围岩应力

地下洞室周围岩石中单位面积上的内力强度。围岩应力是判定围岩稳定和洞室安全的重要因素，它可以通过理论分析、模型试验和现场量测来确定。

地下开挖施工改变原岩初始应力场，引起围岩应力重新分布，出现二次应力状态。围岩内的径向应力（σ_r）趋于减小，至洞壁（σ_r）变为零；切向应力（σ_θ）显著增大，至洞壁（σ_θ）变为最大，产生了应力集中。切向应力与沿铅直初始应力之比称为应力集中系数，它与岩体内的水平初始应力和铅直初始应力的比值有关。围岩应力场常用主应力迹线图和应力集中系数等值线图表示。

对于圆形洞室的围岩，在均质、连续、各向同性和线弹性的假设下，重分布应力按弹性力学中的公式进行计算：

式中，σ_r为围岩径向应力，MPa；p_h、p_v分别为水平和铅直初始应力，MPa；a为圆形洞室的半径，m；r为自洞室中心算起的径向距离，m；θ为自水平轴算起的极坐标中的角度；σ_θ、τ_rθ分别为围岩切向应力和剪应力，MPa。

当围岩应力达到岩体的强度时，围岩便发生塑性变形或破坏，在洞周形成一个塑性松动圈，松动圈外面仍为弹性区。围岩的应力应当用弹塑性理论计算。松动圈的厚度及其区域内的应力与原岩初始应力、岩石的黏聚力及内摩擦角、洞径等有关，对于初始应力为各向等值的情况，其σ_r和σ_θ的变化如图所示。

各向等值初始应力时围岩在弹塑性状态下的应力示意图

Ⅰ—塑性区；Ⅱ—弹性区

对于任意断面形状的洞室，常采用有限单元法（参见岩体有限元分析）计算围岩应力。计算由开挖卸荷所产生的扰动应力时，应在开挖释放面的单元结点上，施加由释放荷载引起的与之等价的反向结点力。模拟分期开挖过程时，要用各期开挖后的应力场来确定下一期释放面上的开挖荷载。也可采用边界单元法（参见岩体边界元分析）求解。

在岩体工程中普遍遇到的围岩是含有节理和软弱夹层的不连续岩体，因而围岩应力的计算和分析在借用连续体力学理论和方法时明显受到局限并出现误差。R.E.古德曼首先提出岩石节理单元来模拟围岩中的节理和软弱夹层。在用有限单元法计算围岩应力时，其中节理单元的力学参数应通过对节理和软弱夹层的剪切实验等一系列现场及室内实验加以确定。

影响洞室围岩应力分布的主要因素有：岩体初始应力场，节理和断层等不连续面的分布及位置，洞室的布局和形状等。在现场常用表面应力解除法、钻孔应力解除法与应力恢复法量测围岩应力，在室内可通过光弹模型试验和离心模型试验确定围岩应力场。