)和开挖顺例如,控制爆破(光、预裂)和开挖顺序序(5 5)洞室的轴线走向)洞室的轴线走向第3页/共41页4.围岩压力的确定围岩压力的确定围岩压力的大小和方向很复杂,公式理论都是在一围岩压力的大小和方
5、向很复杂,公式理论都是在一定的简化条件下推导出来的,定的简化条件下推导出来的,是近似公式。是近似公式。故在应用这故在应用这些公式和理论时要注意其适用条件。当实际情况与公式些公式和理论时要注意其适用条件。当实际情况与公式简化条件较一致时,效果较为满意。简化条件较一致时,效果较为满意。5.围岩压力的类型围岩压力的类型根据围岩变形破坏机理,把围压分为变形,松动,根据围岩变形破坏机理,把围压分为变形,松动,膨胀,冲击围压四种类型,并采用不同的理论进行计算。膨胀,冲击围压四种类型,并采用不同的理论进行计算。第4页/共41页中等坚硬的岩石,围岩变形较大,产生中等坚硬的岩石,围岩变形较大,产生变形围压,可用
6、弹塑变形围压,可用弹塑性理论计算性理论计算。软弱破碎岩石,岩石破坏而松动塌落形成软弱破碎岩石,岩石破坏而松动塌落形成松动围压,采用松松动围压,采用松散介质极限平衡理论或块体极限平衡理论分析。散介质极限平衡理论或块体极限平衡理论分析。冲击围压又称岩爆,它是弹脆性岩体过度受力后突然发生弹冲击围压又称岩爆,它是弹脆性岩体过度受力后突然发生弹射变形所引起的围岩压力现象,对这种围压至今还未有有效的射变形所引起的围岩压力现象,对这种围压至今还未有有效的预测计算方法,有人用能量理论来预测。预测计算方法,有人用能量理论来预测。膨胀围压是变形围压的一种,只是引起变形的原因较特殊。膨胀围压是变形围压的一种,只是引
7、起变形的原因较特殊。由于围岩吸水膨胀对支衬产生的压力。至今没有很好的计算方由于围岩吸水膨胀对支衬产生的压力。至今没有很好的计算方法,原则上可采用弹塑性理论配合流变理论分析。法,原则上可采用弹塑性理论配合流变理论分析。一般情况下可分为一般情况下可分为变形和松动围压变形和松动围压两种大类。两种大类。第5页/共41页第二节第二节坚硬岩体的应力和围岩稳定验算坚硬岩体的应力和围岩稳定验算对于坚硬完整的岩体,一般强度较大,变形较小或无,对于坚硬完整的岩体,一般强度较大,变形较小或无,不需支衬,故一般无围岩压力或很小,这时洞室的稳不需支衬,故一般无围岩压力或很小,这时洞室的稳定与否,只验算定与否,只验算洞室
8、边界上的切向应力洞室边界上的切向应力。当当Rc-岩石的容许抗压强度,围岩稳定岩石的容许抗压强度,围岩稳定如如0,则则-Rt-岩石的容许抗拉强度岩石的容许抗拉强度Rc=0.6Rc无裂隙的坚硬围岩无裂隙的坚硬围岩或或0.5Rc有裂隙的坚硬围岩有裂隙的坚硬围岩第6页/共41页例题:某花岗岩体,完整性良好,单轴抗压强度例题:某花岗岩体,完整性良好,单轴抗压强度Rc=100MPa。在岩体内开挖直墙拱顶洞室,洞的跨度在岩体内开挖直墙拱顶洞室,洞的跨度B=12m,洞高,洞高h=16m,洞埋深洞埋深H=220m,岩石的重度,岩石的重度=27KN/m3,试问围岩的稳定性,试问围岩的稳定性如何?如何?解:解:(1
9、)洞室围岩的天然应力洞室围岩的天然应力H=H=27220=5.94MPa假定天然应力比值系数为假定天然应力比值系数为1,则,则0=v=H=5.94MPa岩石的容许抗压强度岩石的容许抗压强度Rc=0.6Rc=0.6100=60MPa(2)将洞室看作圆形)将洞室看作圆形圆形洞室的圆形洞室的=20=25.94=11.88MPaRc=60MPa故洞室是稳定的。故洞室是稳定的。第7页/共41页(3)将洞室看作椭圆形,计算洞顶)将洞室看作椭圆形,计算洞顶A点和侧壁点和侧壁B点的切向应力点的切向应力本题中本题中q1=6m,q2=8m,代入数据得:,代入数据得:A=2Hq2/q1=25.948/6=15.84
10、MPaB=2Vq1/q2=25.946/8=8.92MPaA,BRc,所以围岩是稳定的。,所以围岩是稳定的。第8页/共41页第三节第三节第三节第三节 松散岩体的围岩压力计算松散岩体的围岩压力计算松散岩体的围岩压力计算松散岩体的围岩压力计算n n浅埋:传递应力,岩柱重量计算法。浅埋:传递应力,岩柱重量计算法。浅埋:传递应力,岩柱重量计算法。浅埋:传递应力,岩柱重量计算法。n n深埋:自然冒落拱内岩体的自重或裂性围内深埋:自然冒落拱内岩体的自重或裂性围内深埋:自然冒落拱内岩体的自重或裂性围内深埋:自然冒落拱内岩体的自重或裂性围内松动岩体的压力。松动岩体的压力。松动岩体的压力。松动岩体的压力。一、浅
11、埋洞室围岩松动压力计算一、浅埋洞室围岩松动压力计算一、浅埋洞室围岩松动压力计算一、浅埋洞室围岩松动压力计算(2(2(2(2种方法种方法种方法种方法)(一)岩柱法(一)岩柱法(一)岩柱法(一)岩柱法1 1 1 1、基本假设、基本假设、基本假设、基本假设(1 1 1 1)C=0C=0C=0C=0(2)(2)(2)(2)围岩压力围岩压力围岩压力围岩压力=岩柱的自重岩柱的自重岩柱的自重岩柱的自重-柱侧面摩擦力柱侧面摩擦力柱侧面摩擦力柱侧面摩擦力(3 3 3 3)破坏模式与受力状态如下)破坏模式与受力状态如下)破坏模式与受力状态如下)破坏模式与受力状态如下第9页/共41页考虑摩擦力的计算简图考虑摩擦力的
12、计算简图微元素微元素滑动岩柱滑动岩柱第10页/共41页2 2 2 2、洞室顶压力的计算、洞室顶压力的计算、洞室顶压力的计算、洞室顶压力的计算 n n岩柱两侧面的总摩擦力为:岩柱两侧面的总摩擦力为:式中:-垂直应力;-侧应力系数式中:-侧面上的正压力;-摩擦系数n n微元素上的侧压力:微元素上的侧压力:n n微元素上的摩擦力:微元素上的摩擦力:n n洞顶岩体自重:洞顶岩体自重:近似按主动土压力计近似按主动土压力计 算算第11页/共41页根据假设求出洞顶压力集度根据假设求出洞顶压力集度根据假设求出洞顶压力集度根据假设求出洞顶压力集度:式中:式中:根据假设求出洞帮压力集度根据假设求出洞帮压力集度:第
13、12页/共41页3 3、适、适用用 条件条件洞室洞室断面断面衬砌衬砌受力受力图图第13页/共41页(二)太沙基的围岩压力计算方法(二)太沙基的围岩压力计算方法(二)太沙基的围岩压力计算方法(二)太沙基的围岩压力计算方法(“典型的应力传递法典型的应力传递法典型的应力传递法典型的应力传递法”)由单元体的平衡条件推出围岩压力由单元体的平衡条件推出围岩压力1 1、基本假设、基本假设(1 1)认为岩体是松散体,但存在一定的粘聚力,且服从)认为岩体是松散体,但存在一定的粘聚力,且服从库仑准则:库仑准则:(2 2)围岩的滑移模式和外力情况如图所示)围岩的滑移模式和外力情况如图所示2、围岩压力计算边界条件:边
14、界条件:n微元体的平衡条件:第14页/共41页垂直地层压力计算简图垂直地层压力计算简图第15页/共41页(3)适用条件:H50m。n解该微分方程,并令Z=H得洞顶压力:-原岩应力侧压力系数n洞室两邦的压力:第16页/共41页二、深埋洞室的松散围岩压力计算二、深埋洞室的松散围岩压力计算俄国普罗托奇雅阔诺夫俄国普罗托奇雅阔诺夫1907年推出自然冒落拱年推出自然冒落拱-沙沙拱、压力自然平衡拱。拱、压力自然平衡拱。(一)普氐理论的基本假设(一)普氐理论的基本假设(1)围岩为松散体,仍具有一定的粘聚力。)围岩为松散体,仍具有一定的粘聚力。(2)洞顶形成自然冒落拱,两帮形成滑动体(夹角)洞顶形成自然冒落拱
15、,两帮形成滑动体(夹角)作用在洞顶的围岩压力为自然平衡拱内岩体的自重。)作用在洞顶的围岩压力为自然平衡拱内岩体的自重。第17页/共41页(3 3)采用坚固系数表征岩体强度。)采用坚固系数表征岩体强度。其物理意义:其物理意义:更简便的经验公式:更简便的经验公式:-R-Rc c/MPa/MPa(4 4)自然平衡拱的洞顶岩体只能承受压应力,不能承)自然平衡拱的洞顶岩体只能承受压应力,不能承受拉应力受拉应力。第18页/共41页围岩压力计算简图围岩压力计算简图第19页/共41页n n 在拱脚处,有一在拱脚处,有一水平推力,维持整水平推力,维持整个拱的平衡,普氐个拱的平衡,普氐认为必须小于或者认为必须小于
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