岩石力学---第11章 地下硐室围岩压力分析与计算

大小取决于围岩性质、结构面交切组合关系及地 下水活动和支护时间等因素。 松动围岩压力可采用松散体极限平衡或块体极限 平衡理论进行分析计算。

3、冲击围岩压力
◆ 冲击围岩压力是由岩爆形成的一种特殊围岩压力。
它是强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突 然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现象。
◆冲击围岩压力的大小与天然应力状态、围岩力学
2 Rx 设平衡拱的拱高为 h，半跨为b，则：
y
V
x2
Rx
V b
2h
2
考虑半拱LO的平衡，L0受Rx、σv作 用，在拱脚L点受反力T和N作用。
Rx T Nf , V b N
考虑一定的安全储备，摩阻力只 取一半，则有：
1 1 Rx Nf V bf 2 2
Cm
进而推出
模型1：假定坑道两帮岩体稳定（ f>2），而坑道 顶部岩体不稳定，会发生冒落而形成自然平衡拱。 模型2：假定坑道两帮岩体也不稳定（ f<2），发 生剪切破坏，导致平衡拱的跨度扩大。
(1) 模型1 及相应的计算方法
曲线LOM为平衡拱，对称于y轴。在半跨LO段内任取一 点A，OA段的受力状态为：半跨OM段对OA的水平作用 力Rx，Rx对A点的力矩为Rxy；铅直天然应力σv在OA上 的作用力σvx，它对A点的力矩为σvx/2；LA段对OA段的 反力W，它对A点的力矩为零。 由此可得拱的方程为：
一、 块体极限平衡理论计算围岩压力 步骤： （1）运用地质勘探手段查明结构面产状和组合关系，并 求出结构面的c、φ值； （2）对临空的结构体进行稳定性分析，找出可能滑移的 结构体（危岩）； （3）如果楔形体处于稳定状态，其围岩压力为零；如果 不稳定，就要具体地计算其围岩压力。 （4）采用块体极限平衡理论进行支护压力计算
§9.2 松动围岩压力分析与计算
◆ 松动围岩压力是指松动塌落岩体重量所引起的作
用在支护衬砌上的压力。
◆ 围岩过度变形超过了它的抗变形能力，就会引起
塌落等松动破坏，这时作用于支护衬砌上的围岩压 力就等于塌落岩体的自重或分量。
◆ 计算松动围岩压力的方法主要有：块体极限平衡
理论、平衡拱理论及太沙基理论。
1、受力分析： （1）结构面AC和BC上由粘结力产生的 抗剪力为 T3 c02 L2 T1 c01 L1 （2）围岩切向应力σθ(设顶板围岩水 平应力平均值为σθ）在结构面上产生 的摩擦力为： T2 sin L1 tg 01
T4 sin L2 tg 02
§9-1
概述
基本概念: 围岩压力：地下洞室围岩在二次应力作用下产生过量的塑
性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为 围岩压力。 围岩压力是围岩与支护间的相互作用力，它与围岩应力不是 同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对 支护结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。
第九章 地下洞室围岩压力分析与计算
重庆交通大学土木建筑学院 隧道及岩土工程系
本章内容
§9-1 概述
§9-2
§9-3பைடு நூலகம்
松动围岩压力的计算
变形围岩压力的计算
授课学时：
6学时
关键术语：围岩压力，围岩变形压力，围岩松动压力，
普氏平衡拱，喷锚支护，稳定性。
本章的重点难点： 1、围岩与支护相互作用原理； 2、弹塑性理论计算围岩压力 3、块体平衡理论计算围岩压力； 4、压力拱理论计算围岩压力； 5、太沙基理论计算围岩压力；
即：
Ph W sin1 (c0 BC W cos1 tg 0 ) cos1
二、平衡拱理论，又称普氏理论
该理论认为：
◆ 洞室开挖以后，如不及时支护，洞顶岩体将不断跨
落而形成一个拱形，称塌落拱。
◆ 这个拱形最初不稳定，如果侧壁稳定，拱高随塌落
不断增高；反之，如侧壁也不稳定，则拱跨和拱高同 时增大。
一种特殊的形变围岩压力



膨胀围岩压力：膨胀 围岩由于矿物吸水膨 胀产生的对支衬结构 的挤压力。 形成的基本条件： 一是岩体中要有膨胀 性粘土矿物(如蒙脱石 等)； 二是要有地下水的作 用。
2、松动围岩压力

松动围岩压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移
及重力坍塌等破坏引起的压力，这是一种有限范 围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力。
◆ 当洞的埋深较大时，塌落拱不会无限发展，最终将
在围岩中形成一个自然平衡拱。
◆ 作用于支护衬砌上的围岩压力就是平衡拱与衬砌间
破碎岩体的重量，与拱外岩体无关。
1、普氏理论假设条件 （1）将岩体视为没有粘结力的松散体。
c tg c f tg tg k
式中：φk 为岩体似内摩擦角。 （2）洞顶岩体能够形成压力拱。 （3）沿拱切线方向只作用有压应力，而不能承 受拉应力。自然平衡拱以上的岩体重量通过拱传 递到两帮，对拱内岩体不产生任何影响。即作用 在支架上的顶压仅为拱内岩体重量，与拱外岩体 和坑道埋深无关。
FV (T1 T2 T5 ) si n (T3 T4 T6 ) si n S (c 01 c 02 ctg ctg (si n tg 01 si n tg 02 cos cos )
T5
T6

显然，结构体的稳定条件为：




•侧壁围岩压力
1 gl 2 0 m p2 (e1 e2 )l (2h1 l )tg (45 ) 2 2 2

围岩压力的类型：按围岩压力的形成机理，可将其划分为变 形围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力。

1、形变围岩压力

形变围岩压力是由于围岩塑性变形如塑性挤入、
膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力。

产生形变围岩压力的条件：
① 岩体较软弱或破碎，围岩应力超过岩体的屈服极 限而产生较大的塑性变形； ② 深埋洞室，围岩受压力过大引起塑性流动变形； ③ 由膨胀围岩产生的膨胀围岩压力。
h b
f
f为岩体的普氏系数(或称坚固性系数)
f tg m


c
10
洞顶任意一点的垂直围岩压力
◆ 洞顶任一点松动围岩的厚度
b x2 h y f bf ◆ 洞顶任一点的垂直围岩压力
q h y
b x 2
f bf
洞顶总围岩压力为L0M以下岩体的重量
x2 4 gb2 p1 g (h y )dx g (h )dx b b fb 3f
在BC面上的总的抗滑力为：
T抗滑力 T1 T2 ＝
由结构体自重在BC面上的切向 分力（下滑力）为：
AB 2 cos2 1 cos 2 sin 1 T W sin 1 2 sin( 1 2 )
结构体ABC的稳定条件为：
T抗滑力 T1 T2 T ＝
b1 x 2 2 gb 2 p1 g (h1 y )dx g ( )dx (3b1 b 2 ) b b f fb1 3 fb1

b

b


侧壁围岩压力为滑移块体A′EL或B′MF的自重 在水平方向上的投影。 按土压力理论计算
e1 gh1tg 2 450 m 2 2 0 e2 g (h1 l )tg 45 m 2
◆ 地质构造复杂，地层不完整、有软弱结构面，围岩
就不稳定，围岩压力就大
◆ 在断层破碎带、褶皱破碎带和裂隙发育的地段，围
岩压力一般较大
◆ 岩层倾斜、节理不对称以及地形倾斜，可能引起不
对称的围岩压力，即偏压，应特别重视
3、支护形式和支护刚度的影响 ◆ 支护形式： 外部支护：如钢拱架——能承受围岩压力或限制围岩变形 内承支护：如锚杆、砂浆等——能提高岩体的自承能力 ◆ 支护刚度越大，允许围岩变形就越小，围岩压力就大，反之， 围岩压力就小 4、支护时间的影响 ◆ 围岩压力主要是由于岩体的变形和破坏造成的，而岩体的变 形和破坏都有一个时间过程，导致围岩压力与时间有关 ◆ 支护时间越早，围岩变形较小，则围岩压力就大，反之，围 岩压力就小
5、洞室深度的影响 ◆ 当围岩处于弹性状态时，围岩压力大小与洞室的埋深无关 ◆ 当围岩出现塑性区时，围岩压力大小与洞室的埋深有关，洞 室的埋臵深度越大，围岩压力也就越大
6、施工方法的影响
围岩压力的大小与洞室施工方法和施工速率有较大关系 ◆ 在相同的地质及其他条件下，对围岩扰动越大的施工方法， 造成的围岩压力就越大，反之，则小 ◆ 通常施工作业暴露过长、衬砌较晚、回填不实或回填材料不 好等，都会引起围岩压力的增大
FV W
上式若不满足，则要考虑支护。作用于支护上的 压力＝结构体的重力W。
（二）两帮危岩稳定性分析
如图，设结构面BC的粘结力为c0， 内摩擦角为φ0，结构体高度为h。若 忽略两帮切向应力作用，则只需考虑 BC面上的滑动力与抗滑力的平衡。 由几何关系可得：
AC cos 2 BC cos 1 S AB AC sin 2 BC sin 1
（一）顶板危岩稳定性分析 如图，设结构面AC和BC的粘结力分 别为c01、c02，内摩擦角为φ01、φ02， AC=L1，BC=L2，结构体高度为H。 由几何关系可得：
S H ctg H ctg
T5
T6
H
S ctg ctg
H S 并且有： L1 sin sin (ctg ctg ) H S L2 sin sin (ctg ctg )
属性等密切相关，并受到洞室埋深、施工方法及洞 形等因素的影响。
◆ 冲击围岩压力的大小，目前无法进行准确计算，
只能对冲击围岩压力的产生条件及其产生可能性进 行定性的评价预测。
影响围岩压力的因素