地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法

地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法天下事有難易乎為之，則難者亦易矣不為，則易者亦難矣地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法第一章巖體的工程性質(zhì)§1.1巖體的地質(zhì)特性

巖體：是處于一定天然應(yīng)力環(huán)境中的地質(zhì)體。是在長期自然地質(zhì)條件下形成的。與人為的建筑材料不同。一、巖體處于一定的天然應(yīng)力作用下

天然應(yīng)力：指工程施工前巖體中就存在著的應(yīng)力。工程開挖前，巖體處于相對平衡狀態(tài)。工程開挖后，破壞了平衡，引起應(yīng)力重新調(diào)整，導(dǎo)致巖體的變形和破壞。

地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法二、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)的不均勻性

原因：生成巖體的物質(zhì)來源、生成原因、周圍的環(huán)境、生成后的構(gòu)造作用等因素的差異，而導(dǎo)致巖體內(nèi)部的物質(zhì)成分的分布和構(gòu)造特征的不均勻性。三、巖體是由構(gòu)造面分割的多裂隙體

結(jié)構(gòu)面：指巖體中具有一定方向、力學(xué)強(qiáng)度相對較低的地質(zhì)界面（或帶）。

巖體中的結(jié)構(gòu)面按成因類型可分為三類：1、原生結(jié)構(gòu)面：指巖體形成過程中形成的結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造面。原生節(jié)理面、流動節(jié)理面、接觸面、片理、片麻理構(gòu)造面。

地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法非開裂式、結(jié)構(gòu)面間有聯(lián)結(jié)力、強(qiáng)度較高。2、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：是巖體形成后，由于地殼構(gòu)造運動在巖體中產(chǎn)生的各種斷裂面。

斷層面、節(jié)理面、層間錯動面、劈理面。

結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度低，可能有填充物。3、次生結(jié)構(gòu)面：指在外營力作用下產(chǎn)生的風(fēng)化裂隙面及卸荷裂隙面等。

張裂隙、結(jié)構(gòu)面不平坦。四、巖體具有各向異性

指巖體強(qiáng)度、變形、甚至滲透等性質(zhì)在不同方向上顯示出差異。

地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法五、巖體具有可變性

巖體在各種地質(zhì)作用下不斷發(fā)生變化。1、風(fēng)化作用：地表巖石在大氣、溫度、水和生物的聯(lián)合影響下，使巖石的物理性質(zhì)或化學(xué)成分發(fā)生改變的地質(zhì)作用。

風(fēng)化作用會降低礦物晶?；蝾w粒間的聯(lián)結(jié)力，使巖體的完整性遭到破壞，變形增大，強(qiáng)度降低。風(fēng)化巖石按風(fēng)化劇烈的程度分成若干級(或帶)

地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法<<鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊>>中分為：

①風(fēng)化極嚴(yán)重②風(fēng)化嚴(yán)重③風(fēng)化頗重④風(fēng)化輕微⑤未經(jīng)風(fēng)化。風(fēng)化系統(tǒng)分為：①全風(fēng)化帶②強(qiáng)分化帶③半分化帶④弱風(fēng)化帶⑤微風(fēng)化帶（新鮮）。2、地下水的溶蝕作用表現(xiàn)：可溶鹽溶解，肢體水解，體積膨脹，強(qiáng)度降低。通常用軟化系數(shù)來表示巖石的軟化性，即:軟化系數(shù)=地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法一般規(guī)定軟化系數(shù)小于0.75的巖石叫軟化巖石?！?.2巖石的物理性質(zhì)和水理性質(zhì)

一、巖石成分的物理參數(shù)含水量w，孔隙度n，干密度ρd二、巖石的密度、孔隙度、水分對其力學(xué)性質(zhì)的影響

㈠巖石的密度對其力學(xué)性質(zhì)的影響密度大，強(qiáng)度高。㈡孔隙度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響孔隙度大，強(qiáng)度低。

原因：⒈孔隙邊界引起的引力集中會使強(qiáng)度降低；地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法

⒉孔隙的存在使巖石承載力減小從而使強(qiáng)度降低；

⒊孔隙中存在水或其它物質(zhì)，它們在巖石承受荷載的情況下，會加速裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低。

㈢水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

水對巖石的物理化學(xué)作用，主要表現(xiàn)在：1、軟化：水侵入巖石的孔隙中，改變了巖石的物理狀態(tài)和巖石顆粒間的表面能，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法2、溶蝕：溶蝕使巖石致密度降低，并會破壞顆粒之間的膠結(jié)，從而使巖石強(qiáng)度降低。

⒊

膨脹：粘土質(zhì)礦物成分遇水產(chǎn)生膨脹應(yīng)變和膨脹壓力。

四、巖石的滲透性

孔隙的存在。五、巖石的膨脹性

巖石中顆粒的膠結(jié)程度影響其膨脹性。地下結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計原理與與方法§1.3巖石的強(qiáng)度度特性和變變形特性一、巖石試試件的制備備1、巖石的采采樣采采用蠟封或或瀝青封裹裹，以防風(fēng)風(fēng)化和保持天然含水水量。2、試件的種種①規(guī)則試件：：圓柱體、、立方體、、棱柱體。②不規(guī)則試件件③特殊形狀：：虎骨型、、中空圓柱柱型。手工制作或或機(jī)械加工工地下結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計原理與與方法二、巖石的的單軸壓縮縮試驗㈠巖石的單軸軸抗壓強(qiáng)度度1、單軸抗壓壓強(qiáng)度的概概念試件為圓柱柱體，直徑徑大于54mm，高徑比為2.0～2.5。為試件破壞壞時的壓力力。2、巖石在單單軸壓縮下下的破壞形形式①劈裂破壞：：在垂直壓壓應(yīng)力方向向產(chǎn)生的拉斷破裂裂。如堅硬脆性性巖石的破破壞。②對頂錐破壞壞：形成X型剪切破壞壞。地下結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計原理與與方法如軟質(zhì)塑性性巖石的破破壞。③剪切型破壞壞：斜剪3、影響巖石石單軸抗壓壓強(qiáng)度的因因素外因：①承壓板與試試件兩端面面之間的摩摩擦。②試件的幾何何形狀和高高徑比：圓圓柱形h/d=2.0～2.5。③試件的尺寸寸：盡可能能采用較大大的試件。④加載速度：：推薦加載載速度是：：0.5～1.0MPa／s。⑤環(huán)境條件：：含水量、、溫度。內(nèi)因：⑥巖石本身的的物質(zhì)成分分和結(jié)構(gòu)特特征.地下結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計原理與與方法㈡單向應(yīng)力狀狀態(tài)下巖石石的變形特特征1、單軸壓縮縮時應(yīng)力-應(yīng)變曲線三種狀態(tài)：：①線形彈性②應(yīng)變軟化特特性③應(yīng)變硬化特特性2、彈性模量量初始切線模模量、平均均切線模量量、平均割割線模量（取抗抗壓強(qiáng)度的的一半處））3、橫向變形形和橫向變變形比泊松比即是是橫向應(yīng)變變與軸向應(yīng)應(yīng)變的比值值。地下結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計原理與與方法一般（（直直線段的））4、應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程程曲線剛性試驗機(jī)機(jī)①裂隙壓密階階段：壓密密強(qiáng)度②彈性階段（（直線變形形階段）：：屈服強(qiáng)度度③塑性階段（（新生微裂裂隙及擴(kuò)容容發(fā)展階段段）：峰值強(qiáng)度④破裂和破壞壞階段（新新生微裂隙隙不穩(wěn)定發(fā)發(fā)展階段）：殘余余強(qiáng)度5、循環(huán)荷載載條件下巖巖塊的變形形特征疲勞強(qiáng)度地下結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計原理與與方法三、巖石的的抗拉強(qiáng)度度膠結(jié)物強(qiáng)度度、抗拉強(qiáng)強(qiáng)度的各向向異性測定巖石抗抗拉強(qiáng)度的的方法：⑴直接拉伸法法⑵棱柱體試件件的彎曲⑶圓柱體的彎彎曲⑷圓盤彎曲⑸液壓擴(kuò)張試試驗⑹巴西試驗：：又稱劈裂裂試驗或線線荷載試驗實心圓盤地下結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計原理與與方法圓柱體L為圓柱長立方體⑺圓環(huán)試驗⑻方形板的的徑向壓壓縮試驗驗地下結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計原原理與方方法四、巖石石的抗剪剪強(qiáng)度㈠基本概念念巖石的抗抗剪強(qiáng)度度指巖石抵抵抗剪切切破壞的的最大大能力力，以剪剪斷時剪剪切面上上的極限限剪應(yīng)力力表示。。巖石的抗剪剪強(qiáng)度用下下式表示：：抗剪強(qiáng)度≈σtgФ+cФ和c是表征巖石石抗剪性能能的基本指指標(biāo)。㈡測定巖石抗抗剪強(qiáng)度的的方法⑴直接剪切法法剪切盒，，繪出-圖，進(jìn)而確確定c,Ф地下結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計原理與與方法剪切盒⑵傾斜板間加加壓的單向向剪切法=30°～50°㈢利用（（單軸軸抗壓強(qiáng)度度）和（（單軸軸抗拉強(qiáng)度）推算抗抗剪強(qiáng)度指指標(biāo)⑴威爾克法（（R.G.Wuerker，1959）地下結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計原理與與方法⑵握部（Aorlbe，1970）方法地下結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計原理與與方法五、三軸壓壓縮下巖石石的強(qiáng)度特特性和變形形特性㈠巖石的三軸軸壓縮強(qiáng)度度試件：50～90mmh=100～200mm圓柱體或棱棱柱體繪出巖石的的莫爾包絡(luò)絡(luò)線，進(jìn)而而確定C,Ф。㈡影響三軸壓壓縮試驗結(jié)結(jié)果的主要要因素⑴側(cè)限壓力（（即圍壓））對巖石強(qiáng)強(qiáng)度和變形形的的影響圍壓大，則則強(qiáng)度及對對應(yīng)的位移移量均增大大。巖石試件在在高圍壓下下表現(xiàn)出塑塑性（或延延性性）變形的