岩石力学课程Chapter6.ppt

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第六章第六章山岩压力与围岩稳定性山岩压力与围岩稳定性Chapter6RockPressureandStabilityofSurroundingRock学习内容学习内容学习内容学习内容地下洞室概述，洞室围岩应力计算，岩体的应力和稳定性验地下洞室概述，洞室围岩应力计算，岩体的应力和稳定性验地下洞室概述，洞室围岩应力计算，岩体的应力和稳定性验地下洞室概述，洞室围岩应力计算，岩体的应力和稳定性验算；山岩压力的概念，松散围岩压力计算，形变山岩压力算；山岩压力的概念，松散围岩压力计算，形变山岩压力算；山岩压力的概念，松散围岩压力计算，形变山岩压力算；山岩压力的概念，松散围岩压力计算，形变山岩压力-围围围围岩压力的弹塑性理论计算；衬砌刚度影响的山岩压力计算。

岩压力的弹塑性理论计算；衬砌刚度影响的山岩压力计算。

岩压力的弹塑性理论计算；衬砌刚度影响的山岩压力计算。

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学习对象学习对象学习对象学习对象地下洞室，围岩应力，岩体稳定性，山岩压力，松散围岩压地下洞室，围岩应力，岩体稳定性，山岩压力，松散围岩压地下洞室，围岩应力，岩体稳定性，山岩压力，松散围岩压地下洞室，围岩应力，岩体稳定性，山岩压力，松散围岩压力，形变山岩压力力，形变山岩压力力，形变山岩压力力，形变山岩压力-围岩压力的弹塑性。

围岩压力的弹塑性。

围岩压力的弹塑性。

围岩压力的弹塑性。

学习目的学习目的学习目的学习目的了解地下洞室、山岩压力、松散围岩压力、形变山岩压了解地下洞室、山岩压力、松散围岩压力、形变山岩压了解地下洞室、山岩压力、松散围岩压力、形变山岩压了解地下洞室、山岩压力、松散围岩压力、形变山岩压力力力力-围岩压力的弹塑性理论；掌握洞室围岩应力计算，山岩压围岩压力的弹塑性理论；掌握洞室围岩应力计算，山岩压围岩压力的弹塑性理论；掌握洞室围岩应力计算，山岩压围岩压力的弹塑性理论；掌握洞室围岩应力计算，山岩压力的概念，松散围岩压力计算，形变山岩压力力的概念，松散围岩压力计算，形变山岩压力力的概念，松散围岩压力计算，形变山岩压力力的概念，松散围岩压力计算，形变山岩压力-围岩压力的弹围岩压力的弹围岩压力的弹围岩压力的弹塑性理论计算以及衬砌刚度影响的山岩压力计算。

塑性理论计算以及衬砌刚度影响的山岩压力计算。

塑性理论计算以及衬砌刚度影响的山岩压力计算。

塑性理论计算以及衬砌刚度影响的山岩压力计算。

学习提示学习提示LearningHints6.1概述概述6.1.1基本概念基本概念p围岩围岩surroundingRock6.1概述概述6.1.1基本概念基本概念当围岩压力到达或超过岩体强度时，当围岩压力到达或超过岩体强度时，洞室围岩就出现塑性变形，剪切破坏甚洞室围岩就出现塑性变形，剪切破坏甚至崩塌、滑动。

至崩塌、滑动。

为保证洞室的稳定，常对洞室进行必为保证洞室的稳定，常对洞室进行必要的支护，支护作用包括：

（要的支护，支护作用包括：

（1）承担坍）承担坍落岩块的重量（松动压力）；（落岩块的重量（松动压力）；

（2）限制）限制围岩变形（形变压力）。

因而，支护与围岩变形（形变压力）。

因而，支护与衬砌必然要受到岩石的压力。

衬砌必然要受到岩石的压力。

我们把由于地下洞室开挖形成的围岩我们把由于地下洞室开挖形成的围岩变形或破坏，且作用于衬砌（支护）上变形或破坏，且作用于衬砌（支护）上的压力称为山岩压力，包括松动压力和的压力称为山岩压力，包括松动压力和形变压力。

形变压力。

p山岩压力山岩压力6.2山岩压力的影响因素山岩压力的影响因素6.2.1山岩压力的形成山岩压力的形成p初初始始地地应应力力初初始始地地应应力力释放荷载：

二次应力释放荷载：

二次应力松动松动+变形变形大小大小p洞室的形状及大小洞室的形状及大小洞室的形状及大小洞室的形状及大小洞室形状，大小洞室形状，大小影响二次应力影响二次应力一般而言，圆形、椭圆、拱形，优于其他洞一般而言，圆形、椭圆、拱形，优于其他洞形，围岩压力跨度近似成正比。

形，围岩压力跨度近似成正比。

p岩岩体体质质量量岩岩体体质质量量岩石的强度，节理裂隙发育程度，节理的方向。

岩石的强度，节理裂隙发育程度，节理的方向。

6.2.2影响山岩压力的因素影响山岩压力的因素6.2山岩压力的影响因素山岩压力的影响因素p支支护护刚刚度度时时间间支支护护刚刚度度时时间间p施施工工方方法法施施工工方方法法刚度刚度约束变形能力约束变形能力围岩压力围岩压力围岩变位围岩变位u随随t发展发展最佳支护时间。

最佳支护时间。

p洞洞室室埋埋深深洞洞室室埋埋深深浅埋洞室浅埋洞室承担洞顶岩体重量。

深埋：

承担洞顶岩体重量。

深埋：

承担压力拱至洞顶之间岩体重量。

承担压力拱至洞顶之间岩体重量。

开挖爆破形式：

钻爆法，全断面掘进机开挖爆破形式：

钻爆法，全断面掘进机6.2.2影响山岩压力的因素影响山岩压力的因素6.2山岩压力的影响因素山岩压力的影响因素p地地质质构构造造地地质质构构造造地质构造简单，地层完整、无软弱结构地质构造简单，地层完整、无软弱结构面，围岩稳定，山岩压力小；反之。

面，围岩稳定，山岩压力小；反之。

6.2.2影响山岩压力的因素影响山岩压力的因素6.2山岩压力的影响因素山岩压力的影响因素p时时间间因因素素时时间间因因素素山岩压力随时间的增加而增大（一方面，山岩压力随时间的增加而增大（一方面，变形和破坏有一个过程，另外还有蠕变变形和破坏有一个过程，另外还有蠕变的原因）的原因）6.3坚硬岩体的应力和稳定验算坚硬岩体的应力和稳定验算对于整体性良好的坚硬岩体来说，节理不发育，强度较大，无塑对于整体性良好的坚硬岩体来说，节理不发育，强度较大，无塑性变形，且弹性变形迅速完成。

性变形，且弹性变形迅速完成。

洞室稳定分析只需验算边界上的切向应力是否超过岩体强度。

洞室稳定分析只需验算边界上的切向应力是否超过岩体强度。

地应力特征地应力特征、洞室形状、尺寸洞室形状、尺寸许可抗压强度一般取单轴湿抗压强度的许可抗压强度一般取单轴湿抗压强度的0.50.6倍倍取值注意围岩质量取值注意围岩质量6.4普氏压力拱理论普氏压力拱理论洞室开挖洞室开挖应力重分布应力重分布洞顶出现拉应力洞顶出现拉应力拉应力超过岩石抗拉应力超过岩石抗拉强度拉强度顶部岩石破坏，失顶部岩石破坏，失去平衡而逐渐塌落去平衡而逐渐塌落塌落到一定程度后自塌落到一定程度后自然平衡，不在塌落然平衡，不在塌落压力拱压力拱坍落拱坍落拱6.4普氏压力拱理论普氏压力拱理论6.4.1垂直山岩压力垂直山岩压力确定垂直山岩压力确定垂直山岩压力关键在于松动区的体形，即关键在于松动区的体形，即压力拱形状压力拱形状关于推求压力拱形状的方面存在不用的假设，假设不同，关于推求压力拱形状的方面存在不用的假设，假设不同，山岩压力也不同，一般采用山岩压力也不同，一般采用普罗托奇耶柯诺夫普罗托奇耶柯诺夫的压力拱理论，的压力拱理论，即普氏压力拱理论。

即普氏压力拱理论。

6.4普氏压力拱理论普氏压力拱理论6.4.1垂直山岩压力垂直山岩压力p岩石坚固系数的概念岩石坚固系数的概念实际上岩石存在凝聚力，一般采用增大内摩擦系数的方法来补偿实际上岩石存在凝聚力，一般采用增大内摩擦系数的方法来补偿这一因素，这个增大的内摩擦系数称为这一因素，这个增大的内摩擦系数称为岩石的坚固系数岩石的坚固系数。

原岩体的抗剪强度原岩体的抗剪强度岩体看作散粒体时岩体看作散粒体时1o砂土及松散材料砂土及松散材料2o整体性岩石整体性岩石6.4.2压力拱的形状压力拱的形状根据普氏理论，对于比较破碎岩体（根据普氏理论，对于比较破碎岩体（fK2），），地下洞室开挖：

地下洞室开挖：

侧墙剪切破裂侧墙剪切破裂+顶拱顶拱“压力拱压力拱”.6.4普氏压力拱理论普氏压力拱理论式中：

式中：

b1洞室跨度的一半；洞室跨度的一半；b2压力拱跨度的一半；压力拱跨度的一半；h0洞室的高度；洞室的高度；换算内摩擦角换算内摩擦角6.4.2压力拱的形状压力拱的形状6.4普氏压力拱理论普氏压力拱理论压力拱稳定条件：

假定岩体为散粒体，其抗拉、压力拱稳定条件：

假定岩体为散粒体，其抗拉、抗弯能力很小，洞室顶部上的压力拱最稳定的条件抗弯能力很小，洞室顶部上的压力拱最稳定的条件是沿着拱的切线方向仅作用压力。

是沿着拱的切线方向仅作用压力。

抛物线方抛物线方程程6.4.2压力拱的形状压力拱的形状6.4普氏压力拱理论普氏压力拱理论F是岩石对拱向是岩石对拱向外移动的摩阻力外移动的摩阻力6.4.2压力拱的形状压力拱的形状6.4普氏压力拱理论普氏压力拱理论为了保证为了保证A点的稳定：

点的稳定：

一般，只能取最大摩阻力的一半来平衡拱顶推力一般，只能取最大摩阻力的一半来平衡拱顶推力T：

压力拱的高度等于拱跨度的一半压力拱的高度等于拱跨度的一半除以岩石的坚固系数。

除以岩石的坚固系数。

6.4.2压力拱的形状压力拱的形状6.4普氏压力拱理论普氏压力拱理论10洞室顶部的最大压力在拱轴线上：

洞室顶部的最大压力在拱轴线上：

压力拱上任压力拱上任一点纵坐标一点纵坐标2o洞室任何其他点上的垂直压力：

洞室任何其他点上的垂直压力：

6.4.3侧向山岩压力侧向山岩压力6.4普氏压力拱理论普氏压力拱理论利用主动朗肯土压力公式：

利用主动朗肯土压力公式：

A.洞顶洞顶B.洞底洞底C.总侧向压力总侧向压力6.4.4压力拱理论的适用条件压力拱理论的适用条件6.4普氏压力拱理论普氏压力拱理论基本前提：

洞室上方的岩体能够形成自然压力拱。

基本前提：

洞室上方的岩体能够形成自然压力拱。

下列情况不能应用压力拱理论：

下列情况不能应用压力拱理论：

1o岩石的岩石的fK0.8，洞室的埋深，洞室的埋深H小于小于2倍压力拱高度或小于压力拱倍压力拱高度或小于压力拱跨度的跨度的2.5倍倍（H2.0horH2.5b2）.2o明挖地下结构；明挖地下结构；3o当当fKPAl与与不平行不平行:

支支护刚度的影响，护刚度的影响，PcPB6.8.2喷锚支护的特点喷锚支护的特点6.8喷锚支护原理和设计原则喷锚支护原理和设计原则在洞室开挖后及时向围岩表面喷一层砼，必要时增设部分在洞室开挖后及时向围岩表面喷一层砼，必要时增设部分锚筋，从而及时有效地控制和调整围岩变形和应力重分布范围，锚筋，从而及时有效地控制和调整围岩变形和应力重分布范围，充分发挥围岩的自承能力，达到安全和经济的支护目的。

充分发挥围岩的自承能力，达到安全和经济的支护目的。

6.8.4喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则6.8喷锚支护原理和设计原则喷锚支护原理和设计原则6.8.4喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则6.8喷锚支护原理和设计原则喷锚支护原理和设计原则一、整体围岩一、整体围岩围岩特点：

岩块强度高，节理裂隙不发育，整体性良好围岩特点：

岩块强度高，节理裂隙不发育，整体性良好喷锚支护：

喷锚支护：

岩壁表层喷薄层砼岩壁表层喷薄层砼防止风化防止风化（岩体出现破碎）（岩体出现破碎）在主应力区在主应力区布置预应力锚杆布置预应力锚杆以减小拉应力水平，或转化为压应以减小拉应力水平，或转化为压应力力锚杆长度锚杆长度穿过拉应力区，锚穿过拉应力区，锚固至压力区固至压力区6.8.4喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则6.8喷锚支护原理和设计原则喷锚支护原理和设计原则二、块状围岩二、块状围岩围岩特点：

节理裂隙发育，围岩切剖成块状，其中岩块强度较围岩特点：

节理裂隙发育，围岩切剖成块状，其中岩块强度较高，结构面错动。

高，结构面错动。

控制围岩的稳定，关键在于控制危石（关控制围岩的稳定，关键在于控制危石（关键块体）键块体）关键块关键块控制控制重点加固（锚杆、喷砼）重点加固（锚杆、喷砼）一般来说岩块之间相互镶嵌、咬合、互锁、一般来说岩块之间相互镶嵌、咬合、互锁、卡紧在一起，围岩的坍塌总是从某个岩块（危卡紧在一起，围岩的坍塌总是从某个岩块（危石）开始，然后发展。

石）开始，然后发展。

6.8.4喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则二、块状围岩二、块状围岩l锚杆加固关键块体（危石）锚杆加固关键块体（危石）取危石取危石ABC重量重量G，沿锚杆，沿锚杆EF的分力的分力T，沿破裂面沿破裂面AB的分力的分力Q6.8喷锚支护原理和设计原则喷锚支护原理和设计原则锚杆拉力锚杆拉力锚杆剪力锚杆剪力确定锚杆截面确定锚杆截面/大小大小6.8.4喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则二、块状围岩二、块状围岩l锚杆加固围岩裂隙面锚杆加固围岩裂隙面洞顶裂隙面洞顶裂隙面AB，水平向压力，水平向压力P，锚杆预应力，锚杆预应力T要求校核沿要求校核沿AB面是否滑动，挽救，保护稳定面是否滑动，挽救，保护稳定计算所需计算所需T，沿，沿AB面：

面：

6.8喷锚支护原理和设计原则喷锚支护原理和设计原则法向力法向力抗滑力抗滑力滑动力滑动力6.8.4喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则二、块状围岩二、块状围岩l喷砼层支护危石喷砼层支护危石1）按）按“冲切型冲切型”破坏验算喷层厚度破坏验算喷层厚度设危石重设危石重G，底面周边长，喷层厚度，底面周边长，喷层厚度h，以砼，以砼抗拉强度作为不发生抗拉强度作为不发生“冲切型冲切型”破坏条件破坏条件.6.8喷锚支护原理和设计原则喷锚支护原理和设计原则穿透喷层穿透喷层6.8.4喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则二、块状围岩二、块状围岩l喷砼层支护危石喷砼层支护危石2）按）按“撕开型撕开型”验算喷层厚度验算喷层厚度验算岩面与砼喷层之间的粘结力是否满足强验算岩面与砼喷层之间的粘结力是否满足强度要求根据弹性地基梁理论推导：

（设喷层与岩度要求根据弹性地基梁理论推导：

（设喷层与岩面间的粘结强度面间的粘结强度）岩面与喷层间最大拉应力）岩面与喷层间最大拉应力6.8喷锚支护原理和设计原则喷锚支护原理和设计原则6.8.4喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则6.8喷锚支护原理和设计原则喷锚支护原理和设计原则三、层状围岩三、层状围岩洞室开挖后由层面粘结强度很低，洞顶塌落。

洞室开挖后由层面粘结强度很低，洞顶塌落。

工程上：

一般采用锚杆形成工程上：

一般采用锚杆形成“组合梁组合梁”保持稳定保持稳定锚杆的作用：

增加层间握裹力，切向摩擦力锚杆的作用：

增加层间握裹力，切向摩擦力6.8.4喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则6.8喷锚支护原理和设计原则喷锚支护原理和设计原则四、软弱围岩四、软弱围岩6.8.4喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则6.8喷锚支护原理和设计原则喷锚支护原理和设计原则四、软弱围岩四、软弱围岩l由砼喷层支护可能产生的破坏模式由砼喷层支护可能产生的破坏模式在压应力集中区，发生剪切破坏在压应力集中区，发生剪切破坏取圆形取圆形，砼抗剪强度，砼抗剪强度设计要求：

喷层保持围岩稳定！

设计要求：

喷层保持围岩稳定！

根据喷层根据喷层AA的受力情况，写出的受力情况，写出水平向平衡方程：

水平向平衡方程：

6.8.4喷锚支护的设计原则喷锚支护的设计原则6.8喷锚支护原理和设计原则喷锚支护原理和设计原则四、软弱围岩四、软弱围岩l由径向锚杆形成承载环支护由径向锚杆形成承载环支护设由径向锚杆，形成厚度设由径向锚杆，形成厚度t的承载环，由预应力锚杆提的承载环，由预应力锚杆提供径向应力：

供径向应力：

未支护时：

未支护时：

发生塑性破坏，发生塑性破坏，（砼抗压强度砼抗压强度）支护时：

支护时：

产生破坏所需的切向力产生破坏所需的切向力弹塑性交界处弹塑性交界处时，须满足：

时，须满足：

塑性条件：

塑性条件：

弹性区内：

弹性区内：

P113，式（，式（5-15）联立上面两式，即可求得：

联立上面两式，即可求得：

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