巖石地下工程之三--圍巖的變形與破壞地下開挖后，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，稱前者為變形，后者為破壞。圍巖變形破壞形式?jīng)Q定因素:圍巖應(yīng)力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)及洞室斷面形狀等一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點(diǎn)

1、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，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。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(dāng)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(qiáng)烈構(gòu)造破碎、強(qiáng)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(dāng)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。圍巖的變形破壞是漸進(jìn)式逐次發(fā)展的。

開挖-->應(yīng)力調(diào)整-->變形、局部破壞-->再次調(diào)整-->再次變形-->較大范圍破壞圍巖的變形破壞過程分析圍巖巖變形破破壞時，，應(yīng)抓住住其變形形破壞的的始發(fā)點(diǎn)和發(fā)生連連鎖反應(yīng)應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，預(yù)測變變形破壞壞逐次發(fā)發(fā)展及遷遷移的規(guī)規(guī)律。在在圍巖變變形破壞壞的早期期就加以以處理，，這樣才才能有效效地控制制圍巖變變形，確確保圍巖巖的穩(wěn)定定性。二、圍巖巖位移計計算1、彈性性位移計計算圍巖處于于彈性狀狀態(tài),位位移可用用彈性理理論進(jìn)行行計算。。分兩種情情況:由重分布布應(yīng)力引引起由重分布布應(yīng)力與與天然應(yīng)應(yīng)力之差差引起(1)由重分布布應(yīng)力引引起平面應(yīng)變變條件下下洞壁圍圍巖彈性性位移據(jù)彈性理論論，平面應(yīng)應(yīng)變與位位移間的的關(guān)系為為：平面應(yīng)變變-應(yīng)力力的物理理方程平面應(yīng)變變條件下下的圍巖巖位移靜水壓力力式天然然應(yīng)力在σh＝σv＝σ0的天然應(yīng)力狀狀態(tài)中，洞壁壁僅產(chǎn)生徑向向位移，而無環(huán)向位移。洞壁的彈性位位移(2)由重分布應(yīng)力力與天然應(yīng)力力之差引起天然應(yīng)力引起起的位移在洞洞室開挖前就就已經(jīng)完成了了，開挖后洞洞壁的位移僅僅是重分布應(yīng)應(yīng)力與天然應(yīng)應(yīng)力的應(yīng)力差差引起的。假設(shè)巖體中天天然應(yīng)力為σh＝σv＝σ0，開挖前洞壁應(yīng)應(yīng)力為σr1＝σθ1＝σ0，開挖后重分布布應(yīng)力為σr2＝0，σθ2＝2σ0。應(yīng)力差為洞壁圍巖的徑徑向位移為支護(hù)力為pi，洞壁的徑向位位移2、塑性位移移計算塑性位移采用用彈塑性理論分析基本思路:先求出彈、、塑性圈交界界面上的徑向向位移，然后后根據(jù)塑性圈圈體積不變的的條件求洞壁壁的徑向位移移。彈性圈內(nèi)的應(yīng)力等于σ0引起的應(yīng)力，，疊加上塑性性圈作用于彈彈性圈的徑向向應(yīng)力σR1引起的附加應(yīng)應(yīng)力之和。由σ0引起的應(yīng)力由σR1引起的附加應(yīng)應(yīng)力彈性圈內(nèi)的重重分布應(yīng)力開挖形成塑性性圈后，彈、、塑性圈交界界面上的徑向向應(yīng)力增量(Δσr)r＝R1和環(huán)向應(yīng)力增增量(Δσθ)r＝R1為：彈、塑性圈交交界面上的徑向應(yīng)變εR1彈、塑性圈交交界面的徑向位移uR1塑性圈作用于于彈性圈的徑徑向應(yīng)力塑性圈變形前前后體積不變變略去高階微量量后，可得洞洞壁的徑向位位移三、圍巖破壞壞區(qū)范圍的確確定方法對于整體狀、塊狀狀巖體可用彈性力學(xué)學(xué)或彈塑性力力學(xué)方法確定定其圍巖破壞壞區(qū)厚度。松散巖體常用松散介質(zhì)質(zhì)極限平衡理理論方法來確確定。1、彈性力學(xué)方法法確定：破壞范范圍破壞圈厚度洞頂、底將出出現(xiàn)拉應(yīng)力。。若拉應(yīng)力大大于圍巖的抗抗拉強(qiáng)度σt，則圍巖就要要發(fā)生破壞。。破壞范圍(λ＜1/3)洞壁圍巖均為為壓應(yīng)力集中中，當(dāng)大于圍圍巖的抗壓強(qiáng)強(qiáng)度σc時，洞壁圍巖巖就要破壞。。破壞范圍(λ>1/3)破壞圈厚度當(dāng)r>R0時，在θ＝0，π/2，，π，3π/2四個方向向上，τrθ=0，σr和σθ為主應(yīng)力。圍巖的強(qiáng)度2、彈塑性力力學(xué)方法在裂隙巖體中中開挖地下洞洞室時，將在在圍巖中出現(xiàn)現(xiàn)一個塑性松松動圈。圍巖巖的破壞圈厚厚度為R1－R0關(guān)鍵是確定塑性松動圈半半徑R1設(shè)巖體中的天天然應(yīng)力為σσh＝σv＝σ0彈性圈內(nèi)的應(yīng)應(yīng)力彈、塑性圈交交界面上的彈彈性應(yīng)力為交界面上