围岩压力(2)

hk hk
Ht
B (a)
B b
2bt
45° j0 2
(b)
bt b H t tg45 j 0 2
围岩垂直均布松动压力：
q hk
围岩水平均布松动压力可按朗金公式计算：
e
q
1 2
H
t
tg 2 45
0
2
2.泰沙基理论
也将岩体视为散粒体，认为坑道开挖后，其上方
的岩体因坑道的变形而下沉，并产生如图所示的
错动面OAB。 B
2b B
Kσv Kσvtgφ0
σv σv+dσvq
h
dh
Kσv
H
Kσvtgφ0
A
A
45˚-φ0/2
O
O
2a
45˚-φ0/2
假定作用在任何水平面上的竖向压应力 v 是匀
布的，相应的水平力
σH=k σv
k为侧压力系数。 在地面深度为h处取出一厚度为dh的水平条
带单元体，考虑其平衡条件 ∑V＝0 ，得出
拱顶坍塌、冒落
水平岩 层冒落
倾斜岩 层掉块、
塌落
高边墙 坍塌
裂隙岩体顶部掉块
2.形变压力
形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的 支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结 构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接 触压力。
软岩巷道严重底鼓变形
软岩巷道变形、支撑断裂
3.膨胀压力
当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于 围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压 力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水 膨胀引起的。
围岩压力及隧道结构设计原理
第一节 围岩压力
一、围岩压力及分类 (一)围岩压力概念
广义概念：围岩压力是指引起地下开挖空 间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包 括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受阻 而作用在支护结构上的作用力。
狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护 结构上的作用力。
(二)围岩压力分类
三、围岩松动压力的形成和确定方法
(一)围岩松动压力的形成
深埋坑道开挖后围岩由变形到坍塌成拱的 整个变形过程，称为围岩的成拱作用。在成拱 过程中形成的相对稳定的拱形坍腔结构，成为 自然拱或坍落拱。而坍腔内坍落的岩土形成松 动压力的荷载来源。如图。
变形阶段 (a)
塌落阶段 (c)
松动阶段 (b)
自然拱
2bV dV 2b V 2kV tgj0 dh 2b dh 0
展开后，得
d V KV tgj0
dh 0
b
解上述微分方程，并引进边界条件，得洞
顶岩层中任意点的垂直压力为
V
b tg0 K
1
e
Ktg0
h b
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随着坑道埋深h的加大,e
Ktgj0
h b
趋近于零，则
V
b tgj0 K
泰沙基根据实验结果，得出K＝1—1.5，取
成拱阶段 (d)
自然拱范围的大小除了受上述的围岩地质 条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩 的接触状态等因素影响外，还取决于以下诸因 素： 隧道的形状和尺寸； 隧道的埋深； 施工因素。
深、浅埋隧道的判定原则
H p 2 ~ 2.5hq
式中 H p ——深浅埋隧道分界的深度； hq ——等效荷载高度值，即坍落拱高度。
在具有一定粘结力的松散介质中开挖坑道后， 其上方会形成一个抛物线形的自然拱，作用在支 护结构上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重 量。
而自然拱的形状和尺寸(即它的高度hk和跨度 Bt)与岩体的坚固性系数f 有关。具体表达式为：
hk bt f
式中 hk——自然拱高度； bt——自然拱的半跨度,其取值如下图。
• 松动压力 • 形变压力 • 膨胀压力 • 冲击压力
1.松动压力
由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直 接作用在支护结构上的压力称为松动压力。
松动压力常通过下列三种情况发生： 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块 的岩石； 在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒 落； 在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软 弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。
式中ω——宽度影响系数， ω=1+i(B-5)
B——坑道宽度，以m计； i——B每增加1m时，围岩压力的增减率(以B＝5m 为基准)，当B＜5m时取i=0.2，B＞5m时，取i＝0.1。
对于单线隧道、按概率极限状态设计时：
q hq 0.411.79S
式中 hq——等效荷载高度值； S——围岩级别，如Ⅲ级围岩S=3；
1.普氏理论
➢提出岩体坚固性系数f的概念。
视岩体为散粒体。但岩体又不同于一般的散 粒体，其结构面上存在着不同程度的粘结力， 又要保证其抗剪强度不变。
岩体的抗剪强度 岩体坚固性系数：
tg c
f
tg c
tg c
tg0
式中 0 ——岩体的内摩擦角和似摩擦角；
➢提出基于“自然拱”概念的计算理论
4.冲击压力
冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变 形能以后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解 除，能量突然释放所产生的压力。
上述松动压力、形变压力往往同时存在， 难以严格区分。
二、影响围岩压力的因素
影响围岩压力的因素很多，通常可分为两 大类。 地质因素：它包括初始应力状态、岩石力学性 质、岩体结构面等； 工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护 设置时间、支护刚度、坑道形状等。
(二)确定围岩松动压力的方法
➢现场实地量测：按目前的量测手段和技术水 平来看量测的结果尚不能充分反映真实情况。
➢理论公式计算：由于围岩地质条件的千变万 化，所用计算参数难以确切取值，目前还没有 一种能适合于各种客观实际情况的统一理论。
➢统计的方法：在大量施工坍方事件的统计基 础上建立起来的统计方法，在一定程度上能反 映围岩压力的真实情况。
γ——围岩的容重；
水平压力e可用下表中的经验范围取值。
水平压力e推荐范围
围岩级别 Ⅰ～Ⅱ Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
水平匀布压力 0 ＜0.15q (0.15～0.3)q (0.30～0.5)q (0.5～1.0)q
上述计算表达式的适用条件
①H/B＜1.7(H为坑道的高度)； ②深埋隧道； ③不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩； ④采用钻爆法施工的隧道。
K＝1，则
V
b tgj 0
如以 tgj0 ＝f 代入，得
V b f 式中，b、φ0 意义同上。
侧向均布压力则仍按朗金公式计算：
e
v
1 2
H
t
tg 2 45
0
2
3.我国《隧规》所推荐的方法（q、e）
(1)深埋隧道
对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设 计时：
q hq 0.45 2S1 w