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5 围 岩 压 力 主讲 林锋 5.1 概述 5.2 弹塑性理论计算围岩压力 5.2.1 弹性分析 5.2.2 弹塑性分析 5.3 松散围岩的围岩压力计算 5.3.1 普氏理论 5.3.2 太沙基理论 5.3.3 块体平衡理论计算围岩压力 脆性围岩变形与破坏的形式和特点主要决定于围岩结构 ,一般有弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移、碎裂 松动以及岩爆等。 5.1 概述 塑性围岩在应力重分布和水的作用下,主要变形破坏类 型包括: (1) 塑性挤出; (2) 膨胀内鼓; (3) 塑流涌出; (4)重力坍塌等。 5 围岩压力 (二)基本概念 (1)围岩压力 硐室开挖破坏了围岩范围内的应力平衡状态,导致围岩 变形甚至破坏。为了保障硐室的稳定安全必须进行支护以阻 止围岩过大变形和破坏,这样,支护结构与围岩间产生相互 作用,围岩作用于支护结构上的力就是围岩压力。围岩压力 可以分为垂直压力、水平压力和底部压力。 在采矿工程中,围岩应力和围岩压力都称为矿山压力。 广义围岩压力包括以下几部分: 变形压力, 松动压力, 膨胀压力, 冲击和撞击压力。 5.1 概述 (2)变形压力,也可称为变形围岩压力, 由于围岩的变形受到支护的抑制而产生的围岩压力。 变形压力的大小,与原岩应力大小、岩体力学性质、支 护结构刚度和支护时间等因素有关。一般在用弹塑性、粘弹 塑性原理进行分析,包括解析法和数值分析方法。 (3)松动压力 包括塌落围岩压力和块体滑落围岩压力。 由于硐室开挖,导致围岩松动或塌落,并以重力形式直 接作用在支护上的形成的围岩压力。 较大块体稳定性问题,可以采用块体理论进行分析。 塌落岩体形成的围岩压力,可以采用普氏理论、泰沙基 理论、有关规范的围岩压力计算公式等进行分析 (4)膨胀压力 岩体具有吸水、膨胀、崩解特性,由此引起的围岩压力称 为膨胀压力。岩体的膨胀性,主要决定于其中蒙脱石、伊利石 和高岭土的含量,以及外界水的渗入和地下水的活动特征。 膨胀压力与岩体的状态、隧道结构形式等因素有关,膨胀 荷载的大小确定,通常根据经验数据或测量结果来估计。 (5)冲击和撞击压力 撞击围岩压力:是回采工作面上覆岩层剧烈运动时对巷 道支护所产生的压力。 冲击围岩压力是指围岩积累了大量弹性变形能之后,突 然释放出来所产生的压力。冲击压力又称为岩爆。 5.1 概述 围岩压力主要决定于以下7方面因素: (1)初始应力状态及硐室形状、大小 圆形、椭圆形和拱形硐室的围岩应力集中程度较小,显 然,围岩压力相对较小。 围岩压力随跨度的增加而增加,但不一定成正比。 如我国单线和双线铁路隧道的跨度相差80%,但围岩压力 相差仅为50%左右。在稳定性较差的岩体内开挖硐室,实际的 围岩压力往往比按照常用方法计算得到的压力大得多。 (2)地层岩性及地质构造 地层岩性及地质构造条件不同,岩体结构特征及岩体质量 不同,相应地,岩体的变形破坏特征及围岩压力也就不同。 三、 围岩压力影响因素 5.1 概述 (3)地下水的影响:软化岩体,直接提供压力; (4)支护的形式、时机及和刚度:当围岩出现松动圈或 塌落拱时,支护的作用主要承受松动岩体或塌落岩体的重量 ,支护主要起承载作用,这类支护可以称为外部支护;当围 岩处于有限变形中,支护的作用主要为限制围岩的变形,起 约束作用,这类支护也叫内承支护或自承支护,主要通过化 学灌浆、水泥灌浆、锚杆、预应力锚杆、喷混凝土等方式加 固围岩,提高围岩的自承能力。 支护时机的早晚,支护结构本身的刚度,与围岩变形限制 程度有关,从而决定围岩压力的大小。 (5)时间:流变效应或变形的时间滞后效应,与围岩变形 发展有关,从而影响围岩压力的大小。 (6)施工方法:掘进的方法不同,对围岩扰动程度不同。 (7)埋深:上覆岩层安全厚度,初始地应力。 三、 围岩压力影响因素 大体上,围岩压力确定方法主要有: (1)现场实测法; (2)连续介质力学方法:解析法、数值分析(有限元,有 限差分法,边界元法、流形元等); (3)非连续介质力学方法,如离散元法; (4)围岩分类法:公路、铁路围岩分类法; (5)散体围岩压力理论:普氏理论和太沙基理论等; (6)块体理论及赤平投影分析 (7)工程地质类比法 (8)物理模拟法等 目前,围岩压力理论总体上还处于验证和发展阶段。 采用一种理论来解决各种不同地质条件下和不同目的的地下 工程围岩稳定是不现实的。 四、围岩压力的确定方法 5.1 概述 5.2 弹塑性理论计算围岩压力 考虑围岩为连续介质,计算保持围岩变形稳定的需要提 供的支护力,计算出来的围岩压力属于变形压力。 围岩具有弹性、塑性和粘性性质。根据问题的复杂性和 安全性要求,可以选用如下方法: (1)解析法,可以将围岩考虑为弹性介质、弹塑性介 质,甚至可以考虑粘性性质。只适用于少数情况。 (2)数值法,包括有限单元法和有限差分法,流形元 等。由于目前数值计算理论的发展,可以采用简单的线性弹 性模型,也可以考虑采用弹塑性模型,粘弹塑性模型等。 5 围岩压力 (2)用硐室周边位移表示围岩压力 围岩压力或叫支撑反力的位移表达公式如下: (5.2-1) 式中,G为剪切模量: 为洞壁径向位移,单位m。 为围岩压力或支撑反力。 由上式变换,可得洞壁径向位移计算公式: (5.2-2) 5.2.2 弹塑性分析 (2)用硐室周边位移表示围岩压力 1)硐壁径向位移与支撑反力 成反比(曲线),当支撑反力低 到一定值,围岩破坏,坍塌岩体导 致压力增大。 讨论: 2)支护时机选择不同,则有 不同的结果:选择的过早,围岩 压力很大,变形很快稳定;过晚 ,且支护力不够,则变形会进一 步发展到失稳;合适的支护时机 ,变形会趋于稳定,且支护力也 不大(曲线) 稳定支护 径向位移 实测曲线 硐壁径向 位移实测 曲线示意 3)上述分析为新奥法施工根据反馈信息选择支护时机及 支护力的主要思路。 5.3 松散围岩的围岩压力计算 地下开挖对周围地层的力学作用强度随距离而衰减。深 埋隧道上覆地层的变形松动坍塌过程会在地表以下某个 相对稳定的范围终止,就好像坍塌范围的周边出现了一架能 够承受上覆岩层的“压力拱结构”。这种现象叫做地层的成拱 作用。此时,拱下坍落的重量决定的顶部压力。 5.3.1普氏理论 此理论是由俄国学者普罗托季亚科诺夫提出的。 (一)基本假定 (1)岩体为没有粘聚力的松散体:他认为岩体中的结构面 完全破坏了的岩体整体性,虽然岩体具有弱的粘聚力,但可 以忽略;岩体抗拉、抗减、抗弯能力都极其微弱。 (2)深埋硐室开挖首先引起洞顶塌落,但这种塌落是有一 定限度的,并在洞顶形成一自然平衡拱。 5.3.1普氏理论 (1)自然拱的切线方向只作 用有压应力,固称为压力拱; (2)压力拱以上岩体的重量 (压力)通过压力拱传递到拱 脚及附近岩体中。 这可能会导致边墙破坏。固 稳定的压力拱应是考虑边墙可 能失稳范围后的最终压力拱。 (3)作用在衬砌上的压力就 是压力拱与衬砌之间的岩石的 重量,而与拱外岩体无关。 所以,问题的关键在于正确 确定拱的形状。 a (二)受力分析 Rx 5.3.1 普氏理论 当地质条件对称时,压力拱的受力和形状也必然对称。 将压力拱(线)作为研究对象,按对称问题进行研究。 取一半拱线分析,上端点受到轴向力Rx,下端点受水平和 垂向力作用(T,N)。 拱线受垂直和水平应力作用,一般将水平应力计入拱座水 平推力T 中。 忽略应力随着高度的变化。 (二)受力分析 当压力拱处于极限平衡状态时,在拱座处,满足下式: 由(3)、(5)式: 上式中,h 为普氏拱的高度,也可以成为荷载等效高度;b 为拱跨一半; f 为普氏系数,或者称为岩石的坚固性系数 ,其物理意义可以理解为增大了的摩擦系数。 (5.3- 5) 从安全角度,普氏将上式改为: (5.3-6) 由(2)、(4)、(6)式得: (5.3-7) (三)拱形及拱高 普 氏 系 数 表 普氏系数的确定一般有三种方法: 一般岩体: 砂土及其他松散材料完整坚硬岩石(Rc(MPa) 洞顶的垂向压力为: 式中,b为半拱跨,其与半洞跨的关系如下: (5.3-8) (四)洞顶垂直围岩压力 如果硐壁不稳,硐壁两 侧产生向洞内变形,从而导 致测向围岩压力。 侧向围岩压力可根据朗 肯主动土压力理论计算。 洞顶垂向压力可以作为 超载计入对侧压的影响。 (五)侧向围岩压力 (五)侧向围岩压力 硐壁侧向围岩压力计算公式如下(梯形分布)。 h b 2a Pa (5.3-9) 需要求出合力作 用点的位置。 引起底部围岩压力的有几种可能:硐底岩石的膨胀;硐室两 侧岩石在较大压力作用下使其向洞内挤入。考虑第二种情况。 底部围岩压力的计算模型:AB线外侧,在上覆压力作用下 ,形成水平向内的主动土压力;硐底岩体以被动土压力方式对 抗上述主动土压力,硐底阻抗岩体最大宽度为硐室跨度2a。 (六)底部围岩压力 显然,在主动土压力大于被动土压力范围段内,才会有可 能导致底部围岩压力。为此,首先需要确定临界深度。 (令上两式相等): 对于BF段,右侧为主动土压力,左侧为被动土压力,对于 BF段上任一点y处,有: ( 5.3-10) 普氏理论虽然比较简单,使用比较方便,但存在以下问题: (1)将围岩视为无粘聚力的松散体,这与大多数岩体的实 际情况不符;一般在断裂破碎带内才接近这种假设; (2)岩石坚固性系数不是岩体本身的特性参数,也无法通过 试验直接确定; (3)普氏理论中,顶部围岩压力最大,这与许多实际工程不 符(最大顶压常常偏离洞顶); (4)按照普氏理论,围岩压力只与硐室跨度大小有关,而与 硐型、上覆岩层的厚度以及施工方法、程序等无关,这些都与实 际不完全相符。实际上,只适用于足够埋深以下。 (5)不适用于围岩明显偏压情况。 (七)对“普氏理论”的讨论 例题5.3-1 某洞室建在普通的泥灰岩中。宽2a=8m,高H =5m ,试求围岩压力。 解. 根据围岩条件查普氏分类表, f =2, = 24 KN/m3,f=65。 则普氏拱高度h0为: (1) 求顶部围岩压力 顶部围岩压力方向:垂直向下,合力作用点在洞室拱顶中部。 例题5.3-1 (2) 求侧向围岩压力 侧向围岩压力的合力为: 侧向围岩压力方向为水平指向洞内,其合力作用点计算如下: 以墙脚作为参考点(如图): 例题5.3-1 (3) 求底部围岩压力 首先求底部压力计算深度y0: 由于y00,远小于洞室跨度,故
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