地下硐室围岩应力计算及稳定性分析.ppt

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1、地下硐室围岩应力计算及稳定性分析,本章内容,3-1 概述3-2 弹性理论计算坑道围岩与衬砌应力3-3 坑道围岩应力分布的弹塑性力学分析法3-4 坑道围岩位移3-5 围岩压力计算3-6 坑道支护3-7 竖井围岩应力计算及稳定性分析,本章的重点难点：,1、圆形坑道围岩应力弹塑性理论分析方法；2、围岩与支护相互作用原理；3、弹塑性理论计算围岩压力4、块体平衡理论计算围岩压力；5、压力拱理论计算围岩压力；6、太沙基理论计算围岩压力；7、喷锚支护的力学作用；8、圆形竖井围岩应力分布与稳定性评价。,要 求,1、掌握本课程重点难点内容；2、掌握圆形坑道围岩应力分布规律；3、了解椭圆形、矩形坑道周边应力分布；

2、4、掌握有内压圆形坑道围岩与衬砌的应力计算5、了解塑性区半径、松弛区半径及围岩位移的计算公式；6、了解岩体构造对井壁稳定性的影响；7、掌握井壁压力的平面挡土墙计算方法；8、了解井壁压力空心圆柱体挡土墙计算方法。,3-1 概 述,一、地下硐室的分类地下硐室(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构筑物。按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程按硐壁受压情况：有压硐室、无压硐室按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按与水平面关系：水平硐室、斜硐、垂直硐室（井）按介质类型：岩石硐室、土硐按应力情况：单式硐室、群硐,二、

3、地下硐室围岩应力分析方法,块状结构岩体：块体平衡理论分析碎裂和松散结构岩体：松散体力学分析,各向同性岩体,各向异性岩体,3-1 概 述,完整结构的岩体：弹塑性力学分析,普氏压力拱理论,太沙基理论,根据围岩的结构不同，可采用不同的分析方法。,3-2 弹性理论计算坑道围岩与衬砌应力,基本假定：岩体为均质、连续和各向同性的介质。,将巷道和围岩视为无重量的有孔平板的平面应变问题，平板所受到的外力即原岩应力。巷道上部和下部的初始应力不相等，但当巷道埋深大于其高度的20倍时，这种应力差即可略去。于是，当p=q,即1，可视为二向等压下有孔平板平面应变问题，当pq时，即 1，则视为二向不等压的有孔平板平面应变

4、问题。计算结果表明，采用这种计算误差不超过1。,研究围岩二次应力状态的方法：,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,）的应力：,（1）当r时，,(3-1),(3-2),上式即为极坐标中的原岩应力。,（2）当ra时，即坑道周边的应力为：,(3-3),或：,式中：=q/p为侧压力系数。,(3-4),(3-1),由：,可见，与和密切相关。当0，时，,当 3/2，/2时，,由于岩体的抗拉强度很小，认为岩体不抗拉，因此，坑道周边不能出现拉应力的条件为：,解得：,当0，时，

5、,当 3/2，/2时，,不同的下，坑道周边切向应力 的分布：,不同的下，坑道周边切向应力 的分布：,不同的下，坑道周边切向应力 的分布：,不同的下，坑道周边切向应力 的分布：,（3）当p=q,即=1时，,(3-1),(3-5),可见，、r与无关，=1（轴对称）时对圆形坑道围岩应力分布最有利。,当r=a,坑道周边应力为：,(3-6),圆形坑道开挖应力扰动范围为坑道半径的35倍。,当r时，坑道原岩应力为：,(3-7),几何模型,物理模型,圆形巷道周围sigmaYY等值线图,圆形巷道右侧sigmaYY变化曲线,圆形巷道周围竖直方向的位移等值线图,圆形巷道右侧竖直方向位移变化曲线,2、椭圆形坑道周边应

6、力分布,在单向应力p0作用下，椭圆形坑道周边任一点的径向应力r、切向应力、剪应力r，根据弹性力学计算公式为：,式中：my轴上的半轴b与x轴上的半轴a的比值，即 mb/a；洞壁上任意一点M与椭圆形中心的连线与x轴的夹角；荷载p0作用线与x轴的夹角；p0外荷载。,若0，p0p,则：,若900，p0p,则：,在原岩应力 p、p作用下,则由（1）（2）得：,(1),(2),(3-8),上式也可表示为：,坑道周边两帮中点处（0,)切向应力为：,若（a)=(b),即1 2，则可得：,坑道周边顶底板中点处（3/2,/2)切向应力为：,(3-8),(a),(b),(c),由（c)可得：,可见，在原岩应力(p,

7、p）一定的条件下，随轴比m而变化。为了获得合理的应力分布，可通过调整轴比m来实现。,(c),满足上式的轴比叫等应力轴比。在等应力轴比的条件下，椭圆形坑道顶底板中点和两帮中点的切向应力相等，周边应力分布比较均匀。,(3-9),例：1/4条件下，不同轴比m对应的顶底板和两帮中点处的：,(1)当m1，顶底板中的出现拉应力，故在1/4条件下，应选m1.(2)当m4时，巷道两帮中点和顶底板中点的应力为1.25p，出现切向应力相等的应力状态，即等应力轴比状态。,在等应力轴比状态下，即,将上式代入（3-8）：,在等应力轴比条件下，与无关，周边切向应力为均匀分布。,可见，椭圆形长轴与原岩最大主应力方向一致时，

8、坑道周边不出现切向拉应力，应力分布较合理，等应力轴比时最好。,3、矩形坑道围岩应力分布,由实验和理论分析可知，矩形巷道围岩应力的大小与矩形形状（高宽比）和原岩应力（）有关。,高宽比1/3,1,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；（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.,（4）两帮中点垂直应力在坑道周边最大，越往围岩内部，应力逐渐减小，并趋于原岩应力p；,高宽比1/3,1,（5）

9、巷道四角处应力集中最大，其大小与曲率半径有关。曲率半径越小，应力集中越大，在角隅处可达68。,例：不同和不同轴比m下，矩形坑道周边顶底板和两帮中点处的：,矩形坑道断面长轴与原岩最大主应力方向一致时，围岩应力分布较合理，等应力轴比时最好。,4、坑道围岩分布的共同特点：,（1）无论坑道断面形状如何，周边附近应力集中系数最大，远离周边，应力集中程度逐渐减小，在距巷道中心为35倍坑道半径处，围岩应力趋近于与原岩应力相等。（2）坑道围岩应力受侧应力系数、坑道断面轴比的影响，一般说来，坑道断面长轴平行于原岩最大主应力方向时，能获得较好的围岩应力分布；而当坑道断面长轴与短轴之比等于长轴方向原岩最大主应力与短

10、轴方向原岩应力之比时，坑道围岩应力分布最理想。这时在巷道顶底板中点和两帮中点处切向应力相等，并且不出现拉应力。,（3）坑道断面形状影响围岩应力分布的均匀性。通常平直边容易出现拉应力，转角处产生较大剪应力集中，都不利于坑道的稳定。（4）坑道影响区随坑道半径的增大而增大，相应地应力集中区也随坑道半径增大而增大。如果应力很高，在周边附近应力超过岩体承载能力而产生的破裂区半径也将较大。（5）上述特征都是在假定坑道周边围岩完整的情况下才具备的。在采用爆破方法开挖的坑道中，由于爆破的松动和破坏作用，坑道周边往往不是应力集中区，而是应力降低区，此区域又叫爆破松动区。该区域的范围一般在05 m左右。,4、坑道

11、围岩分布的共同特点：,二、有内压坑道围岩与衬砌的应力计算,1、内压引起的围岩附加应力（1）厚壁筒应力公式 设一弹性厚壁筒，内径为ri,外径为R,内压为pi，外压为pa,由弹性理论拉密解答，在距中心为r处的径向应力和切向应力为：,(3-9)厚壁筒应力公式,（2）水工隧道中内压引起的围岩附加应力,将隧道围岩看成厚壁筒，内径为ri=a,外径为R=,隧道充水后所产生的内压为pi，外压为pa0,由弹性理论拉密解答：,得出在距中心为r处的径向应力和切向应力为：,(3-10),(3-9)厚壁筒应力公式,在r=a（洞周边）：,在距中心为r处的径向应力和切向应力为：,(3-10),上式即是内压pi引起的附加应力

12、。,（3）原岩应力为p（=1)、水工隧道中内压为pi时的围岩应力：,2、有内压坑道围岩与衬砌的应力计算,（1）无裂隙围岩A、刚度系数法求衬砌的应力 a 衬砌外周边的径向位移,设混凝土衬砌坑道的内径为 ri,外径为 a,围岩对衬砌的压力 pa，内压为pi,混凝土的弹性模量和泊松比分别为Ec和c,混凝土衬砌内距坑道中心为r处的径向位移为 u,由弹性理论有：,将拉密公式代入得：,当r=a时，即得衬砌外周边的位移,式中：t=a/ri,2、有内压坑道围岩与衬砌的应力计算,当r=a时，衬砌外周边的径向位移：,b 坑道周边围岩的变形 设刚度系数为k，坑道周边围岩在压力pa作用下发生的变形：,c 根据变形协调

13、条件，坑道周边围岩变形与衬砌变形相等，即式（3-12)=(3-11),则有：,(3-11),(3-12),即：,(3-13),令pa/pi=k1,则 pa=k1pi,将pa、pi代入厚壁筒公式得到混凝土衬砌内距坑道中心为r处的应力为,由于是平面应变问题，故轴向应力为：,(3-14),(3-15),(3-16),(3-13),B、内压分配法求围岩应力,设内压pi通过衬砌传递到围岩上的压力为pa，papi，为内压分配系数。假设衬砌与围岩紧密接触。,设围岩的弹性模量为E,泊松比，由弹性力学得围岩内半径为r处的径向应变为：,在r=a 处，即坑道壁面：r=pa,=-pa,(3-17),对u积分，并令r=

14、a 得坑道壁面围岩位移：,由（3-11）衬砌外周边处径向位移：,(3-11),坑道壁面围岩位移：,(3-17),式（3-11）式（3-17），于是：,（3-18),B、内压分配法求围岩应力,（3-18),求出后，即可按（3-10）求出围岩任一点由内压引起的 附加应力，按厚壁筒公式（3-9）求出衬砌内任一点的应力。,(3-10),例题：P187,（2）有裂隙围岩,设围岩有径向裂隙，其深度为d，沿岩石表面的径向压力可假定为：,(3-19),(3-20),在裂隙岩体任一深度处（rd):,(3-21),在裂隙岩体外边界处（rd)，压力为:,(3-22),（2）有裂隙围岩,(3-23),在围岩内任一点(

15、dr)的应力为:,3-3 坑道围岩应力分布的弹塑性力学分析法,一、围岩的破坏方式,以下主要讨论剪切破坏。,围岩的破坏方式是计算作用在支护结构上压力和支护设计的依据。,坚硬岩体：脆性破坏,软弱岩体：塑性屈服,剪切破坏,根据莫尔库伦准则，围岩破坏条件：,坑道周边围岩的破坏条件：,破坏面与最大主平面夹角为：,以圆形坑道为例，讨论轴对称情况下的围岩破坏方式。,如图所示：在=1的原岩应力状态下，圆形巷道周边各处破坏机会均等，形成环形剪切破坏区。,由图（a)可得：,当极角由变到时，极径由a变到r，进行积分：,上式为剪切破坏面迹线方程。当900时，剪切破坏迹线与巷道断面垂直轴相交，这时形成最大剪切体。,(3

16、-24),即：,得：,如图所示：在1的原岩应力状态下，剪切破坏面发展趋势，破坏起始角为。,当周边围岩发生剪切破坏时，=c,则有：,于是得到：,破坏起始角：和,(3-25),最大剪切体水平长度：,根据上式计算最大剪切体长度，作为喷锚支护时确定锚杆长度的依据。,(3-25),(3-24),剪切体破坏迹线：,二、围岩塑性区应力分析,1、力学模型,设原岩应力为p0，支架反力为pi，坑道半径a，塑性区半径R0。(1)塑性区：内径a，外径R0.，内压为pi，外压为R0(2)弹性区：内径R0，外径无穷大.，内压为R0，外压为p0。,研究方法：弹塑性理论塑性区应符合应力平衡方程和塑性条件；弹性区应满足应力平衡

17、方程和弹性条件；弹塑性区交界处：既满足塑性条件又满足弹性条件。,2、围岩屈服条件,根据莫尔强度准则=c+tg,经改写为：,（3-26）,3、塑性区围岩平衡条件,围岩中任一单元体在径向方向应满足平衡条件：,略去高阶微量，整理得极坐标下的平衡微分方程：,（a）,将,（3-26）,代入（a）式得：,改写为：,积分得：,（b）,在坑道周边有：r=a,r=pi,代入（b）式得：,所以：,即：,（c）,将式(c)代入式（3-26）式：,（d）,（3-26）,得：,（3-27）,可见：塑性区应力的大小只与围岩本身的力学特性（c,)及其距坑道中心的距离r和坑道半径a有关,而与原岩应力p0无关。,于是得塑性区应

18、力计算公式（修正的芬涅公式）：,适用条件：a r R0,三、弹性区的应力,根据厚壁筒公式,在内径为R0,外径为,内压力为R0,外压力为P0的情况下,弹性区内半径为r处的应力为:,当r=R0时,即在弹塑性区交界面上,弹性区应力:,(a),(b),于是：,(c),当r=R0时,即在弹塑性区交界面上,塑性区应力差由式（3-26）:,根据在弹塑性区边界应力相等的条件，则有式（b）（d）：,即：,(d),（3-28）,（3-26）,(b),解得：,将式（3-28）代入式（a）得弹性区的应力：,弹性区的应力：,式（3-29）适用范围：R0r,（3-29),四、塑性区半径R0,当r=R0时,由式（3-29）

19、:,(b),根据在弹塑性区边界应力相等，有式(a)=(b),(a),于是：,由式（3-27）:,解得：,（3-30),五、围岩应力的变化规律及其分布状态,根据围岩应力分布状态，可将坑道周围岩体分为4个区域：1、应力松弛区2、塑性强化区3、弹性区4、原岩应力区,六、松弛区半径R,利用塑性区的切向应力小于或等于原岩应力p0，即p0,可得松弛区的半径，即,解得：,(8-31),问题：为了维护巷道的稳定性，将破碎带内的岩体取出便可，这种方法可行吗？为什么？,无塑性区存在时，弹性区应力,有塑性区存在时，弹性区应力,3-4 坑道围岩位移,一、弹性位移 1、1条件下圆形坑道围岩位移 根据弹性理论，在平面应变

20、条件下，且1，圆形坑道围岩内任一点的位移：,(3-32),若 a=0,上式则表示在 M（r,)处岩体在原岩应力作用下的径向位移u0和切向位移v0。,(3-32),(3-32),(3-32),当 r=a 即可求得坑道周边围岩位移：,(3-33),(3-33),式中：为侧压力系数；p为原岩应力垂直分量；u,v分别为圆形坑道壁上计算点的径向位移和切向位移。设开挖前原岩在原岩应力作用下产生的压缩位移为u0和v0，开挖后围岩在原岩应力作用下产生的位移为ua和va（这部分位移对支架有影响），则有：,(3-34),(3-35),将式(3-35)和(3-33)代入 式(3-34)得：,(3-36),其中：,而

21、：,(3-37),2、=1条件下圆形坑道围岩位移(轴对称条件）,二、有支架反力pi作用下圆形坑道周边弹性位移(=1）,根据弹性理论物理方程和几何方程求得任一点的径向位移u：,令r=a,得有支架反力pi作用下圆形坑道周边位移：,(3-38),同理有：,(3-39),未开挖时，pi=p0,由式（3-38）得：,(3-40),(3-38),由式（3-39）可得在pi作用下坑道周边因开挖产生的弹性位移ua：,三、塑性区位移（轴对称条件下）,(3-40),1、弹塑性区交界处的位移uR 开挖后若有塑性区存在，塑性区半径R0即为弹性区的内半径a。由弹性区边界弹性位移公式：,(3-41),将pi用R0代替，用

22、R0代替a,由上式可得uR：,2、坑道周边塑性区位移（轴对称条件下）,假设塑性区位移前和位移后的体积保持不变。如图，实线表示位移前的体积，虚线表示位移后的体积。uR为弹性界面的位移，ua为坑道周边的位移。,(3-42),展开并略去高阶微量得：,代 入上式得：,(3-43),3-5 围岩压力计算,基本概念 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。按围岩压力的形成机理，可将其划分为变形围岩

23、压力、松动围岩压力和冲击围岩压力。,一、支架与围岩共同作用原理,支架与围岩共同作用,可见：岩体作为支护结构的组成部分，与支架构成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力。,弹性变形 不需支护能保持稳定。围岩具有自支承能力。,塑性变形 需支护才能保持稳定。支护与围岩共同承担围岩压力。,位移变形：,围岩压力围岩对支护结构的作用力。围岩压力与支护抗力相等。,一、支架与围岩共同作用原理,1、围岩对支架的作用力pa与支架抗力pi大小相等，方向相反，即 pi=pa；2、围岩与支架协调变形。即支架的位移量uac等于开挖后坑道周边的位移量ua减去支护前坑道已产生的位移量ua，即u

24、ac=ua-ua；3、围岩对支架的压力与支架的刚度有关。支架刚度越大，阻止围岩变形的能力越大，坑道变形越小。刚性支架，变形小，承力大；柔性支架，变形大，承力小；4、在围岩稳定条件下，其自承能力为p0-pi，P0为原岩应力，pi为支护抗力。,围岩压力位移曲线,围岩位移量ua与支护抗力pi成反变关系，即pi 越大，ua越小，反之，pi 越小，ua越大。,支架特性曲线,A、在支架变形一定的情况下，刚度大的支架比刚度小的支架所承受的压力大；B、在压力一定的情况下，刚度大的支架比刚度小的支架所产生的变形小。,支架与围岩共同作用,为了充分发挥围岩的自支承能力，在不使围岩松脱的前提下，尽量采用柔性支架，并及

25、早进行支护。,二、弹塑性理论计算围岩压力（变形围岩压力计算）,可见，如果允许围岩产生较大的塑性区，支护上所受的压力就会减小；反之支护则承受较大的围岩压力。,由塑性区半径R0计算公式（3-30）：,（3-30),改写为：,（3-44),(3-43),由塑性区位移：,将（3-43）的R0代入（3-44）得：,支护抗力pi与围岩位移ua的关系（围岩位移特性曲线）：,（3-45),式中：,E岩体弹性模量；C,岩体粘结力和内摩擦角；ua巷道周边位移。,如果采用封闭式支护，则可把支护结构看成受轴对称变形压力的厚壁筒。设支架受围岩压力为pa，支架内半径为ri，弹性模量为Ec，泊松比为c,支护外表面径向位移为

26、uac，则围岩压力与支护位移的关系为：,（3-46),式中：,1、整体式混凝土衬砌支护上压力计算,将上式改写为：,式中：,（3-46),（3-47),为支架刚度系数。,式（3-47）为支架特性曲线方程。,将：,式中：,（3-45),代入上式得：,为支架变形；,（3-48),为坑道周边的总变形；,为架设支架时，坑道周边围岩已产生的变形。,例题2 p194,求围岩压力,求支护抗力,利用 求出 u ac，再求出 pi,2、喷锚联合支护压力计算 如果采用喷锚支护，锚杆加固围岩，使围岩的c、提高，塑性区半径R0和坑道周边位移ua均减小。预应力锚杆还对围岩提供了抗力pt。设喷锚支护后围岩的粘结力为c1，内

27、摩擦角为1，塑性区半径为R0t，坑道周边位移为uat，则,（3-49),1、C1 可由现场实验确定。如果未做现场实验，1仍可取为，C1按下式计算：,（3-50),式中:t 锚杆钢材抗剪强度，一般可取 t 0.6t；t锚杆钢材抗拉强度；f锚杆横截面积；e,i锚杆纵横间距。由塑性区的平衡条件和变形协调条件可得坑道周边位移：,式中：,（3-51),采用试算法计算喷层抗力pi 假定pt pi为已知，按（3-49）求出R0t，由（3-51）求出 uat，由锚杆变形求出pt，然后求出pi。校核：由喷层变形算出的坑道周边位移uat与由锚杆变形求出的坑道周边位移uat应相等，否则，应改变pt pi值重新计算。

28、,（3-49),（3-51),三、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、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）采用块体极限平衡理论进行支护压力计算,（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01、02，AC=L1，BC=L2，结构体高度为H。由几何关系可得：,并且有：,1、受力分析：,（1）结构面AC和BC上由粘结力产生的抗剪力为,（2）围岩切向应力(设顶板围岩水平应力平均值为）在结构面上产生的摩擦力为：,（3）切向应力对结构体产生的上推力：,（

29、4）单位长度结构体自重为：,式中为围岩重度。,2、稳定性判断,结构面上总抗剪力沿垂直方向的分力FV为：,显然，结构体的稳定条件为：,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,由上两式可解得:,如图，设结构面BC的粘结力为c0，内摩擦角为0，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：,从而得:,单位坑道长度上结构体自重为：,式中为两帮围岩重度。,结构面BC上由粘结力产生的抗剪力为：,结构体自重在BC面上的法向分力产生的抗剪力为：,在BC面上的总的抗滑力为：,由结构体自重在BC面上的切向分力（下

30、滑力）为：,结构体ABC的稳定条件为：,即：,若：,则结构体ABC不稳定，在下滑时对支架产生水平推力，即对支架施加的侧压力为：,即：,四、压力拱理论计算围岩压力,（一）普氏平衡拱理论 1、自然平衡拱（压力拱）的概念 2、在松散体中形成压力拱的条件 坑道埋深Z(22.5)b,b为压力拱高度。,3、普氏理论假设条件,（1）将岩体视为具有一定粘结力的松散体。,式中：k 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。

31、,式中c 为岩石单轴抗压强度，Mpa.也可按上式计算岩体似内摩擦角k：,（4）采用坚固性系数f（普氏系数）来表征岩体的强度,5、自然平衡拱的力学模型及相应的计算方法,模型1：假定坑道两帮岩体稳定（f2），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（f2），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,A、平衡拱形状 平衡拱形状如图所示，为一条抛物线，其方程为：,B、平衡拱跨度 平衡拱跨度等于坑道跨度，即2a。C、平衡拱高度b:,E、单位长度平衡拱内岩体重量W：,F、单位长度坑道上作用在坑道支架上的顶压pv:,D、平衡拱面积：,（

32、2）模型2 及相应的计算方法,当f2时，坑道两帮岩体会发生剪切破坏，导致平衡拱的跨度扩大。,A、平衡拱形状 平衡拱形状如图所示，为一条抛物线，其方程为：,B、平衡拱跨度 两帮岩体发生剪切破坏，其破裂面与水平面的夹角为450/2，此时平衡拱跨度将增大至2a1。,C、平衡拱高度b:,D、单位长度坑道上作用在坑道支架上的顶压pv:,支架受到的顶压近似等于DCCD部分岩体的重量，即,可按滑动土体上有均布荷载q=b 作用的挡土墙上主动土压力公式计算，即,式中k为岩体换算内摩擦角，karctgf。,E、支架受到的总的侧压力Qh:,实际上，自然平衡拱有各种形状，在岩层倾斜的情况下，还会产生歪斜的平衡拱，如图

33、所示。,普氏平衡拱理论适用于深埋洞室。,可见：松脱压力是有一定限度的，不是无限增大；采用传统支护方法时，要尽量使支护与围岩紧密接触，使支护更好地发挥作用，有效控制围岩破坏。,五、太沙基理论计算围岩压力,对于软弱破碎岩体或土体，在巷道浅埋的情况下，可以采用太沙基理论计算围岩压力。1、太沙基理论的基本假设（1）仍视岩体为具有一定粘结力的松散体，其强度服从莫尔库伦强度理论，即,（2）假设坑道开挖后，顶板岩体逐渐下沉，引起应力传递而作用在支架上，形成坑道压力。,2、太沙基围岩压力公式,一般分坑道两帮岩体稳定或不稳定两种情况考虑。,1、坑道两帮岩体稳定,坑道两帮岩体稳定，下沉仅限于顶板上部岩体，如图，A

34、D和BC为滑动面，并延伸至地表。两侧岩体的剪力dF:,式中：h，v为在深度Z处的水平应力和垂直应力，为侧压力系数，h/v,若地表作用有均布荷载 p，则薄层dz在垂直方向的平衡方程为：,整理得：,于是得：,根据地表边界条件求A:当z=0时，v p，代入上式得：,则垂直应力的计算公式为：,解微分方程得：,则垂直应力的计算公式：,当z=H时，v就是 作用在坑道顶压qv。,若H，c0,p=0时，坑道顶压：,单位长度坑道上的顶压为：,2、坑道两帮岩体不稳定,坑道两帮岩体发生剪切破坏，形成直达地表的破裂面OC和OC并引起岩柱体ABBA下沉，产生垂直破裂面AB和A B。A、坑道顶部下沉的跨度为：,B、坑道顶

35、压 坑道顶压计算方法同上，只需将以上各式中的a以a1代替即可。,若H，c0,p=0时，坑道顶压：,C、单位长度坑道上的顶压为：,D、支架受到的总的侧压力Qh:可按滑动土体上有均布荷载q作用的挡土墙上主动土压力公式计算，即,例题,某矩形巷道，宽度为 4 m,高度为3m，布置在泥质页岩中，岩石的换算内摩擦角k710，,岩石重度20 kN/m3，按普氏地压理论试求：（1）拱的跨度和高度；（2）自然平衡拱的方程式；（3）支架所受的顶压等于多少？,解：2a=4 m,f=tg710=2.9,20 kN/m3(1)压力拱跨度 2 a=4(m)压力拱高度 b=a/f=2/2.9=0.69(m)(2)压力拱方程

36、式：y x2 b/a2=0.172 x2(3)总顶压力,3-6 坑道支护,岩体作为支护结构的组成部分，与支护结构组成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力。,一、离壁式支护的力学作用,特点：离壁式支护结构如木支架、钢支架、混凝土砌碹以及钢筋混凝土支架等与围岩部分点接触和部分面接触。1、被动承受围岩压力。,2、支护及时时，围岩变形还未达到极限的情况下，在点接触或面接触处承受围岩所产生的压力（变形压力），未与围岩接触处承受围岩松脱冒落的自重压力（松脱压力）。3、在完全不接触的情况下，或支护不及时时，围岩已发生松脱，则只承受松脱压力。,二、喷锚支护的力学作用,特点：喷

37、锚支护是喷射混凝土支护与锚杆支护的联合支护，其特点是通过加固围岩，提高围岩的自承能力达到维护坑道的目的。,1、喷射混凝土的力学作用,（1）加固围岩。（2）改善围岩的应力状态。,2、锚杆支护的力学作用,2、锚杆支护的力学作用,2、锚杆支护的力学作用,2、锚杆支护的力学作用,2、锚杆支护的力学作用,端部锚固式锚杆,锚杆的受力状态如图所示。设锚杆预拉力为Q，岩体变形所产生的拉力为Q，则锚杆的拉应力为：,式中：d为锚杆的直径。,Q为锚杆所需的最小锚固力，由拉拔试验确定。,全长锚固式锚杆,锚杆的受力状态如图所示。锚杆设计必须满足下式：,式中：d锚杆的直径；t锚杆材料抗拉强度；Q锚杆变形或移动所产生的最大

38、拉力即最小锚固力，由拉拔试验确定；粘结材料与锚杆和孔壁之间的粘结强度。,（2）锚杆群的力学作用,C、挤压加固作用,A、悬吊作用,B、组合作用,2、锚杆支护的力学作用,3、喷锚联合支护的力学作用,（1）开挖后，在坑道周边形成松动圈和塑性变形区。喷射混凝土支护，一方面水泥砂浆的胶结作用提高了松动圈的整体稳定性，另一方面喷射混凝土层的柔性，允许围岩发生较大的位移而不发生松脱，能充分发挥围岩的自支承能力。（2）锚杆的挤压加固与围岩变形的相互作用，进一步加固围岩，提高其整体承压能力。喷锚联合支护是软弱破碎岩体的一种最有效的支护形式，具有主动加固围岩、充分发挥围岩的自支承能力、良好的抗震性能等优点。,3-

39、7 竖井围岩应力计算及稳定性分析,一、圆形竖井围岩应力分布1、分析方法 理论上，竖井围岩应力分析属空间问题，在实用中，径向应力和切向应力按平面应力计算，垂直应力按岩体自重应力计算。井筒可看成是一个半无限体中的垂直孔，沿水平方向截取其中一薄层，可将其视为一个带圆孔的双向压板。,2、围岩应力分布,在自重应力场中：,原岩垂直应力,竖井围岩应力：,原岩水平应力,其中：,式中 r，分别为距井筒中心为r处的径向应力和切向应力，q为原岩水平应力,a为井筒半径，h为计算点的深度，a为计算点上覆岩层的加权平均重度,n为上覆岩层层数。,在构造应力场中的围岩应力分布,设原岩水平应力为p、q，,原岩垂直应力,竖井围岩

40、应力：,二、竖井围岩稳定性评价,竖井井筒一般都要穿过表土层和基岩层，由于二者物理力学性质差异很大，因此，在评价围岩稳定性时，应分别进行。,（一）表土的稳定性评价,土体的稳定性可用莫尔库伦强度理论来进行评价。若土的粘结力很小，可忽略。,竖井井筒周边：最大主应力为自重引起的垂直应力v=h，最小主应力是径向应力r0，根据莫尔库伦强度理论，井筒土体的破坏面是圆锥面，如图。,（二）基岩的稳定性评价,竖井进入基岩层后，围岩的稳定性与基岩中的原岩应力状态、岩体力学性质和岩体构造有关。1、原岩应力状态对竖井围岩稳定性的影响 岩体均质、连续、各向同性，则井筒围岩的稳定性主要受原岩应力状态控制。,（1）原岩应力场

41、以自重应力场为主，井筒围岩应力：,竖井井筒周边（r=a)：,竖井井筒周边（r=a)：,式中c为岩体的单轴抗压强度，hcr为临界深度。,当 z，即,则井筒的最大主应力为切向应力，井筒破坏条件：,竖井井筒周边（r=a)：,式中c为岩体的单轴抗压强度，hcr为临界深度。,当 z，即,则井筒的最大主应力为垂直应力z，井筒破坏条件：,例题,某矿山掘进一圆形竖井，竖井半径为2m，井筒在400深处穿过一软弱夹层，问井筒在该处是否稳定?已知岩层的=27kN/m3，软弱夹层的c=3.2 Mpa,=300,=0.35。,解：=1,r=a=2m,=0.35,30,c=3.2 Mpazh=27400=10800(kp

42、a)10.8Mpa,可见：,例题,某矿山掘进一圆形竖井，竖井半径为2m，井筒在400深处穿过一软弱夹层，问井筒在该处是否稳定?已知岩层的=27kN/m3，软弱夹层的c=3.2 Mpa,=300,=0.35。,井筒破坏判据：,在400m软弱夹层处井壁不稳定。,例题,在完整性良好的花岗岩中掘进一圆形巷道，其半径为4m,埋深220 m，岩体重度=27kN/m3,单轴抗压强度c=10.2Mpa，侧压力系数1，问该巷道围岩是否稳定？,解：在220 m深处原岩应力为p：,巷道围岩应力为：,在巷道壁，,1，3 r=0,莫尔库伦破坏判据为：,可见巷道围岩不稳定。,（2）原岩应力场以构造应力场为主,在构造应力场

43、中，原岩应力的最大主应力大多在水平方向，如果最小主应力也在水平方向，且q1q2，则在井筒两壁产生应力集中，井筒两壁可能发生剪切破坏，如图所示。,如果q2/q1 3,井壁B、D点则产生拉应力，可能产生拉破坏,2、岩体构造对井筒围岩稳定性的影响,（1）井筒附近断层对井筒围岩稳定性的影响,（2）斜截断层对井筒围岩稳定性的影响,（3）节理岩体中竖井的稳定性问题,在节理化岩体中，采空区围岩移动方向和移动范围，往往受主节理控制，移动角接近于主节理倾角。,（三）竖井井壁压力计算,竖井井壁压力计算是设计井筒衬砌或支护的依据。1、表土层中井壁压力计算的依据 表土层中井壁压力显现的形式：A、土体产生剪切破坏，形成

44、空心圆锥形滑移体，作用在衬砌上一个水平分布力；B、粘土矿物含量高，遇水膨胀或冻胀，对井壁产生膨胀压力；C、流沙等流动性土体对井壁产生流动性压力。,（1）平面挡土墙计算法,土体产生剪切破坏，形成空心圆锥形滑移体。将井壁视为平面挡土墙，将土体或破碎岩体视为无粘结力的松散体，作用在井壁衬砌上的压力按主动土压力计算。,式中：pns,pnx为第n层上界点和下界点处井壁压力，hi为第i层土厚度，n为第n层土的内摩擦角。,（2）空心圆柱体挡土墙计算法,将井筒按空间结构物考虑，将下滑土体看成是空心圆锥体，采用空间轴对称极限平衡方程求解，其计算公式为：,式中：qn计算土层以上的土层传来的均布压力,Nn 计算简化

45、系数，Nn 2tgntg(450+n/2);Rn Rn=a+htg(450-n/2),h 计算土层上界点至计算点的高度；a 井筒半径；Cn,n,n第n层岩层的粘结力、重度、内摩擦角。,（3）悬浮体计算法,将地下水位线以下的土体视为悬浮体，分别计算悬浮体和地下水对井筒衬砌的压力，从而对平面挡土墙和空心圆柱体挡土墙计算作了2点共同的修正。A、用悬浮体重度代替土体天然重度,式中：Gs土颗粒比重；V 土体体积，V=VsVv;Vs，Vv 分别为土体中土粒的体积和孔隙的体积。,B、地下水对井壁的压力,地下水对井壁的压力单独计算，等于计算点处的静水压力。如果井壁衬砌渗漏，可考虑一个折减系数(=0.80.9）

46、，即,式中：m 地下水位以上土层数;w水的重度，w 9.8kN/m3；n 由地表至计算土层的土层数。,平面挡土墙公式：,根据以上2点的修正，平面挡土墙公式变为：,空心圆柱体挡土墙公式：,根据以上2点的修正，空心圆柱体挡土墙公式变为：,（4）动土压力计算法,将流动性土体如流沙视为水、土混合的重液，其重度为（1.11.3)w（kN/m3），按下式计算井壁压力：,2、基岩中井壁压力计算,只发生破坏的基岩才会对井壁衬砌产生压力，同时，按照临界深度计算判断井筒围岩的稳定性时，已考虑了上覆岩层的自重压力，因此，可以认为不破坏的基岩层以上的岩层对其下不稳定层井壁压力计算无影响，只须计算破坏层对井壁的压力，计算简图如图所示。松脱压力计算法 弹塑性变形地压计算法,