隧道支护体系的岩石力学..
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第十章 隧道支护体系的岩石力学计算方法
这种方法不再依靠任何一种荷载假定，而是依靠结构与岩体之间的相 互作用，在这类方法中目前得到应用的有: 1.特征曲线法(收敛－－约束法)； 2.剪切滑移破坏法; 3.数值分析法(有限元法)。
特征曲线法的实质是(图10-1）; 1.决定隧道衬砌的变形特征曲线; 2.决定岩体的变形特征曲线; 3.建立和求解隧道衬砌在岩体产生的荷载 作用下的变形和岩体在衬砌反作用的阻止下 变形之间的协调平衡，这可用分析法，也可 用图示法来进行，后者比较直观。
10-1剪切滑移破坏法
一般说，式中的 3 ，则是由各种支护结构分别提供的。 于是，由岩体和初次衬砌所提供的总支护阻力为： pa ps pst pA pw (10 7) 这个数值应满足下述不等式
pa ra min
10-2 特征曲线法
特征曲线法的基本原理是利用 岩体特征曲线和支护结构特征 曲线交会的办法来决定支护体 系的最佳平衡条件(图10-6)。
10-1剪切滑移破坏法
岩体产生剪切滑动的条件是：在通过最大主应力 1 和最小主应力 3 两点的摩尔应力圆与摩尔滑动包络线相切时发生(图10-4)。这时作用 于滑面上的正应力 n 和剪应力 n 分别等于切点B的坐标值。滑面 与 a1作用方向的夹角为 。若摩尔滑动包络线为一直线，则 为 / 4 / 2 。如图10-5 一定值。等于 所示，在陇道中心沿垂直线作 角的直线与隧 道表面交于点A,由此出发绘出与岩体的同心圆 成 角的曲线，即为隧道侧壁岩体的滑移面， 如以极坐标表示，该曲线的方程为：
第十章 隧道支护体系的岩石力学计算方法
剪切滑移破坏法是以构造岩体破坏形态决定支护体系承载能力的，方 法极其简单。但这种简化不是从空洞的推理来取得的，而是通过对工 程破坏的考察及模型试验结果提出的，它在实践中获得较广泛的应用。 这个方法的实质是:通过试验认为支护结构的破坏很少是由于弯曲而造 成的，一般是由于侧壁的剪切破坏，然后按侧壁荷载和剪切破坏阻力 之间的平衡进行计算。 数值分析法对分析整个支护体系的稳定性具有理论的意义，它可以考 虑较多的初始条件和岩体及支护结构的特征，同时可以用电子计算机 进行计算，如无拉分析、粘弹性分析、三维的空间效应分析……等。 但这些分析都是在一定的前提下进行的，只有前提是正确的或者是可 以接受的，计算结果才可能是值得信赖的。此部分内容可参阅专门文 献。
r a exp tan b 2 cos
(10 1)
为了阻止这个楔体滑移，需要修筑相应的支护 结构。设用锚杆、钢支撑、喷混凝土等组合支 护，如图10-5所示。
图10-4
Βιβλιοθήκη Baidu
10-1剪切滑移破坏法
图10-5
10-1剪切滑移破坏法
喷混凝上的支护阻力可如下确定。设沿滑体给与喷层的水平推力 为 p ，面沿喷层剪切面的杭剪阻力为 T ，则 而
10-1剪切滑移破坏法
Rabcewicz指出过去一向是把挠曲破坏视为衬砌破坏的主要形态，实 际上发现剪切破坏才是崩溃的唯一方式。 1966年Rabcewicz进行的试验（图10-2）。 此次和其他类似的试验，剪切破坏前都没有出现最轻微的挠曲开裂。 国内的JL组试验也有类似的结果，这说明柔性支护破坏的主要形态是 剪切破坏。 应该指出，这种破坏还与岩体破坏的形态有关。 由于坑道开挖，岩体的破坏如图10-3所示。首先两侧壁的楔形岩块由 于剪切而分离，并向着空洞方向移动，之后，上部和下部岩体由于楔 形岩块的滑移，失去支承力造成空洞尺寸加大，使上下岩体向坑道内 挠曲，甚至移动。 依上所述，用剪切滑移法进行支护结构设计是按下述原则进行的: 1.坑道周围形成塑性滑移楔体，造成支护结构的剪切破坏； 2.支护结构与围岩粘结紧密，两者共同工作，形成无弯矩结构； 3.由锚杆、钢支撑、喷混凝土等所提供的支护阻力恰恰是与塑性滑移 楔体之滑移力达成一干衡时所需要的。
p 2Ts p 2 p sin d 0 2
b p a cos ps 2 s ds Ts sin s
因为
式中，s、 s、ds 为喷层的剪切角、抗剪强度及厚度。 故 2 s ds ps (10 2) b sin s o 通常令 s =30 、 s =0.43s 。
10-1剪切滑移破坏法
钢支撑的支护阻力亦可根据同详方法求出，
2 st Fst (10 3) b sin s st、 st、Fst为钢材的剪切角、抗剪强度及每米隧道的钢材当量 式中， 面积。 st 一般采用450 。 锚杆所提供的支护阻力 pA 计算如下： 设锚杆间距为 e 和 t 则锚杆的平均径向支护阻力 p A 为： F (10 4) pA A A et A 为锚杆抗拉强度。 式中， FA 为锚杆断面积； p st
u uo u p
式中 u 架设支护结构经过长时 间后达到平衡时的位移; uo 支护结构参与工作前坑 道周边的初始位移; u p 支护结构在平衡压力尸 作用下的位移。
由此可知，支护结构联合支护时提供的支护阻力 pa 为：
pa ps pst pA
10-1剪切滑移破坏法
岩体的抗滑阻力，实质上是岩体本身所提供的支护阻力 pw 。如 设剪切滑面长度为 s ，沿滑面的剪切应力为 n ，正应力为 n 则知 2s n cos 2 s n sin (10 5) pw b b 式中 为剪切滑面的平均倾角， (0 ) / 2 (10 -5)式的 n 和 n 可按摩尔包络线为直线的假定求出，设粘结力 为 c ，内摩擦角为 则知 n 1 3 cos 2 3 1 3 n 1 sin 2 2 又上式的 ，可用下式表达 1 sin (10 6) 1 3 2(c 3 tan ) cos
这种方法不再依靠任何一种荷载假定，而是依靠结构与岩体之间的相 互作用，在这类方法中目前得到应用的有: 1.特征曲线法(收敛－－约束法)； 2.剪切滑移破坏法; 3.数值分析法(有限元法)。
特征曲线法的实质是(图10-1）; 1.决定隧道衬砌的变形特征曲线; 2.决定岩体的变形特征曲线; 3.建立和求解隧道衬砌在岩体产生的荷载 作用下的变形和岩体在衬砌反作用的阻止下 变形之间的协调平衡，这可用分析法，也可 用图示法来进行，后者比较直观。
10-1剪切滑移破坏法
一般说，式中的 3 ，则是由各种支护结构分别提供的。 于是，由岩体和初次衬砌所提供的总支护阻力为： pa ps pst pA pw (10 7) 这个数值应满足下述不等式
pa ra min
10-2 特征曲线法
特征曲线法的基本原理是利用 岩体特征曲线和支护结构特征 曲线交会的办法来决定支护体 系的最佳平衡条件(图10-6)。
10-1剪切滑移破坏法
岩体产生剪切滑动的条件是：在通过最大主应力 1 和最小主应力 3 两点的摩尔应力圆与摩尔滑动包络线相切时发生(图10-4)。这时作用 于滑面上的正应力 n 和剪应力 n 分别等于切点B的坐标值。滑面 与 a1作用方向的夹角为 。若摩尔滑动包络线为一直线，则 为 / 4 / 2 。如图10-5 一定值。等于 所示，在陇道中心沿垂直线作 角的直线与隧 道表面交于点A,由此出发绘出与岩体的同心圆 成 角的曲线，即为隧道侧壁岩体的滑移面， 如以极坐标表示，该曲线的方程为：
第十章 隧道支护体系的岩石力学计算方法
剪切滑移破坏法是以构造岩体破坏形态决定支护体系承载能力的，方 法极其简单。但这种简化不是从空洞的推理来取得的，而是通过对工 程破坏的考察及模型试验结果提出的，它在实践中获得较广泛的应用。 这个方法的实质是:通过试验认为支护结构的破坏很少是由于弯曲而造 成的，一般是由于侧壁的剪切破坏，然后按侧壁荷载和剪切破坏阻力 之间的平衡进行计算。 数值分析法对分析整个支护体系的稳定性具有理论的意义，它可以考 虑较多的初始条件和岩体及支护结构的特征，同时可以用电子计算机 进行计算，如无拉分析、粘弹性分析、三维的空间效应分析……等。 但这些分析都是在一定的前提下进行的，只有前提是正确的或者是可 以接受的，计算结果才可能是值得信赖的。此部分内容可参阅专门文 献。
r a exp tan b 2 cos
(10 1)
为了阻止这个楔体滑移，需要修筑相应的支护 结构。设用锚杆、钢支撑、喷混凝土等组合支 护，如图10-5所示。
图10-4
Βιβλιοθήκη Baidu
10-1剪切滑移破坏法
图10-5
10-1剪切滑移破坏法
喷混凝上的支护阻力可如下确定。设沿滑体给与喷层的水平推力 为 p ，面沿喷层剪切面的杭剪阻力为 T ，则 而
10-1剪切滑移破坏法
Rabcewicz指出过去一向是把挠曲破坏视为衬砌破坏的主要形态，实 际上发现剪切破坏才是崩溃的唯一方式。 1966年Rabcewicz进行的试验（图10-2）。 此次和其他类似的试验，剪切破坏前都没有出现最轻微的挠曲开裂。 国内的JL组试验也有类似的结果，这说明柔性支护破坏的主要形态是 剪切破坏。 应该指出，这种破坏还与岩体破坏的形态有关。 由于坑道开挖，岩体的破坏如图10-3所示。首先两侧壁的楔形岩块由 于剪切而分离，并向着空洞方向移动，之后，上部和下部岩体由于楔 形岩块的滑移，失去支承力造成空洞尺寸加大，使上下岩体向坑道内 挠曲，甚至移动。 依上所述，用剪切滑移法进行支护结构设计是按下述原则进行的: 1.坑道周围形成塑性滑移楔体，造成支护结构的剪切破坏； 2.支护结构与围岩粘结紧密，两者共同工作，形成无弯矩结构； 3.由锚杆、钢支撑、喷混凝土等所提供的支护阻力恰恰是与塑性滑移 楔体之滑移力达成一干衡时所需要的。
p 2Ts p 2 p sin d 0 2
b p a cos ps 2 s ds Ts sin s
因为
式中，s、 s、ds 为喷层的剪切角、抗剪强度及厚度。 故 2 s ds ps (10 2) b sin s o 通常令 s =30 、 s =0.43s 。
10-1剪切滑移破坏法
钢支撑的支护阻力亦可根据同详方法求出，
2 st Fst (10 3) b sin s st、 st、Fst为钢材的剪切角、抗剪强度及每米隧道的钢材当量 式中， 面积。 st 一般采用450 。 锚杆所提供的支护阻力 pA 计算如下： 设锚杆间距为 e 和 t 则锚杆的平均径向支护阻力 p A 为： F (10 4) pA A A et A 为锚杆抗拉强度。 式中， FA 为锚杆断面积； p st
u uo u p
式中 u 架设支护结构经过长时 间后达到平衡时的位移; uo 支护结构参与工作前坑 道周边的初始位移; u p 支护结构在平衡压力尸 作用下的位移。
由此可知，支护结构联合支护时提供的支护阻力 pa 为：
pa ps pst pA
10-1剪切滑移破坏法
岩体的抗滑阻力，实质上是岩体本身所提供的支护阻力 pw 。如 设剪切滑面长度为 s ，沿滑面的剪切应力为 n ，正应力为 n 则知 2s n cos 2 s n sin (10 5) pw b b 式中 为剪切滑面的平均倾角， (0 ) / 2 (10 -5)式的 n 和 n 可按摩尔包络线为直线的假定求出，设粘结力 为 c ，内摩擦角为 则知 n 1 3 cos 2 3 1 3 n 1 sin 2 2 又上式的 ，可用下式表达 1 sin (10 6) 1 3 2(c 3 tan ) cos