1．山岩压力概述

在岩体内开挖洞室以后，岩体的原始平衡状态被破坏，发生应力重分布。随着应力的重分布，围岩不断变形并向着洞室逐渐位移。一些强度较低的岩石由于应力达到强度的极限值而可能破坏，产生裂缝或剪切变位，破坏了岩石的重力作用下甚至大量塌落，造成所谓“冒顶”现象, 特别是节理、裂隙等软弱结构面发育的岩石更为显著。

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”

假设围岩没有受到其它洞室的影响，并且开挖爆破过程中没有受到破坏，则洞室周围的山岩压力随着时间的发展可以分为三个阶段 (仅讨论岩石内最大压应力为垂直方向的情况)：

在第I阶段内，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。

在第Ⅱ阶段内，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。

在第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。

这是山岩压力的形成机理。可见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；深部坚硬完整岩体发生岩爆产生的压力，称为冲击压力；在粘土质页岩或凝灰岩之类的岩石中由于遇水膨胀产生的压力，称为膨胀压力。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。在不同性质的岩石中，由于它们的变形和破坏性质不同，所以产生山岩压力的主导因素也就不同，通常可以遇到下列三种情况。

1)在整体性良好、裂隙节理不发育的坚硬岩石中，洞室围岩的应力一般总是小于岩石的强度。

2)在中等质量的岩石中，不仅有弹性变形，而且还有塑性变形，少量岩石破碎。在这类岩石中，山岩压力主要是由较大的变形所引起，岩石的松动坍落甚小，这类岩石中主要是产生“变形压力”。

3)在破碎和软弱岩石中，由于裂隙纵横切割，岩体强度很低，围岩应力超过岩体强度很多。坍落和松动是产生山岩压力的主要因素，而松动压力是主要的山岩压力。

2．太沙基理论

由于岩体一般总是有一定的裂隙节理，又由于洞室开挖施工的影响，其围岩不可能是一个非常完整的整体，而太沙基理论中假定岩石为散粒体，并具有一定的凝聚力，所以用这一理论计算松动山岩压力有时也可以得到较好的效果。

假设洞室侧面的岩石比较稳定，没有形成的破裂面。洞室开挖后，其上方的岩体有趋向下沉，形成垂直滑动面AA'和BB'。这两个滑动面上的抗剪强度为：

岩石的容重为 ，地面上作用着强度为p的均布荷载。在地表以下任何深度处的垂直应力为 ，而相应的水平应力为

式中：K0为岩石的侧压力系数。

图10-1 太沙基理论计算山岩压力

现在表面以下z深度处，在AA'BB'岩柱中取厚度为dz的薄层进行分析。薄层的重量等于 (以垂直图形平面的单位长度计)。在这薄层上作用的力如右图形所示。作用在薄层上的垂直力之和等于零。根据这个条件，可以写出下列方程式。

经过整理后，得：

解这个微分方程式，并考虑到边界条件：当z=0时， ，最后得：

令上式中的z=H，即得到洞室顶面的垂直山岩压力q为

这个公式对深埋洞室和浅埋洞室都适用。当洞室为深埋时，可令 ，得到

当c=0时，有

图10-2 侧面岩石不稳时的山岩压力

对于洞室侧面岩石不稳定的情况也可用类似方法来求山岩压力。这时，洞室侧面从底面起就产生了一个与铅垂线成 角的滑裂面，见右图。侧墙受到水平侧向压力的作用。垂直压力计算公式的推导与上述过程相同，只要将以上各式中的b1以b2代替即可。

这时，

当

当c=0时

1946年太沙基提出了岩石分类表 ，提出了各类岩石荷载高度值，可以直接根据荷载高度计算支护压力。从表10-2可以看出，估算竖向压力存在极大的主观随意性，但该表在英美等国家目前仍被视为经典，依然使用很广泛。

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