岩体力学第六章地下硐室围岩应力
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岩石力学 第六章 地下空间开挖围岩稳定性分析
行支护达到人工稳定； 支护和破裂岩体本应是相互影响、共同作用的，但 现在还做不到完全用共同作用理论为指导来解决支 护设计问题； 古典地压学说：1907年，普氏学说——俄罗斯学者； 1942年，太沙基学说——美国学者； 在60年代，共同作用理论提出以后的30多年，弹塑 性力学的研究方法在岩石力学研究中一直占据主导 的地位，古典地压学说则被冷落一旁；
r , r p0
解析表达式
R02 1 2 p0 r r
净水压力下围岩应力分布
2019/1/20
《岩石力学》
7
讨论
开巷（孔）后，应力重新分布，也即次生应力场；
, 均为主应力，径向与切向平面为主平面； r
应力大小与弹性常数 周边
2019/1/20
c cot
《岩石力学》
24
塑性区半径
( p0 c cot )(1 sin ) R p R0 P c cot 1
1sin 2 sin
讨论
R p与 R0 成正比，与 p0 成正变，与 c 、
塑性区应力与原岩应力
900 , 2700 处， p0 (3 1) ; 0 0 p0 (3 ) ; 在巷道的侧边，即 0 , 180 处，
在巷道的顶、底板，即
2019/1/20
《岩石力学》
14
应力集中系数与 , 的关系
2019/1/20
《岩石力学》
15
巷道周边位移
o
开挖后（周边）
u (1 ) p 0 R0 E
《岩石力学》
11
2019/1/20
地下硐室围岩应力计算及稳定性分析共75页文档
地下硐室围岩应力计算及稳定性分析
1、合法而稳定的权力在使用得当失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
1、合法而稳定的权力在使用得当失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
岩体力学-4地下硐室的围岩应力计算及应力分布
•
• •
4.2 岩体的天然应力状态
• 4.2.1 天然应力场的成因及组成成分 • （1）自重应力 • 工程活动前，由于岩体自重所引起的应力为自重应力， 工程活动前，由于岩体自重所引起的应力为自重应力， 自重应力 自重应力场。 它在空间有规律的分布状态称为自重应力场 它在空间有规律的分布状态称为自重应力场。 • （2）构造应力场 • 构造应力场是指在一定区域内具有成生联系的各种构造 是指在一定区域内具有成生联系的 构造应力场是指在一定区域内具有成生联系的各种构造 形迹在不同部位应力状态的总体。 形迹在不同部位应力状态的总体。 • （3）变异应力 • （4）残余应力 • （5）温度梯度引起的应力 • 天然应力场此外，与地下水、石油、天然气等也有关系。 天然应力场此外，与地下水、石油、天然气等也有关系。
三、高地应力特征
• • • • （二）、高地应力现象 ）、高地应力现象 岩芯饼化现象。 （1）岩芯饼化现象。 岩爆。 （2）岩爆。 探硐和地下隧道的洞壁产生剥离， （3）探硐和地下隧道的洞壁产生剥离，岩体锤击为 嘶哑声并有较大变形。 嘶哑声并有较大变形。 • （4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象。 岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象。 • （5）野外原位测试的岩体物理力学指标比实验室岩 块试验结果高。 块试验结果高。 岩爆是岩体的一种伴有突然释放大量潜能的剧烈的 岩爆是岩体的一种伴有突然释放大量潜能的剧烈的 脆性破坏。对于地下工程来说，岩爆是指处于高应力场 脆性破坏。对于地下工程来说，岩爆是指处于高应力场 条件下所产生的岩片（岩块）飞射抛撒， 条件下所产生的岩片（岩块）飞射抛撒，以及洞壁片状 剥落等现象。 剥落等现象。
三、高地应力特征
• （一）高地应力判别标准
•
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(underground cavity)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。
（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 名词解释
围岩应力名词解释
围岩应力是指在地下工程或矿山开采中，由于地表或地下水平
面以上的岩石或土壤对地下空间施加的力。
围岩应力通常由水平应
力和垂直应力组成。
水平应力是指岩石或土壤在水平方向上施加的力，而垂直应力是指岩石或土壤在垂直方向上施加的力。
围岩应力的大小和方向对地下工程的设计和施工具有重要影响。
在地下隧道、矿山和地下储存等工程中，围岩应力的分布和变化需
要被准确地测量和分析，以确保工程的安全和稳定。
围岩应力的大
小受到地下水压力、地表荷载、地质构造和岩层性质等因素的影响，因此在工程设计中需要充分考虑这些因素。
围岩应力的概念也在岩石力学和地质学领域得到广泛应用，用
于研究岩石和土壤的力学性质和行为。
通过对围岩应力的研究，可
以更好地理解地下岩体的应力分布规律，为地下工程的设计和施工
提供科学依据。
总之，围岩应力是指地下工程或矿山开采中岩石或土壤对地下
空间施加的力，它对工程安全和稳定具有重要影响，需要在工程设
计和施工中予以充分重视和考虑。
岩石力学-第六章-岩石地下工程
（2）情况Ⅱ的解：
边界条件，对于内边界，r=R0，σr=τrθ=0 对于外边界，应用莫尔圆应力关系，有
r
1
3
2
1
3
2
cos 2
r
1 3
2
sin 2
1 p 3 p
90
r 时
r p cos 2 r psin 2
外边界条件
21
岩石力学
三、深埋圆形巷道一般压力下弹性分析
m 2
1
( 1) 应照顾顶点 ( 1) 应照顾两帮中点
33
岩石力学
五、非圆形巷道周边弹性应力状态
地下工程中的非圆形巷道主要有梯形、拱顶直 墙、椭圆等。
1、基本解题方法 原则上，地下工程比较常用的单孔非圆巷道围 岩的平面问题弹性应力分布，都可用弹性力学的 复变函数方法解决。
34
岩石力学
五、非圆形巷道周边弹性应力状态
次生应力或诱发应力：经应力重分布形成的新的 平衡应力。
6
岩石力学
一、基本概念
地下岩石工程稳定的条件：
max S
umax U
式中，S和U为围岩或支护体所允许的最大应力(极限强 度)和最大位移(极限位移)。
7
岩石力学
一、基本概念
岩石地下工程根据埋入的深浅： 浅埋地下工程的工程影响范围可达到地表，因而 在力学处理上要考虑地表界面的影响。 深埋地下工程可处理为无限体问题，即在远离岩 石地下工程的无穷远处，仍为原岩体。
R02 r
4(1 )(1 )
R02 r
cos 2
(1
)
R04 r3
cos
2
]
（3）其他巷道无通式。
39
岩石力学
地下硐室围岩
一、无内压坑道围岩应力分布
1、圆形坑道围岩应力分布 设原岩垂直应力为p，水平应力为q，作用在围岩边 界，忽略围岩自重的影响，按弹性理论中的基尔希公式 计算围岩中任一点M（r,θ）的应力：
pq a2 q p a2 a4 r (1 2 ) (1 4 2 3 4 ) cos 2 2 2 r r r pq a2 q p a4 (1 2 ) (1 3 4 ) cos 2 2 2 r r
形形状（高宽比）和原岩应力
（ λ）有关。
矩形坑道围岩应力分布特征： （1）顶底板中点水平应力在坑 道周边出现拉应力，越往围岩 内部，应力逐渐由拉应力转化 为压应力，并趋于原岩应力q； （2）顶底板中点垂直应力在坑 道周边为0，越往围岩内部，应 力越大，并趋于原岩应力p；
高宽比＝1/3,λ<1
（3）两帮中点水平应力在坑道 周边为0，越往围岩内部，应力 越大，并趋于原岩应力q.
(6－1)
r
q p a2 a4 (1 2 2 3 4 ) sin 2 2 r r
pq q p r cos 2 2 2 pq q p cos 2 2 2 q p r sin2 2
（1）当r→∞时，
(6－2)
上式即为极坐标中的原岩应力。
y
p0
若β＝0， p0＝λp,则：
(1 m ) sin m p sin2 m 2 cos 2
2 2 2
a
b
(1)
x
若β＝900， p0＝p,则：
(1 m ) 2 cos 2 1 p 2 sin m 2 cos 2
(2)
a
y
b
( 2 1) sin2 ( 1 ) 2 cos 2
岩体力学第6章
图6-14 圆形硐室单轴受力状态时的洞壁位移 注：u为径的弹塑性位移
图６-１５ 圆形洞室洞壁位移分析简图 1—变形前洞室洞壁 2—变形后洞室洞壁 3—变形前塑性圈外界 4—变形后塑性圈外界
6.3.2 地下岩体工程围岩的弹塑性位移
图６-１６ 洞壁位移与时间关系曲线
图6-1 轴对称圆形硐室的计算
6.2.2 弹性条件下地下岩体工程围岩应力分布
1.轴对称圆形硐室围岩的二次应力分布 2.椭圆形硐室围岩的弹性应力状态
3.矩形硐室围岩的弹性应力状态
1.轴对称圆形硐室围岩的二次应力分布
(1)侧压力系数λ=1时的情形 当侧压力系数λ=1时，如图6-2a所示，以圆孔 中心为坐标原点，在矩形域内以rb为半径作一圆形域，当rb>>ra时，由于半 径为rb的孔边处于应力集中区域以外，其上各点的应力状态与无孔时的应 力状态相同(见图6-2b)，可认为圆形域周边上的压力等于均布压力p0，p0=γ H。 (2)侧压力系数λ为任意值时的情形 侧压力系数λ为任意值时，圆形硐室围 岩的二次应力分布计算简图如图6-4a所示，可由图6-4b、图6-4c所示两种情 形叠加得到。
1.轴对称圆形硐室围岩的二次应力分布
图6-2 一定埋深的圆形硐室围岩应力计算简图
(1)侧压力系数λ=1时的情形
图6-3 λ=1时圆形硐室围岩应力分布图
(1)侧压力系数λ=1时的情形
表6-1 λ=1圆形硐室围岩应力
(2)侧压力系数λ为任意值时的情形 侧压力系数λ为任意值时，圆形硐室围岩的二次应力分布计算简图 如图6-4a所示，可由图6-4b、图6-4c所示两种情形叠加得到。
6.4 地下岩体工程围岩压力
6.4.1 围岩压力成因与分类 6.4.2 围岩压力计算
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σR
R
r
r0
dθ
θ
水平软 r Z 弱夹层
水平软层
dZ
塑性区 弹性区
a
20
§6.4 园形竖井围岩应力及水平软弱夹层所引起的破坏
又设：εZe 、εZp ——分别为塑性区Z方向的弹性变形、塑性变形； σre 、σθe——弹性区的径向应力、切向应力； σrp 、σθp——塑性区的径向应力、切向应力；
●软弱夹层产生塑性流动的条件？
15
1 NODAL SOLUTION
STEP=4
SUB =5
TIME=4
SEQV
(AVG)
DMX =.013632
SMN =8601
SMX =802411
MN MX
NOV 29 2007 01:11:15
8601 fuck
185003
361405
537807
714210
96802
273204
449606
——θ=30°处，洞壁切向应力为2σ0
11
§6.2 弹性岩体园形水平硐室围岩应力计算
如果用硐壁切向应力与原始垂直应力的比 值：
N V
表示硐壁切向应力集中的程度。 ——当K愈大，洞顶应力集中程度愈高； ——当K愈小，洞腰应力集中程度愈高；
12
§6.3 弹性岩体中其它硐形的围岩应力
(一) 水平椭圆形硐室围岩应力
sin
2
r/d
σr σθ
σ/γz
3
2
σθ
1
-1
1
B
σr
A
2
4
6 r/d
—— A点(θ=0) :σr =0, σθ较大且为压应力； —— B点(θ=90) :σr = 0 ，但σθ 为拉应力。
10
§6.2 弹性岩体园形水平硐室围岩应力计算
● 硐壁应力(r=a处) :
r 0
(K0 1) 0 2(K0 1) 0 cos2
提纲
1.绪论 2.岩石的变形(4学时) 3.岩石强度理论(6学时) 4.岩体的变形与强度特性(4学时) 5.岩体天然应力(3-4学时) 6.地下硐室围岩应力(4学时) 7.围岩压力(4学时) 8.斜坡稳定性计算(4学时) 9.坝基应力及稳定性计算(3学时)
§5.1概述 §5.2弹性岩体园形水平硐室围岩应力计算★ §5.3弹性岩体椭圆及方形硐室围岩应力计算 §5.4园形竖井围岩应力及水平软弱夹层所引
● 两式迭加有：
令K 0
H V
r
H
V 2
1
a2 r2
H
V 2
1 3
a4 r4
4
a2 r2
c os2
H
V 2
1
a2 r2
H
V 2
1
3
a r
4 4
c os2
r
H
V 2
1
3
a4 r4
2
a r
2 2
sin 2
(K0 侧压力系数) 有：
r
(K0
1) 0 2
1
a2 r2
(K0
1) 0 2
1 3
(一)静水压力式的天然应力场
地面
假设： σv = σh = σ0 (静水压力式)， 硐室半径a =r0 。
外径b P2 =σ0
r
θ
取半径分别为a、b 。 的两个园之间的岩体， 且b>>a(让大园处的应 力为原岩应力)。求硐 室围岩应力化为：
P1=0 a =r0 求厚壁圆筒的应力
H≥3D
应力重分 布范围
——竖井极限深度
19
§6.4 园形竖井围岩应力及水平软弱夹层所引起的破坏
厚壁圆筒的平衡方程
Y
在筒壁中任意切取一个微元体 ABCD。显然，在径向方向上有：
σθ
dθ
2
C
σr+dσr
Fr 0
于是：
r
r d
2
dr sin
d 2
( r
d r )(r dr) d
0
因d 0，有sin d d ,略去高次项。 22
r
－
0
1－
a2 r2
－pi
a2 r2
－ 0 1
a2 r2
pi
a2 r2
r
0
1－
a2 r2
pi
a2 r2
在岩体力学中规定，压应力为正，拉应力为负。于是：
当pi＝0时，即硐内无压力。
r
0
1－
a2 r2
0 1
a2 r2
pi
a2 r2
0 1
a2 r2
4
§6.2 弹性岩体园形水平硐室围岩应力计算
a4 r4
4
a2 r2
c os2
(K0
1) 0 2
1
a2 r2
(K0
1) 0 2
1
3
a r
4 4
c os2
r
(K0
1) 0 2
1
3
a4 r4
2
a r
2 2
sin 2
8
§6.2 弹性岩体园形水平硐室围岩应力计算
围岩应力分布特征：
● K0=1时(即σV=σH=σ0) 。得到前面静水压力式天然应力下的围岩应力。 ● K0=1/3时(即σH=1/3σV=1/3σ0) 。得到围岩应力:
起的破坏 §5.5有压隧洞的岩石力学计算★
1
§6.1概述
硐室开挖后，周围的岩石产生如下 变化： ——周围岩石向洞内膨胀的同时， 硐壁及其附近发生切向压缩变形；
——导致径向压缩应力降低；切向 应力增大；
σ1
围岩
原岩
σ3
上述应力降低和增大的程度，随着 远离硐壁而逐渐减弱，到达一定距 离后基本无影响。
应力重分布——硐室周围一定范围 内的岩石的上述应力变化。
-816051
-621184
-426317
-231450
-36583
-718618
-523751
-328884
-134017
60850
18
§6.4 园形竖井围岩应力及水平软弱夹层所引起的破坏
井壁的破坏判据及竖井极限深度
设：深度Z处的垂直应力σV=γZ; 水平应力为Q =KγZ 。 井壁围岩应力计算可视为平面
● 围岩内恒有： r 2 0
5
§6.2 弹性岩体园形水平硐室围岩应力计算
(二) σV≠σH与的非均布天然应力场
r
0
1－
a2 r2
0 1
a2 r2
r
q1
a2 r2
1 3
a2 r2
c os2
q1
3
a r
4 4
c os2
r
q1
a2 r2
1
3
a r
2 2
sin 2
σv
方法1
σh +σv 2
1
a2 r2
H 2
1 3
a4 r4
4
a2 r2
cos2
V 2
1
a2 r2
V 2
1
3
a4 r4
c os2
H 2
1
a2 r2
H 2
1
3
a4 r4
cos
2
r
V 2
1
3
a r
4 4
2
a2 r2
sin 2
r
H 2
1
3
a r
4 4
2
a2 r2
sin
2
7
§6.2 弹性岩体园形水平硐室围岩应力计算
K=1/3
NA
1.17
NB
2.00
1.67
0.67
2.67
0.00
4.67
-0.33
8.67
-0.50
K=1
NA
NB
0.5
8.0
1.0
4.0
2.0
2.0
4.0
1.0
8.0
0.5
K=3
NA
-1.5
NB
26.0
-1.0
14.0
0.0
8.0
2.0
5.0
6.0
3.5
●以σV为主的天然应力场，轴比(a/b)较小、“高而窄”的硐形较为有利； ●以σH 为主的天然应力场，轴比(a/b)较大、“矮而宽”的硐形较为有利； ● σV=σH的天然应力场，轴比(a/b) ＝1、即园硐硐形较为有利；
626008
802411
16
1 NODAL SOLUTION
STEP=4
SUB =5
TIME=4
S3
(AVG)
DMX =.013632
SMN =-.145E+07
SMX =-28825
MN
NOV 29 2007 01:12:02
MX
fuck
-.145E+07
-.113E+07
-818365
-502549
令 V 0， H K 0
A
0
1
2 m
K
0
1
2a b
K
B
01
2mK
1 0 1
2b a
K
1
13
§6.3 弹性岩体中其它硐形的围岩应力
a/b=1 14
§6.3 弹性岩体中其它硐形的围岩应力
随a/b增加(m减小)， σθA 与增加，而σθB 减小;
a/b
0.25 0.50 1.00 2.00 4.00
σv=σ0