巖石材料特性與分析

1、巖石材料特性與分析,巖石材料特性與分析,1. 巖石力學(xué)的研究內(nèi)容與方法 2. 巖石材料的特性 3. 地應(yīng)力 4. 工程巖體分類 5. 地下工程圍巖穩(wěn)定性 6. 邊坡工程 7. 數(shù)值分析方法簡介,1. 巖石力學(xué)的研究內(nèi)容與方法,1.1 巖石和巖體 1.2 巖石力學(xué)的研究對象 1.3 巖石力學(xué)的研究方法 1.4 巖石力學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系,1.1 巖石和巖體,巖石是在一定的生成條件下，具有一定的礦物成分和一定的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征的地殼的組成材料或物質(zhì)。是各種裂隙切割而成的巖塊，又稱結(jié)構(gòu)體。 巖體是個地質(zhì)體，它包括巖石和各種地質(zhì)構(gòu)造 形跡，如節(jié)理、裂隙、褶皺等結(jié)構(gòu)面。巖體就是巖 石和這些結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)一體。

2、巖石和巖體是既有區(qū)別又互相聯(lián)系的兩個概念。巖石是巖體的組成物質(zhì)，巖體是巖石和結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)一體,巖石分類,巖體=巖塊+結(jié)構(gòu)面,變質(zhì)巖：不穩(wěn)定與變質(zhì)程度和原 巖性質(zhì)有關(guān),巖漿巖：強度高、均質(zhì)性好,沉積巖：強度不穩(wěn)定，各向異性,圖41節(jié)理巖體的強度特征與巖石強度的區(qū)別 巖石；節(jié)理化巖體：節(jié)理,巖體強度=巖塊強度+節(jié)理強度,1、巖體是非均質(zhì)各向異性的材料。 2、巖體內(nèi)存在著原始應(yīng)力場。 主要包括重力和地質(zhì)構(gòu)造力，重力場是以鉛垂應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力場通常是以水平應(yīng)力為主。 3、巖體內(nèi)存在著一個裂隙系統(tǒng)。 巖體既是斷裂的又是連續(xù)的，巖體是斷裂與連續(xù)的統(tǒng)一體，可稱之為裂隙介質(zhì)或準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)。 可見，巖體既不是理想

3、的彈性體，也不是典型的塑性體，既不是連續(xù)介質(zhì)，又不是松散介質(zhì)，而是一種特殊的復(fù)雜的地質(zhì)體，這就造成了研究它的困難性和復(fù)雜性。因此，只用一般的固體力學(xué)理論尚不能完善解決巖體工程中的所有問題,巖石力學(xué)研究的主要對象是巖體，研究巖體在力場作用下，所發(fā)生的變形、破壞和移動的規(guī)律 。巖體力學(xué)研究的內(nèi)容可分為三大部分：巖石、巖體、巖體工程。 巖體工程包括巖基和巖體中各種半地下或地下坑洞，主要有巖石邊坡、地下坑洞和巖基三大類,1.2 巖石力學(xué)的研究對象,1）巖體物理狀態(tài)(如裂隙、風(fēng)化性、透水性等)的研究； （2）建立適應(yīng)巖石特點的強度理論； （3）測定巖體的基本力學(xué)參數(shù)（彈性模量、泊松比、強度 等）； （4

4、）巖體變形、破壞和移動規(guī)律的研究； （5）關(guān)于巖體穩(wěn)定性的研究，特別是結(jié)構(gòu)面對巖體穩(wěn)定性 的影響； （6）巖體中應(yīng)力狀態(tài)的研究,1.2 巖石力學(xué)的研究對象,7）圍巖與支架相互作用的問題； （8）高應(yīng)力狀態(tài)下巖石特性的研究； （9）巖體的動力特性； （10）模擬試驗理論(相似理論)的研究； （11）彈性波在巖體中傳播的規(guī)律； （12）巖體的分類等等,1.2 巖石力學(xué)的研究對象,巖體力學(xué)的研究方法包括三方面：室內(nèi)試驗、現(xiàn)場量測、理論分析與計算。 1、室內(nèi)試驗包括： （1）巖石的物理、水理性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的測定； （2）不連續(xù)面的力學(xué)性質(zhì)測定； （3）模型試驗，即光彈模型試驗和相似材料模型試

5、驗,1.3 巖石力學(xué)的研究方法,2、現(xiàn)場量測包括： （1）巖體變形和強度參數(shù)測定； （2）巖體應(yīng)力測定； （3）圍巖對支護(hù)壓力測定； （4）圍巖應(yīng)力、變形、移動和巖體破壞的監(jiān)測和預(yù) 報，包括支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測,1.3 巖石力學(xué)的研究方法,3、理論分析與計算包括： （1）建立巖石、巖體的破壞機理和破壞準(zhǔn)則； （2）巖石、巖體的變形特性研究，以及巖體強度和變形參數(shù)的估算； （3）巖體工程穩(wěn)定性分析與計算； （4）巖體變形破壞的控制,1.3 巖石力學(xué)的研究方法,1、巖石力學(xué)與材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)和流變力學(xué)等有著 縱向聯(lián)系。人們運用這些理論使巖體力學(xué)得到發(fā)展。 2、巖體工程的圍巖賦存在一定的地質(zhì)環(huán)境之中。

6、因此， 巖石力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和地質(zhì)力學(xué)有著 十分密切的聯(lián)系。 3、巖石力學(xué)是為解決巖體工程中的力學(xué)問題服務(wù)的，這 些工程學(xué)科包括：采礦和其它地下空間工程、交通工 程、水電工程和基礎(chǔ)工程等。因此，巖石力學(xué)是各種 巖體工程學(xué)科的專業(yè)理論基礎(chǔ),1.4 巖石力學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系,重要事件,1925年泰沙基（Terzaghi）建筑土力學(xué) 地質(zhì)力學(xué)的巖石力學(xué)學(xué)派（奧地利學(xué)派（薩爾茨堡學(xué)派）繆勒）否認(rèn)小巖塊試件的力學(xué)試驗。 工程巖石力學(xué)學(xué)派，法國塔洛布爾（J.Talober） 1963年意大利瓦依昂水庫巖坡滑動 1966年在里斯召開第一屆國際巖石力學(xué)大會（一屆/4年,2. 巖石材料的特性,2.1

7、 巖石的變形特性 2.2 巖石的強度特性 2.3 巖石的流變特性,2.1 巖石的變形特性,巖石在單軸壓縮狀態(tài)下的力學(xué)特性 （1）0A段：微裂隙閉合階段,微裂隙壓密極限A。 （2）AB段：近似直線，彈性階段，B 為彈性極限。 （3）BC段：屈服階段，C為屈服極限。 （4）CD段：破壞階段，D為強度極限，即單軸抗壓強度。 （5）DE段：即破壞后階段,E為殘余強度,圍壓對巖石變形的影響 圖 三軸應(yīng)力狀態(tài)下大理巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線,2.1 巖石的變形特性,2.1 巖石的變形特性,反復(fù)循環(huán)加載曲線特點： 卸載應(yīng)力越大，塑性滯理越大（原因：由裂隙的擴大，能量的消耗）； 卸載線，相互平行； 反復(fù)加、卸載、曲線、

8、總趨勢保持不變（有“記憶功 能”,不同溫度下巖石的變形特征和強度,2.1 巖石的變形特性,2.2.1 巖石的單軸抗拉強度t 劈裂法（巴西試驗法） 圓餅試件: 方形試件,2.2 巖石的強度特性,2.2.2 巖石的剪切強度f 三軸壓縮剪切試驗 抗剪強度曲線：= c+tg,2.2 巖石的強度特性,2.2 巖石的強度特性,2.2.3 莫爾庫侖強度理論 f =f()所表達(dá)的是一條曲線，該曲線的型式有：直線型、拋物線型、雙曲線型、擺線型。而直線型與庫倫準(zhǔn)則表達(dá)式相同，因此，也稱為庫倫莫爾強度理論。由庫侖公式表示莫爾包絡(luò)線的強度理論，稱為莫爾庫侖強度理論。 用主應(yīng)力表示： 上式也稱為極限平衡方程。 莫爾庫侖

9、強度理論不適合剪切面 上正應(yīng)力為拉應(yīng)力的情況,2.2.4 粗糙結(jié)構(gòu)面的抗剪強度 理想化粗糙結(jié)構(gòu)面模型鋸齒狀結(jié)構(gòu)面 較小時，抗剪強度tg(b+); 較大時，抗剪強度c+tgb ,其中c為視內(nèi)聚力,2.2 巖石的強度特性,鋸齒狀剪壞面模型剪脹,擴容與應(yīng)力的關(guān)系,齒根剪斷部分,齒根全部剪斷，擴容為0,擴容,擴容最大,2.2.5 巖體強度的各向異性 巖體中只有一組結(jié)構(gòu)面： （1） 當(dāng)1與結(jié)構(gòu)面垂直，巖體強度與結(jié)構(gòu)面無關(guān)，為巖石強度； （2） 當(dāng)450j/2，巖體將沿結(jié)構(gòu)面破壞，其強度為結(jié)構(gòu)面強度 （3） 當(dāng)1與結(jié)構(gòu)面平行，結(jié)構(gòu)面的抗拉強度小，巖體將因結(jié)構(gòu)面的橫向擴展而破壞,2.2 巖石的強度特性,齒狀

10、剪切破壞斜面，個別塊體發(fā)生轉(zhuǎn)動,剪切破壞帶，一列內(nèi)轉(zhuǎn)動的塊體,扭結(jié)破壞帶，巖塊砌疊列排列，扭結(jié)在一起而整轉(zhuǎn)動，一列內(nèi)轉(zhuǎn)動的塊體大于2塊,孔隙水壓力對巖石三向壓縮強度的影響,孔隙水壓力使有效應(yīng)力（圍壓）減小 強度降低,返回,2.3 巖石的流變性（時效性、粘性,巖石的蠕變性能 （1）穩(wěn)定蠕變：巖石在較小的恒力作用下，變形隨時間增加到一定 程度后就趨于穩(wěn)定，不再隨時間增大而保持為一個常數(shù)。穩(wěn)定蠕變一般不會導(dǎo)致巖體整體失穩(wěn)。 （2）非穩(wěn)定蠕變：巖石承受的恒定荷載較大，當(dāng)超過某一臨界值時，變形隨時間增加而增大，其變形速率逐漸增大最終導(dǎo)致巖體整體失穩(wěn)破壞。 （3）巖石的長期強度：巖石的蠕變形式取決于所承受

11、的恒定力的大小，當(dāng)恒定力小于某一臨界值時，巖石產(chǎn)生穩(wěn)定蠕變；當(dāng)恒定力大于該值時，巖石產(chǎn)生非穩(wěn)定蠕變。則將該臨界值稱為巖石的長期強度,2.3 巖石的流變性（時效性、粘性,巖石的蠕變曲線,2.3 巖石的流變性（時效性、粘性,2.3 巖石的流變性（時效性、粘性,1、彈性模型 2、理想塑性( 屈服應(yīng)力 ) 3、有硬化的塑性 k塑性硬化系數(shù) 4、粘性模型 粘性系數(shù)（poise；poise=0.1N.S/m2,三）多元件模型簡介,廣義kelvin模型,廣義kelvin模型蠕變曲線,Poynting-Thomson,返回,3. 地應(yīng)力,3.1 基本概念 3.2 自重應(yīng)力場 3.3 構(gòu)造應(yīng)力場,3.1 基本概

12、念,原巖應(yīng)力場：原巖應(yīng)力在巖體空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為原巖應(yīng)力場，又稱為初始應(yīng)力場。即未經(jīng)采動的巖體在天然狀態(tài)下所具有的應(yīng)力狀態(tài)。 構(gòu)造應(yīng)力場：構(gòu)造應(yīng)力在空間有規(guī)律的分布狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)場. 原巖應(yīng)力自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力 次生應(yīng)力（二次應(yīng)力）：巖體開挖擾動了原巖的自然平衡狀態(tài)，使一定范圍內(nèi)的原巖應(yīng)力發(fā)生變化，變化后的應(yīng)力稱為次生應(yīng)力或二次應(yīng)力,3.2 巖體的自重應(yīng)力,基本公式 在均勻巖體中，巖體的自重初始應(yīng)力狀態(tài)為： 其中為側(cè)壓力系數(shù)。 對于成層巖體,3.2 巖體的自重應(yīng)力,在地殼淺部，可認(rèn)為巖體處于彈性狀態(tài)，=0.200.30，在深部，巖體轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)， =0.50 ，1，則有： x= y= z

13、各向等壓的應(yīng)力狀態(tài)，又稱為靜水壓力狀態(tài)。 巖體自重應(yīng)力的特點： （1）水平應(yīng)力x、y小于垂直應(yīng)力z ； （2）x、y、z均為壓應(yīng)力； （3）z只與巖體密度和深度有關(guān)，而 x、y還同時與巖體彈性常數(shù)E、有關(guān)； （4）結(jié)構(gòu)面影響巖體自重應(yīng)力分布,3.3 巖體構(gòu)造應(yīng)力,3.3.1 構(gòu)造應(yīng)力場的概念 構(gòu)造應(yīng)力：由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。或地殼中長期存在著一種促使構(gòu)造運動發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在力量，這就是構(gòu)造應(yīng)力。 巖體構(gòu)造應(yīng)力是構(gòu)造運動中積累或剩余的一種分布力。 構(gòu)造應(yīng)力場：是構(gòu)造運動中積累或剩余的一種應(yīng)力場，相對于人類活動時期而言，除構(gòu)造活動區(qū)外，它是剩余應(yīng)力場,3.3 巖體構(gòu)造應(yīng)力,3.3.

14、2 構(gòu)造運動的起因 地質(zhì)學(xué)家分析地球表層（包括地殼和地幔）結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律和發(fā)展，提出了各種大地構(gòu)造學(xué)說，最具代表的是地質(zhì)力學(xué)學(xué)說和板塊構(gòu)造學(xué)說。 1、地質(zhì)力學(xué)學(xué)說 該學(xué)說認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)速度的變化產(chǎn)生兩種推動地殼運動的力： 一種是經(jīng)向水平離心力；一種是緯向水平慣性力。這兩種力是引起地殼巖體中出現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力的根本原因。大量的實測資料說明巖體中水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，說明構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主。 2、板塊構(gòu)造學(xué)說 該學(xué)說認(rèn)為板塊運動的核心是海底擴張。海底擴張是由于地幔對流引起的,原始板塊,非洲,水平運動,地殼物質(zhì)沿大地水準(zhǔn)球面切線方向的運動，表現(xiàn)為地殼的水平移動。使巖塊相互分離裂開或相向聚匯，發(fā)生擠壓、

15、彎曲或剪切、錯開,紅海加寬速度為1cm/年,1、巖體構(gòu)造應(yīng)力（判斷、測試，不能計算,當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力存在時 。 2、影響巖體初應(yīng)力狀態(tài)的其它因素 （1）地形-自重的減小或增大,圖67 地形對初應(yīng)力的影響,3.3.3 特征,2）地質(zhì)條件對初應(yīng)力的影響,圖6-8背斜褶曲對地應(yīng)力的影響,圖6-9 斷層對地應(yīng)力的影響,3.3.4 高地應(yīng)力現(xiàn)象,1）巖芯餅化現(xiàn)象。 （2）巖爆。 （3）探硐和地下隧 道洞地洞壁產(chǎn)生剝 離，巖體錘擊為嘶 啞聲并有較大變形 （4）巖質(zhì)基坑底部 隆起、剝離以及回 彈錯動現(xiàn)象. （5）野外原位測試測得的巖體物理力學(xué)指標(biāo)比實驗室?guī)r塊試驗結(jié)果高,圖6-25 二灘引水隧洞巖爆發(fā)生 部位示意圖

16、,高地應(yīng)力條件下巖體變形曲線,我們把初始應(yīng)力狀態(tài)下巖體單元處于穩(wěn)定（彈性）狀態(tài)而一旦開挖就會處于塑性（破壞）狀態(tài)的巖體，稱為巖體淺塑狀態(tài)。 （1）及早發(fā)現(xiàn)，及早作出對應(yīng)措施和準(zhǔn)備工作。 （2）及早降低應(yīng)力，釋放能量。具體做法是：在開挖面上及時打超前密集小孔；或從開挖面內(nèi)向內(nèi)鉆孔和在一定深度內(nèi)放炮，在一定范圍內(nèi)形成破碎帶，降低洞周的應(yīng)力。 （3）及早采取臨時性和永久性防護(hù)措施，使巖爆與施工人員一定程度隔離開來。在設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)時，宜設(shè)計柔性支護(hù)。 （4）工程中設(shè)計一定的應(yīng)力降低措施：切割應(yīng)力釋放槽，盡量避免引起應(yīng)力集中的開挖形態(tài)，避免不必要的小型叉洞和形狀突變的洞形,3.3.5 處理高地應(yīng)力的巖石

17、力學(xué)原則,4. 工程巖體分類,4.1 巖體綜合調(diào)查方法 4.2 工程巖體分類的參考影響因素 4.3 幾種有代表性的分類方法 4.4 我國工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)(GB50218-94,分類的目的：為巖石工程建設(shè)的勘察、設(shè)計、施工和編 制定額提供必要的基本依據(jù)。 按分類目的，可分為綜合性和專題性兩種；按其所涉及的因素多少，可分為單因素分類法和多因素分類法兩種,4.1 巖體綜合調(diào)查方法,沿暴露面調(diào)查,4.1 巖體綜合調(diào)查方法,沿暴露面調(diào)查,4.2 工程巖體分類的參考影響因素,1、巖石的質(zhì)量。主要表現(xiàn)在巖石的強度和變形性質(zhì)方面。 2、巖體的完整性。巖體完整性取決于不連續(xù)面的組數(shù)和密度?？捎媒Y(jié)構(gòu)面頻率、間距、

18、巖心采取率、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD以及完整性系數(shù)作為定量指標(biāo)進(jìn)行描述。這些定量指標(biāo)是表征巖體工程性質(zhì)的重要參數(shù)。 3、結(jié)構(gòu)面條件。包括結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、粗糙度和充填情況。巖體的工程性質(zhì)主要取決于結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)和分布狀態(tài)以及其間的充填物性質(zhì)。 4、巖體及結(jié)構(gòu)面的風(fēng)化程度。風(fēng)化程度越高，巖體越破碎，強度越低 。 5、地下水的影響。滲流，軟化，膨脹，崩解，靜、動水壓力等。 6、地應(yīng)力。地應(yīng)力難于測定，它對工程的影響程度也難于確定，因此，其影響一般在綜合因素中反映,4.3幾種有代表性的分類方法,1、普氏分類法 以巖石試件的單軸抗壓強度作為分類依據(jù)，根據(jù)普氏堅固 性系數(shù) f 將巖石分為十級。 f 值越大，巖體越穩(wěn)定

19、。 式中：Rc巖石單軸抗壓強度，Mpa f 20 為1級，最堅固； f 0.3為第10級，最軟弱。 優(yōu)點：形式簡單，使用方便。 缺點：未考慮巖體的完整性、巖體結(jié)構(gòu)特征對穩(wěn)定性影響，故不能準(zhǔn)確評價巖體的穩(wěn)定性,2、巖石單軸抗壓強度分類 我國工程界按巖石單軸抗壓強度將巖體分為四類,4.3 幾種有代表性的分類方法,3、按巖體完整性系數(shù)Kv（龜裂系數(shù)）分類 式中：Vpm、Vpr巖體、巖石彈性縱波速度（m/s,4.3 幾種有代表性的分類方法,4、按巖芯質(zhì)量指標(biāo)（RQD）分類 蒂爾（Deer,1968)提出根據(jù)鉆探時巖芯完好程度來判斷巖體的質(zhì)量，對巖體分類。 式中：li 所取巖芯中10cm長度的巖芯段的長

20、度； L鉆進(jìn)巖芯的總程度，m,4.3 幾種有代表性的分類方法,5、節(jié)理巖體地質(zhì)力學(xué)分類（CSIR分類） 該分類法是由南非科學(xué)和工業(yè)研究委員會（CSIR)提出的分類指標(biāo)RMR(Rock Mass Rating)，由巖塊強度(R1)、RQD值(R2) 、節(jié)理間距(R3) 、節(jié)理條件(R4)及地下水(R5) 和節(jié)理方向?qū)こ痰挠绊懙男拚齾?shù)（R6） 6種指標(biāo)組成，即,4.3 幾種有代表性的分類方法,5、節(jié)理巖體地質(zhì)力學(xué)分類（CSIR分類） 考慮不支護(hù)隧道的自穩(wěn)時間。 該分類法已得到比較廣泛的應(yīng)用,4.3 幾種有代表性的分類方法,6、巴頓巖體質(zhì)量（Q）分類 挪威巴頓（Barton）等人于1974年根據(jù)

21、隧道工程的調(diào)查，提出一個用6個參數(shù)表達(dá)的巖體質(zhì)量指標(biāo)Q，作為巖體質(zhì)量分類的依據(jù)。 式中：RQD巖體質(zhì)量指標(biāo)；Jn節(jié)理組數(shù)；Jr節(jié)理粗糙系數(shù)；Jw節(jié)理水折減系數(shù)；Ja節(jié)理蝕變系數(shù)；SRF應(yīng)力折減系數(shù)。Q反映了巖體質(zhì)量的三個方面,4.3 幾種有代表性的分類方法,6、巴頓巖體質(zhì)量（Q）分類 為巖體的完整性； 表示結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、充填物特征及次生變化程度； 表示水與其他應(yīng)力存在時對巖體質(zhì)量的影響,4.3 幾種有代表性的分類方法,6、巴頓巖體質(zhì)量（Q）分類 根據(jù)Q值，可將巖體分為9類，如圖,地下開挖當(dāng)量直徑,4.3 幾種有代表性的分類方法,6、巴頓巖體質(zhì)量（Q）分類 Q分類法考慮的地質(zhì)因素較全面，而且把定

22、性分析與定量評價結(jié)合起來了，軟硬巖均適用，在處理極軟弱的巖層中推薦采用此分類法。 賓尼奧夫斯基（Bieniawski，1976）在大量實測統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)Q值與RMR值之間具有如下條件關(guān)系,地下開挖當(dāng)量直徑,4.3 幾種有代表性的分類方法,1、工程巖體分級的基本方法 （1）確定巖體基本質(zhì)量 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為巖石的堅硬程度和巖體完整程度決定巖體的基本質(zhì)量。巖體基本質(zhì)量好，則穩(wěn)定性好；反之，穩(wěn)定性差。 A、采用巖石飽和單軸抗壓強度RC劃分巖石堅硬程度,4.4 我國工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn) GB50218-94,1、工程巖體分級的基本方法 （1）確定巖體基本質(zhì)量 B、采用完整性系數(shù)Kv劃分巖體完整程度,4.4 我

23、國工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn) GB50218-94,1、工程巖體分級的基本方法 （2）巖體基本質(zhì)量分級 A、巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ)： 式中：BQ巖體基本質(zhì)量指標(biāo)； RC巖石飽和單軸抗壓強度(Mpa); Kv巖體完整性指數(shù)。 注意： 當(dāng)RC 90Kv+30 時，應(yīng)以RC=90Kv+30 代入上式計算Q值； 當(dāng)Kv 0.04RC+0.4時，應(yīng)以Kv=0.04RC+0.4代入上式計算Q值,4.4 我國工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn) GB50218-94,注：小塌方：塌方高度6m，或塌方體積 100m3,地下工程巖體自穩(wěn)能力,5. 地下工程圍巖穩(wěn)定性,5.1 圍巖與襯砌的應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析 5.2 彈塑性力學(xué)分析法 5

24、.3 圍巖壓力,5.1 圍巖與襯砌的應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析,圍巖：坑道周圍發(fā)生應(yīng)力重新分布的巖體稱為圍巖。 次生應(yīng)力狀態(tài)（二次應(yīng)力狀態(tài)）：原巖因受開挖擾動，其應(yīng)力重新分布，圍巖中重新分布后的應(yīng)力狀態(tài)，稱為次生應(yīng)力狀態(tài)，或二次應(yīng)力狀態(tài)。 基本假定：巖體為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的介質(zhì)。 研究圍巖應(yīng)力狀態(tài)的方法：將巷道和圍巖視為無重量的有孔平板的平面應(yīng)變問題。平板所受到的外力即為原巖應(yīng)力,1、圓形坑道圍巖應(yīng)力分布,5.1 圍巖與襯砌的應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析,1、圓形坑道圍巖應(yīng)力分布 設(shè)原巖垂直應(yīng)力為p，水平應(yīng)力為q，作用在圍巖邊界，忽略圍巖自重的影響，按彈性理論中的基爾希公式計算圍巖中任一點M（r,）

25、的應(yīng)力,5.1 圍巖與襯砌的應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析,1、圓形坑道圍巖應(yīng)力分布 （1） 當(dāng)r時， 上式即為極坐標(biāo)中的原巖應(yīng)力,5.1 圍巖與襯砌的應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析,1、圓形坑道圍巖應(yīng)力分布 （2）當(dāng)ra時，即坑道周邊的應(yīng)力為： 式中：=q/p為側(cè)壓力系數(shù),或,5.1 圍巖與襯砌的應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析,1、圓形坑道圍巖應(yīng)力分布 （3）當(dāng)p=q,即=1時， =1（軸對稱）時對圓形坑道圍巖應(yīng)力分布最有利,5.1 圍巖與襯砌的應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析,1、圓形坑道圍巖應(yīng)力分布 當(dāng)r=a，坑道周邊應(yīng)力為： 當(dāng)r時，坑道原巖應(yīng)力為： 圓形坑道開挖應(yīng)力擾動范圍為坑道半徑的35倍,5.1 圍巖與襯砌的應(yīng)力

26、分布的彈性力學(xué)分析,2、橢圓形坑道周邊應(yīng)力分布 設(shè)橢圓形斷面長軸為水平方向，長半軸為a，短半軸為b，原巖垂直應(yīng)力為p，水平應(yīng)力為q=p，坑道周邊任一點的徑向應(yīng)力r切向應(yīng)力剪應(yīng)力r ，根據(jù)彈性力學(xué)計算公式為,5.1 圍巖與襯砌的應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析,2、橢圓形坑道周邊應(yīng)力分布,式中：m=b/a,叫軸比；周邊計算點的偏心角,5.1 圍巖與襯砌的應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析,例： 1/4條件下，不同軸比m對應(yīng)的頂?shù)装搴蛢蓭椭悬c處的,可見，橢圓形長軸與原巖最大主應(yīng)力方向一致時，坑道周邊不出現(xiàn)切向拉應(yīng)力，應(yīng)力分布較合理，等應(yīng)力軸比時最好,5.1 圍巖與襯砌的應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析,2、橢圓形坑道周邊應(yīng)力分布

27、 由(c),(f)可得： 滿足上式的軸比叫等應(yīng)力軸比。在等應(yīng)力軸比的條件下，橢圓形坑道頂?shù)装逯悬c和兩幫中點的切向應(yīng)力相等，周邊應(yīng)力分布比較均勻。 可見，在原巖應(yīng)力(p,p）一定的條件下，隨軸比m而變化。為了獲得合理的應(yīng)力分布，可通過調(diào)整軸比m來實現(xiàn),5.1 圍巖與襯砌的應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析,5.2 彈塑性力學(xué)分析法,圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律及其分布狀態(tài) 根據(jù)圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，可將坑道周圍巖體分為4個區(qū)域： 1、應(yīng)力松弛區(qū) 2、塑性強化區(qū) 3、彈性區(qū) 4、原巖應(yīng)力區(qū),彈-塑性區(qū)應(yīng)力分布圖,強度線塑性區(qū)內(nèi)任一點的應(yīng)力圓均與該線相切,塑性區(qū)切向應(yīng)力分布曲線,彈性區(qū)切向應(yīng)力分布曲線,塑性區(qū)徑向應(yīng)力分布曲線

28、,彈性區(qū)徑向應(yīng)力分布曲線,彈性狀態(tài)切向應(yīng)力分布曲線,彈性狀態(tài)徑向應(yīng)力分布曲線,塑性區(qū),彈性區(qū),應(yīng)力升高區(qū),原巖應(yīng)力區(qū),圍 巖,原 巖,應(yīng)力降區(qū),返回,圍巖與支護(hù)相互作用原理,5.2 彈塑性力學(xué)分析法,一、圍巖壓力的基本概念 狹義圍巖壓力：圍巖作用于支護(hù)上的壓力。（圍巖和支護(hù)被看成獨立的兩個體系） 廣義圍巖壓力：支護(hù)與圍巖是一個共同體，二次應(yīng)力的全部作用力視為圍巖壓力。 1、松動壓力：松動脫落圍巖，作用在支護(hù)上的巖體的自重荷載（自然拱、掉塊，）及時支護(hù)減小松動范圍、控制松動區(qū)發(fā)展。 2、變形壓力 阻止圍巖塑性變形時，作用在支護(hù)上的壓力。 3、沖擊壓力：巖體中的能量突然釋放（巖爆）所形成的壓力。

29、4、膨脹壓力：圍巖膨脹所形成的壓力 只有松動壓力和塑性變形壓能夠計算,5.3 圍巖壓力,二 泰沙基的圍巖壓力計算方法 由單元體的平衡條件推出圍巖壓力 1、基本假設(shè) （1）認(rèn)為巖體是松散體，但存在一定的粘厚力，且服從庫侖準(zhǔn)則： （2）圍巖的滑移模式和外力情況如圖所示,2、圍巖壓力計算,邊界條件,微元體的平衡條件,圖7-16 垂直地層壓力計算圖,3）適用條件：H50m,解該微分方程，并令見=H得洞頂壓力,原巖應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù),洞室兩邦的壓力,三、影響圍巖壓力的因素,1、地質(zhì)方面的因素（自然屬性） （1）完整性或破碎程度。 （2）結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、分布密度、力學(xué)性質(zhì)、充填物性質(zhì)及其充填狀態(tài)。 （3）地下的

30、活動狀況。 （4）巖體的性質(zhì)和強度,2、工程方面的因素,1）洞室的形狀和尺寸,2）支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式和剛度 支護(hù)作用：阻止圍巖變形，維護(hù)圍巖穩(wěn)定,3）洞室的位置、尺度和覆蓋層厚度。 （4）施工中的技術(shù)措施。 例如，控制爆破（光、預(yù)裂） 開挖順序 （5）洞室的軸線走向,返回,2、工程方面的因素,1、圍巖整體穩(wěn)定，可能有局部掉落。 （爆破震動、局部裂隙切割） 2、脆性斷裂破壞 拉裂破壞，一般在洞頂。 3、松散、冒頂、片幫自然拱 4、圍巖膨脹底鼓 5、形成塑性滑移面,四、水平洞室圍巖的主要破壞形式,自然冒落拱,水平或緩傾斜堅硬巖層,巷道開挖輪廓線,急傾斜堅硬巖層,高邊墻塌落取決于節(jié)理分布,脆性裂隙巖體巷

31、道圍巖頂部掉塊模型,軟巖巷道嚴(yán)重底鼓現(xiàn)象,軟巖巷道圍巖的膨脹現(xiàn)象,新奧地利隧道施工法”（NATM）法，由奧地利學(xué)派創(chuàng)始人之一米勒教授提出的。包括三方面的內(nèi)容： 1、支護(hù)-圍巖共同作用原理。 2、柔性支護(hù)觀點/錨噴網(wǎng)綜合支護(hù)主要支護(hù)手段。 3、設(shè)計、施工、監(jiān)測一條龍作業(yè)方式。 優(yōu)點：較好利用巖體力學(xué)特性，充分發(fā)揮圍巖的自身的承載能力，合理設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工順序,5.4 新奧法簡介,1、支護(hù)-圍巖共同作用原理,圍巖既是生產(chǎn)支護(hù)荷載的主體，又是承受巖層荷載的結(jié)構(gòu)，支護(hù)-圍巖作為整體相互作用，共同承擔(dān)圍巖壓力。摒棄了過去巖體作為對支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載采用厚襯砌的傳統(tǒng)做法。 圍巖壓力是變形壓力和松動壓力的組合

32、，大部分壓力(特別是變形壓力)由圍巖自身承擔(dān)，只有少部分轉(zhuǎn)移到支護(hù)結(jié)構(gòu)上；支護(hù)荷載既取決于圍巖的性質(zhì)，又取決于支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和支護(hù)時間；圍巖的松動區(qū)和圍巖內(nèi)的二次應(yīng)力狀態(tài)又與支護(hù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和支護(hù)時間有關(guān),支護(hù)-圍巖共同作用原理圖,圍巖特性曲線,支護(hù)特性曲線,支護(hù),時間,剛度,早,晚,剛,柔,2、柔性支護(hù)觀點,支護(hù)剛度不必太大，當(dāng)支護(hù)做完后，能與巖體一起生產(chǎn)一定的位移，釋放部分變形能，但又能使支護(hù)足以保持平衡，保持圍巖穩(wěn)定。 柔性支護(hù)，盡早支護(hù)，既及時封閉圍巖，防止風(fēng)化，又能釋放變形能，合理利用圍巖與支護(hù)共同承擔(dān)應(yīng)力調(diào)整過程中的所有作用。 支護(hù)結(jié)構(gòu)為閉合環(huán)，錨噴網(wǎng)綜合支護(hù)主要支護(hù)手段,設(shè)計、施工

33、、監(jiān)測一條龍作業(yè)方式,工程地質(zhì)調(diào)查與相關(guān)實驗,工程開挖與支護(hù)設(shè)計,施工與監(jiān)測,是否穩(wěn)定,返回,地下工程穩(wěn)定 穩(wěn)定定義：地下工程工作期限內(nèi)，安全和所需最小斷面得以保證，稱為穩(wěn)定。 穩(wěn)定條件,地下工程巖體或支護(hù)體中危險點的應(yīng)力和位移； 巖體或支護(hù)材料的強度極限和位移極限,地下工程穩(wěn)定性可分為兩類,自穩(wěn)：不需要支護(hù)圍巖自身能保持長期穩(wěn)定,人工穩(wěn)定：需要支護(hù)才能保持圍巖穩(wěn)定,穩(wěn)定性問題的力學(xué)本質(zhì),自穩(wěn),不自穩(wěn),圍巖內(nèi)危險點的應(yīng)力和位移,計算圍巖壓力,支護(hù)中危險點的應(yīng)力或位移,大于支護(hù)極限,小于支護(hù)極限,人工穩(wěn)定,改革支護(hù),深埋地下工程,地下工程自身影響達(dá)不到地表的，稱為深埋。反之淺埋,2）當(dāng)埋深等于或

34、大于巷道半徑R0或其寬、高之半的20倍以上時，巷道影響范圍（35 R0 ）以內(nèi)的巖體自重可以忽略不計；原巖水平應(yīng)力可以簡化為均勻分布，通常誤差不大（10以下,深埋地下工程的特點為,1）可視為無限體中的孔洞問題，孔洞各方向無窮遠(yuǎn)處，仍為原巖應(yīng)力,3）深埋的水平巷道長度較大時，可作為平面應(yīng)變問題處理。其它類型巷道，或作為空間問題，或作為全平面應(yīng)變問題處理,解析方法 數(shù)值方法 試驗方法,地下工程穩(wěn)定性分析途徑,本章主要內(nèi)容,彈性 彈-塑性 松散,圍巖應(yīng)力、支護(hù)上的壓力,一、邊坡中的應(yīng)力分分析 現(xiàn)有方法： （1）應(yīng)力測量法； （2）室內(nèi)光彈性和模擬實驗法； （3）數(shù)值計法； （4）近似計算法,6. 邊

35、坡工程,二、巖坡破壞形式與分類,由于外界條件干擾（開挖、風(fēng)化、震動）滑移體沿弱面滑移 3、旋轉(zhuǎn)滑動 由于外界條件干擾，在均質(zhì)頁巖或泥巖中產(chǎn)生新的圓弧破裂面，巖體沿此圓弧面產(chǎn)生滑移。 4、巖塊流動 高應(yīng)力作用下，生產(chǎn)脆性破裂（破壞）面。 不規(guī)則。 5、巖層曲折 在自重與裂隙水壓力共同作用下巖層面發(fā)生,2、平移滑動,1、巖石崩塌 原因：裂隙水壓力、凍脹力致,巖石崩塌,平移滑動,旋轉(zhuǎn)滑移,巖塊流動,巖層曲折,W,U-水壓力在滑動面上產(chǎn)生的浮力,V-張性斷裂面上的水壓力,穩(wěn)定性系數(shù),式中,8-9,擋墻 措施：排水減荷加固 樁基 錨桿 注漿,八、巖坡加固措施,返回,實例分析,該場地位于凌水鎮(zhèn)大山村北側(cè),照片中黃色地層為強風(fēng)化板巖,場地中風(fēng)化板巖具薄層結(jié)構(gòu);中間夾