岩体力学第9章 地下洞室围岩稳定性分析.ppt

§9.5 围岩抗力与极限承载力 洞室由于存在很高的内水压力作用，迫使衬砌向围岩方向变形，围岩被迫后退时，将产生一个反力来阻止衬砌的变形。围岩对衬砌的反力称为围岩抗力，或称弹性抗力。 围岩抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定。围岩抗力承担了一部分内水压力，从而减小了衬砌所承受的内水压力，起到了保护衬砌的作用。 充分利用围岩抗力，可以大大地减薄衬砌的厚度，降低工程造价。 围岩极限承载力是表征围岩承担内水压力能力的指标。它主要与围岩的强度性质及天然应力状态有关。 一、围岩抗力系数及其确定 围岩抗力系数是表征围岩抵抗衬砌向围岩方向变形能力的指标，定义为使洞壁围岩产生一个单位径向变形所需要的内水压力。 Pa为洞壁受到的内水压力； y为洞壁围岩向外产生的径向位移。 (MPa／cm) 围岩抗力系数（K）愈大，说明围岩受内水压力的能力愈大。K值不是一个常数。它随洞室尺寸而变化，洞室半径越大，K值越小。 单位抗力系数 单位抗力系数是指洞室半径为100cm时的抗力系数值。 确定方法：直接测定法、计算法和工程地质类比(经验数据)法。 直接测定法有双筒橡皮囊法、隧洞水压法和径向千斤顶法。 双筒橡皮囊法 用水泵对橡皮囊加压使其扩张，对坑壁岩体施压，使坑壁岩体受压而向四周变形。 若坑壁无混凝土衬砌 若有混凝土衬砌 隧洞水压法 在已开挖的隧洞中，选择代表性地段将两端堵死，进行水压试验，洞壁围岩在水压力的作用下发生径向变形。 利用扁千斤顶代替水泵作为加压工具对岩体施加径向压力，并测得径向变形。 径向千斤顶法 计算法 根据围岩抗力系数和弹性模量E与泊松比μ之间的理论关系来求围岩的K和K0值。 坚硬、完整、均质和各向同性的岩体 软弱和破碎岩体，或具有塑性圈的围岩 式中：R1为裂隙区半径(cm)。坚硬岩体：R1/R0＝3.0；软弱、破碎岩体：R1／R0=300。 工程地质类比法 根据已有建设经验，将拟建工程岩体的结构和力学特性、工程规模等因素与已建工程进行类比确定K值。 二、围岩极限承载力的确定 围岩极限承载力是指围岩承担内水压力的能力。 大量的事实表明：在有压洞室中，围岩承担了绝大部分的内水压力。 围岩极限承载力与围岩的力学性质及天然应力状态有关。 有压洞室开挖以后，围岩处于重分布应力状态中。当洞壁受到高压水流的作用时，围岩内又产生一个附加应力，使围岩内的应力再次分布，产生新的重分布应力。如果两者叠加后的围岩应力大于或等于围岩的强度时，则围岩就要发生破坏，否则围岩不破坏。 1、自重应力作用下的围岩极限承载力 设有一半径为R0的圆形有压隧洞，开挖在仅有自重应力(σv＝ρgh，σh＝λρgh)作用的岩体中；洞顶埋深为h；洞内壁作用的内水压力为pa。 有水压力时，洞壁上的重分布应力 pa引起的洞壁上的附加应力 无水压力时，洞壁上的重分布应力 围岩极限平衡条件 围岩极限承载力 上覆岩层的极限厚度 洞顶上覆岩层的极限厚度 2、天然应力作用下的围岩极限承载力 为了得到天然应力作用下围岩极限承载力的计算公式，只要把铅直天然应力σv和水平天然应力σh代入到洞壁重分布应力计算公式中，就可以得到围岩极限承载力 围岩的极限承载力由岩体天然应力和内聚力两部分组成的。因此，当岩体的Cm，φm一定时，围岩的极限承载力取决于天然应力的大小。 地下洞室开挖后，围岩塑性圈半径R1随天然应力σ0增加而增大，随支护力pi、岩体强度Cm增加而减小。 修正芬纳-塔罗勃公式 卡斯特纳(Kastner)公式 §9.4 围岩压力计算 一、基本概念 地下洞室围岩在重分布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(peripheral rock pressure)。 围岩压力是围岩与支衬间的相互作用力，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衬结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。 按围岩压力的形成机理，可将其划分为形变围岩压力、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，这时围岩应力很容易超过岩体的屈服极限而产生较大的塑性变形； ②深埋洞室，由于围岩受压力过大易引起塑性流动变形。 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。 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。