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第2章地下工程地质环境及围岩分级(类)2.1概述2.2围岩结构分类及其破坏特征2.3围岩的初始应力场2.4围岩稳定性影响因素及围岩分级因素与指标2.5国内外主要地下工程围岩分类标准2.1概述•地下结构与地面结构的异同同:均为结构体系异:1、地面结构一般由结构和地基组成2、地下结构由地层和支护结构组成•地层地下结构承受的荷载主要是结构体系本身即地层,称为地层压力或围岩压力。地层既承受荷载也是荷载的来源。在地下结构中,地层起主导作用。•地质环境包括地层特征、地下水状况、地层原始应力状态等。•围岩开挖后应力发生重分布的地层。•地下工程围岩的稳定性地层被挖成隧道等地下空间后的稳定程度。稳定性问题包括围岩破坏或变形性演变规律、围岩稳定的影响因素、表征围岩稳定的指标和判定准则、分析围岩稳定性的方法等。•围岩的原始地应力围岩的变形与破坏的根本作用力。2.2围岩结构分类及其破坏特征•围岩范围围岩的边界是不受开挖影响即开挖后位移为0的地方。围岩范围一般约为开挖断面6至10倍的洞径。围岩的工程性质:强度和变形。主要与岩体结构、岩体的物理力学性质、原始应力、地下水等有关。6岩块(rock或rockb1ock)是指不含显著结构面的岩石块体,是构成岩体的最小岩石单元体。岩块称为结构体(structuralelement)、岩石材料(rockmaterial)及完整岩石(intactrock)等等。岩块与岩体1、岩块(rock或rockb1ock)7结构面(structureplane)是指地质历史发展过程中,在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度,厚度相对较小的地质界面或带,它包括物质分界面和不连续面,如层面、不整合面、节理面、断层、片理面等。国内外一些文献中又称为不连续面(discontinuities)或节理(joint)。在结构面中,那些规模较大、强度低、易变形的结构面又称为软弱结构面。2、结构面(structureplane)8结构面的类型构造结构面:受构造应力作用所产生的破裂面次生结构面:在外营力(如风化、卸荷、应力变化、地下水、人工爆破等)作用下而形成的结构面原生结构面:成岩过程中形成的结构面沉积结构面:层面、软弱夹层不整合面岩浆结构面:接触面、蚀变带原生节理变质结构面:片理、片岩夹层节理、断层、劈理以及层间错动面910111213结构面的等级:I级结构面:大断层、区域性断裂带;延伸数公里~数十公里,宽数十米~数百米。II级结构面:较大断层、区域性地质界面;延伸数百米~数公里,宽数十厘米~数米。Ⅲ级结构面:控制工程岩体稳定的断层、节理;延伸数十米~数百米,宽数厘米~1米左右。IV级结构面:影响工程岩体稳定的小断层、裂隙;延伸20~30米,宽数厘米~数十厘米。V级结构面:微结构面,影响岩快的物理力学性质。14结构面的统计分析裂隙的产状、间距、宽度和面积裂隙统计图15岩体(rockmass)是指在地质历史过程中形成的,由岩石单元体(或称岩块)和结构面网络组成的,具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。岩体结构面岩块不连续面:包括节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面3、岩体(rockmass)16岩体结构包括两个组成部分:结构面和结构体17182.2.1岩体结构类型:由于岩体中结构面的性质、规模、切割密度等因素的不同,岩体的物理力学性质也就不同。因此,有人就根据结构面的等级和组合方式,把岩体结构类型分成四个大类与九个亚类。整体结构岩体的变形主要是结构体的变形块状和层状结构岩体的变形主要是结构面的变形,岩体的破坏主要是沿软弱结构面的滑动;碎裂和散体结构岩体的变形,开始是将裂隙或孔隙压密,随后是结构体变形,并伴随着结构面张开。21222.2.2围岩的失稳与破坏•地下开挖后,岩体中形成一个自由变形空间,使原来处于挤压状态的围岩,由于失去了支撑而发生向洞内松胀变形;如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力,则围岩就要发生破坏,并从母岩中脱落形成坍塌、滑动或岩爆,称前者为变形,后者为破坏。地下工程围岩失稳破坏形态一、各类结构围岩的变形破坏特点1、整体状和块状岩体围岩•岩体具有很高的力学强度和抗变形能力,主要结构面是节理,很少有断层,含有少量的裂隙水。•在力学属性上可视为均质、各向同性、连续的线弹性介质,应力应变呈近似直线关系。•围岩具有很好的自稳能力,其变形破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等。•这类围岩的整体变形破坏可用弹性理论分析,局部块体滑移可用块体极限平衡理论来分析。•岩爆是高地应力地区,由于洞壁围岩中应力高度集中,使围岩产生突发性变形破坏的现象。•脆性开裂出现在拉应力集中部位。•块体滑移是块状岩体常见的破坏形成。它是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及其与开挖面的相对关系控制。坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图1.层面;2.断裂;3.裂隙2、层状岩体围岩•常呈软硬岩层相间的互层形式。•结构面以层理面为主,并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。•变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制,破坏形式主要有:沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。•变形破坏常可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。•在水平层状围岩中,洞顶岩层可视为两端固定的板梁,在顶板压力下,将产生下沉弯曲、开裂。•在倾斜层状围岩中,常表现为现为沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移等破坏形式,形成不对称的塌落拱。将出现偏压现象。•在直立层状围岩中,当天然应力比值系数λ<1/3时,洞顶发生沿层面纵向拉裂,被拉断塌落。侧墙则因压力平行于层面,常发生纵向弯折内鼓,进而危及洞顶安全。3、碎裂状岩体围岩•碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。•变形破坏形式常表现为塌方和滑动。•用松散介质极限平衡理论来分析。在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中,不易大规模塌方。围岩中含泥量很高时,由于岩块间不是刚性接触,易产生大规模塌方或塑性挤入4、散体状岩体围岩•散体状岩体是指强烈构造破碎、强烈风化的岩体。常表现为弹塑性、塑性或流变性。•围岩结构均匀时,以拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时,常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。•可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。2.3围岩的初始应力场•围岩的初始应力场(原始地应力场)由于岩体的自重和地质构造作用,在地下工程开挖前岩体中就已经存在着一定的地应力场,称之为围岩的初始应力场。•围岩二次应力场洞室开挖后,部分地层的原始应力场发生变化,应力重新分布,形成的新的应力场称为围岩应力场。应力重新分布的地层称之为围岩。2.3.1围岩初始应力场的组成初始应力自重应力场构造应力场形成与岩体的结构、性质、埋藏条件及地质构造运动的历史等有密切关系。1、围岩初始应力场的组成•由自重应力场和构造应力场组成。1)自重应力场指上覆岩体自重所产生的应力场,它是地心引力和离心惯性力共同作用的结果。2)构造应力场指地壳各处发生的一切构造变形与破裂所形成的地应力。可分为活动的和残余的两类。活动的构造应力:是近期和现代地壳运动正在积累的应力,也是地应力中最活跃最重要的一种,常导致岩体的变形与破坏。地震的产生正是新构造应力的反映。残余的构造应力:是由古构造运动残留下来的应力,包括残存在岩体中的应力以及原生内应力。构造应力场382.3.2围岩初始应力场的变化规律与影响因素研究岩体的自重应力时,一般把岩体视为均匀、连续且各向同性的弹性体,因此可以引用连续介质力学原理来探讨岩体的自重应力问题。HzHzyx11对于多层岩石:niiizH1maxniiiiiyxH1min1•上述公式是理想情况下的自重应力计算公式。地面为水平面,地层为各向同性的半无限体。围岩自重应力场的变化规律:(1)垂直方向的自重应力是随深度成线性增加的。(2)水平应力总是小于垂直应力,最多也只能与其相等。2、构造应力场由于其形成原因的复杂性以及随时间地不断变化,使得很难用具体的函数形式表述构造应力场的特性。我国大陆初始应力场的变化规律大致为:a、在一定深度内,垂直应力的量值随深度线性增大,而且水平应力普遍大于垂直应力。b、水平应力具有明显的各向异性。水平主应力的另一个显著特点,就是具有很强的方向性,一般总是以一个方向的主应力占优势,很少有大、小应力相等的情况。•一是重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质以及地温等经常性因素;•二是新构造运动、地下水活动、人类活动等暂时性或局部性的因素。3、影响围岩初始应力场的因素影响初始应力场的因素:1)地形地貌2)岩体的力学性质3)地温主要是由于温度变化而产生的残余应力。4)人类活动人类活动包括:大堆渣场的形成、深的露天开采、地下开挖等等,都有可能局部地影响围岩的初始应力场。432.3.3围岩初始应力场的实地量测实地应力量测就是直接在未经开挖扰动过的岩体中进行应力量测。岩体应力量测有两种:量测围岩的绝对应力值,包括其大小和方向。量测围岩应力在开挖过程中的相对变化。方法确定围岩的初始应力场,方法评价施工程序的优劣及开挖对相邻地下工程的影响。1)应力全解除法原理:将包含着量测原件(即应变计)的那一部分岩体单元从岩体中分离出来,解除周围岩体中对它的约束作用,然后量测由于解除约束而产生的应变,利用岩体的应力-应变关系,反算出所解除的应力,也就是原存于围岩中的初始应力。应力解除法具体实施方法有两种:孔底法,孔壁和孔径法。(1)孔底法实施步骤1、用环钻钻孔至所要求量测应力的深度,取出岩心(图2-6a)2、磨平孔底,将应变计粘贴到孔底,读取应变计的初读数(图2-6b)3、钻孔使贴有应变计的岩芯分离,待应变计读数不变后读数(图2-6c)。4、根据初读和终读数据可求得应力解除后垂直于钻孔轴平面的3个应变值。5、根据岩体的应力-应变关系算出围岩中垂直于钻孔轴平面上的应力。由于钻孔引起的引力集中造成孔底法所测孔底应力稍高于实际的围岩原始应力。图2-6孔底法操作示意图(2)孔壁和孔径法(2)孔壁和孔径法实施步骤1、用大口径钻头钻孔到要量侧应力的深度,磨平孔底(图2-7a)2、改用小钻头在孔底钻一个小孔,在孔中安装孔壁三轴应变仪,读取初读数(图2-6b)3、改用大孔径钻产生环状岩芯,解除约束,待应变计读数不变后读数(图2-6c)。4、根据初读和终读数据可求得应力释放后孔壁上3个不同的应变值。5、根据岩体的应力-应变关系算出围岩中垂直于钻孔轴平面上的应力。•需要指出:两种方法都可以在地面垂直向下钻孔,也可在洞室内水平钻孔或向上钻孔进行量测。但孔底法只能测到一个平面上的两个主应力,第三哥主应力需要假设,若要量测三维应力状态,一般需要不同方向的3个钻孔。•另外:应力全解除法量测岩体应力的精度与岩体应力-应变关系有关;因此,在条件许可的情况下,尽可能在量测岩体应力的现场同时进行岩体应力-应变关系的测定。2)应力恢复法•基本原理:事先在洞室的岩壁表面安装应变计,并记录下应变的初读数,然后在岩壁上掏一个狭长的槽口,这就解除了垂直于槽口的法向约束和平行于槽口的切向约束,应变计读数亦将下降;最后将扁千斤顶放入槽口,固定后加压,使应变计读数恢复到掏槽前的数值。此时,扁千斤顶显示的压力即为岩体中相应的方向的应力。扁千斤顶法示意图扁千斤顶所测得的岩体应力严格来说并非围岩的初始应力,而是由于开挖产生集中后的洞室周边应力。所以需对所测得的结果进行修正。结果的修正对于弹性岩体中的或断面形状规则的隧道,如圆形、矩形隧道,应力集中的修正比较简单,可以用弹性力学方法修正。对于断面形状复杂的洞室可以采用光弹性试验。应力恢复法的优点:岩体应力的量测结果不受岩体应力-应变关系的制约。2.4围岩稳定性的影响因素及围岩分级因素与指标的选择研究地下工程地质环境需要解决的两个基本问题判断地下工程围岩的稳定性最佳的施工方法和支护结构两种方法经验方法理论方法经验方法:根据以往的工程经验对上述的两个问题作出决策,其依据是地
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