岩体力学第6章

6.4 地下岩体工程围岩压力
6.4.1 围岩压力成因与分类 6.4.2 围岩压力计算
1.围岩压力成因 2.围岩压力分类
6.4.1 围岩压力成因与分类
1.围岩压力成因
1)对于坚硬、完整岩体，由于围岩应力一般小于岩体极限强度，所以岩体 只发生弹性变形而无塑性流动，岩体没有破坏或松动。 2)对于中等坚硬且结构面发育的岩体，即中等质量岩体，由于硐室围岩变 形较大，存在弹性变形与塑性流变，或有少量岩石破碎作用，加之围岩应 力重新分布需要一定时间，因此，硐室进行支护或设置衬砌后，围岩变形 将受到支护或衬砌的约束，围岩对支护与衬砌产生压力。 3)对于软弱、破碎岩体，由于岩体结构面极为发育、极限强度很低，硐室 开挖过程中或开挖结束后，重新分布的应力很容易超过岩体强度而引起围 岩破坏、松动与塌落。
2.椭圆形硐室围岩的弹性应力状态
图6-7 非圆形硐室围岩应力计算简图
(1)椭圆硐室洞壁应力计算公式
图6-8 椭圆硐室单向受力计算简图
(2)椭圆硐室洞壁应力分布特点
表6-3
(2)椭圆百度文库室洞壁应力分布特点
图6-9 椭圆硐室周壁切向正应力集中系数k分布曲线
(3)最佳椭圆截面尺寸(谐洞)
所谓硐室的最佳截面尺寸，通常应满足三个条件:首先，洞周的应力 分布应该是均匀应力，且在同一半径上其应力相等；第二，洞周的 应力应该都为压应力，在洞壁处不出现拉应力；第三，其应力值应 该是各种截面中最小的。
3.矩形硐室围岩的弹性应力状态
图6-10 矩形硐室(a/b=1.8)周边应力分布图
3.矩形硐室围岩的弹性应力状态
表6-4 矩形硐室周边应力的数值
6.2.3 弹塑性条件下地下岩体工程围岩应力分布
1.轴对称圆形硐室围岩的弹塑性应力状态 2.轴对称圆形硐室围岩塑性区半径
1.轴对称圆形硐室围岩的弹塑性应力状态
6.3.1 地下岩体工程围岩的弹性位移
•岩体中圆形硐室条件下围岩变形可简化为有圆 孔矩形薄板变形问题，尽管弹性理论解不能完全 反映围岩变形的实际情况，圆孔周边变形通常可 作为硐室工程围岩稳定性与衬砌设计的参考依据。
•有圆孔矩形薄板问题的弹性变形计算，可以根 据其应力方程与几何方程求得应变，进而求得相 应的位移。
(2)侧压力系数λ为任意值时的情形
图6-4 任意λ值时围岩应力计算简图
图6-5 圆环外侧承受三角函数分布力的计算简图
a)
b)
表6-2 λ=0.25时圆形硐室的围岩应力
图6-6 λ=0.25时圆形硐室 围岩应力分布图
2.椭圆形硐室围岩的弹性应力状态
(1)椭圆硐室洞壁应力计算公式 图6-8是在单向应力作用时椭圆形硐室的计 算简图。 (2)椭圆硐室洞壁应力分布特点 洞壁的切向正应力σθ不仅与初始应力p0和 侧压力系数λ有关，还取决于该点与x轴的夹角θ和半轴比m的大小。 (3)最佳椭圆截面尺寸(谐洞) 所谓硐室的最佳截面尺寸，通常应满足三个 条件:首先，洞周的应力分布应该是均匀应力，且在同一半径上其应力相等； 第二，洞周的应力应该都为压应力，在洞壁处不出现拉应力；第三，其应 力值应该是各种截面中最小的。
图6-14 圆形硐室单轴受力状态时的洞壁位移 注：u为径向位移，v为切向位移，UV=
6.3.2 地下岩体工程围岩的弹塑性位移
图６-１５ 圆形洞室洞壁位移分析简图 1—变形前洞室洞壁 2—变形后洞室洞壁 3—变形前塑性圈外界 4—变形后塑性圈外界
6.3.2 地下岩体工程围岩的弹塑性位移
图６-１６ 洞壁位移与时间关系曲线
图6-11 莫尔强度包络线
1.轴对称圆形硐室围岩的弹塑性应力状态
图6-12 硐室围岩塑性圈出现前后围岩应力分布曲线
2.轴对称圆形硐室围岩塑性区半径
图6-13 塑性区半径计算简图(Ⅰ为塑性区，Ⅱ为弹性区)
6.3 地下岩体工程变形与计算
6.3.1 地下岩体工程围岩的弹性位移 6.3.2 地下岩体工程围岩的弹塑性位移
第6章
6.1 概述 6.2 地下岩体工程的应力分布 6.3 地下岩体工程变形与计算 6.4 地下岩体工程围岩压力
6.1 概述
地下岩体工程通常包括在地下岩体中开挖的各种 隧道、井巷与硐室。铁路、公路、矿山、水电、 国防、城市地铁及城市建设等许多领域，都有大 量的地下岩体工程。随着科学技术及工业的发展， 地下岩体工程将会有更为广泛的新用途，如地下 油气库、地下储热库、地下储水库以及地下核废 料密闭储藏库等。
6.2 地下岩体工程的应力分布
6.2.1 地下岩体工程围岩应力重分布 6.2.2 弹性条件下地下岩体工程围岩应力分布 6.2.3 弹塑性条件下地下岩体工程围岩应力分布
6.2.1 地下岩体工程围岩应力重分布
1)围岩的二次应力状态仍保持弹性状态，除出现局部岩块松动现象外，围 岩基本稳定，弹性理论的基本定律与假设仍可适用； 2)围岩的二次应力状态若为弹、塑性分布。
图6-1 轴对称圆形硐室的计算
6.2.2 弹性条件下地下岩体工程围岩应力分布
1.轴对称圆形硐室围岩的二次应力分布 2.椭圆形硐室围岩的弹性应力状态
3.矩形硐室围岩的弹性应力状态
1.轴对称圆形硐室围岩的二次应力分布
(1)侧压力系数λ=1时的情形 当侧压力系数λ=1时，如图6-2a所示，以圆孔 中心为坐标原点，在矩形域内以rb为半径作一圆形域，当rb>>ra时，由于半 径为rb的孔边处于应力集中区域以外，其上各点的应力状态与无孔时的应 力状态相同(见图6-2b)，可认为圆形域周边上的压力等于均布压力p0，p0=γ H。 (2)侧压力系数λ为任意值时的情形 侧压力系数λ为任意值时，圆形硐室围 岩的二次应力分布计算简图如图6-4a所示，可由图6-4b、图6-4c所示两种情 形叠加得到。
1.轴对称圆形硐室围岩的二次应力分布
图6-2 一定埋深的圆形硐室围岩应力计算简图
(1)侧压力系数λ=1时的情形
图6-3 λ=1时圆形硐室围岩应力分布图
(1)侧压力系数λ=1时的情形
表6-1 λ=1圆形硐室围岩应力
(2)侧压力系数λ为任意值时的情形 侧压力系数λ为任意值时，圆形硐室围岩的二次应力分布计算简图 如图6-4a所示，可由图6-4b、图6-4c所示两种情形叠加得到。