第五章岩石地下工程.ppt

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第五章第五章岩石岩石地下工程土木建筑学院荣传新本章内容本章内容5.1概述概述5.2地下工程围岩分类及地下工程类型地下工程围岩分类及地下工程类型5.3地下工程围岩应力地下工程围岩应力5.4地下工程围岩体的破坏机理地下工程围岩体的破坏机理5.5地下工程支护设计地下工程支护设计授课学时：

授课学时：

66学时学时5-15-1概概述述n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统称为地下工程。

n包括矿山坑道、铁路及公路隧道、水工隧洞、地下发电站厂房、地下铁道及地下停车场、地下储油库及储气库、地下弹道导弹发射井、地下飞机库以及地下核废料密闭储藏库等，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。

n地下工程周围岩体的稳定性决定着地下工程的安全和正常使用条件。

n1、Barton分类n

（1）临时性矿山坑硐；n

（2）竖井；n（3）水久性矿山坑硐、水电工程的引水隧洞（不包括高水头涵洞）、导挖隧道、平巷和大型开挖工程的导坑；n（4）地下储藏室、污水处理站、公路和铁路支线的隧道、水电工程的调压室及进出隧道。

n（5）地下电站主硐室、公路和铁路干线的隧道、民防硐室、隧道入口及交叉点。

n（6）地下核电站、地铁车站、地下体育场及公共设施、地下厂房。

5-25-2地下工程类型地下工程类型n22、按地下工程深度分类、按地下工程深度分类n

（1）

（1）深埋隧道深埋隧道n

（2）

（2）浅埋隧道浅埋隧道n深埋隧道和浅埋隧道的临界深度可按荷载等效高度值，并结合地深埋隧道和浅埋隧道的临界深度可按荷载等效高度值，并结合地质条件，施工方法等因素综合判定。

质条件，施工方法等因素综合判定。

nHHpp=（2.02.5）h=（2.02.5）hqqn式中：

式中：

HHpp深埋与浅埋地下工程分界深度；深埋与浅埋地下工程分界深度；nhhqq荷载等效高度，荷载等效高度，hhqq=q/=q/nqq深埋地下工程垂直均布压力（深埋地下工程垂直均布压力（kN/mkN/m22）。

）。

n围岩重度（围岩重度（kN/mkN/m33）。

）。

n在矿山法施工的条件下，在矿山法施工的条件下，类围岩取类围岩取HHpp=2.5h=2.5hqq；类围岩类围岩取取HHpp=2.0h=2.0hqq。

n3、地下工程按用途可分为：

n交通地下工程（如公路及铁路隧道、水底隧道、地下铁道、航运隧道、人行隧道等）n水工地下工程（如引水及尾水隧洞、导流隧洞、排沙隧洞等）n市政地下工程（如给排水隧道、人防洞室等）n矿山地下工程。

n4、按地下工程所处位置，可分为：

n山地（区）地下工程、城市地下工程及水下地下工程。

n5、按所处地层，可分为岩石（软岩、硬岩）地下工程、土质地下工程等。

一、地下硐室围岩应力分析方法一、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：

松散体力学分析碎裂和松散结构岩体：

松散体力学分析各向同性岩体各向同性岩体各向异性岩体各向异性岩体完整结构的岩体：

弹塑性力学分析完整结构的岩体：

弹塑性力学分析普氏压力拱理论普氏压力拱理论太沙基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。

根据围岩的结构不同，可采用不同的分析方法。

5-35-3地下工程围岩应力地下工程围岩应力地下工程开挖之前，岩体在原岩应力条件下处于平衡状态，开挖地下工程开挖之前，岩体在原岩应力条件下处于平衡状态，开挖后地下洞室周围岩体发生卸荷回弹和应力重分布。

后地下洞室周围岩体发生卸荷回弹和应力重分布。

理论与实验表明，地下工程围岩应力重分布的特点主要取决于地理论与实验表明，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。

下工程的形状和岩体的初始应力状态。

11、围岩应力的弹性分析、围岩应力的弹性分析基本假定：

岩体为均质、连续、完全弹性、各向同性的介质。

基本假定：

岩体为均质、连续、完全弹性、各向同性的介质。

研究围岩二次应力状态的方法：

将巷道和围岩视为无重量的有孔研究围岩二次应力状态的方法：

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和下部的初始应力不相等，但当巷道埋深大于其高度的2020倍时，倍时，这种应力差即可略去。

于是，当这种应力差即可略去。

于是，当p=q,p=q,即即11，可视为二向等压可视为二向等压下有孔平板平面应变问题，当下有孔平板平面应变问题，当pqpq时，即时，即11，则视为二向，则视为二向不等压的有孔平板平面应变问题。

计算结果表明，采用这种计算不等压的有孔平板平面应变问题。

计算结果表明，采用这种计算误差不超过误差不超过11。

二、圆形地下工程围岩应力设原岩垂直应力为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西公式计算围岩中任一点A（r,）的应力：

（1）当r时，（5511）（5522）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：

（5533）或：

式中：

=q/p为侧压力系数。

（5544）（5511）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，当当3/23/2，/2/2时，时，不同的不同的下，坑道周边切向应力下，坑道周边切向应力的分布：

的分布：

=0，=/2，33/2/24p11p308p2p5p12p2p1/22.5p0.5p1/32.67p0p1/42.75p-0.25p不同的下，坑道周边切向应力的分布：

（3）当p=q,即=1时，（5511）（5555）可见，可见，、rr与与无无关，关，=1=1（轴对称）时轴对称）时对圆形坑道围岩应力分布对圆形坑道围岩应力分布最有利。

最有利。

当r=a,坑道周边应力为：

（5566）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：

（5577）22、围岩应力的弹塑性分析、围岩应力的弹塑性分析

（1）

（1）、力学模型、力学模型设原岩应力为设原岩应力为pp00，支架反力为支架反力为ppii，坑道半坑道半径径aa，塑性区半径塑性区半径RR00。

（1）

（1）塑性区：

内径塑性区：

内径aa，外径外径RR0.0.，内压为内压为ppii，外压为外压为R0R0

（2）

（2）弹性区：

内径弹性区：

内径RR00，外径无穷大，外径无穷大.，内压内压为为R0R0，外压为外压为pp00。

研究方法：

研究方法：

弹塑性理论弹塑性理论塑性区塑性区应符合应力平衡方程和应符合应力平衡方程和塑性条件；塑性条件；弹性区弹性区应满足应力平衡方程和应满足应力平衡方程和弹性条件；弹性条件；弹塑性区交界处弹塑性区交界处：

既满足塑性：

既满足塑性条件又满足弹性条件。

条件又满足弹性条件。

（2）

（2）、围岩屈服条件、围岩屈服条件根据莫尔强度准则根据莫尔强度准则=c+tgc+tg经改写为：

经改写为：

（3）（3）、塑性区围岩平衡条件、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：

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，整理得极坐略去高阶微量，整理得极坐标下的平衡微分方程：

标下的平衡微分方程：

（aa）将将代入（代入（aa）式得：

式得：

改写为：

积分得：

（bb）在坑道周边有：

在坑道周边有：

r=a,r=a,rr=p=pii代入（代入（bb）式得：

式得：

所以：

即：

（cc）将式将式（c）c）代入下式：

代入下式：

（dd）得：

得：

可见：

塑性区应力的大小只与围岩本身的力学特性可见：

塑性区应力的大小只与围岩本身的力学特性（c,）c,）及其距坑道中心的距离及其距坑道中心的距离rr和坑道半径和坑道半径aa有关有关,而与而与原岩应力原岩应力pp00无关。

无关。

于是得塑性区应力计算公式（修正的芬涅公式）：

于是得塑性区应力计算公式（修正的芬涅公式）：

适用条件：

适用条件：

arRarR00（5-8）（4）、弹性区的应力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）当当r=R0时时,即在弹塑性区交界面上即在弹塑性区交界面上,塑性区应力差由式塑性区应力差由式:

根据在弹塑性区边界应力相等的条件，则有式根据在弹塑性区边界应力相等的条件，则有式（b）（）（d）：

即：

即：

（d）（b）解得：

解得：

将上式代入式将上式代入式（a）得弹性区的应力：

得弹性区的应力：

弹性区的应力弹性区的应力：

上式适用范围：

上式适用范围：

R0r（5-9）（5）塑性区半径塑性区半径R0当当r=R0时时,由式（由式（5-9）:

（b）根据在弹塑性区边界应力相等，有式根据在弹塑性区边界应力相等，有式（a）=（b）（a）于是：

于是：

由式（由式（5-8）:

解得：

解得：

（5-10）（6）（6）围岩应力的变化规律及其分布状态围岩应力的变化规律及其分布状态根据围岩应力分根据围岩应力分布状态，可将坑道周布状态，可将坑道周围岩体分为围岩体分为44个区域：

个区域：

11、应力松弛区应力松弛区22、塑性强化区、塑性强化区33、弹性区、弹性区44、原岩应力区、原岩应力区（7）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：

（5-11）三、非圆形开挖体的围岩应力三、非圆形开挖体的围岩应力11、椭圆形断面洞室的围岩弹性应力分布、椭圆形断面洞室的围岩弹性应力分布设椭圆形断面洞室长半轴为设椭圆形断面洞室长半轴为aa，短，短半轴为半轴为bb，作用在洞室围岩上的垂直均，作用在洞室围岩上的垂直均布应力为布应力为PP，水平应力为，水平应力为PP，如右图，如右图，根据弹性理论，按椭圆孔复变函数可根据弹性理论，按椭圆孔复变函数可解得洞室周边上任一点的切向应力解得洞室周边上任一点的切向应力，径向应力，径向应力rr、剪应力剪应力rr值的大值的大小为：

小为：

式中：

式中：

kkyy轴上的半轴轴上的半轴bb与与xx轴上的半轴轴上的半轴aa的比值，即的比值，即kkb/ab/a；洞壁上任意一计算点与椭圆形中心的连线与洞壁上任意一计算点与椭圆形中心的连线与yy轴的夹角；轴的夹角；（5-12）坑道周边顶底板中点处（坑道周边顶底板中点处（0,）0,）切向应力为：

切向应力为：

若（若（a）=（b）,a）=（b）,即即1122，则可得：

则可得：

洞室周边两帮中点处（洞室周边两帮中点处（3/2,/2）3/2,/2）切向应力为：

切向应力为：

（aa）（bb）（cc）由（c）可得：

可见，在原岩应力（p,p）一定的条件下，随轴比k而变化。

为了获得合理的应力分布，可通过调整轴比k来实现。

（cc）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。

（551313）例：

例：

1/41/4条件下，不同轴比条件下，不同轴比mm对应的顶底板和两帮对应的顶底板和两帮中点处的中点处的：

（1）

（1）当当m1m1，顶底板中的顶底板中的出现拉应力出现拉应力，故在，故在1/41/4条件下，应选条件下，应选m1.m1.

（2）

（2）当当mm44时，巷道两帮中点和顶底板中点的应力为时，巷道两帮中点和顶底板中点的应力为1.251.25pp，出现切向应力相等出现切向应力相等的应力状态，即等应力轴比状态。

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（512）：

在等在等应力轴比条件下，应力轴比条件下，与与无关，周边切无关，周边切向应力为均匀分布。

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，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。

n下表给出了椭圆形断面洞室顶底和两侧点的应力集中