华北水利水电学院岩土工程系岩石力学课程组第6章山岩压力及围岩稳定性分析
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第６章
山岩压力及围岩稳定性分析
岩石力学课程组 华北水利水电学院
学习指导
本章主要介绍了两部分内容为山岩压力 与围岩稳定性分析，介绍了围岩应力重 分布，地下洞室脆性围岩和塑性围岩的 变形破坏形式，影响地下工程岩体稳定 的因素，着重介绍了山岩压力与围岩稳 定性分析方法，其中包括山岩压力的概 念、影响因素，太沙基理论。
膨胀变形有吸水膨胀和减压膨胀两类不同的机制。 （3）涌流和坍塌
涌流是松散破碎物质和高压水一起呈泥浆状突然涌入洞 中的现象，多发生在开挖揭穿了饱水断裂破碎带的部位。
坍塌是松散破碎岩石的重力作用下自由垮落的现象。
围岩变形破坏的累进性发展
大量的实践表明，地下工程围岩的变形破坏通常 是累进性发展的。由于围岩内应力分布的不均匀 性以及岩体结构、强度的不均匀性及各向异性， 那些应力集中程度高，而结构强度又相对较低的 部位往往是累进性破坏的突破口，在大范围围岩 尚保持整体稳定性的情况下，这些应力 强度关 系中的最薄弱部位就可能发生局部破坏，并使应 力向其它部位转移，引起另一些次薄弱部位的破 坏，如此逐次发展连锁反应，终将导致大范围围 岩的失稳破坏。
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太沙基假定岩体为“散粒体”，对岩石作了比较简单的 假定，没有对洞室围岩进行较严密的应力和强度分析， 计算一部分岩石的自重作用下对洞室引起的山岩压力， 这些压力实际上都是松动压力。
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
弹塑性理论 多年来，许多岩石力学工作者以弹塑性理论为
基础研究了围岩的应力和稳定情况以及山岩压力。 从理论上讲，弹塑性理论比前面的理论要严密些， 但是弹塑性理论的数学运算较复杂，公式也较繁。 此外，在进行公式推导时，也必须附加一些假设， 否则也不能得出所需求的解答。为了简化计算和 分析，目前总是对圆形洞室进行分析，因为圆形 洞室在特定的条件下是应力轴对称的，轴对称问 题在数学上容易解决。当遇到矩形或直墙拱顶、 马蹄形等洞室，可将它们看作为相当的圆形进行 近似计算。
本章重点
1 地下洞室开挖引起的围岩应力重分布 2 地下洞室围岩的变形破坏 3 地下工程岩体稳定性的影响因素 4 洞室围岩稳定性分析
6.1 地下洞室开挖引起的围岩应力重分布
概念：
由于在岩体内开挖洞室，洞室围岩各质点 的原有应力的平衡状态就受到破坏，各质 点就要产生位移调整，以达到新的平衡位 置。岩体内某个方向原来处于紧张压缩状 态，现在可能发生松胀，另一个方向可能 反而挤压的程度更大了。相应地，围岩内 的应力大小和主应力方向也发生了改变， 这种现象叫做围岩应力重分布。
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
影响山岩压力的因素 (1)洞室的形状和大小 (2)地质构造 (3)支护的型式和刚度 (4)洞室深度 (5)时间 (6)施工方法
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
太沙基理论
太沙基理论中假定岩石为散粒体，并具有 一定的凝聚力
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6.3 地下工程岩体稳定性的影响因素
1)岩土性质 2)地质构造和岩体结构 3)地下水因素 4)地应力
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
山岩压力的概念 在水工建设中，把由于洞室围岩的变形
和破坏而作用在支护或衬砌上的压力，称 为山岩压力，有的称为“地层压力”， “围岩压力”，“地压”，“岩石压力”， 都是与山岩压力同一个意义。
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
山岩压力的形成 洞室周围的山岩压力随着时间的发展可以分为三个阶段 第I阶段：由于岩体的变形，在洞室的周界上产生一般
的挤压，同时，在两侧的岩石因剪切破坏而形成了楔形岩 块，这两个楔形岩块有朝着洞室内部移动的趋向。
第Ⅱ阶段：在侧向楔形体发生某种变形以后，在岩体内 形成了一个椭圆形的高压力区，在椭圆曲线与洞室周界线 间的岩体发生了松动。
6.2 地下洞室围岩的变形破坏
围岩变形破坏的形式与特点，除与岩体内 的初始应力状态和洞形有关外，主要取决 于围岩的岩性和结构 围岩这类变形破坏由外向内逐步发展的结 果，常可在洞室周围形成松动圈，围岩内 的应力状态也将因松动圈内的应力被释放 而重新调整，形成一定的应力分布带。
脆性围岩的变形破坏
脆性围岩的变形破坏有不同的类型 1)张裂坍落 2)劈裂 3)剪切滑动或破坏 4)岩爆 岩爆是围岩的一种剧烈的脆性破坏，常以
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算 弹塑性理论
σθ（弹性） σθ（塑性)
σr r
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
洞壁位移或岩石荷载
不稳定
时间t
稳定
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
芬纳公式
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cctg
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卡柯公式
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2
R N 2 R
“爆炸”的形式出现。岩爆发生时能抛出大小不 等的岩块，大型者常伴有强烈的震动、气浪和巨 响，对地下开挖和地下采掘事业造成很大的危害。
5)弯折内鼓
塑性围岩的变形破坏
（1）挤出 洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的屈服强度时，
软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力的 自由空间挤出。易于被挤出的岩体，主要是那些固结程度 差、富含泥质的软弱岩层，以及挤压破碎或风化破碎的岩 体。 （2）膨胀
第Ⅲ阶段：洞顶和洞底的松动岩体开始变形，并向着洞 内移动，洞顶松动岩石在重力作用下有掉落的趋势，山岩 压力逐渐增加。
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
山岩压力的形成是与洞室开挖后岩体的变 形、松动和破坏分不开的。通常将由于岩 体变形而对支护或衬砌给予的压力，称为 变形压力；将岩体破坏和松动对支护或衬 砌造成的压力，称为松动压力。变形量的 大小以及破坏程度的强弱就决定着山岩压 力的大小。
山岩压力及围岩稳定性分析
岩石力学课程组 华北水利水电学院
学习指导
本章主要介绍了两部分内容为山岩压力 与围岩稳定性分析，介绍了围岩应力重 分布，地下洞室脆性围岩和塑性围岩的 变形破坏形式，影响地下工程岩体稳定 的因素，着重介绍了山岩压力与围岩稳 定性分析方法，其中包括山岩压力的概 念、影响因素，太沙基理论。
膨胀变形有吸水膨胀和减压膨胀两类不同的机制。 （3）涌流和坍塌
涌流是松散破碎物质和高压水一起呈泥浆状突然涌入洞 中的现象，多发生在开挖揭穿了饱水断裂破碎带的部位。
坍塌是松散破碎岩石的重力作用下自由垮落的现象。
围岩变形破坏的累进性发展
大量的实践表明，地下工程围岩的变形破坏通常 是累进性发展的。由于围岩内应力分布的不均匀 性以及岩体结构、强度的不均匀性及各向异性， 那些应力集中程度高，而结构强度又相对较低的 部位往往是累进性破坏的突破口，在大范围围岩 尚保持整体稳定性的情况下，这些应力 强度关 系中的最薄弱部位就可能发生局部破坏，并使应 力向其它部位转移，引起另一些次薄弱部位的破 坏，如此逐次发展连锁反应，终将导致大范围围 岩的失稳破坏。
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太沙基假定岩体为“散粒体”，对岩石作了比较简单的 假定，没有对洞室围岩进行较严密的应力和强度分析， 计算一部分岩石的自重作用下对洞室引起的山岩压力， 这些压力实际上都是松动压力。
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
弹塑性理论 多年来，许多岩石力学工作者以弹塑性理论为
基础研究了围岩的应力和稳定情况以及山岩压力。 从理论上讲，弹塑性理论比前面的理论要严密些， 但是弹塑性理论的数学运算较复杂，公式也较繁。 此外，在进行公式推导时，也必须附加一些假设， 否则也不能得出所需求的解答。为了简化计算和 分析，目前总是对圆形洞室进行分析，因为圆形 洞室在特定的条件下是应力轴对称的，轴对称问 题在数学上容易解决。当遇到矩形或直墙拱顶、 马蹄形等洞室，可将它们看作为相当的圆形进行 近似计算。
本章重点
1 地下洞室开挖引起的围岩应力重分布 2 地下洞室围岩的变形破坏 3 地下工程岩体稳定性的影响因素 4 洞室围岩稳定性分析
6.1 地下洞室开挖引起的围岩应力重分布
概念：
由于在岩体内开挖洞室，洞室围岩各质点 的原有应力的平衡状态就受到破坏，各质 点就要产生位移调整，以达到新的平衡位 置。岩体内某个方向原来处于紧张压缩状 态，现在可能发生松胀，另一个方向可能 反而挤压的程度更大了。相应地，围岩内 的应力大小和主应力方向也发生了改变， 这种现象叫做围岩应力重分布。
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
影响山岩压力的因素 (1)洞室的形状和大小 (2)地质构造 (3)支护的型式和刚度 (4)洞室深度 (5)时间 (6)施工方法
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
太沙基理论
太沙基理论中假定岩石为散粒体，并具有 一定的凝聚力
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6.3 地下工程岩体稳定性的影响因素
1)岩土性质 2)地质构造和岩体结构 3)地下水因素 4)地应力
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
山岩压力的概念 在水工建设中，把由于洞室围岩的变形
和破坏而作用在支护或衬砌上的压力，称 为山岩压力，有的称为“地层压力”， “围岩压力”，“地压”，“岩石压力”， 都是与山岩压力同一个意义。
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
山岩压力的形成 洞室周围的山岩压力随着时间的发展可以分为三个阶段 第I阶段：由于岩体的变形，在洞室的周界上产生一般
的挤压，同时，在两侧的岩石因剪切破坏而形成了楔形岩 块，这两个楔形岩块有朝着洞室内部移动的趋向。
第Ⅱ阶段：在侧向楔形体发生某种变形以后，在岩体内 形成了一个椭圆形的高压力区，在椭圆曲线与洞室周界线 间的岩体发生了松动。
6.2 地下洞室围岩的变形破坏
围岩变形破坏的形式与特点，除与岩体内 的初始应力状态和洞形有关外，主要取决 于围岩的岩性和结构 围岩这类变形破坏由外向内逐步发展的结 果，常可在洞室周围形成松动圈，围岩内 的应力状态也将因松动圈内的应力被释放 而重新调整，形成一定的应力分布带。
脆性围岩的变形破坏
脆性围岩的变形破坏有不同的类型 1)张裂坍落 2)劈裂 3)剪切滑动或破坏 4)岩爆 岩爆是围岩的一种剧烈的脆性破坏，常以
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算 弹塑性理论
σθ（弹性） σθ（塑性)
σr r
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
洞壁位移或岩石荷载
不稳定
时间t
稳定
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
芬纳公式
pi
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“爆炸”的形式出现。岩爆发生时能抛出大小不 等的岩块，大型者常伴有强烈的震动、气浪和巨 响，对地下开挖和地下采掘事业造成很大的危害。
5)弯折内鼓
塑性围岩的变形破坏
（1）挤出 洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的屈服强度时，
软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力的 自由空间挤出。易于被挤出的岩体，主要是那些固结程度 差、富含泥质的软弱岩层，以及挤压破碎或风化破碎的岩 体。 （2）膨胀
第Ⅲ阶段：洞顶和洞底的松动岩体开始变形，并向着洞 内移动，洞顶松动岩石在重力作用下有掉落的趋势，山岩 压力逐渐增加。
6.4 山岩压力与洞室围岩稳定性计算
山岩压力的形成是与洞室开挖后岩体的变 形、松动和破坏分不开的。通常将由于岩 体变形而对支护或衬砌给予的压力，称为 变形压力；将岩体破坏和松动对支护或衬 砌造成的压力，称为松动压力。变形量的 大小以及破坏程度的强弱就决定着山岩压 力的大小。