岩石力学岩石地下工程
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
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《岩石力学》
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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
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c cot
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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
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应力集中系数与 , 的关系
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巷道周边位移
o
开挖后（周边）
u (1 ) p 0 R0 E
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岩石力学主要知识点
1、岩石力学定义:研究岩石的力学性状（behaviour）的一门理论科学，同时也是应用科学；是力学的一个分支；研究岩石对于各种物理环境的力场所产生的效应。
初期阶段（地应力）：海姆静水压力假说，朗金假说，金尼克假说：经验理论阶段：普世理论，太沙基理论。
2、地下工程的特点:1).岩石在组构和力学性质上与其他材料不同，如岩石具有节理和塑性段的扩容(剪胀)现象等；2).地下工程是先受力(原岩应力)，后挖洞(开巷)；3).深埋巷道属于无限城问题，影响圈内自重可以忽略；4).大部分较长巷道可作为平面应变问题处理；5).围岩与支护相互作用，共同决定着围岩的变形及支护所受的荷载与位移；6).地下工程结构容许超负荷时具有可缩性；7).地下工程结构在一定条件下出现围岩抗力；8).几何不稳定结构在地下可以是稳定的.3、影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素：1).矿物：地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物;2).结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及相互结合的情况；3).构造：组成成分的空间分布及其相互间排列关系。
4、岩石力学是固体力学的一个分支。
在固体力学的基本方程中，平衡方程和几何方程都与材料性质无关，而本构方程（物理方程/物性方程）和强度准则因材料而异。
岩石的基本力学性质主要包括2大类，即岩石的变形性质和岩石的强度性质。
5、研究岩石变形性质的目的，是建立岩石自身特有的本构关系或本构方程(constitutive law or equation)，并确定相关参数。
研究岩石强度性质的目的，是建立适应岩石特点的强度准则，并确定相关参数。
6、岩石强度：岩石介质破坏时所能承受的极限应力；单轴抗压强度、单轴抗拉强度、多轴强度、抗剪强度。
7、研究岩石强度的意义：1）.岩石分类、分级中的重要数量指标；2).作为强度准则判别：当前计算点处于全应力应变曲线哪个区；3).计算处或测定处的岩土工程是否稳定；4).在简单地下工程条件下，可作为极限平衡条件(塑性条件)，求解弹塑性问题的塑性区范围，以及弹性区和塑性区的应力与位移.8、岩石的破坏形式:1).拉伸破坏: (a)为直接拉伸，(b)为劈裂破坏2).剪切破坏3)塑性流动4).拉剪组合9、岩石单轴强度定义:岩石试件在无侧限和单轴压力作用下抵抗破坏的极限能力；公式: σc=P/A 式中，σc——单轴抗压强度，MPa，也称无侧限强度；P——无侧限条件下岩石试件的轴向破坏荷载; A ——试件的截面面积。
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具体而言，研究岩石在荷载作用下的应力、变形和破坏 规律以及工程稳定性等问题。
上述定义是把“岩石”看成固体力学中的一种材料，然而
岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，它是
一种典型的“连续介质”，具有复杂的地质构造和赋
存条件的天然地质体。
.
11
三、岩石力学理论的发展简史
1. 初始阶段(19世纪末~20世纪初)
.
8
（2）60年代初意大利Vajont大坝水库高边坡的崩溃 意大利Vajont拱坝，坝高262m，
于1959年建成，是当时世界上 最高的拱坝。1963年10月9日 夜，由于大坝上游山体突然滑 坡，约2.5亿立方的山体瞬时涌 入水库，涌浪摧毁上游及下游 一个小镇与邻近几个村庄，造 成约2500人死亡，整个灾害的 持续时间仅仅5分钟。
.
3
一、引言
1. 人类活动与岩石工程（Rock Engineering）
岩石圈是人类赖以生存的主要载体，人类的大部分活动都 是在岩石圈上进行的：
远古
约4700年前 公元1600年
19世纪
石器，穴居 金字塔（146.5m) 火药采矿 铁路隧道技术
20世纪 大型水电工程
岩基、边坡，地下 洞室，隧道工程等
普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论．
围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于 冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分．
太沙基(K．Terzahi)理论 围岩塌落成矩形，而不是抛物线型．
优点与缺点
上述理论在一定历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用的， 但是围岩的塌落并不是形成围岩压力的惟一来源，也不是所有 的地下空间都存在塌落拱．围岩和支护之间并不完全是荷载和 结构的关系问题，在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载 系统，而且维持岩石工程的稳定最根本的还是要发挥围岩的作 用．
5.第五章岩石地下工程_岩石力学
古典弹性理论
平面应变
圆形洞室围岩中的应力分布
5
第5章 G.Kirsch基尔西解答
岩石地下工程
P a2 P a2 a4 r (1 )(1 2 ) (1 )(1 4 2 3 4 ) cos 2 2 r 2 r r
P a2 P a4 (1 )(1 2 ) (1 )(1 3 4 ) cos 2 2 2 r r
大于支 护极限 小于支 护极限
计算围岩压力 人工稳定
3
第5章
岩石地下工程
5.3.1 圆形地下工程围岩应力
地下工程围岩应力重分布的特点主要取决于地下工程的 形状和岩体的初始应力状态。 原岩应力
+ + + + + +
围岩应力集中系数
开巷后应力 重分布应力 k 开巷前应力 原岩应力
+ + + + + +
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第5章 §5.4 地下工程围岩体的破坏机理
1 3 mRc 3 sRc2
岩石地下工程
5.4.1 拉伸破坏机理
3 Rt
Rc (m m2 4s ) 强度 ＝ 应力（拉伸） 2 3
拉伸破坏的破坏角 等于零，裂缝在平行于最大主应力 1 的方向上扩展
5.4.2 剪切破坏机理
1
tan 1 2 r /( r )
1 2
6
（1）当 ＝1 时，围岩处于静水应力状态，式（5-3）简化为：
第5章
岩石地下工程
a2 r P(1 2 ) r a2 P(1 2 ) r
(5-5)
时， r ＝0， ＝2P；当
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
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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。
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岩石力学
岩石力学---第四章 巷道围岩应力分布及其稳定性分析
2 4 a 1 a q p 1 2 2 3 4 sin 2 r 2 r r
p 原岩垂直应力
qБайду номын сангаас 原岩水平应力
a 巷道半径 r 距离巷道中心距离
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
轴比m=b/a
应力
5
1.15p 1.75p
4
1.25p 1.25p
3
1.42p 0.75p
2
1.75p 0.25p
1
2.75p
1/2
4.75p
1/3
6.75p
两帮中央 顶底板中央
-0.25p -0.50p -0.58p
3、矩形巷道次生应力分 布
4、直壁拱形巷道次生应力分布
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。 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。
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。
当 1 时 ,
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。
当 1 时 ,
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。
2、库仑-摩尔理论
sin
《岩石力学与工程》蔡美峰版考试知识点
地应力是存在于地层中的为受工程扰动的天然应力。
也称为岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
地质软岩：单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软化及风化膨胀性一类岩体的总称。
工程软岩：工程力作用下能产生显著性变形的工程岩体。
声发射：材料在受到外载荷作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响。
岩石岩石地下工程：地下岩石中开挖并临时获永久修建的各种工程。
围岩：在岩石地下地下工程中，由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。
锚喷支护：锚杆与喷射混凝土联合支护的简称。
边坡：岩体、土体在自然重力作用或人为作用而形成一定倾斜度的临空面。
岩石：自然界各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物。
容重：岩石单位体积的重量。
根据含水情况将岩石的容重分为天然容重、干容重、饱和容重。
孔隙性：天然岩石中包含着数量不等、成因各异的孔隙和裂隙。
孔隙率：指岩石孔隙的体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。
分为总孔隙率、总开孔隙率、大开孔隙率、小开孔隙率、和闭孔隙率。
孔隙率愈大，岩石力学性能越差。
水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质。
包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。
岩石强度：岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的最大应力。
单轴抗压强度：岩石在单轴压缩载荷作用下达到破坏前所能承受的最大压应力。
岩石破坏形式：x状共轭斜面剪切破坏。
这种破坏形式是最常见的破坏形式；单斜面剪切破坏。
这两种破坏都是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的。
拉伸破坏：横向拉应力超过岩石抗拉极限引起的。
流变破坏：岩石的三轴抗压强度：岩石在三向荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力。
莫尔强度包络线：同一种岩石对应各种应力状态下破坏莫尔应力圆外公切线。
直线型、抛物线型、双曲线型。
点载荷试验：试验所获得的强度指标值可以用做岩石分级的一个指标。
点载荷实验装置是便携式的，可带到岩土工程现场去做实验。
点载荷试验对试件的要求不严格。
缺点是要根据经验公式进行换算。
岩石力学与地下工程稳定性分析
岩石力学与地下工程稳定性分析地下工程在现代城市建设中扮演着重要的角色，然而地下工程的稳定性常常受到岩石力学的影响。
岩石力学作为一门研究岩石的力学性质及其变形和破坏规律的学科，对地下工程的稳定性分析起着至关重要的作用。
本文将探讨岩石力学与地下工程稳定性分析的相关内容。
一、岩石力学基础知识1. 岩石的力学性质岩石的力学性质是指岩石在受力作用下的变形和破坏特征。
了解岩石的力学性质对于地下工程的稳定性分析是必要的。
2. 岩石的力学参数岩石的力学参数是描述岩石力学性质的量值，如弹性模量、抗压强度、剪切强度等。
通过测定岩石的力学参数可以为地下工程的设计和稳定性分析提供依据。
3. 岩石的变形和破坏规律岩石在受力作用下会发生变形和破坏，了解岩石的变形和破坏规律对于地下工程的稳定性分析具有重要意义。
二、地下工程稳定性分析方法1. 应力—应变分析法基于岩石的弹性性质，通过建立应力—应变关系来分析地下工程的稳定性。
这种方法适用于小变形和较为简单的工程情况。
2. 基于岩石力学参数的数值模拟方法基于岩石的力学参数和地下工程具体情况，利用数值模拟方法对地下工程进行稳定性分析。
数值模拟方法能够考虑更多复杂的因素，对于复杂工程情况具有较高的适用性。
三、岩石力学与地下工程稳定性分析实例1. 地下隧道工程地下隧道工程是岩石力学与地下工程稳定性分析的典型应用。
通过对岩石的力学性质和力学参数进行研究，可以对隧道的稳定性进行分析和评估，为隧道的设计和建设提供依据。
2. 地下采空区地下采空区是地下矿山开采过程中形成的空隙地带。
通过岩石力学的研究和分析，可以预测地下采空区的稳定性，制定有效的支护和加固措施，以减少地质灾害的发生。
3. 地下水库工程地下水库工程是一种新型的水利工程形式，在设计和建设过程中需要进行地下工程的稳定性分析。
岩石力学的知识可以为地下水库的开挖和建设提供科学依据，确保工程的安全和稳定性。
结论岩石力学与地下工程稳定性分析密切相关，通过深入研究岩石的力学性质和力学参数，可以为地下工程的设计、建设和维护提供科学依据。
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重庆华蓥山隧道
道
重庆大学城梨树湾隧道
2005年2月15日歌乐山打通，工程分左右两条隧洞，共要挖出100万 方土石。其中，每条隧洞长3900米，单向双车道。
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世界海拔第一高的铁路隧道：
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地下原子能发电站
地下停车场
人防隧道
地下商场
北京国贸地下滑冰馆
城市隧道
南京玄武湖地下快速路
宁波甬江水底隧道
地下铁道
广州地铁二号线 【赤～鹭区间隧道】
盾构工程
北京地铁王府井车站
隧道内路面施工
隧道出口施工
轻轨地下车站:
临江门车站 较场口车站 大坪车站
重庆轻轨二号线（较场口-新山村） 18公里，投资43亿（2000-2005年）
大瑶山隧道
穿越武夷山脉的长大越岭隧道:
分水关隧道
秦岭隧道
中国最长的铁路隧道： 位于西（安）（安）康铁路青岔车站和营盘车站之间，由两座基本平行的单线隧 道组成，两线间距为30米，其中Ⅰ线隧道全长18460米；Ⅱ线隧道全长18456米。
中国最长的铁路隧道：秦岭隧道
隧道最大埋深约1600米，埋深超过1000米地段长约3.8公里。Ⅰ线(左线)隧道使用2 台8.8米敞开式掘进机（TBM）由隧道两端相向施工。Ⅱ线隧道(右线)，采用新奥法 施工，初期支护为锚喷，二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。
市政隧道 矿山隧道 人防隧道
铁路隧道 公路隧道 地下铁道 人行通道 引水隧道 尾水隧道 导流隧道 泄洪隧道 给水隧道 排水隧道
管路隧道（煤气、暖气、电力等） 采矿巷道
运输巷道
按隧道的埋置深度 深埋隧道（地下工程自身影响达不到地表）
浅埋隧道
H p (2.0 ~ 2.5)hq
hq q /
深埋地下工 程（50m） 的特点：
✓ 可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力；
✓ 当埋深等于或大于巷道半径R0或其宽、高之半的20倍以上时，巷道影响 范围（3~5 R0 ）以内的岩体自重可以忽略不计；原岩水平应力可以简化 为均匀分布，通常误差不大（10％以下）；
✓ 深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。其它类型巷道 ，或作为空间问题，或作为全平面应变问题处理。
中国最长的铁路隧道：秦岭隧道
秦岭隧道地质复杂、工程巨大,在设计、施工、运营安全和维修管理方面都有许 多技术难关，且Ⅰ线隧道采用掘进机施工，在我国铁路隧道施工尚属首次，为此 有六类24项部重点科研项目立项研究，均取得了不俗的成果。秦岭特长隧道的修 建，使我国隧道工程建设从整体上提高到一个新的技术水平。隧道1995年1月18 日正式开工，1999年9月6日全部贯通，2000年8月18日西康铁路开通运营。
严重关。 角隧道
中国目前已开通运营的海拔最高的铁路隧道：
中国已通车的最长双线电气化铁路隧道:
位于京广铁路广东省粤北瑶山山区的坪石至乐昌间，
全长14295米。隧道埋深70至910米，推行了国外最 先进的设计和施工的方法——“新奥法”。采用八十 年代国内外最先进的大型机械，实现了主要工序— —钻爆、支护、装运三条机械化作业线。
第8章 岩石地下工程
§8.1 概 述
地下工程：为各种目的修建在地层之内的中空巷道
或中空洞室，其共同特点是在岩体内开挖出具有 一定横断面积和尺寸的洞室。
地下工程类型
不同的分类方式有不同的分类 方法
按所处的地质条件
土质隧道 岩质隧道
按所处的地理位置
山岭隧道 水底隧道 城市隧道
交通类隧道
按隧道的用途水工隧道
水工隧道
南水北调东线穿黄探洞工程，开创70米深处穿越黄河先例 甘肃引大入秦隧洞采用双护盾全断面掘进机进行掘进施工
断面为16×20米的瀑布沟水电站泄洪洞 四川紫坪铺水利枢纽导流隧洞工程
二滩水电站发电厂房
地下水电站
采矿巷道
地下物流系统
海底储气工程
汕头LPG工程，1997年10月开工， 1999年12月建成
照明、通风、消防、通信、救援、 交通安全控制、供配电、监控
铁路隧道
襄渝铁路松树车站三线隧道
八达岭隧道
中国自行设计和施工的第一座 越岭隧道，位于（北）京包 （头）铁路青龙桥车站附近。 这座单线隧道全长1091米，由 我国杰出的工程师詹天佑亲自 规划督造，1907年开工，在中 国技术人员和工人的努力下， 仅用18个月，于1908年竣工。