1、第五章 巖石地下工程,一、基本概念,圍巖：在巖體中進(jìn)行開挖以后，擾動(dòng)了原巖的自然平衡狀態(tài)，引起巖體中應(yīng)力的重新分布，發(fā)生應(yīng)力變化的那部分巖體稱之為圍巖。,應(yīng)力集中系數(shù)：巷道開往后的次生應(yīng)力與開挖前的原巖應(yīng)力之比。,橫向測壓系數(shù)：水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比。,二、巷道圍巖彈性區(qū)次生應(yīng)力分析,1、圓形巷道次生應(yīng)力分布,基本假設(shè)： 圍巖為均質(zhì)，各向同性、線彈性、無蠕變或粘性行為。 巷道長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巷道斷面尺寸，符合平面變形條件。 巷道深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巷道斷面尺寸，因此可忽略巷道圍巖自重。,彈性區(qū)次生應(yīng)力場特點(diǎn)： 、各應(yīng)力分量大小與巷道大小無關(guān)。 、各應(yīng)力分量與巖石的彈性模量和泊松比無關(guān)。 、側(cè)壓系數(shù)對(duì)圍巖應(yīng)

2、力有決定性影響。,、應(yīng)力集中系數(shù)的影響。 、采動(dòng)范圍的影響。 、巷道周邊應(yīng)力分布的影響。,、應(yīng)力集中系數(shù)的影響。 、采動(dòng)范圍的影響。 、巷道周邊應(yīng)力分布的影響。,不同時(shí)切向應(yīng)力隨角度變化的對(duì)應(yīng)值,2、橢圓形巷道次生應(yīng)力分布,橢圓形巷道周邊次生應(yīng)力分布隨軸比的變化(=1/4),3、矩形巷道次生應(yīng)力分布,4、直壁拱形巷道次生應(yīng)力分布,彈性區(qū)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律： 、圍巖應(yīng)力中，其決定作用的因素是：原巖應(yīng)力、側(cè)壓系數(shù)、斷面以及a/r等。 、形狀對(duì)圍巖應(yīng)力的影響往往比斷面大小更明顯。 、不論何種形狀的巷道，其圍巖應(yīng)力均隨著遠(yuǎn)離孔邊急劇下降，而且應(yīng)力集中程度越高，下降幅度越明顯。 、圓形巷道應(yīng)力集中程度最低

3、，平直周邊容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，拐角處容易產(chǎn)生高剪應(yīng)力。 、巷道的高寬比對(duì)圍巖應(yīng)力分布有重大影響，斷面的尺寸應(yīng)盡量與最大來壓方向一致。,相鄰巷道間的相互影響規(guī)律： 、當(dāng)巷道斷面相同時(shí)，其相互影響的距離可定為巷道最大尺寸的35倍，當(dāng)受爆破影響時(shí)，可增大為46倍。 、當(dāng)相鄰巷道中心連線與最大主應(yīng)力垂直時(shí)，巷道間巖柱的應(yīng)力集中程度增加；當(dāng)連線與最大主應(yīng)力一致時(shí)，應(yīng)力集中程度降低巷道可相互起到屏蔽作用。,三、相鄰巷道間的相互影響規(guī)律,、當(dāng)巷道斷面不等時(shí)，隨著兩者半徑之比的增大與距離的減小，大巷道對(duì)小巷道的影響越來越大，而小巷道對(duì)大巷道則幾乎沒有影響。試驗(yàn)表明，若大小巷道半徑之比為20時(shí)，減小間距，可使處于連

4、線上的小巷道周邊應(yīng)力集中明顯增大，但垂直于連線上的周邊應(yīng)力明顯降低，也起到了屏蔽作用。為降低大巷道對(duì)小巷道的影響，可減小兩巷道的半徑比。,二、巷道圍巖塑性區(qū)次生應(yīng)力分析,1、圓形巷道次生應(yīng)力(=1),上式中忽略高階無窮小，并令,2、庫侖-摩爾理論,由厚壁筒公式：,塑性區(qū)半徑的確定：,塑性區(qū)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律： 當(dāng)=1時(shí)，根據(jù)圍巖變形狀態(tài)，可將巷道周圍巖體從周邊開始向深部分為4個(gè)區(qū)域： 、松動(dòng)區(qū)（破裂區(qū)）：區(qū)內(nèi)巖體裂隙增多，越靠近巷道周邊越嚴(yán)重，其內(nèi)聚力趨近于0，內(nèi)摩擦角也有所降低，巖體強(qiáng)度明顯削弱。區(qū)內(nèi)巖體應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，故也稱應(yīng)力降低區(qū)。但巖體尚保持平衡，未發(fā)生冒落。 、塑性強(qiáng)化區(qū)：區(qū)內(nèi)巖體

5、處于塑性狀態(tài)，但仍具有較高的承載能力。區(qū)內(nèi)巖體應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，最大的應(yīng)力集中在塑性區(qū)與彈性區(qū)的交界處。 、彈性變形區(qū)：區(qū)內(nèi)巖體處于彈性狀態(tài)，區(qū)內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力高于原巖應(yīng)力，應(yīng)力接觸后能恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。 、原巖狀態(tài)區(qū)：不受開挖影響，仍處于原巖狀態(tài)。 當(dāng)1時(shí)，塑性區(qū)的形狀隨測壓系數(shù)不同而改變，此外塑性區(qū)的形狀還受巷道形狀、圍巖強(qiáng)度和原巖應(yīng)力大小的影響。,影響塑性區(qū)半徑的因素： 、巷道所在處的原巖應(yīng)力越大，巷道埋深越深，則塑性區(qū)范圍越大。 、支架對(duì)圍巖的支反力越大，塑性區(qū)的范圍越小，當(dāng)不支設(shè)支架時(shí)，巷道塑性區(qū)最大。 、巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角越小，巖體強(qiáng)度越低，塑性區(qū)越大。 、巷道半徑越大，塑性區(qū)越大，二者成正比關(guān)系。,（1）塑性區(qū)半徑的確定：,1、圍巖應(yīng)力條件：,2、莫爾應(yīng)力圓條件：,三、巷道圍巖位移,彈性區(qū)位移（無支護(hù)）,巷道周邊位移（無支護(hù)）,開巷前原巖在原巖應(yīng)力作用下產(chǎn)生的位移,由于開巷產(chǎn)生的位移,均