巖體力學(xué)第六章巖石地下工程介紹

1、巖體力學(xué)第六章巖石地下工程介紹地應(yīng)力及其測量一、地應(yīng)力:是存在于地層中的未受工程擾動的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力。 自重應(yīng)力:由上覆巖體的自重所引起的應(yīng)力。 構(gòu)造應(yīng)力:地層中由于過去地質(zhì)構(gòu)造運動產(chǎn)生和現(xiàn)在正 在活動與變化的應(yīng)力，地質(zhì)作用殘存的應(yīng)力。上次課內(nèi)容二、地應(yīng)力分布理論： 1）海姆假設(shè)： 2）金尼克假設(shè)：直接測量法：由測量儀器直接測量和記錄各種應(yīng)力量，并由這些應(yīng) 力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過計算獲得原巖應(yīng)力值。 間接測量法：借助某些傳感元件或某些介質(zhì)，測量和記錄巖體中 某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，然后由測得的間接物 理量的變化，通過已知的公式計算巖體中的應(yīng)力值

2、。 三、測量方法：巖石地下工程：是指在巖石中開挖并臨時或永久修建的各種工程。如地下井巷、隧道、峒室等主要內(nèi)容：巖體二次應(yīng)力狀態(tài)基本概念巖石地下工程圍巖應(yīng)力解析法分析圍巖壓力與控制巖石地下工程的監(jiān)測及軟巖支護第六章 巖石地下工程第一節(jié) 巖體二次應(yīng)力狀態(tài)的基本概念圍巖：由于人工開挖使巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，應(yīng)力 狀態(tài)被改變了的巖體叫圍巖。應(yīng)力重分布：從原始應(yīng)力場變化到新的平衡應(yīng)力場的過程。 二次應(yīng)力：經(jīng)過應(yīng)力重分布形成的新的平衡應(yīng)力 。地壓顯現(xiàn)(現(xiàn)象)：開巷及由于應(yīng)力重新分布而引起圍巖支架 的變形與破壞現(xiàn)象。 地壓：即地層壓力，通常指由于圍巖的變形與破壞而對支護 結(jié)構(gòu)的作用力。 圍巖作用在支護結(jié)

3、構(gòu)的力，稱為狹義地壓。 巖體內(nèi)部原巖作用于圍巖上的壓力，叫做廣義地壓。 掌握概念地下工程穩(wěn)定穩(wěn)定定義：地下工程工作期限內(nèi)，安全和所 需最小斷面得以保證，稱為穩(wěn)定。 穩(wěn)定條件 ： 地下工程巖體或支護體中危險點的應(yīng)力和位移； 巖體或支護材料的強度極限和位移極限。 求二次應(yīng)力狀態(tài)時，要給出的基本條件： 原始應(yīng)力 本構(gòu)關(guān)系 巖體性質(zhì)參數(shù)地下工程穩(wěn)定性自穩(wěn)：不需要支護圍巖自身能保持長期穩(wěn)定人工穩(wěn)定：需要支護才能保持圍巖穩(wěn)定可分為兩類：穩(wěn)定性問題的力學(xué)本質(zhì)自穩(wěn)不自穩(wěn)圍巖內(nèi)危險點的應(yīng)力和位移計算圍巖壓力支護中危險點的應(yīng)力或位移大于支護極限小于支護極限人工穩(wěn)定改革支護深埋地下工程地下工程自身影響達不到地表的，

4、稱為深埋。反之淺埋（2）當埋深等于或大于巷道半徑R0或其寬、高之半的20倍以上時，巷道影響范圍（3-5 R0 ）以內(nèi)的巖體自重可以忽略不計；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。其它類型巷道，或作為空間問題，或作為全平面應(yīng)變問題處理。深埋地下工程的特點為：（1）可視為無限體中的孔洞問題，孔洞各方向無窮遠處，仍為原巖應(yīng)力；掌握概念解析方法數(shù)值方法試驗方法地下工程穩(wěn)定性分析途徑本章難點內(nèi)容彈性彈-塑性松散圍巖應(yīng)力、支護上的壓力圍巖分類：破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)深埋地下工程力學(xué)模型解析法是指采用數(shù)學(xué)力學(xué)的計算取得閉合解

5、的方法。在采用數(shù)學(xué)力學(xué)方法解巖石力學(xué)問題時，必然要用到反映這些巖石力學(xué)基本性質(zhì)的關(guān)系式，即本構(gòu)方程。因此在使用解析法時，要特別注意這些物理量關(guān)系式和巖體所處的物理狀態(tài)相匹配，反映其真實的力學(xué)行為。例如：在自穩(wěn)情況下，巖體處于全應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰前階段，巖體屬于變形體范疇，通常用變形體力學(xué)的方法研究。應(yīng)力不超過彈性范圍時，最適合用彈性力學(xué)方法，否則宜用彈塑性力學(xué)或損傷力學(xué)方法研究。第二節(jié) 巖石地下工程圍巖應(yīng)力解析法分析 深埋圓形洞室二次應(yīng)力狀態(tài)的彈性分布 一、側(cè)壓力系數(shù)計算模型1、基本假設(shè)圍巖為均質(zhì)、各向同性，線彈性，原巖應(yīng)力為各向等壓狀態(tài)巷道斷面為圓形，可用平面應(yīng)變問題求解符合埋深條件，當埋深等

6、于或大于巷道半徑R0的20倍以上時，巷道影響范圍（35 R0 ）以內(nèi)的巖體自重可以忽略不計；原巖水平應(yīng)力可以簡化為均勻分布，通常誤差不大（10以下）；簡化結(jié)果：載荷與結(jié)構(gòu)都是軸對稱的平面應(yīng)變圓孔問題 2、基本方程平衡方程：即 上式中，忽略高階無窮小量，令，可得方程： （1） 幾何方程：徑向變形： 則徑向應(yīng)變 切向變形： 則切向應(yīng)變 （2） 3、邊界條件本構(gòu)方程：廣義虎克定律 （3） 邊界條件：4、結(jié)論 1）雙向等壓應(yīng)力場中，圓孔周邊處于壓應(yīng)力狀態(tài)2）雙向等壓應(yīng)力場中，圓孔周邊最大應(yīng)力集中系數(shù)，與孔徑無關(guān)，而其他各點應(yīng)力與孔徑有關(guān)3）若以超過原巖應(yīng)力值的5作為影響半徑的邊界，則的影響半徑r= 5

7、r0 4）雙向等壓應(yīng)力場中，圓孔周邊任意點切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力之和為常數(shù)2P0.圓形洞室二次應(yīng)力分布計算模型I軸對稱II反對稱深埋圓形洞室二次應(yīng)力狀態(tài)的彈性分布 二、側(cè)壓力系數(shù)（雙向不等壓） 應(yīng)力位移分析 III加二次應(yīng)力埸等于(10)4、討論 1）當 ，上式同雙向等壓狀態(tài)下的應(yīng)力分布，即等壓應(yīng)力場是雙向不等壓應(yīng)力狀態(tài)下的特例2）周邊應(yīng)力情況時有顯然，在 的情況下，巷道橫軸位置（ ）有最大壓應(yīng)力，而在豎軸位置有最小應(yīng)力，使豎軸處恰好不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件為 即從而得： 時4、討論 由此可見：周邊不出現(xiàn)拉應(yīng)力；周邊將出現(xiàn)拉應(yīng)力； 恰好不出現(xiàn)拉應(yīng)力。 一、圍巖壓力的基本概念狹義圍巖壓力：圍巖作用于支護上

8、的壓力。（圍巖和支護被看成獨立的兩個體系）廣義圍巖壓力：支護與圍巖是一個共同體，二次應(yīng)力的全部作用力視為圍巖壓力。圍巖支架共同作用（interaction between rock and suppports）:支架和圍巖耦合作用和互為影響的情況 第三節(jié) 圍巖壓力與控制支護-圍巖共同作用原理圍巖既是產(chǎn)生支護荷載的主體，又是承受巖層荷載的結(jié)構(gòu)，支護-圍巖作為整體相互作用，共同承擔(dān)圍巖壓力。摒棄了過去巖體作為對支護結(jié)構(gòu)的荷載采用厚襯砌的傳統(tǒng)做法。圍巖壓力是變形壓力和松動壓力的組合，大部分壓力(特別是變形壓力)由圍巖自身承擔(dān)，只有少部分轉(zhuǎn)移到支護結(jié)構(gòu)上；支護荷載既取決于圍巖的性質(zhì)，又取決于支護結(jié)構(gòu)的

9、剛度和支護時間；圍巖的松動區(qū)和圍巖內(nèi)的二次應(yīng)力狀態(tài)又與支護結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和支護時間有關(guān) 二、地壓的形成地壓：是硐室等工程體開挖后，巖體變形和破壞所形成的作用在圍巖和支護體上的力。有的稱為“地層壓力”，“圍巖壓力”，“山巖壓力”，“巖石壓力”，都是與地壓同一個意義通常將由于巖體變形而對支護或襯砌給予的壓力，稱為變形壓力；將巖體破壞和松動對支護或襯砌造成的壓力，稱為松動壓力。變形量的大小以及破壞程度的強弱就決定著地壓力的大小 二、地壓的形成在不同性質(zhì)的巖石中，由于它們的變形和破壞性質(zhì)不同，所以產(chǎn)生地壓力的主導(dǎo)因素也就不同，通?？梢杂龅较铝腥N情況。(1)在整體性良好、裂隙節(jié)理不發(fā)育的堅硬巖石中，巖石只

10、有彈性變形而無塑性變形，巖石沒有破壞和松動。如果開挖完成后進行支護或襯砌，則這時支護上沒有地壓力。洞室支護主要用來防止巖石的風(fēng)化以及剝落碎塊的掉落。(2)在中等質(zhì)量的巖石中，不僅有彈性變形，而且還有塑性變形，少量巖石破碎。地壓力主要是由較大的變形所引起，巖石的松動坍落甚小，這類巖石中主要是產(chǎn)生“變形壓力”。(3)在破碎和軟弱巖石中，由于裂隙縱橫切割，巖體強度很低，圍巖應(yīng)力超過巖體強度很多。在這類巖石中，坍落和松動是產(chǎn)生地壓力的主要因素，而松動壓力是主要的地壓力。當沒有支護或襯砌時，巖石的破壞范圍可能逐漸擴大發(fā)展，故需要立即進行支護或襯砌。三、影響地壓力的因素 上面是巖石性質(zhì)對于地壓力的影響，為

11、主要因素，下面討論其它因素對地壓力的影響。 (1)洞室的形狀和大?。憾词掖笮τ趪鷰r應(yīng)力分布會產(chǎn)生影響；同樣，洞室的形狀對地壓力的大小也有影響。 (2)地質(zhì)構(gòu)造：地質(zhì)構(gòu)造對于圍巖的穩(wěn)定性及地壓力的大小起著重要影響。地質(zhì)構(gòu)造簡單、地層完整、無軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖就穩(wěn)定，地壓力也就小。 (3)支護的型式和剛度：目前采用的支護可分為兩類：一類叫做外部支護，也稱普通支護或所謂老式支護。這種支護作用在圍巖的外部，依靠支護結(jié)構(gòu)成的承載能力來承受地壓力。另一類叫做內(nèi)承支護或自承支護，這種支護的特點是依靠增加圍巖的自承作用來穩(wěn)固洞室，一般可能比較經(jīng)濟。 支護的剛度愈大，則允許的變形就愈小，地壓力就愈大。 在一定的

12、變形范圍內(nèi)，支護上的地壓力是隨著支護以前圍巖的變 形量增加減少的 三、影響地壓力的因素 (4)洞室深度： 一般說來，當圍巖處于彈性狀態(tài)時，地壓力不應(yīng)當與洞室的埋深有關(guān)。但當圍巖中出現(xiàn)塑性區(qū)時，洞室的埋置深度應(yīng)當對地壓力有影響。 (5)時間：巖體的變形和破壞都有一個時間過程，所以地壓力一般都與時間有關(guān)。 (6)施工方法：地壓力的大小與洞室的施工方法和施工速率也有較大關(guān)系。 四、水平工程體地壓的計算 彈塑性位移的解析計算及其復(fù)雜，甚至不可能，所以早期的地壓計算，無法考慮彈塑性位移造成的地壓，只能在圍巖破裂階段用極限平衡分析法確定工程體的地壓，這是現(xiàn)行各種實用計算方法的一大簡化 。 對地下工程體的地

13、壓計算，主要有普氏計算方法、太沙基計算方法、卡斯特納計算方法。在此僅就太沙基計算方法講解。巖石地下工程穩(wěn)定與圍巖控制1維護巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則：合理利用和充分發(fā)揮巖體強度改善圍巖的應(yīng)力條件合理支護強調(diào)監(jiān)測和信息反饋2、支護分類：按材料分類鋼、木、鋼筋混凝土、磚石、玻璃鋼；另，根據(jù)支護作用的性質(zhì)分為普通支護和錨噴支護五、錨噴支護錨桿與噴射混凝土聯(lián)合支護的簡稱錨桿的作用：懸吊作用；組合作用；加固作用錨桿分類：按錨固長度：集中錨固；全長錨固按錨固方式：機械錨固；粘結(jié)錨固按錨桿材質(zhì)：木錨桿；竹錨桿；金屬錨桿；鋼筋（鋼絲繩）砂漿錨桿；樹脂錨桿；玻璃鋼錨桿五、錨噴支護錨桿支護參數(shù)的設(shè)計：1、按懸吊原

14、則確定錨桿支護設(shè)計方法懸吊原則：頂板一定范圍內(nèi)有穩(wěn)定巖層，將破壞區(qū)載荷懸吊于穩(wěn)定巖層頂板一定范圍內(nèi)不存在穩(wěn)定巖層，將破壞區(qū)載荷懸吊于巷道兩幫上部的巖層上如果錨桿在兩幫上部巖層中的錨固力小于破壞區(qū)巖層重力時，不宜單獨采用錨桿支護五、錨噴支護1、按懸吊原則確定錨桿支護設(shè)計方法1）錨桿長度：其中： 外露端長度約 有效支護長度 固定端長度（） 的確定：頂板一定范圍堅固穩(wěn)定巖層位置容易確定時，L2 被懸吊巖層厚度 確定巷道頂板松動圈的長度 五、錨噴支護2、按組合梁理論計算錨桿支護參數(shù)：適于層狀完整巖體，平頂巷道頂板一定范圍不存在堅固穩(wěn)定巖層時，此時錨桿作用是夾緊力增大巖層間摩擦力，避免層間滑動、離層、冒

15、落。1）有效長度的確定：按最下一層巖石外表面抗拉強度確定組合梁厚度拉應(yīng)力 則 其中 ：k1抗拉安全系數(shù)（35）；q組合梁上受的均布載荷 巖石抗拉強度 ；B巷道跨度 ；d錨桿直徑； 桿體材料抗剪強度 ； k2頂板抗剪安全系數(shù)36 五、錨噴支護2、按組合梁理論計算錨桿支護參數(shù)：2）錨桿間排距 由組合梁抗剪強度確定 3、噴射混凝土支護 1）支護作用機理：支撐作用：混凝土強度較高充填作用：噴射速度高，能很好充填圍巖裂隙、節(jié)理，提高圍巖強度隔絕作用：及時封閉圍巖表面，隔絕了空氣、水與圍巖的接觸，防止風(fēng)化，潮解轉(zhuǎn)化作用：混凝土具有很高的粘結(jié)力和較高的強度；提高了圍巖的穩(wěn)定性和自身支撐能力，具有把巖石載荷轉(zhuǎn)

16、化為巖石承載結(jié)構(gòu)的作用五、錨噴支護3、噴射混凝土支護 2）存在問題：回彈：回彈過多，浪費材料；一定程度改變了混凝土的配比，降低了強度粉塵：水與干拌材料混合時間短，易生粉塵圍巖滲漏水：涌水降低了噴層與巖面的粘結(jié)力，使噴層脫落離層噴層養(yǎng)護第四節(jié) 巖石地下工程的監(jiān)測及軟巖支護目前，現(xiàn)場觀測的內(nèi)容有應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、變形和位移、巖體特性參數(shù)、礦柱與支架或荷以及錨桿(或錨索)的錨固力等。所使用的測試方法與諸多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域相聯(lián)系，概括起來，按儀器的測試原理可分為機械法、光電測法和聲測法等 一、松軟巖體的支護軟巖巷道變形破壞的特征：圍巖變形速度快，變形量大圍巖變形持續(xù)時間很長，甚至持久變形四面來壓，底臌嚴重隨斷面加大或埋深增大或鄰近采動影響，變形將顯著增大支護方式、支護阻力對圍巖變形影響較大松軟巖體的屬性：松、散、軟、弱二、軟巖巷道維護的幾個問題合理選擇巷道位置，重點考慮：巖石的性質(zhì)及支撐壓力的影響巷道斷面形狀的選擇，主要根據(jù)地壓的大小，方向破巖方式的選擇以不破壞或少破壞巷道圍巖為原則，若采用鉆眼爆破則應(yīng)采用光面爆破支護方式和支護結(jié)構(gòu)的選擇支護結(jié)構(gòu)應(yīng)具有“先柔后剛”的特性，一般需要二次支護初始支護結(jié)構(gòu)：錨噴支護