1/19/202316巖石地下工程6.1概述（1）概念1.巖石地下工程是指在地下巖體中開(kāi)挖而修建的臨時(shí)或永久的各種工程。2.圍巖：開(kāi)挖空間周?chē)膽?yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變的那部分巖體。（2）載荷特性巖石工程的載荷是由于開(kāi)挖引起地應(yīng)力以變形能的形式釋放而形成的，這種“釋放載荷”是引起巖石工程變形和破壞的作用力。1/19/20232（3）巖體穩(wěn)定性1.圍巖穩(wěn)定性取決于圍巖應(yīng)力狀態(tài)和圍巖的力學(xué)性質(zhì)、開(kāi)挖影響、支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度等因素。2.地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析包括兩個(gè)方面：1）應(yīng)力集中造成的圍巖變形破壞；2）不連續(xù)結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體失穩(wěn)。（4）研究方法的選擇選擇的數(shù)學(xué)力學(xué)方法與巖體所處的物理狀態(tài)有關(guān)：1.峰前區(qū)（變形體）：彈性段—彈性力學(xué)，彈塑性段—彈塑性力學(xué)，或剛塑性力學(xué)，或損傷力學(xué)；2.峰值點(diǎn)（貫通裂隙形成點(diǎn)、突變點(diǎn)）；3.峰后區(qū)（剛性塊體）——?jiǎng)傂詨K體力學(xué)，或?qū)嶒?yàn)力學(xué)，或初等力學(xué)。1/19/202336.2深埋圓形巷道圍巖應(yīng)力的彈性解

基本假定1.圍巖為均質(zhì)，各向同性；2.線(xiàn)彈性、無(wú)蠕變性或?yàn)榫€(xiàn)粘彈性；3.巷道為無(wú)限長(zhǎng)，斷面形狀和尺寸保持不變，符合平面應(yīng)變問(wèn)題；4.深埋()；5.忽略巷道影響范圍（3～5倍的）內(nèi)的巖石自重。1/19/202346.2.1凈水壓力（側(cè)壓系數(shù)）下圍巖應(yīng)力與位移（1）計(jì)算模型1/19/20235微元體（(a)受力圖；(b)變形圖）1/19/2023（2）基本方程1.平衡方程2.幾何方程3.本構(gòu)方程1/19/202361/19/202374.邊界條件（不支護(hù)）（3）解答聯(lián)立上述各式可解得方程的解為（彈性力學(xué)P71（4-14）式，令即可得到）：

1/19/20238凈水壓力下圍巖應(yīng)力分布根據(jù)上式，可得到圍巖在靜水壓力（布圖，如下圖所示。

）作用下的應(yīng)力分（4）應(yīng)力分布圖

1/19/20239（5）討論1.開(kāi)巷（孔）后，應(yīng)力重新分布，也即次生應(yīng)力場(chǎng)；2.均為主應(yīng)力，徑向與切向平面為主平面；3.應(yīng)力大小與彈性常數(shù)無(wú)關(guān)；4.周邊；周邊切向應(yīng)力為最大應(yīng)力，且與巷道半徑無(wú)關(guān)。5.定義應(yīng)力集中系數(shù)：開(kāi)巷后應(yīng)力/開(kāi)巷前應(yīng)力次生應(yīng)力/原巖應(yīng)力周邊：，為次生應(yīng)力場(chǎng)的最大應(yīng)力集中系數(shù)。1/19/202310（6）巷道影響圈邊界1.一般定義以高于或低于為巷道影響圈邊界，由此可計(jì)算到；若以10%作為影響邊界，則可得影響半徑。

實(shí)際意義：應(yīng)力解除試驗(yàn)，常以作為影響圈邊界，確定鉆孔長(zhǎng)度；有限元法常劃取的域內(nèi)剖分單元進(jìn)行計(jì)算；力學(xué)處理：從力學(xué)處理方法來(lái)看，與所起的作用等價(jià)；

1/1/202311（7）彈性性位移1.特點(diǎn)1）周邊徑向位位移最大，，但量級(jí)小?。ㄒ院撩酌子?jì)）；2）完成速度快快（以聲速速計(jì)）；3）一般，不危危及斷面使使用與巷道道穩(wěn)定；4）對(duì)于幾何對(duì)對(duì)稱(chēng)和荷載載對(duì)稱(chēng)問(wèn)題題，在圍巖巖中不可能能產(chǎn)生切向向位移，圍圍巖只有徑徑向位移；；2.計(jì)算原原則1）考慮到原巖巖應(yīng)力不引引起位移，，或只有鉛鉛直位移，，并且在過(guò)過(guò)去地質(zhì)年年代已經(jīng)發(fā)發(fā)生，故計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)減減去各應(yīng)力力分量中的的原巖應(yīng)力力，只用其其增量；2）巷道位移只只和應(yīng)力變變化量有關(guān)關(guān)，與原巖巖應(yīng)力無(wú)關(guān)關(guān)；1/1/202312根據(jù)上上述彈彈性位位移的的特點(diǎn)點(diǎn)和計(jì)計(jì)算原原則，，軸對(duì)對(duì)稱(chēng)圓圓巷的的彈性性位移應(yīng)由下下式確確定：：式中：：為原巖巖的靜靜水壓壓應(yīng)力力。3.計(jì)計(jì)算公公式1/1/2023131）一般公公式（（包含含開(kāi)挖挖前變變形和和開(kāi)挖挖后變變形））2）開(kāi)挖前前（巖巖體內(nèi)內(nèi)）3）開(kāi)挖后后（巖巖體內(nèi)內(nèi)）4）開(kāi)挖后后（周周邊））不不等壓壓（側(cè)側(cè)壓系系數(shù)））下下圍巖巖應(yīng)力力（1））應(yīng)力力場(chǎng)計(jì)計(jì)算假設(shè)深深埋圓圓巷的的水平平載荷荷對(duì)稱(chēng)稱(chēng)于豎豎軸，，豎向向載荷荷對(duì)稱(chēng)稱(chēng)于橫橫軸；；豎向向載荷荷為，，橫向向載荷荷為，，由于于結(jié)構(gòu)構(gòu)本身身的對(duì)對(duì)稱(chēng)性性，可可應(yīng)用用疊加加法來(lái)來(lái)解決決此類(lèi)類(lèi)問(wèn)題題。微微元體體受力力分析析圖如如圖6-4所示示。1/1/202314圖6-4微微元元體體受受力力分分析析圖圖1/1/202315將載載荷荷均均化化處處理理后后的的計(jì)計(jì)算算圖圖如如下下圖圖所所示示，，即即：：時(shí)圓圓形形巷巷道道計(jì)計(jì)算算簡(jiǎn)簡(jiǎn)圖圖1.載載荷荷均均化化處處理理1/1/2023162.對(duì)對(duì)于于第第一一部部分分可可以以應(yīng)應(yīng)用用靜靜水水壓壓力力情情況況的的解解，，即即為為：：3.對(duì)對(duì)于于第第二二部部分分可可以以應(yīng)應(yīng)用用彈彈性性力力學(xué)學(xué)P77的的公公式式（（4-18））式即即可可得得到到：：1/1/2023174.疊疊加加后后可可得得任任意意一一點(diǎn)點(diǎn)的的應(yīng)應(yīng)力力任意意點(diǎn)點(diǎn)處處的的應(yīng)應(yīng)力力為為：：1/1/202318（2））討討論論1.巷巷道道周周邊邊應(yīng)應(yīng)力力1））將將代代入入上上式式，，即即可可得得到到巷巷道道周周邊邊的的圍圍巖巖應(yīng)應(yīng)力力：：2））切切向向應(yīng)應(yīng)力力集集中中系系數(shù)數(shù)：：3）在在巷巷道道的的頂頂、、底底板板，，即即處處，，；；在在巷巷道道的的側(cè)側(cè)邊邊，，即即處處，，。。1/1/2023194）應(yīng)力集中中系數(shù)與的的關(guān)系圖6-6應(yīng)力力集中系數(shù)與與的關(guān)系1/1/2023202.巷道周邊邊位移1）徑向位移移2）切向位移移1/1/202321非非圓巷道圍巖巖的彈性應(yīng)力力狀態(tài)（1）橢圓巷巷道圍巖的彈彈性應(yīng)力狀態(tài)態(tài)1.深埋橢圓圓巷道受力分分析簡(jiǎn)圖根據(jù)圖所示的的條件，橢圓圓巷道周邊切切向應(yīng)力計(jì)算公式式為：（6-20））圖6-71/1/2023221））定定義義等應(yīng)應(yīng)力力軸軸比比就就是是使使巷巷道道周周邊邊應(yīng)應(yīng)力力均均勻勻分分布布時(shí)時(shí)的的橢橢圓圓長(zhǎng)長(zhǎng)短短軸軸之之比比。。2.等等應(yīng)應(yīng)力力軸軸比比可得得：：如果果將將代入入（（6-20））式式，，可可得得到到：：3））結(jié)論論當(dāng)時(shí)，，切切向向應(yīng)應(yīng)力力只與與測(cè)測(cè)壓壓系系數(shù)數(shù)有有關(guān)關(guān)，，而而與與無(wú)關(guān)關(guān)，，即即周周邊邊切切向向應(yīng)應(yīng)力力處處處處相相等等。。只只要要橢橢圓圓長(zhǎng)長(zhǎng)軸軸與與原原巖應(yīng)應(yīng)力力的的最最大大主主應(yīng)應(yīng)力力方方向向一一致致，，此此時(shí)時(shí)的的橢橢圓圓形形狀狀最最為為合理理。。2））等等應(yīng)應(yīng)力力軸比比求求算算3.零零應(yīng)應(yīng)力力軸軸比比1））定定義義零應(yīng)應(yīng)力力軸軸比比就就是是使使巷巷道道周周邊邊的的應(yīng)應(yīng)力力均均大大于于或或等等于于零零時(shí)時(shí)的的橢橢圓圓長(zhǎng)長(zhǎng)短短軸軸之之比比，，即即使使巷巷道道周周邊邊的的應(yīng)應(yīng)力力不不出出現(xiàn)現(xiàn)拉拉應(yīng)應(yīng)力力時(shí)時(shí)的的橢橢圓圓長(zhǎng)長(zhǎng)短短軸軸之之比比。。2））危危險(xiǎn)險(xiǎn)點(diǎn)點(diǎn)分分析析當(dāng)橢橢圓圓長(zhǎng)長(zhǎng)軸軸始始終終與與地地應(yīng)應(yīng)力力的的最最大大主主應(yīng)應(yīng)力力方方向向保保持持一一致致時(shí)時(shí)（（在在圖圖6-7中中也也可可以以令令），，通常常橢橢圓圓斷斷面面中中最最危危險(xiǎn)險(xiǎn)的的部部位位是是長(zhǎng)長(zhǎng)短短軸軸頂頂點(diǎn)點(diǎn)部部位位，，即即A、、B點(diǎn)點(diǎn)。。對(duì)于于頂頂點(diǎn)點(diǎn)A有有，，將將其其代代入入（（6-20））式式中中得得1/1/202323當(dāng)時(shí)時(shí)，，A點(diǎn)點(diǎn)處就就不會(huì)會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)拉應(yīng)應(yīng)力，，因此此，此此時(shí)的的零應(yīng)應(yīng)力軸軸比為為：對(duì)于頂頂點(diǎn)B有，，將將其代代入（（6-20）式式中得得：當(dāng)時(shí)時(shí)，，B點(diǎn)點(diǎn)處就就不會(huì)會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)拉應(yīng)應(yīng)力，，因此此，此此時(shí)的的零應(yīng)應(yīng)力軸軸比為為（由由于））：要使橢橢圓斷斷面不不出現(xiàn)現(xiàn)拉伸伸應(yīng)力力，則則可取取它們們的公公共域域，即即可。。1/1/2023241/1/202325（2）矩矩形和其其它形狀狀巷道周周邊彈性性應(yīng)力1.一般般原理1）地下工程程最常用用的斷面面形狀：：立井—圓形；巷巷道—梯形、拱拱頂直墻墻；2）較少用的的形狀：：立井—矩形；巷巷道—矩形、圓圓形、橢橢圓、拱拱頂直墻墻及拱；；3）原則上，，地下工工程比較較常用的的單孔非非圓形巷巷道圍巖巖的平面面問(wèn)題彈彈性應(yīng)力力，都可可用彈性性力學(xué)的的復(fù)變函函數(shù)方法法解決。。2.主要要結(jié)論彈性應(yīng)力力最大值值在周邊邊，周邊邊應(yīng)力與與無(wú)無(wú)關(guān)關(guān)(除外外)，，與斷面面絕對(duì)尺尺寸無(wú)關(guān)關(guān)；地下下工程一一般總是是在周邊邊的最大大最危險(xiǎn)險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)點(diǎn)上首先先破壞，，與均布布荷載簡(jiǎn)簡(jiǎn)支梁在在梁中下下緣首先先破壞相相似。（3）小結(jié)1.彈性性應(yīng)力或或位移解解出后，，根據(jù)周周邊最大大最危險(xiǎn)險(xiǎn)應(yīng)力或或位移，，用巖體體屈服準(zhǔn)準(zhǔn)則，強(qiáng)強(qiáng)度準(zhǔn)則則或極限限位移量量，判斷斷是否穩(wěn)穩(wěn)定。2.周邊邊最大彈彈性應(yīng)力力：＞彈彈性限，，進(jìn)入塑塑性；＜＜彈性性限，自自穩(wěn)；＞＞強(qiáng)度限限，不穩(wěn)穩(wěn)定；3.周邊邊最大彈彈性位移移：＞極極限位移移量，不不穩(wěn)定；；＜極限限位移量量，自穩(wěn)穩(wěn)；4.研究究井巷圍圍巖彈性性應(yīng)力的的重點(diǎn)，，在于周周邊應(yīng)力力。當(dāng)周周邊應(yīng)力力各點(diǎn)不不等時(shí)，，還在于于周邊最最危險(xiǎn)點(diǎn)點(diǎn)的應(yīng)力力。5.研究究井巷圍圍巖彈性性應(yīng)力狀狀態(tài)的意意義：判判斷穩(wěn)定定性；為為原巖應(yīng)應(yīng)力實(shí)測(cè)測(cè)提供計(jì)計(jì)算公式式；6.本節(jié)節(jié)講的全全是深埋埋。對(duì)于于淺埋工工程，影影響圈內(nèi)內(nèi)自垂不不能忽略略，其情情況更為為復(fù)雜。。1/1/2023261/1/2023266.3深埋圓形巷巷道的彈塑塑性解6.3.1軸對(duì)稱(chēng)稱(chēng)圓巷的理理想彈塑性性應(yīng)力解（1）基本本假定1.圍巖為為均質(zhì)，各各向同性；；2.塑性遵遵循莫爾——庫(kù)侖準(zhǔn)則則；3.圓形巷巷道無(wú)限長(zhǎng)長(zhǎng)，符合平平面應(yīng)變問(wèn)問(wèn)題；4.深埋()；5.忽略影影響圈內(nèi)的的自重；1/1/202327（2）計(jì)算算模型圓形巷道的的塑性區(qū)1/1/202328（3）基本本方程1.彈性區(qū)區(qū)2.塑性區(qū)區(qū)平衡方程3.強(qiáng)度準(zhǔn)準(zhǔn)則方程極限平衡問(wèn)問(wèn)題不必借借用幾何方方程就可求求解。1/1/202329（6-21））（6-22））（6-23））1/1/202330外邊界界（與與彈性性區(qū)的的交界界面））：有4.邊邊界條條件：：1）彈性區(qū)區(qū)外邊界界：內(nèi)邊界界（與與塑性性區(qū)的的交界界面））：有（6-24）2）塑性區(qū)區(qū)（6-25）內(nèi)邊界界（周周邊））：有（6-26）1/1/202331（4）解題步驟1.無(wú)支護(hù)護(hù)情況1）求解塑性區(qū)區(qū)的應(yīng)力由（6-22）式和和（6-23）式聯(lián)聯(lián)立，并使使用塑性區(qū)區(qū)的內(nèi)邊界界（6-26）式不支支護(hù)情況，，得：（6-27）將（6-27）式代代入（6-23）式式，得：（6-28）1/1/2023322）求解彈性區(qū)區(qū)的應(yīng)力由（6-21）式和和彈性區(qū)外外邊界條件件，可得：：（6-29）由（6-27）式和和（6-29）式與與塑性區(qū)外外邊界條件件，可解得得B，將其代入（（6-21）式，整整理后可得得彈性區(qū)應(yīng)應(yīng)力為：（6-30）1/1/2023333）求解塑性區(qū)區(qū)外半徑由（6-28）式和和（6-30）式以以及在彈、、塑性邊界界上相等條件，，可得出塑塑性區(qū)外半半徑為：（6-31）將（6-31）式代代入（6-30）式式中，可得得彈性區(qū)應(yīng)應(yīng)力為：（6-32）1/1/2023342.有支護(hù)護(hù)情況有支護(hù)的情情況，在求求解時(shí)只是是應(yīng)用邊界界條件不同同，其它解解法和上述情況況相似。如如當(dāng)（6-22）式式和（6-23）式式聯(lián)立求解解后，應(yīng)用塑性區(qū)區(qū)的內(nèi)邊界界（6-26）式有有支護(hù)的邊邊界條件來(lái)來(lái)決定積分分常數(shù)即可。。這樣就可可得到如下下解答：1）彈性區(qū)的應(yīng)應(yīng)力（6-33）2）塑性區(qū)的應(yīng)應(yīng)力（6-34）1/1/2023353）塑性區(qū)半半徑（6-35）4）反力（6-36）（6-35）式式或（6-36）式即即為著名名的卡斯斯特納（（H.Kastner,1951））方程。。（5）討討論1.與與成成正正比，與與成成正正變，與與、、、、成成反變關(guān)關(guān)系；2.塑性性區(qū)應(yīng)力力與原巖巖應(yīng)力無(wú)無(wú)關(guān)（（極限平平衡問(wèn)題題特點(diǎn)之之一）；；3.支護(hù)護(hù)反力時(shí)時(shí)，最最大；4.指數(shù)數(shù)的的物物理意義義，可近近似理解解為“拉壓強(qiáng)度度比”；1/1/2023366.3.2軸對(duì)對(duì)稱(chēng)圓巷巷彈塑性性位移（1）基基本假定定求解位移移時(shí)的基基本假設(shè)設(shè)與求解解上述軸軸對(duì)稱(chēng)彈彈塑性應(yīng)應(yīng)力問(wèn)題題相同，，但要符符合一般般理想塑塑性材料料的體積積應(yīng)變?yōu)闉榱愕募偌僭O(shè)，因因此，本本問(wèn)題不不涉及剪剪脹效應(yīng)應(yīng)。（2）彈塑塑性邊界位位移的求算算彈塑性邊界界的位移是是由彈性區(qū)區(qū)的巖體變變形引起的的。彈性區(qū)區(qū)的變形可可按外邊界界趨于無(wú)窮窮、內(nèi)邊界界為的的后后壁圓筒處處理。根據(jù)據(jù)物理方程程和幾何方方程，由（（6-33）式以求求的應(yīng)力求求出位移為為：1/1/202337（6-37））其中中：：為為彈彈塑塑性性邊邊界界上上的的徑徑向向應(yīng)應(yīng)力力。。在在彈彈塑塑性性邊邊界界上上有有：：，，且且兩兩個(gè)個(gè)應(yīng)應(yīng)力力滿(mǎn)滿(mǎn)足足庫(kù)庫(kù)侖侖準(zhǔn)準(zhǔn)則則，，即即：：因此此，，可可以以求求得得：：將（（6-38））式式代代入入（（6-37））式式中中，，可可得得：：1/1/202338（6-38）（6-39）根據(jù)假假設(shè)塑塑性區(qū)區(qū)體積積不變變，有有（如如教材材P325圖6-9所示示）：：于是可可得：：因此可可得到到巷道道周邊邊的位位移公公式：：其中1/1/2023391/1/202340本小節(jié)節(jié)總結(jié)結(jié)塑性區(qū)區(qū)的形形狀和和范圍圍是確確定加加固方方案、、錨桿桿布置置和松松散地地壓的的主要要依據(jù)據(jù)。但但是，，目前前用解解析方方法僅僅能解解一般般的圓圓巷問(wèn)問(wèn)題，，而對(duì)對(duì)實(shí)際際工程程更為為重要要的非非圓巷巷道，，多孔孔巷道道的彈彈塑性性理論論分析析問(wèn)題題至今今還未未解決決。6.4圍巖巖壓力力與控控制圍巖與與支護(hù)護(hù)相互互作用用分析析（1））一般般概念念1.支支護(hù)所所受的的壓力力及其其變形形，來(lái)來(lái)自于于圍巖巖在自自身平平衡過(guò)過(guò)程中中的變變形或或破裂裂導(dǎo)致致的對(duì)對(duì)支護(hù)護(hù)的作作用，，因此此，圍圍巖性性態(tài)及及其變變化對(duì)對(duì)支護(hù)護(hù)的作作用有有重要要影響響。2.支支護(hù)以以自己己的剛剛度和和強(qiáng)度度抑制制巖體體變形形和破破裂的的進(jìn)一一步發(fā)發(fā)展，，而這這一過(guò)過(guò)程同同樣也也影響響支護(hù)護(hù)自身身的受受力。。3.共共同體體這兩兩方面面的耦耦合作作用和和互為為影響響的情情況稱(chēng)稱(chēng)為圍圍巖——支護(hù)護(hù)共同同作用用。1/1/2023414.巖巖石地地下工工程的的支護(hù)護(hù)可能能有兩兩種極極端情情況1）當(dāng)巖體體內(nèi)應(yīng)力達(dá)達(dá)到峰值前前，支護(hù)已已經(jīng)到位，，巖體的進(jìn)進(jìn)一步變形形（包括其其剪脹或擴(kuò)擴(kuò)容）破碎碎受支護(hù)阻阻擋，構(gòu)成成圍巖與支支護(hù)共同體體，形成相相互作用。。如果支護(hù)護(hù)有足夠的的剛度和強(qiáng)強(qiáng)度，則共共同體是穩(wěn)穩(wěn)定的。否否則，共同同體將失穩(wěn)穩(wěn)。2）當(dāng)巖體體內(nèi)應(yīng)力達(dá)達(dá)到峰值時(shí)時(shí)，支護(hù)未未及架設(shè)，，甚至在巖巖體破裂充充分發(fā)展，，支護(hù)仍未未起到作用用，從而導(dǎo)導(dǎo)致巷道發(fā)發(fā)生冒落，，此時(shí)的巖巖石工程將將整體失穩(wěn)穩(wěn)。1/1/2023421/1/202343（2）支護(hù)思思想1.對(duì)于第一一種極端情況況，可以采用用共同體共同同作用的原理理進(jìn)行分析；；對(duì)于第二種種情況，將要要應(yīng)用古典和和現(xiàn)代的“地地壓學(xué)說(shuō)”來(lái)來(lái)解決。2.處于以上上兩種情況之之間時(shí)，即巖巖體變形的發(fā)發(fā)展在未完全全破裂前，支支護(hù)開(kāi)始作用用。這時(shí)，也也可以進(jìn)入圍圍巖—支護(hù)共共同作用狀態(tài)態(tài)。由于支護(hù)護(hù)受到的只是是剩余部分的的變形作用，，因此，此時(shí)時(shí)支護(hù)所受到到的作用要比比第一種極端端情況有利。。3.充分利用用共同作用原原理，發(fā)揮圍圍巖的自承能能力，對(duì)維護(hù)護(hù)地下工程穩(wěn)穩(wěn)定性和減少少對(duì)支護(hù)的投投入是十分有有利的，這也也是巖石力學(xué)學(xué)在解決地下下工程穩(wěn)定問(wèn)問(wèn)題中的一個(gè)個(gè)基本思想。。（3）共同作作用原理1.對(duì)于圍巖巖根據(jù)彈塑性位位移公式（6-40）式式，并將用用（6-35）式式代替，可得得到：從上式可以看看出，巷道周周邊位移和支支護(hù)反力成反反變關(guān)系，其其變化關(guān)系圖圖如圖6-9中的a曲線(xiàn)線(xiàn)所示，此曲曲線(xiàn)即為圍巖巖特性曲線(xiàn)。。1/1/202344（6-41））共同作用曲線(xiàn)線(xiàn)圖6-9軸對(duì)稱(chēng)圓巷圍圍巖支護(hù)共同同作用曲線(xiàn)1/1/202345a-圍巖特性性曲線(xiàn)，b-支護(hù)工作曲曲線(xiàn)1/1/2023462.對(duì)于支支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力力與變形關(guān)系系情況，可根根據(jù)計(jì)算或?qū)崒?shí)驗(yàn)來(lái)獲得它它們的關(guān)系曲曲線(xiàn)。如果對(duì)對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)圓圓形巷道內(nèi)修修建圓形襯砌砌，如圖6-10所示，，則可將圓形形襯砌視為受受均布外壓力力P的厚壁圓圓筒，若圓筒筒的內(nèi)、外徑徑和材料彈性性常數(shù)分別用用表表示，，根據(jù)彈性理理論的厚壁圓圓筒公式，可可得到圓筒外外緣的徑向位位移為：從（6-42）式可以看看出，襯砌的的位移和和外作作用力是是成正比關(guān)關(guān)系。同樣也也在圖圖上繪出曲曲線(xiàn)b，即為為支護(hù)特性曲曲線(xiàn)。（6-42））圖6-10圓圓形襯砌砌外壓力和外外緣位移1/1/2023473.共共同同作作用用曲曲線(xiàn)線(xiàn)關(guān)關(guān)系系可可獲獲得得的的結(jié)結(jié)論論1））如如果果改改變變支支護(hù)護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的剛剛度度，，就就可可以以改改變變支支護(hù)護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的受受力力狀狀態(tài)態(tài)。。若若降降低低其其剛剛度度，，支支護(hù)護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)受受力力減減小小，，但但巷巷道道位位移移增增加加。。因因此此，，在在支支護(hù)護(hù)過(guò)過(guò)程程中中就就有有柔柔性性支支護(hù)護(hù)和和剛剛性性支支護(hù)護(hù)的的區(qū)區(qū)別別，，以以及及支支護(hù)護(hù)““讓讓壓壓””的的說(shuō)說(shuō)法法。。當(dāng)當(dāng)采采用用柔柔性性支支護(hù)護(hù)時(shí)時(shí)，，允允許許巷巷道道有有一一定定的的變變形形，，以以減減小小支支護(hù)護(hù)的的受受力力，，保保證證支支護(hù)護(hù)安安全全和和過(guò)過(guò)大大的的投投入入。。2））還還反反映映巖巖體體力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)和和支支護(hù)護(hù)時(shí)時(shí)間間對(duì)對(duì)共共同同作作用用的的影影響響。。如如果果巖巖體體性性質(zhì)質(zhì)越越軟軟，，圍圍巖巖特特性性曲曲線(xiàn)線(xiàn)越越向向外外移移動(dòng)動(dòng)，，變變形形也也越越大大；；而而支支護(hù)護(hù)時(shí)時(shí)間間越越晚晚，，支支護(hù)護(hù)曲曲線(xiàn)線(xiàn)的的起起點(diǎn)點(diǎn)離離坐坐標(biāo)標(biāo)原原點(diǎn)點(diǎn)也也越越遠(yuǎn)遠(yuǎn)，，支支護(hù)護(hù)工工作作壓壓力力也也越越小小。。1/1/2023484.圍圍巖巖與與支支護(hù)護(hù)相相互互作作用用原原理理表表述述如如下下：：1））由由彈彈性性理理論論可可知知，，對(duì)對(duì)于于軸軸對(duì)對(duì)稱(chēng)稱(chēng)圓圓形形巷巷道道周周邊邊位位移移和和支支護(hù)護(hù)反反力力成成反反變變關(guān)關(guān)系系，，因因此此，，其其的的圍圍巖巖特特性性曲曲線(xiàn)線(xiàn)如如圖圖6-9（（a））所所示示；；2））對(duì)對(duì)于于軸軸對(duì)對(duì)稱(chēng)稱(chēng)圓圓形形巷巷道道的的襯襯砌砌來(lái)來(lái)說(shuō)說(shuō)，，由由彈彈性性理理論論可可知知，，巷巷道道周周邊邊位位移移和和支支護(hù)護(hù)作作用用力力成成正正比比關(guān)關(guān)系系，，同同樣樣在在圖圖6-9中中繪繪制制支支護(hù)護(hù)特特性性曲曲線(xiàn)線(xiàn)（（b））；；3）圍圍巖特特性曲曲線(xiàn)和和支護(hù)護(hù)特性性曲線(xiàn)線(xiàn)就構(gòu)構(gòu)成了了它們們的共共同作作用關(guān)關(guān)系，，其交交點(diǎn)即即為工工況點(diǎn)點(diǎn)。根根據(jù)曲曲線(xiàn)可可以看看出，，如果果支護(hù)護(hù)的剛剛度增增大，，則工工況點(diǎn)點(diǎn)向左左移，，巷道道徑向向位移移減小小，支支護(hù)受受力增增大；；如果果支護(hù)護(hù)的剛剛度減減小，，則工工況點(diǎn)點(diǎn)向右右移，，巷道道徑向向位移移增大大，支支護(hù)受受力減減小，，因此此，圍圍巖與與支護(hù)護(hù)協(xié)調(diào)調(diào)變形形，形形成了了共同同作用用，實(shí)實(shí)現(xiàn)了了巷道道的穩(wěn)穩(wěn)定。。1/1/202349古典和和現(xiàn)代代地壓壓理論論（1））歷史史作用用1.支支護(hù)的的作用用———是對(duì)對(duì)已不不能自自穩(wěn)的的峰后后破裂裂巖體體進(jìn)行行支護(hù)護(hù)達(dá)到到人工工穩(wěn)定定；2.支支護(hù)和和破裂裂巖體體本應(yīng)應(yīng)是相相互影影響、、共同同作用用的，，但現(xiàn)現(xiàn)在還還做不不到完完全用用共同同作用用理論論來(lái)指指導(dǎo)支支護(hù)設(shè)設(shè)計(jì)問(wèn)問(wèn)題；；3.古古典地地壓學(xué)學(xué)說(shuō)：：1907年，，普氏氏學(xué)說(shuō)說(shuō)———俄羅羅斯學(xué)學(xué)者；；1942年，，太沙沙基學(xué)學(xué)說(shuō)———美美國(guó)學(xué)學(xué)者；；4.在60年代，共共同作用理理論提出以以后的30多年，彈彈塑性力學(xué)學(xué)的研究方方法在巖石石力學(xué)研究究中一直占占據(jù)主導(dǎo)的的地位，古古典地壓學(xué)學(xué)說(shuō)則被冷冷落一旁；；1/1/2023505.幾十年年的實(shí)踐證證明，基于于小變形理理論的彈塑塑性力學(xué)方方法解決巖巖石力學(xué)問(wèn)問(wèn)題的能力力是十分有有限的，至至今也遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到指指導(dǎo)支護(hù)設(shè)設(shè)計(jì)的地步步，因?yàn)閺棌椝苄粤W(xué)學(xué)和數(shù)值計(jì)計(jì)算方法，，只是在解解決峰前區(qū)區(qū)的巖石力力學(xué)問(wèn)題很很有效，但但在解決峰峰后區(qū)的性性態(tài)問(wèn)題上上，至今還還非常乏力力；6.峰后區(qū)區(qū)的巖石力力學(xué)問(wèn)題雖雖然已不屬屬于變形體體力學(xué)的范范圍，但如如果采取實(shí)實(shí)驗(yàn)本構(gòu)關(guān)關(guān)系，借助助幾何非線(xiàn)線(xiàn)性和物理理非線(xiàn)性的的大變形力力學(xué)的方法法去解決峰峰后區(qū)的包包括有支護(hù)護(hù)條件下的的巖石力學(xué)學(xué)問(wèn)題是可可能的。但但是，這種種情況下問(wèn)問(wèn)題已非常常復(fù)雜，很很難取得閉閉合的解析析解；1/1/2023517.從工程程實(shí)用角度度出發(fā)，總總是需要一一種簡(jiǎn)單的的方法，雖雖不能作精精確的計(jì)算算，但能對(duì)對(duì)工程上所所需要的主主要數(shù)據(jù)給給出估計(jì)值值也是很好好的。工程程師最關(guān)心心的主要數(shù)數(shù)據(jù)：支護(hù)護(hù)所受的壓壓力大小，，即“地壓壓”；支護(hù)護(hù)在地壓作作用下的變變形大小。。8.古典地地壓學(xué)說(shuō)可可以通過(guò)非非常簡(jiǎn)單的的計(jì)算給出出地壓的大大小，盡管管無(wú)法回答答第二個(gè)問(wèn)問(wèn)題，即求求不出任何何位移量的的大小，但但古典地壓壓仍有一定定的歷史地地位。1/1/202352（2）普氏氏地壓理論論1.普氏理理論的基本本假設(shè)1）巖體由由于節(jié)理的的切割，經(jīng)經(jīng)開(kāi)挖后形形成松散巖巖體，但仍仍具有一定定的粘結(jié)力力；2）硐室開(kāi)開(kāi)挖后，硐硐頂巖體將將形成一自自然平衡拱拱。在硐室室的側(cè)壁處處，沿與側(cè)側(cè)壁夾角為為的的方方向產(chǎn)生兩兩個(gè)滑動(dòng)面面，其計(jì)算算簡(jiǎn)圖如圖圖6-11所示。而而作用在硐硐頂?shù)膰鷰r巖僅是自然然平衡拱內(nèi)內(nèi)的巖體自自重；3）采用堅(jiān)固性性系數(shù)來(lái)來(lái)表征征巖體的強(qiáng)強(qiáng)度。實(shí)際際應(yīng)用中，，普氏采用用了一個(gè)經(jīng)經(jīng)驗(yàn)公式，，即4）形成的自然然平衡拱的的硐頂巖體體只能承受受壓應(yīng)力不不能承受拉拉應(yīng)力。1/1/2023531/1/202354圖6-11普普氏理論論的圍巖巖壓力計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)圖圖1/1/2023552.普氏氏理論的的計(jì)算公公式1）自然然平衡拱拱拱軸線(xiàn)線(xiàn)方程的的確定先假設(shè)拱拱軸線(xiàn)是是一條二二次曲線(xiàn)線(xiàn)，如圖圖6-12所示示。圖6-12自自然平衡衡拱計(jì)算算簡(jiǎn)圖1/1/202356在拱軸線(xiàn)上任任取一點(diǎn)M(x，y)，，根據(jù)拱軸線(xiàn)線(xiàn)不能承受拉拉力的條件，則所有有外力對(duì)M點(diǎn)點(diǎn)的彎矩應(yīng)為為零。即（6-44））由靜力平衡方方程可知，上上述方程中的的水平推力T與作用在拱拱腳的水平推力力數(shù)值相等、、方向相反。。即：由于拱腳很容容易產(chǎn)生水平平位移而改變變整個(gè)拱的內(nèi)內(nèi)力分布，因因此普氏認(rèn)為拱腳腳的水平推力力必須滿(mǎn)足下列列要求：（6-45））1/1/202357其中為巖石堅(jiān)固性性系數(shù)。即作作用在拱腳處處的水平推力力必須要小于或或者等于垂直直反力所產(chǎn)生生的最大摩擦擦力，以便保持拱腳的的穩(wěn)定。普氏為了安全全，又將這最最大摩擦力降降低了一半值值，即令：代入（6-44）式，可可得拱軸線(xiàn)方方程為：（6-46））根據(jù)此式可求求得拱軸線(xiàn)上上任意一點(diǎn)的的高度。當(dāng)時(shí)，可得：1/1/202358（6-47））式中：b—拱拱的矢高，即即為自然平衡衡拱的最大高高度；—自然拱平衡衡拱計(jì)算跨度度，按計(jì)算簡(jiǎn)簡(jiǎn)圖6-11中的幾何關(guān)系，由下下式計(jì)算得：：（6-48））普氏認(rèn)為，作作用在深埋松松散巖體硐室室頂部的圍巖巖壓力，只有穩(wěn)定平衡衡拱以?xún)?nèi)巖石石的重量作用用在支架上，，才引起頂壓壓，而與拱外外上覆地層重重量無(wú)關(guān)，故故該拱又可稱(chēng)稱(chēng)為免壓拱；；硐頂最大圍巖巖壓力：側(cè)向壓力：1/1/2023592）圍巖壓力力的計(jì)算3.應(yīng)用普氏氏理論的注意意事項(xiàng)1）硐室必須須有足夠的埋埋深；2）巖體經(jīng)開(kāi)開(kāi)挖后能夠形形成一個(gè)自然然平衡拱，這這是計(jì)算的關(guān)關(guān)鍵；3）堅(jiān)固性系系數(shù)值值的確定，在實(shí)際應(yīng)用中中，除了按經(jīng)經(jīng)驗(yàn)公式求得得f值以外，，還必須根據(jù)據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)、、地下水的滲滲漏情況、巖巖體的完整性性等，給予適適當(dāng)?shù)匦拚?，，使?jiān)固系數(shù)數(shù)更全面地反反映巖體的力力學(xué)性能。4）松散巖體體；5）普氏學(xué)說(shuō)完全全無(wú)法估計(jì)峰峰后巖石剪脹脹變形對(duì)支護(hù)護(hù)造成的應(yīng)力力與位移，所所以普氏公式式只是一個(gè)近近似估算公公式；1/1/2023601/1/202361（3））太太沙沙基基地地壓壓學(xué)學(xué)說(shuō)說(shuō)1.太太沙沙基基理理論論的的基基本本假假設(shè)設(shè)1））認(rèn)認(rèn)為為巖巖體體是是松松散散體體，，但但存存在在著著一一定定的的粘粘接接力力，，其其強(qiáng)強(qiáng)度度服服從從莫莫爾爾-庫(kù)庫(kù)淪淪強(qiáng)強(qiáng)度度理理論論。。2））洞洞室室開(kāi)開(kāi)挖挖后后，，將將產(chǎn)產(chǎn)生生如如圖圖6-13所所示示的的兩兩個(gè)個(gè)滑滑動(dòng)動(dòng)面面，，滑滑動(dòng)動(dòng)面面與與洞洞室室側(cè)側(cè)壁壁的的夾夾角角為為。。3））地地面面作作用用著著附附加加荷荷載載q。。2.泰泰沙沙基基圍圍巖巖壓壓力力公公式式根據(jù)據(jù)圖圖6-13所所示示，，在在峒峒室室頂頂部部的的圍圍巖巖中中取取一一微微元元體體，，并并利利用用靜靜力力平平衡衡方方程程，，可可得得：：（6-50））1/1/202362圖6-13太太沙沙基基垂垂直直地地層層壓壓力力計(jì)計(jì)算算簡(jiǎn)簡(jiǎn)圖圖1/1/202363式中中：：—作作用用在在微微元元體體上上部部的的圍圍巖巖壓壓力力；；—作作用用在在微微元元體體側(cè)側(cè)向向的的水水平平應(yīng)應(yīng)力力。。根根據(jù)據(jù)確定定；；測(cè)壓壓系系數(shù)數(shù)的的概概念念，，按按—作作用用于于微微元元體體兩兩側(cè)側(cè)的的剪剪應(yīng)應(yīng)力力。。根根據(jù)據(jù)其其假假可按按莫莫設(shè)條條件件，，微微元元體體將將沿沿這這兩兩側(cè)側(cè)面面發(fā)發(fā)生生沉沉降降而產(chǎn)產(chǎn)生生剪剪切切破破環(huán)環(huán)。。故故剪剪應(yīng)應(yīng)力力爾-庫(kù)庫(kù)倫倫強(qiáng)強(qiáng)度度理理論論求求得得。。即即:z——微微元元體體上上覆覆巖巖層層的的厚厚度度；；dz——微微元元體體的的厚厚度度；；H——開(kāi)開(kāi)挖挖洞洞室室的的埋埋深深；；h——洞洞室室的的高高度度；；1/1/202364—巖巖體體的的重重力力密密度度;q——作作用用在在地地面面的的附附加加荷荷載載。。將上上述述的的各各應(yīng)應(yīng)力力分分量量代代入入式式(6-50)，，并并加加以以整整理理得得：：解上上述述微微分分方方程程可可得得：：根據(jù)據(jù)邊邊界界條條件件；其其積積分分常常數(shù)數(shù)為為：：1/1/202365代入入通通解解，，并并令令z=H時(shí)時(shí)作作用用在在洞洞頂頂?shù)牡膰鷩鷰r巖壓壓力力公公式式：：（6-51））若令令，則則可可得得教教材材中中的的公公式式。。（4））計(jì)計(jì)入入深深度度影影響響的的巷巷道道地地壓壓估估算算公公式式1.原原因：：上述述深埋埋工程程的普普氏和和太沙沙基學(xué)學(xué)說(shuō)都都反映映了地地壓中中的拱拱效應(yīng)應(yīng)，計(jì)計(jì)算公公式都都與巷巷道所所處深深度無(wú)無(wú)關(guān)。。近年年來(lái)一一些深深部巷巷道的的實(shí)踐踐表明明，它它們地地壓的的大小小、破破壞范范圍都都要比比較淺淺的更更為嚴(yán)嚴(yán)重。。因此此需要要有計(jì)計(jì)入深深度影影響的的簡(jiǎn)便便地壓壓估算算公式式。2.計(jì)計(jì)算：：假設(shè)設(shè)前面面計(jì)算算的圓圓形巷巷道塑塑性半半徑徑就是是巖石石破裂裂的范范圍，，其內(nèi)內(nèi)部的的巖石石會(huì)全全部滑滑落而而不存存在拱拱效應(yīng)應(yīng)。這這樣，，支護(hù)護(hù)承受受的就就是上上部破破裂區(qū)區(qū)將滑滑落的的巖石石全部部重量量。實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果還還表明明，面面積相相同的的巷道道，斷斷面形形狀對(duì)對(duì)的的影響響很小小。因因此，，計(jì)算算中所所用的的可可以以采用用不同同形狀狀巷道道的外外接圓圓半徑徑，為為計(jì)算算1/1/202366簡(jiǎn)單，，選定定無(wú)支支護(hù)時(shí)時(shí)的最最大（（即6-31式式）作作為計(jì)計(jì)算值值。這這樣就就可以以寫(xiě)出出與深深度有有關(guān)的的地壓壓公式式。對(duì)于圓圓形巷巷道的的頂壓壓集度度：對(duì)于矩矩形巷巷道的的頂壓壓集度度：1/1/202367巖石地下下工程穩(wěn)穩(wěn)定與圍圍巖控制制（1）維維護(hù)巖石石地下工工程穩(wěn)定定的基本本原則1.合理理利用和和充分發(fā)發(fā)揮巖體體強(qiáng)度1）盡量量選擇巖巖性好的的巖層；；2）避免免巖石強(qiáng)強(qiáng)度的損損壞；3）充分分發(fā)揮巖巖體的承承載能力力；4）加固固巖體。。2.改善善圍巖的的應(yīng)力條條件1）選擇擇合理的的巷道斷斷面形狀狀和尺寸寸；2）選擇擇合理的的位置和和方向，，避免受受構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力大的的地方，，且要注注意最大大應(yīng)力的的方向；；1/1/2023681/1/2023693）“卸壓壓”方法，，在一些應(yīng)應(yīng)力集中的的區(qū)域，通通過(guò)打鉆孔孔或其他方方法進(jìn)行““卸壓”處處理，改善善圍巖應(yīng)力力的不利分分布。3.合理支護(hù)合理支護(hù)包包括支護(hù)形形式、支護(hù)護(hù)剛度、支支護(hù)時(shí)間、、支護(hù)受力力情況的合合理性以及及支護(hù)的經(jīng)經(jīng)濟(jì)性。支支護(hù)參數(shù)的的選擇應(yīng)著著眼于充分分改善圍巖巖應(yīng)力狀態(tài)態(tài)，調(diào)動(dòng)圍圍巖的自承承能力和考考慮支護(hù)與與巖體的相相互作用的的影響，提提高支護(hù)的的能力和效效率。4.監(jiān)測(cè)和和信息反饋饋1）由于地地質(zhì)條件的的復(fù)雜性，，巖體的力力學(xué)性質(zhì)具具有許多不不確定性，，通過(guò)圍巖巖在施工過(guò)過(guò)程中和后后期監(jiān)測(cè)反反饋的信息息，結(jié)合數(shù)數(shù)學(xué)和力學(xué)學(xué)的現(xiàn)代理理論，推測(cè)測(cè)以后可能能出現(xiàn)的變變化規(guī)律，，獲得預(yù)測(cè)測(cè)的結(jié)果或或用于指導(dǎo)導(dǎo)設(shè)計(jì)和施施工。2）采用新新奧法支護(hù)護(hù)技術(shù)。1/1/202370（2）支護(hù)護(hù)分類(lèi)與圍圍巖加固1.按支護(hù)護(hù)材料分有有：鋼、木木、鋼筋混混凝土、磚磚石、玻璃璃鋼等；2.按形狀狀分有：矩矩形、梯形形、直墻拱拱頂、圓形形、橢圓形形、馬蹄形形等；3.按施工工和制作方方式分有：：裝配式、、整體式、、預(yù)制式、、現(xiàn)澆式等等；4.比較合合理的方法法是根據(jù)支支護(hù)作用的的性質(zhì)分，，可分為：：普通支護(hù)護(hù)和錨噴支支護(hù)兩類(lèi)。。1/1/2023711）普通支支護(hù)是在圍圍巖的外部部設(shè)置支撐撐和圍護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)。普通通支護(hù)有可可分為剛性性支護(hù)和可可縮性支護(hù)護(hù)?？煽s性性支護(hù)的結(jié)結(jié)構(gòu)中一般般設(shè)有專(zhuān)門(mén)門(mén)可縮機(jī)構(gòu)構(gòu)，當(dāng)支護(hù)護(hù)承受的載載荷達(dá)到一一定大小時(shí)時(shí)，靠支護(hù)護(hù)的可縮機(jī)機(jī)構(gòu)，降低低支護(hù)的剛剛度，支護(hù)護(hù)同時(shí)產(chǎn)生生較大位移移。2）錨噴支支護(hù)靠置入入巖體內(nèi)部部的錨桿對(duì)對(duì)圍巖起到到穩(wěn)定作用用。圍巖加加固是另一一類(lèi)維護(hù)巖巖石地下工工程穩(wěn)定的的方法，是是針對(duì)具體體削弱巖體體強(qiáng)度的因因素，采用用一些物理理或其他手手段來(lái)提高高巖體的自自承能力。。錨噴也可可以認(rèn)為是是一種加固固性的支護(hù)護(hù)方法。1/1/202372（3）普通支支護(hù)1.普通支護(hù)護(hù)的選材與選選型1）普通支護(hù)護(hù)形式常用的普通支支護(hù)形式有碹碹（襯砌）和和支架。2）選材與選選型的原則普通支護(hù)的選選材與選型應(yīng)應(yīng)根據(jù)地壓和和斷面大小，，結(jié)合材料的的受力特點(diǎn)，，做到物盡其其用。2.支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)目前巖石地下下工程結(jié)構(gòu)的的設(shè)計(jì)計(jì)算主主要有現(xiàn)代的的視支護(hù)-圍圍巖為共同體體的計(jì)算模型型方法和傳統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)方法兩種。。1/1/2023731）現(xiàn)代的視視支護(hù)-圍巖巖為共同體的的計(jì)算模型方方法，它在在在具體的工程程中常常采用用數(shù)值計(jì)算（（有限元、邊邊界元等）方方法進(jìn)行；2）傳統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法法，實(shí)際上是是把結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)方法在地下下工程中的沿沿用，外載荷荷由地壓計(jì)算算結(jié)果直接獲獲得。3.圍巖抗力力及其特點(diǎn)1）圍巖抗力力一般是在地地壓的主動(dòng)作作用下產(chǎn)生的的；2）圍巖抗力力分布一般是是局部的；3）圍巖抗力力也是一種支支護(hù)的外載荷荷；4）圍巖抗力力可以改善支支護(hù)的內(nèi)力情情況，有利于于減少構(gòu)件的的彎矩；5）由于圍巖巖抗力的存在在，可以使得得地下工程中中采用一些不不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。。1/1/2023746.5錨噴噴支護(hù)錨錨噴支護(hù)的的力學(xué)作用機(jī)機(jī)理（1）噴層的的力學(xué)作用機(jī)機(jī)理1.防護(hù)加加固圍巖1）噴射的混混凝土可以及及時(shí)封閉圍巖巖層暴露面，，能有效地隔隔絕水和空氣氣，防止圍巖巖因潮解、風(fēng)風(fēng)化產(chǎn)生剝落落和膨脹，避避免裂隙中的的充填物流失失，防止圍巖巖強(qiáng)度降低；；2）高壓高速速?lài)娚浠炷镣量勺闶挂徊坎糠只炷翝{漿液滲入張開(kāi)開(kāi)的裂隙或節(jié)節(jié)理中，起到到膠結(jié)和加固固作用，提高高圍巖的強(qiáng)度度；1/1/2023752.改改善圍巖巖和支架架的受力力狀態(tài)1）含有有速凝劑劑的混凝凝土噴射射漿液，，可在噴噴射后二二至十分分鐘內(nèi)凝凝固，及及時(shí)向圍圍巖提供供了支護(hù)護(hù)徑向抗抗力，使使圍巖表表層巖體體由未支支護(hù)時(shí)的的二向受受力狀態(tài)態(tài)變?yōu)槿蚴芰α顟B(tài)，，提高了了圍巖的的強(qiáng)度；；2）噴層層是一種種柔性支支架，它它允許圍圍巖因趨趨于平衡衡所產(chǎn)生生的有限限位移，，并可發(fā)發(fā)揮自身身對(duì)變形形的調(diào)節(jié)節(jié)作用逐逐漸與圍圍巖協(xié)調(diào)調(diào)變形，，從而改改善圍巖巖的應(yīng)力力狀態(tài)降降低圍巖巖壓力，，充分發(fā)發(fā)揮圍巖巖的自承承能力；；3）由于于傳統(tǒng)支支架支護(hù)護(hù)不能與與圍巖均均勻接觸觸，圍巖巖與支架架之間易易造成應(yīng)應(yīng)力集中中使圍巖巖或支架架過(guò)早破破壞，噴噴射混凝凝土能與與圍巖緊緊密均勻勻接觸，，并可通通過(guò)調(diào)整整噴層厚厚度調(diào)整整圍巖變變形，使使應(yīng)力均均勻分布布避免應(yīng)應(yīng)力集中中。1/1/202376（2）錨桿桿的力學(xué)作作用1.組合梁梁作用在層狀巖層層中打入錨錨桿，把若若干層巖石石錨固在一一起組成厚厚梁，以提提高圍巖的的承載能力力，這就是是錨桿的組組合作用，，如圖6-14所示示。圖6-14錨桿的的組合作用用2.錨桿的的“懸吊””作用在塊狀結(jié)構(gòu)構(gòu)或裂隙巖巖體中使用用錨桿，可可將松動(dòng)區(qū)區(qū)的松動(dòng)巖巖塊“懸吊吊”在穩(wěn)定定的巖體上上，也可以以把節(jié)理弱弱面切割形形成的巖塊塊連接在一一起，阻止止其弱面轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑移移，錨桿的的這種作用用稱(chēng)作懸吊吊作用，如如圖6-15所示。。1/1/202377圖6-15錨桿的的懸吊作用用1/1/2023783.擠壓加加固作用預(yù)應(yīng)力錨桿桿群錨入圍圍巖后，其其兩端附近近巖體形成成圓錐形壓壓縮區(qū)，如如圖6-16所示。。按一定間間距排列的的錨桿，在在預(yù)應(yīng)力的的作用下，，構(gòu)成一個(gè)個(gè)均勻的壓壓縮帶（承承載環(huán)），，壓縮帶中中的巖石由由于預(yù)應(yīng)力力的作用處處于三向應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)，，提高了圍圍巖的強(qiáng)度度。圖6-16錨錨桿桿的的擠擠壓壓加加固固作作用用1/1/202379錨錨桿桿的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)類(lèi)類(lèi)型型（1））從從材材料料上上分分1.金金屬屬錨錨桿桿：：鋼鋼筋筋、、鋼鋼絲絲繩繩、管縫縫式式等等形形式式錨錨桿桿；；2.非非金金屬屬錨錨桿桿：：木木錨錨桿桿、、竹竹錨錨桿桿和和樹(shù)樹(shù)脂脂錨錨桿桿等等。。（2））從從粘粘結(jié)結(jié)材材料料上上分分膨脹脹水水泥泥砂砂漿漿、水泥泥藥藥卷卷、、樹(shù)樹(shù)脂脂藥藥卷卷等等。。（3））巖巖石石錨錨桿桿類(lèi)類(lèi)型型與與結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)示示意意圖圖1/1/2023801/1/202381（4）當(dāng)前地下礦山山采用的噴、、錨支護(hù)類(lèi)型型有1.單一噴射射混凝土支護(hù)護(hù)；2.單一錨桿桿支護(hù)；3.噴錨聯(lián)合合支護(hù)；4.噴錨網(wǎng)聯(lián)聯(lián)合支護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用中中，支護(hù)類(lèi)型型要根據(jù)原巖巖應(yīng)力狀態(tài)、、巖石性質(zhì)、、圍巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)類(lèi)型、地下下水的影響狀狀況和工程性性質(zhì)等條件進(jìn)進(jìn)行的選擇，，根據(jù)圍巖與與支護(hù)共同作作用原理，充充分發(fā)揮噴層層和錨桿的力力學(xué)效能。1/1/202382錨錨桿參數(shù)的確確定方法目前錨桿設(shè)計(jì)計(jì)的計(jì)算方法法都要采用一一些簡(jiǎn)化和假假設(shè)，其結(jié)果果也只能作為為一種近似估估算，而更多多的是采用經(jīng)經(jīng)驗(yàn)和工程類(lèi)類(lèi)比方法。（1）按單根根錨桿懸吊作作用計(jì)算（補(bǔ)充內(nèi)容，見(jiàn)見(jiàn)參考書(shū)，高高磊主編，礦礦山巖體力學(xué)學(xué)P145-146）1.錨桿長(zhǎng)度度計(jì)算根據(jù)等強(qiáng)度原原則，錨桿抗抗拉能力與粘粘結(jié)劑粘結(jié)力力相等。假設(shè)設(shè)錨桿插入穩(wěn)穩(wěn)定巖體中的的長(zhǎng)度為，，則：：（6-52））1/1/202383式中：：——粘粘結(jié)劑劑與錨錨桿間間的許許用粘粘結(jié)力力；——錨錨桿材材料的的抗拉拉強(qiáng)度度；——錨錨桿直直徑，，常取取16～22mm；——錨錨入穩(wěn)穩(wěn)定巖巖層的的長(zhǎng)度度，工工程實(shí)實(shí)踐經(jīng)經(jīng)驗(yàn)值值從錨桿桿的組組合和和懸吊吊作用用出發(fā)發(fā)，錨錨桿的的總長(zhǎng)長(zhǎng)度按按下式式計(jì)算算：（6-53）式中：：——有有效長(zhǎng)長(zhǎng)度，，即易易冒落落巖層層高度度，如如采用用直接頂高高度或或普氏氏免壓壓拱高高、或或采用用塑性性區(qū)以以下的頂板板高度度、實(shí)實(shí)測(cè)松松動(dòng)圈圈厚度度等；；——外外露長(zhǎng)長(zhǎng)度，，常取取100mm。。1/1/2023842.錨錨桿直直徑計(jì)計(jì)算錨桿直直徑計(jì)計(jì)算原原則是是錨桿桿拉斷斷力不不小于于錨固固力，，一般般可根根據(jù)工程程條件件和經(jīng)經(jīng)驗(yàn)先先確定定所要要求的的錨固固力，，再根根據(jù)所所選的的錨桿材材料計(jì)計(jì)算錨錨桿直直徑。。3.錨錨桿排排距、間距距的的計(jì)算算如采用用等排排、間間距布布置，，每根根錨桿桿所擔(dān)擔(dān)負(fù)的的巖體體重量量為其其所承受受的載載荷：：式中：——錨桿所承承受的載荷；；——安全系數(shù)數(shù)，通常取1.5～1.8；——巖石的容容重；1/1/202385——松動(dòng)巖石石帶的高度；；——錨桿擔(dān)負(fù)負(fù)的巖體面積積，即錨桿排排、間距的乘乘積，等排間距時(shí)為為錨桿受拉破壞壞時(shí)，其所受受載荷應(yīng)小于于錨桿允許的的抗拉能力：故有：（6-54））有關(guān)試驗(yàn)表明明，要在圍巖巖中形成一定定厚度的拱形形壓縮帶，錨桿長(zhǎng)度L應(yīng)應(yīng)為其間距的兩倍以上。。（2）考慮整整體作用的錨錨桿設(shè)計(jì)計(jì)算算整體設(shè)計(jì)錨桿桿的方法是澳澳大利亞雪山山工程管理局局亞歷山大等等人，對(duì)有多多組節(jié)理的圍圍巖中，使用用預(yù)應(yīng)力錨桿桿的拱形或圓圓形巷道，提提出按拱形均均勻壓縮帶原原理設(shè)計(jì)錨桿桿參數(shù)的方法法。該理論認(rèn)認(rèn)為，在錨桿桿預(yù)應(yīng)力的的作用用下，桿體兩兩端間的圍巖巖形成擠壓圓圓錐體；相應(yīng)應(yīng)地沿拱頂分分布的錨桿群群在圍巖中就就有相互重疊疊的壓縮錐體體，形成一均均勻壓縮帶，，如圖6-16所示。1/1/2023861/1/2023871.設(shè)設(shè)在在外外載載荷荷的作作用用下下，，引引起起均均勻勻壓壓縮縮帶帶內(nèi)內(nèi)切切，并并假假定定沿沿厚厚度度均勻勻分分布布，，則則向主主應(yīng)應(yīng)力力為為根據(jù)據(jù)薄薄壁壁圓圓筒筒公公式式有：：（6-55））2.拱拱形形壓壓縮縮帶帶內(nèi)內(nèi)緣緣作作用用有有錨錨桿桿預(yù)預(yù)壓壓應(yīng)應(yīng)力力為：：（6-56））式中中：：———錨錨桿桿的的預(yù)預(yù)壓壓力力，，一一般般，為錨錨固固力力，，由由現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)拉拉拔拔試試驗(yàn)驗(yàn)或或設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)確確定定。。1/1/2023883.在在雙雙軸軸主主應(yīng)應(yīng)力力作作用用下下，，壓壓縮縮帶帶內(nèi)內(nèi)巖巖體體滿(mǎn)滿(mǎn)足足庫(kù)庫(kù)侖侖強(qiáng)強(qiáng)度度準(zhǔn)準(zhǔn)則則，，若圍圍巖巖無(wú)無(wú)粘粘結(jié)結(jié)力力時(shí)時(shí)，，其其安安全全條條件件為為：：（6-57））若圍圍巖巖存存在在粘粘結(jié)結(jié)力力時(shí)時(shí)，，則則有有：：（6-58））1/1/2023894.根根據(jù)據(jù)上上述述原原理理，，確確定定錨錨桿桿參參數(shù)數(shù)的的步步驟驟如如下下：：1））預(yù)選選錨錨桿桿長(zhǎng)長(zhǎng)度度、直直徑徑、間間距距。。2））根據(jù)據(jù)試試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果，，錨錨桿桿長(zhǎng)長(zhǎng)度度L與與錨錨桿桿間間距距與錨錨桿桿長(zhǎng)長(zhǎng)度度L之之比比相相應(yīng)應(yīng)為為（取取等等間間距距布布置置））之之比比分分別別為為3，，2和和1.33時(shí)時(shí)，，拱形形壓壓縮縮帶帶厚厚度度確定定壓壓縮縮帶帶厚厚度度；；3））由拉拉拔拔試試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果可可求求出出；；4））塑塑性性區(qū)區(qū)半半徑徑，，由由（（6-31））式式或或（（6-35））式確確定定；；1/1/2023905）確確定；；；；6）根根據(jù)（（6-57）式式或（（6-58）式式驗(yàn)算算壓縮縮帶安全全條件件；注：（（6-55）式式中的的的確定定，由由耶格格和庫(kù)庫(kù)克公公式給出：：式中即為彈彈性區(qū)區(qū)與塑塑性區(qū)區(qū)交界界面上上的徑徑向應(yīng)應(yīng)力，由（（6-27）式式或（（6-34）式式，當(dāng)當(dāng)時(shí)確定定。6.5.4錨噴噴支護(hù)護(hù)施工工（1））保證證錨桿桿施工工質(zhì)量量，要要遵循循的原原則1.為為了保保證錨錨桿具具有足足夠的的錨固固力，，充分分發(fā)揮揮錨桿桿支護(hù)護(hù)的有有效功功能，，因此此，錨錨桿支支護(hù)時(shí)時(shí)，要要保證證膠結(jié)結(jié)劑的的質(zhì)量量和膠膠結(jié)長(zhǎng)長(zhǎng)度；；2.錨錨桿端端部托托板要要緊貼貼圍巖巖，并并且要要具有有一定定的預(yù)預(yù)壓應(yīng)應(yīng)力，，對(duì)圍圍巖形形成擠擠壓作作用，，在圍圍巖中中產(chǎn)生生壓縮縮帶；；3.錨錨桿