[教育]巖體力學(xué)ppt課件第五章地下硐室圍巖穩(wěn)定性分析

1、第五章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析,§5.1 概述§5.2 圍巖重分布應(yīng)力計算§5.3 圍巖的變形與破壞§5.4 圍巖壓力計算§5.5 圍巖抗力與極限承載力,地下洞室是指人工開挖或天然存在于巖土體中作為各種用途的構(gòu)筑物。地下洞室的分類按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉庫）、地下軍事工程按洞壁受壓情況：有壓洞室、無壓洞室按斷面形狀：圓形、矩形

2、、城門洞形、橢圓形按與水平面關(guān)系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介質(zhì)類型：巖石洞室、土洞按應(yīng)力情況：單式洞室、群洞,在巖體中開挖地下洞室，必然會破壞原來巖體內(nèi)相對平衡的應(yīng)力狀態(tài)，并在一定范圍內(nèi)引起巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的重分布。巖體的強度和變形特性是否適應(yīng)重分布以后的應(yīng)力狀態(tài)，將直接影響地下建筑物的安全。為了正確評價地下建筑的穩(wěn)定性，除進行必要的地質(zhì)分析外，對圍巖應(yīng)力分布特征的分析和計算，也是評價圍巖穩(wěn)定性所必須的環(huán)節(jié)。在地下工程（

3、井巷、隧道、洞室等）工作期內(nèi)，安全和所需最小斷面得以保證，稱為穩(wěn)定。,地下工程穩(wěn)定性可分為兩類：1）自穩(wěn)——能長期自行穩(wěn)定的情況，如天然石灰?guī)r溶洞、某些金屬采礦場等。通常不需要進行支護。2）人工穩(wěn)定——需要依靠支護才能達到穩(wěn)定的情況，如煤礦中的軟巖巷道、表土洞室等，由于次生應(yīng)力場的作用形成破碎帶。,地下工程自身影響范圍達不到地面的，稱為深埋，否則稱為淺埋。深埋地下工程存在如下力學(xué)特點：1）可視為無限體中的孔洞問題，孔洞各方向的無

4、窮遠處仍為原巖體；2）當埋深Z達到巷道半徑或?qū)捀咧氲?0倍及以上時，巷道影響范圍內(nèi)的巖體自重可忽略不計；原巖水平應(yīng)力可以簡化為均勻分布，通常誤差不大（在10%以下）；3）深埋的水平巷道長度較大時，可作為平面應(yīng)變問題處理。其他類型巷道或作為空間問題，或作為全平面應(yīng)變問題處理。,對于地下工程穩(wěn)定性問題，首先要分析研究巖體在工程開挖后的應(yīng)力、位移的分布特征及其規(guī)律，并作出穩(wěn)定性評價；然后根據(jù)評價結(jié)果，決定是否采取支護加固措施以及如何支護

5、加固和加固的形式。 地下工程的穩(wěn)定性問題目前主要通過三個途徑來分析解決，即解析分析方法、數(shù)值分析方法和實驗方法。,解析方法是指用一般數(shù)學(xué)力學(xué)方法通過計算可以取得閉合解的方法。當?shù)叵鹿こ虈鷰r能自穩(wěn)時，圍巖處于全應(yīng)力-應(yīng)變的峰前曲線段，巖體屬于變形體范疇，可以使用任何變形體力學(xué)方法研究。對于應(yīng)力應(yīng)變不超過彈性范疇時，適宜用彈性力學(xué)方法研究；否則采用彈塑性力學(xué)或損傷力學(xué)方法研究。一旦巖體的應(yīng)力應(yīng)變超過峰值應(yīng)力和極限應(yīng)變，圍巖進入

6、全應(yīng)力應(yīng)變的峰后曲線段，巖體處于剛性滑移和張裂狀態(tài)，此時適宜采用剛性塊體力學(xué)的方法，或?qū)嶒灹W(xué)的方法，有時甚至可采用初等力學(xué)的方法研究。,能自穩(wěn)的巖體，當然不需要支護。巖體處于峰后破壞狀態(tài)時，不可能自穩(wěn)，要依靠支護才能達到人工穩(wěn)定。因此，凡有支護的場合，支護背靠的或緊鄰的巖體一定是破碎的，而不會是彈性狀態(tài)或彈塑性狀態(tài)沒有破裂的巖體。解析方法可以解決的實際工程問題是很有限的，但通過對解析方法及其結(jié)果的分析，可以獲得一些規(guī)律性的認識。,

7、圍巖應(yīng)力重分布問題——計算重分布應(yīng)力圍巖變形與破壞問題——計算位移、確定破壞范圍圍巖壓力問題——計算圍巖壓力有壓洞室圍巖抗力問題——計算圍巖抗力,洞室圍巖力學(xué)問題,第六章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析,§6.1 概述§6.2 圍巖重分布應(yīng)力計算§6.3 圍巖的變形與破壞§6.4 圍巖壓力計算§6.5 圍巖抗力與極限承載力,洞室開挖后，周圍的巖石在一般情況下（側(cè)壓力系數(shù)

8、<3）必然會在半徑方向上發(fā)生伸長變形，在切線方向上發(fā)生壓縮變形，這就使原來徑向上的壓縮應(yīng)力降低，切向上的壓縮應(yīng)力增高，而這種降低和增高的程度隨著遠離洞壁逐漸減弱，達到一定距離后基本無影響。通常將應(yīng)力的這種變化稱為應(yīng)力重分布（即原始的應(yīng)力狀態(tài)變化到新的平衡的應(yīng)力狀態(tài)的過程）。把應(yīng)力重分布影響范圍內(nèi)的巖體稱為圍巖。圍巖內(nèi)的應(yīng)力稱為圍巖應(yīng)力或二次應(yīng)力（相對與天然應(yīng)力）或重分布應(yīng)力，也就是地下開挖擾動后在圍巖中形成的新的應(yīng)力。重分

9、布應(yīng)力與圍巖性質(zhì)、洞形、洞室受外力狀態(tài)有關(guān)。,一、無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計算,（一）彈性巖體中圓形水平洞室的圍巖應(yīng)力計算及應(yīng)力分布特征假設(shè)條件：（1）圍巖是均質(zhì)、各向同性、線彈性、無蠕變特性；（2）巷道斷面為圓形，其半徑為R0。（3）巷道深埋（Z?20R0），忽略圍巖內(nèi)的巖體自重，即巷道頂、底板處的天然應(yīng)力是相等的；（4）巷道的長度遠大于巷道斷面尺寸，可作為平面應(yīng)變問題來研究。,1、靜水壓力式天然應(yīng)力場,靜水壓力式天然應(yīng)力場產(chǎn)

10、生的條件：地殼深處，由于高壓和高溫，原巖應(yīng)力有時可認為是靜水壓力狀態(tài)。適用問題：原巖應(yīng)力是靜水壓力狀態(tài)加上上述假設(shè)條件，就構(gòu)成了結(jié)構(gòu)和荷載都是對稱的軸對稱平面應(yīng)變圓孔問題。常見的工程中，圓巷和圓井為此類問題。求解方法：這個問題在彈性力學(xué)中已經(jīng)得到了解決，即按照彈性力學(xué)中的厚壁筒受均勻壓力求解。,由于是軸對稱的平面問題，為便于研究，通常將要研究的對象置于極坐標系中，坐標原點在圓形巷道的中心。在圍巖中一點（r，?）處取一微小單元體，

11、是寬度為dr、內(nèi)弧長為rd?、厚度為單位厚度的圓環(huán)體的一小段，如右圖（僅考慮自重應(yīng)力，且側(cè)壓力系數(shù)K0=1）。對這個微元體進行受力分析，建立平衡方程為：其中，?r、??——徑向應(yīng)力、切(環(huán))向應(yīng)力，壓為正，拉為負。,,微元體在應(yīng)力的作用下必然要發(fā)生位移，位移與應(yīng)變之間根據(jù)應(yīng)變的定義有：——幾何方程幾何方程與平衡方程通過廣義虎克定律（本構(gòu)方程）聯(lián)系起來：其中，ur——徑向位移；?r、??——徑向和環(huán)向應(yīng)變。,,,,在

12、上述假設(shè)條件下，邊界條件可表示為：內(nèi)邊界：r=R0，?r=0（無支護，在巷道壁面上，徑向應(yīng)力完全解除，臨空，徑向上無約束）；外邊界：r??，?r=p0（p0為原巖應(yīng)力。遠離巷道的地方，應(yīng)力不受開挖影響，保持原巖應(yīng)力狀態(tài)，由于是靜水壓力狀態(tài)，因此，各方向應(yīng)力相等，顯然半徑方向上應(yīng)力也等于原巖應(yīng)力）。對上述方程進行聯(lián)立求解，得任意點r處應(yīng)力計算公式為：,,,,,公式討論（關(guān)于原巖應(yīng)力為靜水壓力式條件下圓形洞室圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的幾點結(jié)論

13、）：,（1）公式代表了巷道開挖后的應(yīng)力重分布結(jié)果，也就是次生應(yīng)力場的應(yīng)力分布（見右圖）。可見，開挖后，徑向應(yīng)力?r減小了，切向應(yīng)力?θ增大了，往圍巖深部，應(yīng)力漸趨于與原巖應(yīng)力一致；（2）徑向應(yīng)力?r和切向應(yīng)力?θ的分布與角度?無關(guān)，說明次生應(yīng)力場也是軸對稱的；（3）由于τrθ＝0，因此徑向應(yīng)力?r和切向應(yīng)力?θ均為平面主應(yīng)力，且切向應(yīng)力?θ為大主應(yīng)力，?r為小主應(yīng)力。（4）應(yīng)力大小與彈性常數(shù)E和?無關(guān)；,,（5）巷道周邊壁面上，徑

14、向應(yīng)力?r=0，切向應(yīng)力?θ=2p0，為單向應(yīng)力狀態(tài)，切向應(yīng)力?θ在巷道壁面處達到最大，且與巷道的尺寸無關(guān)。如果2p0超過巖石彈性強度極限時，圍巖將進入塑性狀態(tài)。如果巖石是彈脆體，則當2p0超過圍巖的單軸抗壓強度時，圍巖將破壞；（6）如果定義應(yīng)力集中系數(shù)k： 則周邊的k=2。為次生應(yīng)力場的最大應(yīng)力集中系數(shù)；（7）如果定義以??>1.05p0或?r<0.95p0為巷道影響圈邊界，則影響圈半徑約為5R0；工程

15、上有時以10%作為影響邊界，則影響半徑約為3 R0。,,2、一般天然應(yīng)力場,一般情況下，由于各種原因，原巖應(yīng)力并不是靜水壓力狀態(tài)。此時，在前述假設(shè)條件下，并且豎向原巖應(yīng)力為p0，橫向應(yīng)力為K0p0，與靜水壓力問題相比，本問題主要是原巖應(yīng)力水平方向和鉛直方向不相等。對于圓形巷道，就構(gòu)成結(jié)構(gòu)對稱，荷載僅對稱于豎軸和橫軸，但不是軸對稱問題。,對于這樣的問題，一般運用已有的解答采用分解（將原巖應(yīng)力進行分解）和疊加的辦法來解決。通常將原問題分

16、解為兩個問題：問題I是靜水壓力式問題，即結(jié)構(gòu)和荷載均為軸對稱的問題。垂向和水平應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其大小為p1=(1+K0)p0/2。問題II是水平、垂向應(yīng)力值相等但方向不同（當K0<1時，垂向為壓應(yīng)力，水平為拉應(yīng)力）的問題。垂直方向應(yīng)力為 p2=(1-K0)p0/2，水平方向應(yīng)力為- p2。原問題的解=問題I的解+問題II的解?！B加原理問題I的解前面已經(jīng)知道了。問題II可以再分解為兩個柯西課題（參見彈性力學(xué)）。,求解得原問

17、題的解為：,,公式討論：,（1）當K0=1時，問題轉(zhuǎn)變?yōu)殪o水壓力問題。軸對稱問題是特例。（2）圍巖內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律：,公式討論：,洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，為單向應(yīng)力狀態(tài)，而σθ隨θ變化，σθ大小與與洞室尺寸R0無關(guān)。當θ=0、180o，σθ=3p0-K0p0=(3-K0)p0；當θ=90、270o，σθ=3K0p0-p0=(3K0-1) p0。當K0=0時， ??=p0+2p0cos2?。則?=0?（橫軸），??=3p0；?=

18、45?，??=p0；?=90?（豎軸），??=-p0（為拉應(yīng)力）。當K0＜1/3時，洞頂?shù)祝é?90、270o）處σθ<0，即出現(xiàn)拉應(yīng)力，而洞壁兩側(cè)幫出現(xiàn)較高的壓應(yīng)力集中。,公式討論：,（3）洞壁上的重分布應(yīng)力的分布規(guī)律洞壁處，即r=R0，上述公式簡化為,當K0=1/3時，?=0?、180?（橫軸）處，??=8p0/3；?=45?，??=4p0/3；?=90?、270?（豎軸）處，??=0。即測壓力系數(shù)K0=1/3時，洞頂?shù)渍?/p>

19、好不出現(xiàn)拉應(yīng)力。當1/3＜K0＜3時，洞壁周邊σθ均為壓應(yīng)力且分布較均勻；K0=1時即為靜水壓力式。當K0=3時，?=90?、270?（豎軸）處，??=8p0/3；?=0?、180?（橫軸）處，??=0。即測壓力系數(shù)K0=3時，洞兩幫正好不出現(xiàn)拉應(yīng)力。當K0＞3時，洞壁兩側(cè)幫（θ=0、180o）處σθ<0，即出現(xiàn)拉應(yīng)力，而洞頂?shù)壮霈F(xiàn)較高的壓應(yīng)力集中。,結(jié)論：當3>K0>1/3時，巷道周邊不出現(xiàn)拉應(yīng)力；K03時，將

20、出現(xiàn)拉應(yīng)力；K0=1/3或K0=3時，恰好不出現(xiàn)拉應(yīng)力。K0=0時，?=90?處拉應(yīng)力最大。所以，K0=0為最不利的情況，K0=1為最穩(wěn)定的情況。,公式討論：,（4）主應(yīng)力狀況由上面的解答中?r?=0即sin2?=0，得主應(yīng)力平面（該面上剪應(yīng)力為零）角度為0?、90?、180?、270?。即水平和鉛直平面為主應(yīng)力平面。其余截面上均有剪應(yīng)力。,（二）彈性巖體中非圓形洞室的圍巖應(yīng)力計算及應(yīng)力分布特征地下工程常用的斷面一般為：立井——圓

21、形；巷道（隧道）——梯形、拱頂直墻。較少使用的斷面為：立井——矩形；巷道（隧道）——矩形、圓形、橢圓形、拱頂直墻反拱。對于非圓洞室，圍巖應(yīng)力的計算一般是很復(fù)雜的，通常利用復(fù)變函數(shù)加以解決。,1．橢圓洞室橢圓形洞室在工程實際中不常見，但通過對橢圓洞室周邊彈性應(yīng)力分析，對于如何維護好洞室，從定性上很有啟發(fā)意義。在一般原巖應(yīng)力狀態(tài)（p0、K0p0、K01）下，深埋橢圓巷道周邊切向應(yīng)力公式為：,,其中，m——橢圓軸比（豎軸與橫軸之比）

22、；?——自豎軸起算的角度。,,公式討論：,（1）等應(yīng)力軸比當切向應(yīng)力處處相等時的橢圓巷道豎軸與橫軸之比稱為等應(yīng)力軸比。令d??/d?=0，得m=K0，代入??公式，有??=(1+K0)p0?？梢姡藭r，??與?無關(guān)，即巷道周壁各點切向應(yīng)力相等。因此，等應(yīng)力軸比為m=1/K0。等應(yīng)力軸比對地下工程是最穩(wěn)定的，因此又稱為最優(yōu)（佳）軸比。等應(yīng)力軸比與原巖應(yīng)力的絕對值無關(guān)，只與K0有關(guān)。因此，由K0可以確定等應(yīng)力軸比：當K0=1時，m=

23、1，即橢圓長短軸相等，最佳斷面是圓形；當K0=0.5時，m=2，橢圓豎軸是橫軸的兩倍，最佳斷面為豎的橢圓；當K0=2時，m=0.5，橢圓橫軸是豎軸的兩倍，最佳斷面為橫的橢圓?？梢?，橢圓的長軸平行于原巖最大主應(yīng)力方向，且軸比滿足m=1/K0時為最佳。實際工程中，只要條件許可，巷道斷面應(yīng)盡量滿足或接近最佳軸比。否則就需要采取加強支護或其他措施。,（2）零應(yīng)力軸比當不能滿足最佳軸比時，則考慮到巖體的抗拉強度最弱，可找出并滿足一個不出現(xiàn)

24、拉應(yīng)力的軸比，即零應(yīng)力軸比。周邊各點要求的零應(yīng)力軸比不同，通常優(yōu)先照顧頂點和兩幫中點這兩處關(guān)鍵部位的零應(yīng)力軸比。頂點處：?=0?，??=-p0+K0(1+2m)p0。當K0>1時，??>0，不會出現(xiàn)拉應(yīng)力；當K01時，不會出現(xiàn)拉應(yīng)力。K01)。因此，零應(yīng)力軸比為m=2/(K0-1)(K0>1)。由上面的分析可見，頂點和中點是不矛盾的。當K01時應(yīng)照顧兩幫中點。,2．矩形和其他形狀斷面洞室矩形和其他形狀斷面洞室周

25、邊應(yīng)力的計算很復(fù)雜，不同斷面的計算公式不同，沒有通式。一般采用光彈試驗和有限元方法來解決。同時，矩形和其他斷面圍巖應(yīng)力分布也很復(fù)雜。周邊切向應(yīng)力也是大的應(yīng)力，應(yīng)力大小與彈性參數(shù)無關(guān)，而與原巖應(yīng)力的狀態(tài)、巷道形狀參數(shù)有關(guān)。應(yīng)力在有拐角的地方往往有較大的集中，直邊往往有拉應(yīng)力。,結(jié)論：,①橢圓形洞室長軸兩端點應(yīng)力集中最大，易引起壓碎破壞；短軸兩端易拉應(yīng)力集中，不利于圍巖穩(wěn)定②各種形狀洞室的角點或急拐彎處應(yīng)力集中最大，如正方形或矩形洞室角點

26、等。③長方形短邊中點應(yīng)力集中大于長邊中點，而角點處應(yīng)力集中最大，圍巖最易失穩(wěn)。④當巖體中天然應(yīng)力水平分量和鉛直分量相差不大時，以圓形洞室圍巖應(yīng)力分布最均勻，圍巖穩(wěn)定性最好。⑤當巖體中天然應(yīng)力水平分量和鉛直分量相差較大時，則應(yīng)盡量使洞室長軸平行于最大天然應(yīng)力的作用方向。⑥在天然應(yīng)力很大的巖體中，洞室斷面應(yīng)盡量采用曲線形，以避免角點上過大的應(yīng)力集中。,(二）塑性巖體中圓形水平洞室的圍巖應(yīng)力計算及應(yīng)力分布特征——彈塑性力學(xué)分析方法,

27、在巖體內(nèi)開挖洞室后，周圍的應(yīng)力將發(fā)生明顯的變化，形成圍巖應(yīng)力。其中切向應(yīng)力較原巖應(yīng)力大。由于巖體的彈性極限是有限的，因此一部分圍巖中的應(yīng)力可能超過巖體的彈性極限，則可進入塑性變形階段，而圍巖應(yīng)力沒有超過彈性極限的區(qū)域仍處于彈性變形階段。因此，在圍巖中可形成塑性區(qū)和彈性區(qū)。位于塑性區(qū)的圍巖在強大的圍巖應(yīng)力作用下，可發(fā)生塑性變形甚至達到破裂而松動。因此，通常將圍巖中圍巖應(yīng)力超過巖體的彈性極限而出現(xiàn)塑性變形和破裂的部分稱為塑性松動圈（塑性區(qū)

28、）。,塑性松動圈的出現(xiàn)，使圈內(nèi)一定范圍內(nèi)的應(yīng)力因釋放而明顯降低，而最大應(yīng)力集中由原來的洞壁移至塑性圈與彈性圈交界處，使彈性區(qū)的應(yīng)力明顯升高。彈性區(qū)以外則是應(yīng)力基本未產(chǎn)生變化的天然應(yīng)力區(qū)(或稱原巖應(yīng)力區(qū))。塑性區(qū)的形狀和范圍，是確定加固方案、錨桿的布置和松散地壓的主要依據(jù)。,彈塑性理論求解塑性圈內(nèi)的圍巖重分布應(yīng)力,1．基本假設(shè)（1）深埋圓形水平巷道，無限長；（2）原巖應(yīng)力各向等壓；（3）圍巖為理想彈塑性體。2．基本方程在上述

29、假設(shè)條件下，為軸對稱問題。對彈性區(qū)和塑性區(qū)應(yīng)分別考察。在彈性區(qū)，應(yīng)力滿足的方程與前面相同（平衡方程、物理方程、幾何方程）。在塑性區(qū)，平衡方程為：,,強度準則方程（因為塑性區(qū)巖體往往處于極限平衡狀態(tài)，各應(yīng)力間滿足強度方程——極限平衡問題）為：可見，塑性區(qū)內(nèi)有兩個未知應(yīng)力兩個方程，可以求解而不需要幾何方程和物理方程（實際上塑性區(qū)的物理方程——即應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是很復(fù)雜的非線性關(guān)系）。,,,（C-M準則）,3．邊界條件分別列出彈性區(qū)

30、和塑性區(qū)邊界滿足的條件。對于彈性區(qū)，其外邊界為很遠處的原巖應(yīng)力區(qū)，內(nèi)邊界為彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界面（上述假設(shè)條件下該交界面為圓形）。塑形區(qū)的外邊界為彈形區(qū)和塑形區(qū)的交界面，內(nèi)邊界為巷道壁面。在彈性區(qū)與塑性區(qū)交界面上，應(yīng)滿足應(yīng)力連續(xù)條件。彈性區(qū)的外邊界：r??，?r=??=p0；彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界面處，r=Rp，?re=?rp，??e=??p；巷道壁面處，r=R0，?r=0(無支護)或?r=p(支護反力)。,,,4．解答上述方程聯(lián)

31、立求解并考慮邊界條件，可得彈性區(qū)與塑性區(qū)的應(yīng)力計算公式和塑性區(qū)(塑性松動圈)半徑Rp的計算公式。彈性區(qū)應(yīng)力：塑性區(qū)應(yīng)力：,,,,,,5．公式討論（1）塑性區(qū)應(yīng)力（包括洞壁處）與c、?、p有關(guān)，與原巖應(yīng)力p0無關(guān)；（2）塑、彈性圈交界面上的重分布應(yīng)力取決于p0和c、φ，而與p無關(guān)；（3）指數(shù)(1-sin?)/2sin?可理解為拉壓強度之比。由莫爾圓與強度直線的幾何關(guān)系可知，強度直線與橫軸的交點可看作莫爾點圓，代表三軸等拉的抗

32、拉強度，即c?ctg?；而單軸抗壓強度?c=2c?cos?/(1-sin?)；二者之比為(1-sin?)/2sin?。,,,,,,,二、有壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計算,引水隧道屬于有壓洞室。由于洞室內(nèi)壁上作用有較高的內(nèi)水壓力，使圍巖中的重分布應(yīng)力比較復(fù)雜。應(yīng)力變化過程：1）圍巖最初處于開挖后引起的重分布應(yīng)力之中；2）進行支護襯砌，使圍巖重分布應(yīng)力得到改善；3）洞室建成運行后洞內(nèi)壁作用有內(nèi)水壓力，使圍巖中產(chǎn)生一個附加應(yīng)力。,彈性厚壁筒

33、理論,在一內(nèi)半徑為a，外半徑為b的厚壁筒內(nèi)壁上作用有均布內(nèi)水壓力pa，外壁作用有均勻壓力pb。在內(nèi)水壓力作用下，內(nèi)壁向外均勻膨脹，其膨脹位移隨距離增大而減小，最后到距內(nèi)壁一定距離時達到零。附加徑向和環(huán)向（切向）應(yīng)力也是近洞壁大，遠離洞壁小。,厚壁筒厚度很大時，即b→∞，且pb＝p0時，則b2/(b2-a2)≈1，a2/(b2+a2)≈0，有若有壓洞室半徑為R0，內(nèi)水壓力為pa可見，有壓洞室圍巖重分布應(yīng)力σr和σθ由開

34、挖以后圍巖重分布應(yīng)力和內(nèi)水壓力引起的附加應(yīng)力兩項組成。前項為重分布應(yīng)力；后項為內(nèi)水壓力引起的附加應(yīng)力值。,內(nèi)水壓力使圍巖產(chǎn)生負的環(huán)向應(yīng)力，即拉應(yīng)力。當這個環(huán)向應(yīng)力很大時，則常使圍巖產(chǎn)生放射狀裂隙。內(nèi)水壓力使圍巖產(chǎn)生附加應(yīng)力的影響范圍大致也為5-6倍洞半徑。,由內(nèi)水壓力引起的附加應(yīng)力值：,第六章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析,§5.1 概述§5.2 圍巖重分布應(yīng)力計算§5.3 圍巖的變形與破壞

35、67;5.4 圍巖壓力計算§5.5 圍巖抗力與極限承載力,地下開挖后，巖體中形成一個自由變形空間，使原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐而發(fā)生向洞內(nèi)松脹變形；如果這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落形成坍塌、滑動或巖爆，即產(chǎn)生破壞。,圍巖變形破壞形式取決于圍巖應(yīng)力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)及洞室斷面形狀等因素,一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點,1、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學(xué)強度和抗

36、變形能力，主要結(jié)構(gòu)面是節(jié)理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學(xué)屬性上可視為均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性介質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變呈近似直線關(guān)系。圍巖具有很好的自穩(wěn)能力，其變形破壞形式主要有巖爆、脆性開裂及塊體滑移等。這類圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析，局部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來分析。,巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應(yīng)力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。脆性開裂出現(xiàn)在拉應(yīng)力集中部位。塊體滑移是塊狀巖體常見的破壞形成

37、。它是以結(jié)構(gòu)面切割而成的不穩(wěn)定塊體滑出的形式出現(xiàn)。其破壞規(guī)模與形態(tài)受結(jié)構(gòu)面的分布、組合形式及其與開挖面的相對關(guān)系控制。,堅硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙,2、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。結(jié)構(gòu)面以層理面為主，并有層間錯動及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等控制，破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。變形破壞?？捎脧椥粤骸椥园寤虿牧狭W(xué)中的壓桿平衡

38、理論來分析。,在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下，將產(chǎn)生下沉彎曲、開裂。在傾斜層狀圍巖中，沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落。另一側(cè)邊墻巖塊滑移，形成不對稱的塌落拱。在直立層狀圍巖中，當天然應(yīng)力比值系數(shù)λ＜1/3時，洞頂發(fā)生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側(cè)墻因壓力平行于層面，發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，危及洞頂安全。,3、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生夾泥的巖體。變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方

39、和滑動。用松散介質(zhì)極限平衡理論來分析。,在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大規(guī)模塌方。圍巖中含泥量很高時，由于巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入,4、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強烈構(gòu)造破碎、強烈風(fēng)化的巖體。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。圍巖結(jié)構(gòu)均勻時，以拱頂冒落為主。當圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松動巖體僅構(gòu)成局部圍巖時，常表現(xiàn)為局部塌方、塑性擠入及滑動等變形破壞形式?？捎盟缮⒔橘|(zhì)極限平衡理論配合流變理論來分析。

40、,圍巖的變形破壞是漸進式逐次發(fā)展的，其變形破壞過程： 開挖-->應(yīng)力調(diào)整-->變形、局部破壞-->再次調(diào)整 -->再次變形-->較大范圍破壞,分析圍巖變形破壞時，應(yīng)抓住其變形破壞的始發(fā)點和發(fā)生連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵點，預(yù)測變形破壞逐次發(fā)展及遷移的規(guī)律。在圍巖變形破壞的早期就加以處理，這樣才能有效地控制圍巖變形，確保圍巖的穩(wěn)定性。,二、圍巖位移計算,1、彈性位移計算 圍巖處于彈性狀態(tài),位移可用彈性理論進

41、行計算。分兩種情況:由重分布應(yīng)力引起由重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力之差引起,(1)由重分布應(yīng)力引起的彈性位移考察平面應(yīng)變條件下洞壁圍巖彈性位移。根據(jù)彈性理論，平面應(yīng)變與位移間的關(guān)系為：,平面應(yīng)變-應(yīng)力的物理方程,,求解得平面應(yīng)變條件下的圍巖位移公式：,在ph＝pv＝p0的天然應(yīng)力狀態(tài)中，洞壁僅產(chǎn)生徑向位移，而無環(huán)向位移。,洞壁處（r=R0）的彈性位移,靜水壓力式天然應(yīng)力場（ph=pv=p0）時：,,,(2)由重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力之差引

42、起的彈性位移天然應(yīng)力引起的位移在洞室開挖前就已經(jīng)完成了，開挖后洞壁的位移僅是重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力的應(yīng)力差引起的。假設(shè)巖體中天然應(yīng)力為ph＝pv＝p0 ，開挖前洞壁應(yīng)力為σr1＝σθ1 ＝p0，開挖后重分布應(yīng)力為σr2＝0，σθ2＝2p0。應(yīng)力差為,洞壁圍巖的徑向位移為,支護力為p，洞壁的徑向位移,2、塑性位移計算塑性位移采用彈塑性理論分析。基本思路：先求出彈、塑性圈交界面上的徑向位移，然后根據(jù)塑性圈體積不變的條件求洞壁的徑向位移

43、。,彈性圈內(nèi)的應(yīng)力等于p0引起的應(yīng)力，疊加上塑性圈作用于彈性圈的徑向應(yīng)力σRp引起的附加應(yīng)力之和。,由p0引起的應(yīng)力,由σRp引起的附加應(yīng)力,彈性圈內(nèi)的重分布應(yīng)力,開挖形成塑性圈后，彈、塑性圈交界面上的徑向應(yīng)力增量(Δσr)r＝Rp和環(huán)向應(yīng)力增量(Δσθ)r＝Rp為：,彈、塑性圈交界面上的徑向應(yīng)變εRp,彈、塑性圈交界面的徑向位移uRp,塑性圈作用于彈性圈的徑向應(yīng)力,由于塑性圈變形前后體積不變，即,略去高階微量后，可得洞壁的徑向位移,三

44、、圍巖破壞區(qū)范圍的確定方法,對于整體狀、塊狀巖體可用彈性力學(xué)或彈塑性力學(xué)方法確定其圍巖破壞區(qū)厚度。松散巖體常用松散介質(zhì)極限平衡理論方法來確定。1、彈性力學(xué)方法確定：破壞范圍、 破壞圈厚度破壞范圍：當K0＜1/3時，洞頂、底將出現(xiàn)拉應(yīng)力。若拉應(yīng)力大于圍巖的抗拉強度σt，則圍巖就要發(fā)生破壞。當K0>1/3時，洞壁圍巖均為壓應(yīng)力集中，當大于圍巖的抗壓強度σc時，洞壁圍巖就要破壞。,破壞圈厚度：當r>R0時，在θ＝0，

45、π/2，π，3π/2四個方向上，τrθ=0，σr和σθ為主應(yīng)力。而圍巖的強度（C—M破壞判據(jù)）：利用上述條件即可確定破壞圈的厚度。,,2、彈塑性力學(xué)方法在裂隙巖體中開挖地下洞室時，將在圍巖中出現(xiàn)一個塑性松動圈。圍巖的破壞圈厚度為Rp－R0。關(guān)鍵是確定塑性松動圈半徑Rp設(shè)巖體中的天然應(yīng)力為ph＝pv＝p0彈性圈內(nèi)的應(yīng)力彈、塑性圈交界面上的彈性應(yīng)力為,交界面上的塑性應(yīng)力界面上彈性應(yīng)力與塑性應(yīng)力相等，

46、即,,解出Rp,結(jié)論：地下洞室開挖后，圍巖塑性圈半徑Rp與巷道半徑R0成正比，與p0成正比，與c、?、p等成反比，即隨天然應(yīng)力p0增加而增大，隨支護力p、巖體強度c增加而減??；支護力p不能改變交界面上的應(yīng)力大小，但能控制塑性松動圈半徑(Rp)的大小。支護反力p=0時，Rp最大。,修正芬納-塔羅勃公式,卡斯特納(Kastner)公式,第六章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析,§5.1 概述§5.2 圍巖重分布應(yīng)力計算

47、§5.3 圍巖的變形與破壞§5.4 圍巖壓力計算§5.5 圍巖抗力與極限承載力,一、基本概念地下洞室圍巖在重分布應(yīng)力作用下產(chǎn)生過量的塑性變形或松動破壞，進而引起施加于支護襯砌上的壓力，稱為圍巖壓力。圍巖壓力是圍巖與支襯間的相互作用力，它與圍巖應(yīng)力不是同一個概念。圍巖應(yīng)力是巖體中的內(nèi)力，而圍巖壓力則是針對支襯結(jié)構(gòu)來說的，是作用于支護襯砌上的外力。按圍巖壓力的形成機理，可將其劃分為形變圍巖壓

48、力、松動圍巖壓力和沖擊圍巖壓力。,1、形變圍巖壓力形變圍巖壓力是由于圍巖塑性變形如塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓、彎折內(nèi)鼓等形成的擠壓力。產(chǎn)生形變圍巖壓力的條件： ①巖體較軟弱或破碎，圍巖應(yīng)力超過巖體的屈服極限而產(chǎn)生較大的塑性變形； ②深埋洞室，圍巖受壓力過大引起塑性流動變形。,一種特殊的形變圍巖壓力,膨脹圍巖壓力：膨脹圍巖由于礦物吸水膨脹產(chǎn)生的對支襯結(jié)構(gòu)的擠壓力。形成的基本條件：一是巖體中要有膨脹性粘土礦物(如蒙脫石等)；二是要

49、有地下水的作用。,2、松動圍巖壓力松動圍巖壓力是由于圍巖拉裂塌落、塊體滑移及重力坍塌等破壞引起的壓力，這是一種有限范圍內(nèi)脫落巖體重力施加于支護襯砌上的壓力。大小取決于圍巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面交切組合關(guān)系及地下水活動和支護時間等因素。松動圍巖壓力可采用松散體極限平衡或塊體極限平衡理論進行分析計算。,3、沖擊圍巖壓力沖擊圍巖壓力是由巖爆形成的一種特殊圍巖壓力。它是強度較高且較完整的彈脆性巖體過度受力后突然發(fā)生巖石彈射變形所引起的圍巖

50、壓力現(xiàn)象。沖擊圍巖壓力的大小與天然應(yīng)力狀態(tài)、圍巖力學(xué)屬性等密切相關(guān)，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影響。沖擊圍巖壓力的大小，目前無法進行準確計算，只能對沖擊圍巖壓力的產(chǎn)生條件及其產(chǎn)生可能性進行定性的評價預(yù)測。,二、圍巖壓力計算,1、形變圍巖壓力計算支襯結(jié)構(gòu)對圍巖的支護力p就是作用于支襯上的形變圍巖壓力,結(jié)論：p取決于天然應(yīng)力p0和巖體的c和φ；不僅處于彈性變形階段的圍巖有自承能力，處于塑性變形階段的圍巖也具有自承能

51、力；當Rp愈大時，維持極限平衡所需的p愈小。因此，在圍巖不至失穩(wěn)的情況下，適當擴大塑性區(qū)，可以減小圍巖壓力；塑性圍巖的這種自承能力是有限的，當p降到某一低值pmin時，塑性圈就要塌落，這時圍巖壓力可能反而增大。,2、松動圍巖壓力松動圍巖壓力是指松動塌落巖體重量所引起的作用在支護襯砌上的壓力。圍巖過度變形超過了它的抗變形能力，就會引起塌落等松動破壞，這時作用于支護襯砌上的圍巖壓力就等于塌落巖體的自重或分量。計算松動圍巖壓力的方

52、法主要有：平衡拱理論、太沙基理論及塊體極限平衡理論。,(1)平衡拱理論（又稱普氏理論）,該理論認為：洞室開挖以后，如不及時支護，洞頂巖體將不斷跨落而形成一個拱形，稱塌落拱。這個拱形最初不穩(wěn)定，如果側(cè)壁穩(wěn)定，拱高隨塌落不斷增高；反之，如側(cè)壁也不穩(wěn)定，則拱跨和拱高同時增大。當洞的埋深較大時，塌落拱不會無限發(fā)展，最終將在圍巖中形成一個自然平衡拱。作用于支護襯砌上的圍巖壓力就是平衡拱與襯砌間破碎巖體的重量，與拱外巖體無關(guān)。,曲線LOM

53、為平衡拱，對稱于y軸。在半跨LO段內(nèi)任取一點A，OA段的受力狀態(tài)為：半跨OM段對OA的水平作用力Rx，Rx對A點的力矩為Rxy；鉛直天然應(yīng)力σv在OA上的作用力σvx，它對A點的力矩為σvx/2；LA段對OA段的反力W，它對A點的力矩為零。,設(shè)平衡拱的拱高為h，半跨為b,拱的方程,考慮半拱LO的平衡，LO受Rx、σv作用，在拱腳L點受反力T和N作用。,f為巖體的普氏系數(shù)(或稱堅固性系數(shù)),洞側(cè)壁穩(wěn)定時：洞頂圍巖壓力為LOM以下巖體的重量

54、,洞室、側(cè)壁不穩(wěn)定時：洞的半跨將由b擴大至b1，側(cè)壁巖體將沿LE和MF滑動，滑面與垂直洞壁的夾角為α＝45?-φ/2 。,洞頂?shù)乃蓜訃鷰r壓力p1為AA’B’B塊體的重量,側(cè)壁圍巖壓力p2為滑移塊體A′EL或 B′MF的自重在水平方向上的投影。按土壓力理論計算：,平衡拱理論只適用散體結(jié)構(gòu)巖體；洞室上覆巖體需有一定的厚度(埋深H＞5b1)，才能形成平衡拱。,(2)太沙基理論,假定跨度為2b的矩形洞室，開挖在深度為H的巖體中。開挖以后側(cè)

55、壁穩(wěn)定，頂拱不穩(wěn)定，沿鉛直面AA′和BB′發(fā)生滑移?；泼娴募羟袕姸圈訛椋簬r體的天然應(yīng)力狀態(tài)為：,取厚度為dz的薄層分析：薄層的自重dG＝2bρgdz，極限平衡條件為,當z＝0時，σv＝0。當z=H時，σv即為作用于洞頂單位面積上的圍巖壓力，用q表示為：,側(cè)壁不穩(wěn)定時：側(cè)壁圍巖將沿與洞壁夾角呈45?-φ/2的面滑移。將柱體A′ABB′的自重扣除A′A，B′B面上的摩擦阻力，可得作用于洞頂單位面積上的圍巖壓力q：,太沙基

56、理論適用于散體結(jié)構(gòu)巖體中開挖的淺埋洞室。,(3)塊體極限平衡理論,地下洞室開挖后，圍巖中的某些塊體在自重作用下向洞內(nèi)滑移。作用在支護襯砌上的壓力就是這些滑體的重量或其分量。,步驟：找出結(jié)構(gòu)面的組合形式及其與洞軸線的關(guān)系。確定圍巖中可能不穩(wěn)定楔形體(或分離體)的位置和形狀。確定不穩(wěn)定體塌落或滑移的滑動方向、可能滑動面的位置、產(chǎn)狀和力學(xué)強度參數(shù)。對楔形體進行穩(wěn)定性計算。如果楔形體處于穩(wěn)定狀態(tài)，其圍巖壓力為零；如果不穩(wěn)定，就要具體地

57、計算其圍巖壓力。,1）洞頂圍巖壓力作用在楔形體的力：①圍巖重分布應(yīng)力；②結(jié)構(gòu)面剪切強度產(chǎn)生的抗滑力；③楔形體的自重G1。,如果楔形體不穩(wěn)定，則作用于洞頂支襯上的圍巖壓力pv就是該楔形體的自重。,2）側(cè)壁圍巖壓力楔形體DEFH所形成的側(cè)壁圍巖壓力ph等于楔形體的重量在滑動方向上的分力減去滑動面的摩阻力后，在水平方向上的分力。,若楔形體不穩(wěn)定，則該楔形體產(chǎn)生的側(cè)向圍巖壓力ph為：,3、巖爆(rockburst),巖爆,高天然應(yīng)力的

58、彈脆性巖體,地下開挖工程,開挖卸荷及特殊的地質(zhì)構(gòu)造作用,周邊巖體中應(yīng)力高度集中，積聚于較高的彈性應(yīng)變能,當開挖體圍巖中應(yīng)力超過巖體的容許極限狀態(tài),,,巖體中聚積的變形能在地下工程開挖中突然猛烈釋放，導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象——巖爆,（1）巖爆的產(chǎn)生條件,1)圍巖應(yīng)力條件 判斷巖爆發(fā)生的應(yīng)力條件有兩種方法：一是用洞壁的最大環(huán)向應(yīng)力σθ與圍巖單軸抗壓強度σc之比值作為巖爆產(chǎn)生的應(yīng)力條件；一是用天然應(yīng)力中的最大主應(yīng)力σ1與巖塊單

59、軸抗壓強度σc之比進行判斷。,巖爆發(fā)生的圍巖應(yīng)力條件經(jīng)驗公式：,σ1／σc大于0.165～0.35的脆性巖體最易發(fā)生巖爆。,2)巖性條件,彈性變形能系數(shù)ω：加載到0.7σc后再卸載至0.05σc時，卸載釋放的彈性變形能與加載吸收的變形能之比的百分數(shù)。,當ω＞70％時，會產(chǎn)生巖爆，ω越大發(fā)生巖爆的可能性越大。,應(yīng)變能消耗比：巖石單向壓縮時，達到強度極限前積累于巖石內(nèi)的應(yīng)變能與強度極限后消耗于巖石破壞的應(yīng)變能之比。,式中：FOAB為曲線O

60、AB包圍的面積；FBAC為曲線BAC包圍的面積。,n＜1時，不會發(fā)生巖爆；n＞1時，可能發(fā)生巖爆。,（2） 影響巖爆的因素,1)地質(zhì)構(gòu)造 巖爆大都發(fā)生在褶皺構(gòu)造中。巖爆與斷層、節(jié)理構(gòu)造密切相關(guān)。當掌子面與斷裂或節(jié)理走向平行時，容易觸發(fā)巖爆。巖體中節(jié)理密度和張開度對巖爆有明顯的影響。據(jù)南非金礦觀測表明，節(jié)理間距小于40cm，且張開的巖體中，一般不發(fā)生巖爆。掌子面巖體中有大量巖脈穿插時，也將發(fā)生巖爆。2)洞室埋深 隨著洞室埋深

61、增加，巖爆次數(shù)增多，強度也增大。發(fā)生巖爆的臨界深度H可按下式估算：,（3）巖爆形成機理和圍巖破壞區(qū)分帶,1)劈裂成板階段（巖爆孕育） 垂直洞壁方向受張應(yīng)力作用而產(chǎn)生平行于最大環(huán)向應(yīng)力的板狀劈裂。僅在洞壁表部，部分板裂巖體脫離 母巖而剝落，而無巖塊彈射出現(xiàn)。2)剪切成塊階段(巖爆的醞釀)劈裂巖板向洞內(nèi)彎曲，發(fā)生張剪復(fù) 合破壞。處于爆裂彈射的臨界狀態(tài)。3)塊、片彈射階段劈裂、剪斷巖板，產(chǎn)生響聲和震動。巖塊發(fā)生彈射，巖

62、爆形成。,巖爆的漸進性破壞過程很短促。各階段在演化的時序和發(fā)展的空間部位，都是由洞壁向圍巖深部依次重復(fù)更迭發(fā)生的。因此，巖爆引起的圍巖破壞區(qū)可以分彈射帶、劈裂-剪切帶和劈裂帶等三帶。,第六章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析,§5.1 概述§5.2 圍巖重分布應(yīng)力計算§5.3 圍巖的變形與破壞§5.4 圍巖壓力計算§5.5 圍巖抗力與極限承載力,洞室由于存在很高的內(nèi)水壓力作用

63、，迫使襯砌向圍巖方向變形，圍巖被迫后退時，將產(chǎn)生一個反力來阻止襯砌的變形。圍巖對襯砌的反力稱為圍巖抗力，或稱彈性抗力。圍巖抗力愈大，愈有利于襯砌的穩(wěn)定。圍巖抗力承擔了一部分內(nèi)水壓力，從而減小了襯砌所承受的內(nèi)水壓力，起到了保護襯砌的作用。充分利用圍巖抗力，可以大大地減薄襯砌的厚度，降低工程造價。圍巖極限承載力是表征圍巖承擔內(nèi)水壓力能力的指標。它主要與圍巖的強度性質(zhì)及天然應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。,一、圍巖抗力系數(shù)及其確定,圍巖抗力系數(shù)是表征圍巖

64、抵抗襯砌向圍巖方向變形能力的指標，定義為使洞壁圍巖產(chǎn)生一個單位徑向變形所需要的內(nèi)水壓力。,其中，Pa—洞壁受到的內(nèi)水壓力；y—洞壁圍巖向外產(chǎn)生的徑向位移。,(Mpa/cm),圍巖抗力系數(shù)（K）愈大，說明圍巖受內(nèi)水壓力的能力愈大。K值不是一個常數(shù)。它隨洞室尺寸而變化，洞室半徑越大，K值越小。,單位抗力系數(shù)是指洞室半徑為100cm時的抗力系數(shù)值。,確定方法：直接測定法、計算法和工程地質(zhì)類比(經(jīng)驗數(shù)據(jù))法。直接測定法有雙筒橡皮囊法、隧洞水

65、壓法和徑向千斤頂法。,雙筒橡皮囊法,用水泵對橡皮囊加壓使其擴張，對坑壁巖體施壓，使坑壁巖體受壓而向四周變形。,若坑壁無混凝土襯砌,若有混凝土襯砌,隧洞水壓法,在已開挖的隧洞中，選擇代表性地段將兩端堵死，進行水壓試驗，洞壁圍巖在水壓力的作用下發(fā)生徑向變形。,利用扁千斤頂代替水泵作為加壓工具對巖體施加徑向壓力，并測得徑向變形。,,徑向千斤頂法,計算法,根據(jù)圍巖抗力系數(shù)和彈性模量E與泊松比μ之間的理論關(guān)系來求圍巖的K和K0值。,堅硬、完整

66、、均質(zhì)和各向同性的巖體,軟弱和破碎巖體，或具有塑性圈的圍巖,式中：R1為裂隙區(qū)半徑(cm)。堅硬巖體：R1/R0＝3.0；軟弱、破碎巖體：R1/R0=300。,工程地質(zhì)類比法,根據(jù)已有建設(shè)經(jīng)驗，將擬建工程巖體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性、工程規(guī)模等因素與已建工程進行類比確定K值。,二、圍巖極限承載力的確定,圍巖極限承載力是指圍巖承擔內(nèi)水壓力的能力。圍巖極限承載力與圍巖的力學(xué)性質(zhì)及天然應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。有壓洞室開挖以后，圍巖處于重分布應(yīng)力狀態(tài)中。當洞

67、壁受到高壓水流的作用時，圍巖內(nèi)又產(chǎn)生一個附加應(yīng)力，使圍巖內(nèi)的應(yīng)力再次分布，產(chǎn)生新的重分布應(yīng)力。如果兩者疊加后的圍巖應(yīng)力大于或等于圍巖的強度時，則圍巖就要發(fā)生破壞，否則圍巖不破壞。,1、自重應(yīng)力作用下的圍巖極限承載力,設(shè)有一半徑為R0的圓形有壓隧洞，開挖在僅有自重應(yīng)力(σv＝ρgh，σh＝λρgh)作用的巖體中；洞頂埋深為h；洞內(nèi)壁作用的內(nèi)水壓力為pa。,由pa引起的洞壁上的附加應(yīng)力：,無水壓力時，洞壁上的重分布應(yīng)力：,有水壓力時，洞壁上