地下工程-应力变形破坏
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第四章 地下工程
4.2 围岩应力分布
4.2
围岩应力分布
岩体中天然应力
围岩中重分布应力
◈
◈
弹性状态
--围岩范围
◈
--天然应力比λ值
◈
出现塑性变形圈的
重分布应力
围岩应力可分为:
◈开挖前天然应力 ◈开挖后重分布应力
◈支衬后调整应力
一、岩体中天然应力
开挖前应力为初始应力→
自重应力
构造应力
岩土工程勘察
总特点--
拉断破坏；
正方形-4个角点应力集中最大； 矩形-角点、短边中点应力增；
◊
圆形洞室最有利
⑵其他洞形
1 2 cos 2
1 2 cos 2
圆形：
引入应力集中系数，则：
h v
规律： 拐点处，存在较大应力集中。 相邻洞室引起应力集中 增高，对稳定不利，应设 置安全距离。
第3 节
围岩变形破坏
开挖，洞壁围岩失去支撑，向洞内松胀，变形超
过强度极限，围岩发生破坏。
变形破坏特征取决于围岩应力状态，岩体结构及
洞室断面形状等。
各种围岩的变形破坏都是渐进发展的。 分析时，抓变形破坏的始发点，连锁反应的关键
点。预测发展规律，早期处理、控制，以确保围岩 稳定性。
破坏形式--围岩变形、失稳破坏受岩体结构控制，
r
h v
2
2 v R0 1 2 h 2 r
h v
2
R h v 1 2 r
2 0 2
R 1 3 r
4 0 4
cos 2
σr --径向应力
σθ --环向应力
所谓塑性松动圈
洞室围岩中出现非弹性变形区后应力重分布
塑圈内应力释放而明显降低，最大应力集中由洞壁 移至塑圈弹圈交界处。弹性区应力明显增高，区外 为天然应力状态。
即：R0 处σr 值由pi （支护反力）增至σ0（弹性圈外）； σθ 由pi 突增至2 σ0 （塑性圈外界），再降至σ0 （弹性圈界）。
碎裂岩体塌方示意图
四、松散状岩体围岩：
◈强烈构造破碎和强烈风化的岩体或新近堆积的土体。
破坏形式— 拱形冒落、局部塌方、塑性挤入、滑动
松散围岩变形破坏形式
拱形冒落
局部塌方 造成偏压
侧鼓
底鼓
京西煤矿某巷道底围鼓胀示意图 a-底围鼓胀； b-侧围突出与底围鼓胀
1944年3月
1944年6月
底围隆鼓
r 0
由前组公式可知：塑圈内的应力与岩体天然应力无关，而
取决于支护力pi 和圈内岩体的强度c 、φ值。
rpe 0 1 sin c cos
塑弹交界处 （r =R1 )：
pe 0 1 sin c cos
rpe 0
第三章地下建筑工程勘察
第2 节
地下建筑围岩应力分布
开挖前应力为初始应力。→ 自重应力（垂向）： v gZ
一、岩体中天然应力
自重应力 构造应力
构造应力（水平向）： h v
1
h v
一般情况：
v h
构造应力强的地区：
h v
二、围岩中重分布应力
开挖洞室，应力平衡被打破，围岩向洞内松
胀位移，引起一定范围内应力调整，使天然
应力大小、方向和性质改变，达到新的平衡。
应力重分布范围内的岩体称围岩。
◊
地下建筑稳定性主要取决于围岩稳定性。
1、开挖后围岩保持弹性状态的重分布应力
⑴圆形洞室—围岩中一点的重分布应力
•
(按平面问题考虑)
4 2 R0 R0 1 3 4 4 2 cos 2 (4-1) r r
出现较高压应力集中。
σ
λ
θ
θ 0 1/3 1 2 3 4 5
0°，180 3σ v 8/3 σ v 2σ v σv 0 -σ v -2σ v
90°，270° -σ v 0 2σ v 5σ v 8σ v 11σ v 14σ v
σ
θ
随λ 变化曲线
⑵其他洞形
椭圆-长轴两端点应力集中（压），
易出现压碎破坏，短轴两端点易出现
此组公式说明：塑弹交界面上的应力取决于天然应力σ 0 和岩 体强度c 、φ值，与支护力pi无关。
即：支护力不能改变交界面上的应力，只能控制塑性松动圈半
径R1 的大小。
第四章 地下工程
第1节
概述
第2节
第3节 第4节 第5节 第6节 第7节
围岩应力分布
围岩变形破坏
围岩分类
围岩压力 围岩稳定性评价 地下工程地质超前预报
应力重分布特征：
产生分异现象，径向应力趋于零；
环向应力增或减，并出现拉应力；
洞周应力差最大（拉应力集中）。
围岩破坏自洞壁始，向内（深部）发展。
取不同的λ值，洞壁应力状态不同。
h v
1 3
1 3 3
洞顶底出现拉应力； 洞壁围岩内σθ全为压应力
wenku.baidu.com
3
洞室侧壁出现拉应力，洞顶底
τrθ --剪应力 θ -极角
r
h v
2
4 2 R0 R0 1 3 4 2 2 sin 2 r r
r
-- 极距
R0 --洞径
岩土工程勘察
第三章地下建筑工程勘察
圆形洞室围岩重分布应力计算示意图
h v 2 h v cos 2 r 0
σθ ：最大主应力； σr：最小主应力。 令 r=R0 有 r 0 2 0 随r值增， σ 增大， σ 减小
r
当 r=6R0 , r 0
（天然应力状态）
即6倍洞径范围内岩体为围岩。
随r值增， σr增大， σθ减小
6倍洞径范围内岩体为围岩。
圆形洞室周边应力分布图
说明：天然应力状态时，
r 0
r R0，则洞壁上应力为： 即仅有σθ 作用（单向状态）
(4-2)
r
当 λ =1 即： h v 0 时，有：
r 0
θ
0 1 0 1
2 R0 r2 2 R0 r2
⑶相邻洞室的影响--
各种不同断面洞室周边应力分布图
“+”为压应力； “-”为拉应力
2、开挖后出现塑性变形圈的重分布应力
开挖后洞壁处应力集中最大。当洞壁应力超过岩体
的屈服极限时，洞壁围岩由弹性转为塑性，
随半径 r 增大，σ
r
渐增，
在围岩中形成一个
应力状态由洞壁处单向转为
双向，至一定距离围岩由塑 性转为弹性，最终形成塑形 圈和弹性圈。
大致可分为：
脆性破裂：整体结构或块状结构—岩爆 块体运动：块状结构岩体
弯曲折断破坏：层状结构，尤其是有软弱夹层的
互层岩体
松动解脱：碎裂结构岩体
塑性变形和剪切破坏：散体结构或碎裂结构
第3 节
2 拱形冒落 1 块体滑移
围岩变形破坏
3滑动 4崩塌
第 3 节
围岩变形破坏
一、整体状、块状岩体围岩：
破坏形式—
水平岩层-顶部折断 塌落，形成三角形 塌落区。
倾斜岩层-一侧弯 曲塌落，另侧为 块体滑移。
直立岩体-洞顶受拉， 塌落；侧墙弯折内鼓， 发展危及洞顶。
三、碎裂状岩体围岩：
◈断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生
夹泥的岩体。
破坏形式— 塌方、滑动 破坏规模取 决于破碎程度 及夹泥多少。
心问题是什么？
2. 洞周围岩应力重分布的特点是什么？围岩范围
是如何确定的？参数λ 的意义？
3. 围岩变形破坏的几种主要形式是什么？ 4. 什么是岩爆？发生条件及预防措施？
围岩缩径示意图
沿断层带
沿碎裂岩体
遇断层破碎带塌方
锦屏二级电站岩爆特征
下游壁圆形岩爆坑，剪张性破裂面 岩爆示意图 下游壁岩爆的弯曲折断现象 破裂面呈阶梯状、弧形
岩堆蠕动造成偏压及处理措施
高场山隧道衬砌变形情况 （滑坡体推挤引起变形）
沿软弱岩层滑动造成 偏压及衬砌形式
隧道偏压
作业题：
1. 地下建筑工程的主要工程地质问题有哪些?其核
◊
2 sin 当洞壁支 r 1sin 护为 pi r pi c cos c cos R 0 时，塑圈 sin 上重分布 1 sin r 1sin pi c cos c cos 1 sin R 应力为： 0
脆性开裂-拉应力集中部位，λ<1/3时， 破坏形式： 洞顶出现拉应力，易形成塌方。
块体滑移-结构面切割形成不稳定块，滑出。 受控于结构面性状。
岩爆-高地应力区开挖使应力高度集中，突发破坏。
1-层面；2-断裂；3-裂隙
坚硬岩块体滑移
二、层状岩体围岩-
常为软硬互层岩体。
结构面-层理面、其他软弱结构面 张裂、折断塌落、弯曲内鼓。
4.2 围岩应力分布
4.2
围岩应力分布
岩体中天然应力
围岩中重分布应力
◈
◈
弹性状态
--围岩范围
◈
--天然应力比λ值
◈
出现塑性变形圈的
重分布应力
围岩应力可分为:
◈开挖前天然应力 ◈开挖后重分布应力
◈支衬后调整应力
一、岩体中天然应力
开挖前应力为初始应力→
自重应力
构造应力
岩土工程勘察
总特点--
拉断破坏；
正方形-4个角点应力集中最大； 矩形-角点、短边中点应力增；
◊
圆形洞室最有利
⑵其他洞形
1 2 cos 2
1 2 cos 2
圆形：
引入应力集中系数，则：
h v
规律： 拐点处，存在较大应力集中。 相邻洞室引起应力集中 增高，对稳定不利，应设 置安全距离。
第3 节
围岩变形破坏
开挖，洞壁围岩失去支撑，向洞内松胀，变形超
过强度极限，围岩发生破坏。
变形破坏特征取决于围岩应力状态，岩体结构及
洞室断面形状等。
各种围岩的变形破坏都是渐进发展的。 分析时，抓变形破坏的始发点，连锁反应的关键
点。预测发展规律，早期处理、控制，以确保围岩 稳定性。
破坏形式--围岩变形、失稳破坏受岩体结构控制，
r
h v
2
2 v R0 1 2 h 2 r
h v
2
R h v 1 2 r
2 0 2
R 1 3 r
4 0 4
cos 2
σr --径向应力
σθ --环向应力
所谓塑性松动圈
洞室围岩中出现非弹性变形区后应力重分布
塑圈内应力释放而明显降低，最大应力集中由洞壁 移至塑圈弹圈交界处。弹性区应力明显增高，区外 为天然应力状态。
即：R0 处σr 值由pi （支护反力）增至σ0（弹性圈外）； σθ 由pi 突增至2 σ0 （塑性圈外界），再降至σ0 （弹性圈界）。
碎裂岩体塌方示意图
四、松散状岩体围岩：
◈强烈构造破碎和强烈风化的岩体或新近堆积的土体。
破坏形式— 拱形冒落、局部塌方、塑性挤入、滑动
松散围岩变形破坏形式
拱形冒落
局部塌方 造成偏压
侧鼓
底鼓
京西煤矿某巷道底围鼓胀示意图 a-底围鼓胀； b-侧围突出与底围鼓胀
1944年3月
1944年6月
底围隆鼓
r 0
由前组公式可知：塑圈内的应力与岩体天然应力无关，而
取决于支护力pi 和圈内岩体的强度c 、φ值。
rpe 0 1 sin c cos
塑弹交界处 （r =R1 )：
pe 0 1 sin c cos
rpe 0
第三章地下建筑工程勘察
第2 节
地下建筑围岩应力分布
开挖前应力为初始应力。→ 自重应力（垂向）： v gZ
一、岩体中天然应力
自重应力 构造应力
构造应力（水平向）： h v
1
h v
一般情况：
v h
构造应力强的地区：
h v
二、围岩中重分布应力
开挖洞室，应力平衡被打破，围岩向洞内松
胀位移，引起一定范围内应力调整，使天然
应力大小、方向和性质改变，达到新的平衡。
应力重分布范围内的岩体称围岩。
◊
地下建筑稳定性主要取决于围岩稳定性。
1、开挖后围岩保持弹性状态的重分布应力
⑴圆形洞室—围岩中一点的重分布应力
•
(按平面问题考虑)
4 2 R0 R0 1 3 4 4 2 cos 2 (4-1) r r
出现较高压应力集中。
σ
λ
θ
θ 0 1/3 1 2 3 4 5
0°，180 3σ v 8/3 σ v 2σ v σv 0 -σ v -2σ v
90°，270° -σ v 0 2σ v 5σ v 8σ v 11σ v 14σ v
σ
θ
随λ 变化曲线
⑵其他洞形
椭圆-长轴两端点应力集中（压），
易出现压碎破坏，短轴两端点易出现
此组公式说明：塑弹交界面上的应力取决于天然应力σ 0 和岩 体强度c 、φ值，与支护力pi无关。
即：支护力不能改变交界面上的应力，只能控制塑性松动圈半
径R1 的大小。
第四章 地下工程
第1节
概述
第2节
第3节 第4节 第5节 第6节 第7节
围岩应力分布
围岩变形破坏
围岩分类
围岩压力 围岩稳定性评价 地下工程地质超前预报
应力重分布特征：
产生分异现象，径向应力趋于零；
环向应力增或减，并出现拉应力；
洞周应力差最大（拉应力集中）。
围岩破坏自洞壁始，向内（深部）发展。
取不同的λ值，洞壁应力状态不同。
h v
1 3
1 3 3
洞顶底出现拉应力； 洞壁围岩内σθ全为压应力
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3
洞室侧壁出现拉应力，洞顶底
τrθ --剪应力 θ -极角
r
h v
2
4 2 R0 R0 1 3 4 2 2 sin 2 r r
r
-- 极距
R0 --洞径
岩土工程勘察
第三章地下建筑工程勘察
圆形洞室围岩重分布应力计算示意图
h v 2 h v cos 2 r 0
σθ ：最大主应力； σr：最小主应力。 令 r=R0 有 r 0 2 0 随r值增， σ 增大， σ 减小
r
当 r=6R0 , r 0
（天然应力状态）
即6倍洞径范围内岩体为围岩。
随r值增， σr增大， σθ减小
6倍洞径范围内岩体为围岩。
圆形洞室周边应力分布图
说明：天然应力状态时，
r 0
r R0，则洞壁上应力为： 即仅有σθ 作用（单向状态）
(4-2)
r
当 λ =1 即： h v 0 时，有：
r 0
θ
0 1 0 1
2 R0 r2 2 R0 r2
⑶相邻洞室的影响--
各种不同断面洞室周边应力分布图
“+”为压应力； “-”为拉应力
2、开挖后出现塑性变形圈的重分布应力
开挖后洞壁处应力集中最大。当洞壁应力超过岩体
的屈服极限时，洞壁围岩由弹性转为塑性，
随半径 r 增大，σ
r
渐增，
在围岩中形成一个
应力状态由洞壁处单向转为
双向，至一定距离围岩由塑 性转为弹性，最终形成塑形 圈和弹性圈。
大致可分为：
脆性破裂：整体结构或块状结构—岩爆 块体运动：块状结构岩体
弯曲折断破坏：层状结构，尤其是有软弱夹层的
互层岩体
松动解脱：碎裂结构岩体
塑性变形和剪切破坏：散体结构或碎裂结构
第3 节
2 拱形冒落 1 块体滑移
围岩变形破坏
3滑动 4崩塌
第 3 节
围岩变形破坏
一、整体状、块状岩体围岩：
破坏形式—
水平岩层-顶部折断 塌落，形成三角形 塌落区。
倾斜岩层-一侧弯 曲塌落，另侧为 块体滑移。
直立岩体-洞顶受拉， 塌落；侧墙弯折内鼓， 发展危及洞顶。
三、碎裂状岩体围岩：
◈断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生
夹泥的岩体。
破坏形式— 塌方、滑动 破坏规模取 决于破碎程度 及夹泥多少。
心问题是什么？
2. 洞周围岩应力重分布的特点是什么？围岩范围
是如何确定的？参数λ 的意义？
3. 围岩变形破坏的几种主要形式是什么？ 4. 什么是岩爆？发生条件及预防措施？
围岩缩径示意图
沿断层带
沿碎裂岩体
遇断层破碎带塌方
锦屏二级电站岩爆特征
下游壁圆形岩爆坑，剪张性破裂面 岩爆示意图 下游壁岩爆的弯曲折断现象 破裂面呈阶梯状、弧形
岩堆蠕动造成偏压及处理措施
高场山隧道衬砌变形情况 （滑坡体推挤引起变形）
沿软弱岩层滑动造成 偏压及衬砌形式
隧道偏压
作业题：
1. 地下建筑工程的主要工程地质问题有哪些?其核
◊
2 sin 当洞壁支 r 1sin 护为 pi r pi c cos c cos R 0 时，塑圈 sin 上重分布 1 sin r 1sin pi c cos c cos 1 sin R 应力为： 0
脆性开裂-拉应力集中部位，λ<1/3时， 破坏形式： 洞顶出现拉应力，易形成塌方。
块体滑移-结构面切割形成不稳定块，滑出。 受控于结构面性状。
岩爆-高地应力区开挖使应力高度集中，突发破坏。
1-层面；2-断裂；3-裂隙
坚硬岩块体滑移
二、层状岩体围岩-
常为软硬互层岩体。
结构面-层理面、其他软弱结构面 张裂、折断塌落、弯曲内鼓。