隧道工程—第4章1.ppt
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1、中南大学隧道与地下工程系中南大学隧道与地下工程系隧 道 工 程第 4 章 隧道围岩分级与围岩压力( (一一) )1第 4 章 隧道围岩分级与围岩压力2隧道工程地质的研究意义与主要内容隧道围岩的概念围岩的工程性质34.1.1 隧道工程地质的研究意义与主要内容地面结构:地面结构:除自重外,荷载都是来自外部除自重外,荷载都是来自外部:如人群、如人群、列车、水车、风雨、楼房、桥、水。列车、水车、风雨、楼房、桥、水。地下结构:地下结构:荷载主要来自周围岩体,但又可以作为承荷载主要来自周围岩体,但又可以作为承载结构的一部分载结构的一部分( (如黄土窑洞可不设支护如黄土窑洞可不设支护) ),说明地层即可,说
2、明地层即可以是荷载,又可是结构的组成部分,它与支护结构组成合以是荷载,又可是结构的组成部分,它与支护结构组成合二为一的承载体系,故地层二为一的承载体系,故地层( (或岩体或岩体) )在地下结构中起主导在地下结构中起主导作用。作用。44.1.1 隧道工程地质的研究意义与主要内容 由于隧道工程的一切活动由于隧道工程的一切活动( (勘测、设计、施工、勘测、设计、施工、开挖方法、支撑形成、衬砌结构类型、隧道位置、开挖方法、支撑形成、衬砌结构类型、隧道位置、工程造价、运营管理、养护维修工程造价、运营管理、养护维修) )无不与它所处的地无不与它所处的地质环境息息相关,因此,研究地质环境质环境息息相关,因此
3、,研究地质环境( (地层地层) )在地在地下工程结构的建造过程的变化规律是十分重要的,下工程结构的建造过程的变化规律是十分重要的,研究它可研究它可以以作为正确指导隧道工程的勘测、设计、作为正确指导隧道工程的勘测、设计、施工和运营管理的依据施工和运营管理的依据。54.1.1 隧道工程地质的研究意义与主要内容 由于隧道工程处周围地层所包括的因素很多,由于隧道工程处周围地层所包括的因素很多,很广泛,但对隧道工程来说,最很广泛,但对隧道工程来说,最关心的问题则是地关心的问题则是地层被挖成隧道后的稳定程度层被挖成隧道后的稳定程度( (坍或不坍最要紧坍或不坍最要紧) ),即,即围岩的稳定性围岩的稳定性。
4、(1)什么是围岩的稳定性 是指是指隧道工程开挖后周围地层隧道工程开挖后周围地层( (围岩围岩) )的稳定程的稳定程度度,它是一个反映地质环境的综合指标,它是一个反映地质环境的综合指标。64.1.1 隧道工程地质的研究意义与主要内容 (2)围岩稳定性的研究内容: 隧道围岩破坏或稳定的规律隧道围岩破坏或稳定的规律工程性质工程性质 影响围岩稳定的主要因素影响围岩稳定的主要因素地质特征地质特征 判断围岩稳定性的指标和准则判断围岩稳定性的指标和准则围岩分类围岩分类 分析围岩稳定性的方法分析围岩稳定性的方法围岩压力围岩压力 维护围岩稳定的工程措施维护围岩稳定的工程措施施工技术施工技术 前前4 4个方面个方
5、面为本章内容为本章内容74.1.1 隧道工程地质的研究意义与主要内容 (3 3)围岩稳定性的)围岩稳定性的研研究究方法方法 从围岩变形与破坏的根本作用力从围岩变形与破坏的根本作用力围岩的原始地应围岩的原始地应力出发结合围岩的工程性质,施工对地层原始状态干扰和力出发结合围岩的工程性质,施工对地层原始状态干扰和破坏程度等进行综合研究,并根据围岩与支护结构共同作破坏程度等进行综合研究,并根据围岩与支护结构共同作用,用围岩为主的观点来制定施工程序和支护结构设计。用,用围岩为主的观点来制定施工程序和支护结构设计。 (4 4)围岩稳定性的)围岩稳定性的研究手段研究手段 岩体力学岩体力学 试验技术试验技术
6、数值模拟数值模拟84.1.2 隧道围岩的概念 隧道围岩是指隧道周围一定范隧道围岩是指隧道周围一定范围内对其稳定性产生影响的那部围内对其稳定性产生影响的那部分岩体分岩体( (土体土体) )。亦即开挖亦即开挖后后应力应力产生重分布产生重分布范围范围的岩的岩( (土土) )体。体。 说明:说明:围岩既指岩体也指土体。围岩既指岩体也指土体。94.1.2 隧道围岩的概念 是由一种或几种矿物或岩屑在地质是由一种或几种矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然作用下按一定的规律聚集而形成的自然体,可近所认为岩石是均质,连续和各体,可近所认为岩石是均质,连续和各向同性的介质向同性的介质。104.1.2
7、 隧道围岩的概念 由岩石组成的,在结构面切割下具有一定的结构和由岩石组成的,在结构面切割下具有一定的结构和构造,占所地球上一定空间的地质体构造,占所地球上一定空间的地质体( (或岩块或岩块) )结构结构体。它具有明显的非均质性,不连续性和各向异性。体。它具有明显的非均质性,不连续性和各向异性。 在隧道工程中,在隧道工程中,地层、岩体、岩层地层、岩体、岩层指一个含义指一个含义114.1.2 隧道围岩的概念 岩石可以被认为是均质、连续和各向同性的介质。岩石可以被认为是均质、连续和各向同性的介质。而岩体则具有明显的非均质性,不连续性和各向异性。而岩体则具有明显的非均质性,不连续性和各向异性。 岩体中
8、的岩体中的断层面、层理面、断层面、层理面、节理面和裂隙面等。节理面和裂隙面等。 被结构面切割而成的块体。被结构面切割而成的块体。124.1.3 围岩的工程性质 (1)(1)物理性质物理性质指岩体的物理组成,指岩体的物理组成,是什么样是什么样 的石头的石头。 (2)(2)水理性质水理性质指岩体在含水条件下岩体的一指岩体在含水条件下岩体的一 些些物理化学反应物理化学反应。 (3)(3)力学性质力学性质指岩体的指岩体的抗抗拉拉抗压强度和变形抗压强度和变形 破坏破坏性能,即围岩抵抗变形破性能,即围岩抵抗变形破 坏的性能坏的性能。13 岩体的变形包括岩体的变形包括受拉、受压、剪切、流变受拉、受压、剪切、
9、流变4 4个方面个方面 岩体的抗拉变形能力很低,可不计。岩体的抗拉变形能力很低,可不计。 (1 1)受压变形)受压变形 岩体的受压变形特性,可以用它在受压时的应力岩体的受压变形特性,可以用它在受压时的应力应变应变曲线,亦称本构关系来说明。曲线,亦称本构关系来说明。 岩石线性特征,以弹性变形为主;岩石线性特征,以弹性变形为主; 软弱结构面非线性特征,以塑性变形为主;软弱结构面非线性特征,以塑性变形为主; 岩体分解为四个阶段:岩体分解为四个阶段:4.1.3 围岩的工程性质14 . . 压密阶段压密阶段(OA)(OA):主要是由于岩体中结构面的闭主要是由于岩体中结构面的闭合和充填物的压缩而产生的,形
10、成了非线性凹状曲线,合和充填物的压缩而产生的,形成了非线性凹状曲线,变形模量小,总的压缩量取决了结构面的性态。变形模量小,总的压缩量取决了结构面的性态。 . . 弹性阶段弹性阶段(AB)(AB):岩体充分压密后便进入弹性阶岩体充分压密后便进入弹性阶段。所出现的弹性变形是岩体的结构面和结构体共同产段。所出现的弹性变形是岩体的结构面和结构体共同产生的,应力生的,应力应变关系呈直线型。应变关系呈直线型。 4.1.3 围岩的工程性质 (1 1)受压变形)受压变形15 . . 塑性阶段塑性阶段(BC)(BC):岩体继续受力、变形发展到弹岩体继续受力、变形发展到弹性极限后便进入塑性阶段,此时岩体的变形特性
11、受结构性极限后便进入塑性阶段,此时岩体的变形特性受结构面和结构体的变形特性共同制约。面和结构体的变形特性共同制约。 . . 破裂和破坏阶段破裂和破坏阶段(CD)(CD):应力达到蜂值后,岩体应力达到蜂值后,岩体即开始破裂和破坏。破坏开始时,应力下降比较缓慢,即开始破裂和破坏。破坏开始时,应力下降比较缓慢,说明破裂面上仍具有一定摩擦力,岩体还能承受一定的说明破裂面上仍具有一定摩擦力,岩体还能承受一定的荷载。而后,应力急剧下降,岩体全面崩溃。荷载。而后,应力急剧下降,岩体全面崩溃。 4.1.3 围岩的工程性质 (1 1)受压变形)受压变形16典型岩体全应力应变曲线典型岩体全应力应变曲线岩体:压密阶
12、段岩体:压密阶段(OA) (OA) 弹性阶段弹性阶段(AB) (AB) 塑性阶段塑性阶段(BC) (BC) 破裂和破坏阶段破裂和破坏阶段(CD) (CD) 可以看出,可以看出,岩体既不是简单的弹性体,也不是简单的塑岩体既不是简单的弹性体,也不是简单的塑性体、而是较为复杂的弹塑性体性体、而是较为复杂的弹塑性体。整体性好的岩体接近弹。整体性好的岩体接近弹性体,破裂岩体和松散岩体则偏向于塑性体。性体,破裂岩体和松散岩体则偏向于塑性体。174.1.3 围岩的工程性质 (2 2)剪切变形)剪切变形 主要受结构面控制,可能有三种方式:主要受结构面控制,可能有三种方式: 沿结构面滑动。沿结构面滑动。此时,结
13、构面的变形特性即为此时,结构面的变形特性即为岩体的变形特性。岩体的变形特性。 结构面不参与作用,沿结构体岩石断裂结构面不参与作用,沿结构体岩石断裂。此时,。此时,岩石的变形特性即起主导作用。岩石的变形特性即起主导作用。 在结构面影响下,沿岩石剪断在结构面影响下,沿岩石剪断。此时,岩体的。此时,岩体的变形特性介乎上述二者之间。变形特性介乎上述二者之间。 18 (3 3)流变特性)流变特性 蠕变:蠕变:应力不变,应变随时间增长应力不变,应变随时间增长 松弛:松弛:应变不变,应力随时间而衰减应变不变,应力随时间而衰减 问题:围岩流变特性对隧道的影响?问题:围岩流变特性对隧道的影响?图图4-2 4-2
14、 岩体的流变岩体的流变4.1.3 围岩的工程性质 19 (1)(1)特点:特点: 岩体的强度比岩石的强度低得多岩体的强度比岩石的强度低得多( (R岩体岩体 抗剪抗剪 抗拉抗拉 抗弯抗弯 常用强度准则:莫尔常用强度准则:莫尔-库尔理论库尔理论 以上因素以上因素( (变形、强度、破坏等受构造特征的影响变形、强度、破坏等受构造特征的影响) )。4.1.3 围岩的工程性质204.1.3 围岩的工程性质21第 4 章 隧道围岩分级与围岩压力22隧道稳定类型与失稳破坏形态影响围岩稳定性的因素23 (1 1)充分稳定的:)充分稳定的:坑道在长时间内有足够的自稳能力,坑道在长时间内有足够的自稳能力,无需任何人
15、为支护而能维持稳定,无坍塌、偶尔有掉块。无需任何人为支护而能维持稳定,无坍塌、偶尔有掉块。 (2 2)基本稳定的:)基本稳定的:坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块,但不会引起坑道的坍塌,坑道是稳定的。生局部掉块,但不会引起坑道的坍塌,坑道是稳定的。 (3 3)暂时稳定的:)暂时稳定的:多数坑道是属于这个类型的。坑道开多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同程度的坍塌现象,坍塌后的坑道呈拱形而处于挖后呈现出不同程度的坍塌现象,坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。暂时稳定状态。 (4 4)不稳定的:)不稳定的:坑道开挖后很快呈现坍塌现象。坑道开挖后很
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