1、山巖壓力及圍巖穩(wěn)定性分析,巖石力學(xué)課程組 華北水利水電學(xué)院,第章,學(xué)習(xí)指導(dǎo),本章主要介紹了兩部分內(nèi)容為山巖壓力與圍巖穩(wěn)定性分析，介紹了圍巖應(yīng)力重分布，地下洞室脆性圍巖和塑性圍巖的變形破壞形式，影響地下工程巖體穩(wěn)定的因素，著重介紹了山巖壓力與圍巖穩(wěn)定性分析方法，其中包括山巖壓力的概念、影響因素，太沙基理論。,本章重點(diǎn),1 地下洞室開挖引起的圍巖應(yīng)力重分布 2 地下洞室圍巖的變形破壞 3 地下工程巖體穩(wěn)定性的影響因素 4 洞室圍巖穩(wěn)定性分析,6.1 地下洞室開挖引起的圍巖應(yīng)力重分布,概念： 由于在巖體內(nèi)開挖洞室，洞室圍巖各質(zhì)點(diǎn)的原有應(yīng)力的平衡狀態(tài)就受到破壞，各質(zhì)點(diǎn)就要產(chǎn)生位移調(diào)整，以達(dá)到新的平衡位

2、置。巖體內(nèi)某個(gè)方向原來(lái)處于緊張壓縮狀態(tài)，現(xiàn)在可能發(fā)生松脹，另一個(gè)方向可能反而擠壓的程度更大了。相應(yīng)地，圍巖內(nèi)的應(yīng)力大小和主應(yīng)力方向也發(fā)生了改變，這種現(xiàn)象叫做圍巖應(yīng)力重分布。,6.2 地下洞室圍巖的變形破壞,圍巖變形破壞的形式與特點(diǎn)，除與巖體內(nèi)的初始應(yīng)力狀態(tài)和洞形有關(guān)外，主要取決于圍巖的巖性和結(jié)構(gòu) 圍巖這類變形破壞由外向內(nèi)逐步發(fā)展的結(jié)果，?？稍诙词抑車纬伤蓜?dòng)圈，圍巖內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也將因松動(dòng)圈內(nèi)的應(yīng)力被釋放而重新調(diào)整，形成一定的應(yīng)力分布帶。,脆性圍巖的變形破壞,脆性圍巖的變形破壞有不同的類型 1)張裂坍落 2)劈裂 3)剪切滑動(dòng)或破壞 4)巖爆 巖爆是圍巖的一種劇烈的脆性破壞，常以“爆炸”的形式出

3、現(xiàn)。巖爆發(fā)生時(shí)能拋出大小不等的巖塊，大型者常伴有強(qiáng)烈的震動(dòng)、氣浪和巨響，對(duì)地下開挖和地下采掘事業(yè)造成很大的危害。 5)彎折內(nèi)鼓,塑性圍巖的變形破壞,（1）擠出 洞室開挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)塑性圍巖的屈服強(qiáng)度時(shí)，軟弱的塑性物質(zhì)就會(huì)沿最大應(yīng)力梯度方向向消除了阻力的自由空間擠出。易于被擠出的巖體，主要是那些固結(jié)程度差、富含泥質(zhì)的軟弱巖層，以及擠壓破碎或風(fēng)化破碎的巖體。 （2）膨脹 膨脹變形有吸水膨脹和減壓膨脹兩類不同的機(jī)制。 （3）涌流和坍塌 涌流是松散破碎物質(zhì)和高壓水一起呈泥漿狀突然涌入洞中的現(xiàn)象，多發(fā)生在開挖揭穿了飽水?dāng)嗔哑扑閹У牟课弧?坍塌是松散破碎巖石的重力作用下自由垮落的現(xiàn)象。,圍巖變形破壞

4、的累進(jìn)性發(fā)展,大量的實(shí)踐表明，地下工程圍巖的變形破壞通常是累進(jìn)性發(fā)展的。由于圍巖內(nèi)應(yīng)力分布的不均勻性以及巖體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度的不均勻性及各向異性，那些應(yīng)力集中程度高，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又相對(duì)較低的部位往往是累進(jìn)性破壞的突破口，在大范圍圍巖尚保持整體穩(wěn)定性的情況下，這些應(yīng)力 強(qiáng)度關(guān)系中的最薄弱部位就可能發(fā)生局部破壞，并使應(yīng)力向其它部位轉(zhuǎn)移，引起另一些次薄弱部位的破壞，如此逐次發(fā)展連鎖反應(yīng)，終將導(dǎo)致大范圍圍巖的失穩(wěn)破壞。,6.3 地下工程巖體穩(wěn)定性的影響因素,1)巖土性質(zhì) 2)地質(zhì)構(gòu)造和巖體結(jié)構(gòu) 3)地下水因素 4)地應(yīng)力,6.4 山巖壓力與洞室圍巖穩(wěn)定性計(jì)算,山巖壓力的概念 在水工建設(shè)中，把由于洞室圍巖的變形

5、和破壞而作用在支護(hù)或襯砌上的壓力，稱為山巖壓力，有的稱為“地層壓力”，“圍巖壓力”，“地壓”，“巖石壓力”，都是與山巖壓力同一個(gè)意義。,6.4 山巖壓力與洞室圍巖穩(wěn)定性計(jì)算,山巖壓力的形成 洞室周圍的山巖壓力隨著時(shí)間的發(fā)展可以分為三個(gè)階段 第I階段：由于巖體的變形，在洞室的周界上產(chǎn)生一般的擠壓，同時(shí)，在兩側(cè)的巖石因剪切破壞而形成了楔形巖塊，這兩個(gè)楔形巖塊有朝著洞室內(nèi)部移動(dòng)的趨向。 第階段：在側(cè)向楔形體發(fā)生某種變形以后，在巖體內(nèi)形成了一個(gè)橢圓形的高壓力區(qū)，在橢圓曲線與洞室周界線間的巖體發(fā)生了松動(dòng)。 第階段：洞頂和洞底的松動(dòng)巖體開始變形，并向著洞內(nèi)移動(dòng)，洞頂松動(dòng)巖石在重力作用下有掉落的趨勢(shì)，山巖壓

6、力逐漸增加。,6.4 山巖壓力與洞室圍巖穩(wěn)定性計(jì)算,山巖壓力的形成是與洞室開挖后巖體的變形、松動(dòng)和破壞分不開的。通常將由于巖體變形而對(duì)支護(hù)或襯砌給予的壓力，稱為變形壓力；將巖體破壞和松動(dòng)對(duì)支護(hù)或襯砌造成的壓力，稱為松動(dòng)壓力。變形量的大小以及破壞程度的強(qiáng)弱就決定著山巖壓力的大小。,6.4 山巖壓力與洞室圍巖穩(wěn)定性計(jì)算,影響山巖壓力的因素 (1)洞室的形狀和大小 (2)地質(zhì)構(gòu)造 (3)支護(hù)的型式和剛度 (4)洞室深度 (5)時(shí)間 (6)施工方法,6.4 山巖壓力與洞室圍巖穩(wěn)定性計(jì)算,太沙基理論 太沙基理論中假定巖石為散粒體，并具有一定的凝聚力,太沙基假定巖體為“散粒體”，對(duì)巖石作了比較簡(jiǎn)單的假定，沒(méi)有對(duì)洞室圍巖進(jìn)行較嚴(yán)密的應(yīng)力和強(qiáng)度分析，計(jì)算一部分巖石的自重作用下對(duì)洞室引起的山巖壓力，這些壓力實(shí)際上都是松動(dòng)壓力。,6.4 山巖壓力與洞室圍巖穩(wěn)定性計(jì)算,彈塑性理論 多年來(lái)，許多巖石力學(xué)工作者以彈塑性理論為基礎(chǔ)研究了圍巖的應(yīng)力和穩(wěn)定情況以及山巖壓力。從理論上講，彈塑性理論比前面的理論要嚴(yán)密些，但是彈塑性理論的數(shù)學(xué)運(yùn)算較復(fù)雜，公式也較繁。此外，在進(jìn)行公式推導(dǎo)時(shí)，也必須附加一些假設(shè)，否則也不能得出所需求的解答。為了簡(jiǎn)化計(jì)算和分析，目前總是對(duì)圓形洞室進(jìn)行分析，因?yàn)閳A形洞室在特定的條件下是應(yīng)力軸對(duì)稱的