地下建筑結(jié)構(gòu)(2).ppt

1、,地下建筑結(jié)構(gòu)（2）,2、地下工程結(jié)構(gòu)物的工作環(huán)境,2.1 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng),問(wèn)題的提出：為什么在討論地下結(jié)構(gòu)問(wèn)題時(shí)，首先提出了地應(yīng)力問(wèn)題？ 地應(yīng)力是影響地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素，是引起地下結(jié)構(gòu)變形和破壞的根本作用力。地應(yīng)力決定了地下結(jié)構(gòu)幾乎所有的邊界條件和地下工程實(shí)施的初始條件。是一切計(jì)算、試驗(yàn)分析的前提和基礎(chǔ)。不了解地應(yīng)力情況的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只能是盲目的設(shè)計(jì)。,2.1 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng),人類(lèi)對(duì)地應(yīng)力的認(rèn)識(shí)過(guò)程： 1912年，瑞士地質(zhì)學(xué)家A.Heim首次提出地應(yīng)力的概念，并假定地應(yīng)力是一種靜水壓力狀態(tài)。即地殼中任何一點(diǎn)的應(yīng)力在各個(gè)方向相等，并且等于該點(diǎn)以上覆蓋的巖層產(chǎn)生的壓強(qiáng)。即：,2.1 圍巖初

2、始應(yīng)力場(chǎng),1926年，前蘇聯(lián)學(xué)者A.H.Gennik修正了A.Heim的靜水壓力的假定，認(rèn)為垂直應(yīng)力可以等于上覆巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力（水平應(yīng)力）應(yīng)該是泊松效應(yīng)的結(jié)果。它的值應(yīng)該等于H乘以一個(gè)修正系數(shù)K，稱(chēng)為側(cè)壓系數(shù)，根據(jù)彈性力學(xué)理論，他認(rèn)為 K/(1-)，即：,2.1 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng),李四光曾在上世紀(jì)20年代根據(jù)許多地質(zhì)現(xiàn)象提出：“在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)垂直應(yīng)力分量。”,2.1 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng),50年代，瑞典的N.Hast在Scandinavia半島進(jìn)行了大量的地應(yīng)力測(cè)量工作，發(fā)現(xiàn)地殼上層最大主應(yīng)力大部分是水平或接近水平的。 有的區(qū)域最大

3、水平應(yīng)力的值為垂直應(yīng)力的12倍，甚至更高。在某些地表處測(cè)得的水平地應(yīng)力達(dá)到7Mpa。,2.1 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng),進(jìn)一步研究表明： 重力作用和構(gòu)造作用是引起地應(yīng)力的主要原因，尤其水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的形成影響最大。當(dāng)前的地應(yīng)力狀態(tài)主要由最近的一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所決定，但也與地殼演化歷史上的各次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。最終的地應(yīng)力場(chǎng)是歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的疊加。同時(shí)還受到其它因素的影響，造成了地應(yīng)力場(chǎng)分布的復(fù)雜和多變性。,2.1 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng),一、初始地應(yīng)力的成因十分復(fù)雜： 1、地殼板塊運(yùn)動(dòng)中相鄰板塊之間的 擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力 2、地幔熱對(duì)流引起的應(yīng)力場(chǎng) 3、地心引力形成的自重應(yīng)力場(chǎng) 4、地球旋轉(zhuǎn)形成的慣性力場(chǎng)

4、,2.1 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng),初始地應(yīng)力的成因十分復(fù)雜： 5、地下巖漿入侵和地殼非均勻擴(kuò)容 6、地殼溫度不均引起的應(yīng)力 7、水壓力 8、地表風(fēng)化剝蝕和其它物理化學(xué)變化引起的應(yīng)力釋放等,2.1 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng),二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律 （1）自重應(yīng)力場(chǎng),由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng)稱(chēng)為自重應(yīng)力場(chǎng)自重應(yīng)力場(chǎng)是各種應(yīng)力場(chǎng)中唯一能夠計(jì)算的應(yīng)力 場(chǎng)地殼中任一點(diǎn)的自重應(yīng)力等于單位面積的上覆巖層的重量。重力應(yīng)力為垂直方向應(yīng)力，它是地殼中所有各點(diǎn)垂直應(yīng)力的主要組成部分但是垂直應(yīng)力一般并不完全等于自重應(yīng)力，因?yàn)榘鍓K移動(dòng)，巖漿對(duì)流和侵入、巖體非均勻擴(kuò)容、溫度不均和水壓梯度均會(huì)引起垂直方向應(yīng)力變化,2.1 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng),二

5、、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律 （1）自重應(yīng)力場(chǎng),2.1 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng),二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律 （1）自重應(yīng)力場(chǎng),地應(yīng)力是隨深度呈線性增加的； 水平應(yīng)力總是小于垂直應(yīng)力,依據(jù)：對(duì)全世界實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力v的統(tǒng)計(jì)資料的分析表明，在深度為252700的范圍內(nèi)，z呈線性增長(zhǎng)，大致相當(dāng)于按平均容重等于27KN/m3計(jì)算出來(lái)的重力H,2.1 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng),二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律 （1）自重應(yīng)力場(chǎng),上述各式表達(dá)的應(yīng)力場(chǎng)僅當(dāng)?shù)孛鏋樗矫?、且?guī)r體為各向同性的半無(wú)限彈性體時(shí)才是正確的。實(shí)際上、由于地殼運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，巖層會(huì)發(fā)生各種變形，如頃斜、彎曲等。這些也會(huì)影響自重應(yīng)力場(chǎng)。,2.1 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng),二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化

6、規(guī)律 （1）自重應(yīng)力場(chǎng),在具有負(fù)地形的峽谷或山區(qū)，地形的影響在侵蝕基準(zhǔn)面以上及其以下一定范圍內(nèi)表現(xiàn)特別明顯一般來(lái)說(shuō)，谷底是應(yīng)力集中的部位，越靠近谷底應(yīng)力集中越明顯,二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律,（1）自重應(yīng)力場(chǎng),二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律,（1）自重應(yīng)力場(chǎng),最大主應(yīng)力在谷底或河床中心近于水平，而在兩岸岸坡則向谷底或河床傾斜，并大致與坡面相平行近地表或接近谷坡的巖體，其地應(yīng)力狀態(tài)和深部及周?chē)鷰r體顯著不同，并且沒(méi)有明顯的規(guī)律性隨著深度不斷增加或遠(yuǎn)離谷坡，則地應(yīng)力分布狀態(tài)逐漸趨于規(guī)律化，并且顯示出和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的一致性這一點(diǎn)在邊坡穩(wěn)定性分析中有其重要的意義。,二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),a、板

7、塊運(yùn)動(dòng)引起的地應(yīng)力,中國(guó)大陸板塊受到印度板塊和太平洋板塊的擠壓，每年擠壓變形達(dá)數(shù)厘米。同時(shí)受到西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束,因而產(chǎn)生水平受壓的應(yīng)力場(chǎng)。 印度板塊和太平洋板塊的擠壓造成了我國(guó)大陸板塊邊緣的隆起和山脈的形成，同時(shí)也是我國(guó)地震的主要成因。,二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),b、地幔熱對(duì)流引起的地應(yīng)力,由硅鎂質(zhì)組成的地幔因溫度很高，具有可塑性，并可以上下對(duì)流和蠕動(dòng)當(dāng)?shù)蒯Ｉ钐幍纳仙鞯竭_(dá)地幔頂部時(shí)，就分為二股方向相反的平流經(jīng)一定流程直到與另一對(duì)流圈的反向平流相遇，一起轉(zhuǎn)為下降流，回到地球深處，形成一個(gè)封閉的循環(huán)體系,二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),地幔熱對(duì)流引起地殼下

8、面的水平切向應(yīng)力，在亞洲形成由孟加拉灣一直延伸到貝加爾湖的最低重力槽，它是一個(gè)有拉伸特點(diǎn)的帶狀區(qū)我國(guó)從西昌、渡口到昆明的裂谷正位于這一地區(qū)該裂谷區(qū)有一個(gè)以西藏中部為中心的上升流的大對(duì)流環(huán)，在華北山西地塹有一個(gè)下降流由于地幔物質(zhì)的下降，引起很大的水平擠壓應(yīng)力,二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),c、巖漿入侵引起的地應(yīng)力,巖漿侵入擠壓、冷凝收縮和成巖，均在周?chē)貙又挟a(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)，其過(guò)程也是相當(dāng)復(fù)雜的熔融狀態(tài)的巖漿處于靜水壓力狀態(tài)，對(duì)其周?chē)┘拥氖歉鱾€(gè)方向相等的均勻壓力但是熾熱的巖漿侵入后即逐漸冷凝收縮，并從接觸介面處逐漸向內(nèi)部發(fā)展不同的熱膨脹系數(shù)及熱力學(xué)過(guò)程會(huì)使侵入巖漿自身及其周?chē)鷰r體應(yīng)

9、力產(chǎn)生復(fù)雜的變化過(guò)程 與上述兩種應(yīng)力場(chǎng)不同，由巖漿侵入引起的應(yīng)力場(chǎng)是一種局部應(yīng)力場(chǎng),二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),在斷層和結(jié)構(gòu)面附近，地應(yīng)力分布狀態(tài)將會(huì)受到明顯的擾動(dòng)斷層端部、拐角處及交匯處將出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象端部的應(yīng)力集中與斷層長(zhǎng)度有關(guān)，長(zhǎng)度越大，應(yīng)力集中越強(qiáng)烈拐角處的應(yīng)力集中程度與拐角大小及其與地應(yīng)力的相互關(guān)系有關(guān)當(dāng)最大主應(yīng)力的方向和拐角的對(duì)稱(chēng)軸一致時(shí)，其外側(cè)應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力,二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),由于斷層帶中的巖體一般都比較軟弱和破碎，不能承受高的應(yīng)力和不利于能量積累，所以成為應(yīng)力降低帶，其最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力與

10、周?chē)鷰r體相比均顯著減小同時(shí)，斷層的性質(zhì)不同對(duì)周?chē)鷰r體應(yīng)力狀態(tài)的影響也不同壓性斷層中的應(yīng)力狀態(tài)與周?chē)鷰r體比較接近，僅是主應(yīng)力的大小比周?chē)鷰r體有所下降；而張性斷層中的地應(yīng)力大小和方向與周?chē)鷰r體相比均發(fā)生顯著變化,二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（3）地應(yīng)力分布規(guī)律,a 地應(yīng)力是時(shí)間和空間的函數(shù) 地應(yīng)力在絕大部分地區(qū)是以水平應(yīng)力為主的三向不等壓應(yīng)力場(chǎng)三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向是隨著空間和時(shí)間而變化的，因而它是個(gè)非穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng) 地應(yīng)力在空間上的變化，從小范圍來(lái)看，其變化是很明顯的，從一個(gè)礦山到另一個(gè)礦山，從某一點(diǎn)到相距數(shù)十米外的另一點(diǎn)，地應(yīng)力的大小和方向也是不同的但就某個(gè)地區(qū)整體而言，地應(yīng)力的變化是不大的,二、初

11、始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),在某些地震活躍的地區(qū)，地應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間的變化是很明顯的。如1976年唐山地震后，在唐山鳳凰山測(cè)得的最大主應(yīng)力方向?yàn)楸?7西，與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力方向有較大偏差78年，在同一地點(diǎn)測(cè)量，其最大主應(yīng)力方向變?yōu)榻鼥|西向（北89西）與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向相一致。邢臺(tái)地震區(qū)也有類(lèi)似情況。前蘇聯(lián)的喀爾巴殲山、高加索等地，發(fā)現(xiàn)主應(yīng)力方向每隔612年就有一次較大變化我國(guó)甘肅六盤(pán)山主應(yīng)力方向在三年內(nèi)有2030的改變而瑞典北部的梅爾格特礦區(qū)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)方向與20億年前應(yīng)力場(chǎng)方向完全相同,二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),b、垂直地應(yīng)力與埋深的關(guān)系. 對(duì)

12、全世界實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力v的統(tǒng)計(jì)資料的分析表明，在深度為252700的范圍內(nèi)，v呈線性增長(zhǎng)，大致相當(dāng)于按平均容重等于27KN/m3計(jì)算出來(lái)的重力H 但在某些地區(qū)的測(cè)量結(jié)果有一定幅度的偏差如我國(guó)v/=0.81.2的僅占5，v/0.8的占16，而v/1.2的占79。前蘇聯(lián)測(cè)量資料表明：v/的占4，v/0.81.2的占23，v/1.2的占73,二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),c、水平地應(yīng)力普遍大于垂直地應(yīng)力 實(shí)測(cè)資料表明，在絕大多數(shù)（幾乎所有）地區(qū)均有兩個(gè)主應(yīng)力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，其與水平面的夾角一般不大于30最大水平主應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。水平地應(yīng)力與v之比值，為0.55.5，在很多情

13、況下比值大于2。在淺埋地層中水平地應(yīng)力普遍大于垂直地應(yīng)力，說(shuō)明板塊運(yùn)動(dòng)在形成地應(yīng)力過(guò)程中起到主要控制作用。垂直地應(yīng)力一般為最小主應(yīng)力或中間主應(yīng)力，極少情況下為最大主應(yīng)力。,二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),d、平均水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力之比隨深度增加而減小 這是一個(gè)普遍規(guī)律，但是減小的速度在各個(gè)地區(qū)有所不同。 根據(jù)世界幾個(gè)國(guó)家的實(shí)測(cè)資料，Hock和Brown回歸出以下公式：,二、初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),e、水平地應(yīng)力隨深度呈線形增加趨勢(shì) O. Stephansson 測(cè)出瑞典 Fennoscandia 地區(qū)古陸地最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度變化的線性關(guān)系方程： h

14、,max= 0.0444 H + 6.7 h,min= 0.0329 H + 0.8 可以看出公式中的常數(shù)項(xiàng)值比較大，當(dāng)H等于0時(shí)，水平地應(yīng)力仍有較大的數(shù)值，說(shuō)明構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的影響是顯著的。,三、地應(yīng)力場(chǎng)與地下結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)的關(guān)系,a、地下結(jié)構(gòu)是否承受內(nèi)水壓力 不承受內(nèi)水壓力的洞室結(jié)構(gòu)盡量布置在地應(yīng)力值較小的部位 承受內(nèi)水壓力的洞室結(jié)構(gòu)則應(yīng)布置在最小主應(yīng)力大于最大內(nèi)水壓力的部位,三、地應(yīng)力場(chǎng)與地下結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)的關(guān)系,a、地下結(jié)構(gòu)是否承受內(nèi)水壓力 不承受內(nèi)水壓力的洞室結(jié)構(gòu)盡量布置在地應(yīng)力值較小的部位 承受內(nèi)水壓力的洞室結(jié)構(gòu)則應(yīng)布置在最小主應(yīng)力大于最大內(nèi)水壓力的部位,三、地應(yīng)力場(chǎng)與地下結(jié)構(gòu)布置設(shè)

15、計(jì)的關(guān)系,a、地下結(jié)構(gòu)是否承受內(nèi)水壓力 不承受內(nèi)水壓力的洞室結(jié)構(gòu)盡量布置在地應(yīng)力值較小的部位 承受內(nèi)水壓力的洞室結(jié)構(gòu)則應(yīng)布置在最小主應(yīng)力大于最大內(nèi)水壓力的部位,三、地應(yīng)力場(chǎng)與地下結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)的關(guān)系,b、 地下洞室長(zhǎng)軸與地應(yīng)力的關(guān)系 一般情況下，地下洞室結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)軸方向應(yīng)該與最大主應(yīng)力的水平投影方向呈小角度相交。 在較均勻的巖體中，對(duì)高跨比接近1.0的洞室結(jié)構(gòu)，洞軸線方位的布置應(yīng)該使作用在洞室斷面上的垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力盡量接近相等。根據(jù)三個(gè)主應(yīng)力分量關(guān)系的不同，又可分為三種情況,三、地應(yīng)力場(chǎng)與地下結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)的關(guān)系,三、地應(yīng)力場(chǎng)與地下結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)的關(guān)系,c、地下結(jié)構(gòu)斷面與地應(yīng)力關(guān)系,2.2 圍巖的

16、工程性質(zhì),物理性質(zhì) 水理性質(zhì) 力學(xué)性質(zhì),對(duì)圍巖穩(wěn)定性最有影響的是力學(xué)性質(zhì)，即圍巖抗變形和破壞的性能。尤其是圍巖結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)。,2.2 圍巖的工程性質(zhì),一、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(zhǎng)期自然地質(zhì)條件下形成的。與人為的建筑材料不同。 巖體處于一定的天然（原巖）地應(yīng)力作用下 地下工程開(kāi)挖前：巖體處于相對(duì)平衡狀態(tài)。 地下工程開(kāi)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。,2.2 圍巖的工程性質(zhì),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(duì)較低的 地質(zhì)界面（或帶）。巖體中的結(jié)構(gòu)面按成因類(lèi)型可分為三類(lèi)： 1、原生結(jié)構(gòu)面

17、：指巖體形成過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造面。 原生節(jié)理面、流動(dòng)節(jié)理面、接觸面、片理、片麻理構(gòu)造面。非開(kāi)裂式、結(jié)構(gòu)面間有聯(lián)結(jié)力、強(qiáng)度較高。,2.2 圍巖的工程性質(zhì),2、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：是巖體形成后，由于地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在巖體中產(chǎn)生的各種斷裂面。斷層面、節(jié)理面、層間錯(cuò)動(dòng)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(yíng)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。,2.2 圍巖的工程性質(zhì),1巖石的力學(xué)性質(zhì) 變形性質(zhì) 強(qiáng)度性質(zhì),2.2 圍巖的工程性質(zhì),1巖石的力學(xué)性質(zhì) 變形性質(zhì) 強(qiáng)度性質(zhì),2.2 圍巖的工程性質(zhì),(1)巖石的變形性質(zhì) 對(duì)于線性彈性（各向同性）材料： 彈性模量:

18、E 泊松比： 剪切模量：,2.2 圍巖的工程性質(zhì) 事實(shí)上巖體并不滿足彈性力學(xué)的基本假設(shè)線性彈性假設(shè)巖體是彈塑性耦合材料；均質(zhì)性假設(shè)有些巖體各個(gè)點(diǎn)的力學(xué)性質(zhì)不一樣如礫 巖等；各向同性假設(shè)有些巖體各個(gè)方向的力學(xué)性質(zhì)不一 樣；如頁(yè)巖等；小變形假設(shè)影響地下工程穩(wěn)定性及使用要求的圍巖 變形 一般都是大變形的范疇；連續(xù)性假設(shè)由于結(jié)構(gòu)面的存在，巖體為非連續(xù)性材 料。,2.2 圍巖的工程性質(zhì),三軸壓縮試驗(yàn)時(shí)巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,2.2 圍巖的工程性質(zhì),剛性試驗(yàn)機(jī)的荷載變形曲線,2.2 圍巖的工程性質(zhì),(2)巖石的強(qiáng)度性質(zhì),巖石強(qiáng)度是指巖石抵抗破壞的能力。 巖石強(qiáng)度通常有： 抗壓強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度,2.2

19、圍巖的工程性質(zhì),描述在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度性質(zhì) 巖體的強(qiáng)度準(zhǔn)則 在材料力學(xué)中：第一第四強(qiáng)度理論 在巖石力學(xué)中：庫(kù)侖準(zhǔn)則：,2.2 圍巖的工程性質(zhì),2巖體的力學(xué)性質(zhì)結(jié)構(gòu)面性質(zhì) （1）巖體的強(qiáng)度性質(zhì),根據(jù)日本京都大學(xué)足立紀(jì)尚等人用模擬級(jí)隙巖塊試驗(yàn)研究了不連續(xù)面對(duì)巖體強(qiáng)度的影響。不連續(xù)面角度為0、15 、30 、45 和60 的試驗(yàn)研究表明 ：巖體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面方位有關(guān)。因此足立紀(jì)尚等建議用巖石的殘余強(qiáng)度來(lái)近似地表示有不連續(xù)面的巖體強(qiáng)度。,不連續(xù)面傾角對(duì)巖體強(qiáng)度的影響,裂隙組數(shù)對(duì)巖體強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果,2.2 圍巖的工程性質(zhì),巖石試件的制備 1、巖石的采樣: 蠟封或?yàn)r青封裹，以防風(fēng)化和保 持天然含水量

20、。 2、試件的種類(lèi)： 規(guī)則試件：圓柱體、立方體、棱 柱體。 不規(guī)則試件 特殊形狀：虎骨型、中空?qǐng)A柱。 手工制作或機(jī)械加工,2.2 圍巖的工程性質(zhì),二、巖石的單軸壓縮試驗(yàn) 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度 1、單軸抗壓強(qiáng)度的概念 試件為圓柱體，直徑大于50mm ，高徑比為2.02.5。 2、巖石在單軸壓縮下的破壞形式 劈裂破壞：在垂直壓應(yīng)力方向產(chǎn)生的拉斷破裂。 如堅(jiān)硬脆性巖石的破壞。 對(duì)頂錐破壞：形成X型剪切破壞。如軟質(zhì)塑性巖石的破壞。 剪切型破壞：斜剪,2.2 圍巖的工程性質(zhì),3、影響巖石單軸抗壓強(qiáng)度的因素 外因： 承壓板與試件兩端面之間的摩擦。 試件的幾何形狀和高徑比：圓柱形h/d=2.02.5。 試件的

21、尺寸：盡可能采用較大的試件。 加載速度：推薦加載速度是：0.51.0MPas 。 環(huán)境條件：含水量、溫度。 內(nèi)因： 巖石本身的物質(zhì)成分、成巖條件和結(jié)構(gòu)特征.,2.2 圍巖的工程性質(zhì), 單向應(yīng)力狀態(tài)下巖石的變形特征 1、單軸壓縮時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線 三種狀態(tài)：線形彈性 應(yīng)變軟化特性 應(yīng)變硬化特性 2、彈性模量 初始切線模量、平均切線模量、平均割線 模量（取抗壓強(qiáng)度的一半處） 3、橫向變形和橫向變形比 泊松比即是橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值。,2.2 圍巖的工程性質(zhì),三、巖石的抗拉強(qiáng)度 測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度的方法： 直接拉伸法 棱柱體試件的彎曲 圓柱體的彎曲 圓盤(pán)彎曲 液壓擴(kuò)張?jiān)囼?yàn) 巴西試驗(yàn)：又稱(chēng)劈裂試驗(yàn)或線

22、荷載試驗(yàn),2.2 圍巖的工程性質(zhì),四、巖石的抗剪強(qiáng)度 巖石的抗剪強(qiáng)度指巖石抵抗剪切破壞的最大能力，以剪斷時(shí)剪切面上的極限剪應(yīng)力表示。 巖石的抗剪強(qiáng)度用下式表示： 抗剪強(qiáng)度 tg+c 和c是表征巖石抗剪性能的基本指標(biāo)。 測(cè)定巖石抗剪強(qiáng)度的方法 直接剪切法,2.2 圍巖的工程性質(zhì),剪切盒,2.2 圍巖的工程性質(zhì), 傾斜板間加壓的單向剪切法,2.2 圍巖的工程性質(zhì),3、巖體強(qiáng)度性質(zhì) 影響巖體強(qiáng)度的因素很復(fù)雜，以致日前還很難用一個(gè)公認(rèn)的函數(shù)式加以表達(dá)。因此根據(jù)巖體的狀態(tài)用經(jīng)驗(yàn)的方法加以估計(jì)， 例如有人建議用下式估計(jì)巖體的強(qiáng)度：,2.2 圍巖的工程性質(zhì),a、RQD （巖石質(zhì)量指標(biāo)）,b、 聲波速度 ,2

23、.2 圍巖的工程性質(zhì),3、 水理性質(zhì) （1）、風(fēng)化性質(zhì)：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(huì)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。,2.2 圍巖的工程性質(zhì),鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)中分為： 風(fēng)化極嚴(yán)重 風(fēng)化嚴(yán)重 風(fēng)化頗重 風(fēng)化輕微 未經(jīng)風(fēng)化。,2.2 圍巖的工程性質(zhì),風(fēng)化系統(tǒng)分為： 全風(fēng)化帶 強(qiáng)風(fēng)化帶 半風(fēng)化帶 弱風(fēng)化帶 微風(fēng)化帶（新鮮）。,2.2 圍巖的工程性質(zhì),2、地下水的溶蝕性質(zhì),水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 水對(duì)巖石的物理化學(xué)作用，主要表現(xiàn)在： a、軟化：水侵入巖石的孔隙中，改變了巖石的物理狀態(tài)

24、和巖石顆粒間的表面能，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。,2.2 圍巖的工程性質(zhì),2、地下水的溶蝕性質(zhì),b、溶蝕：溶蝕使巖石致密度降低，并會(huì)破壞 顆粒之間的膠結(jié)，從而使巖石強(qiáng)度降低 c、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。,2.2 圍巖的工程性質(zhì),2、地下水的溶蝕性質(zhì) 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(lái)表示巖石的軟化性，即: 軟化系數(shù)=,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,地下工程的建設(shè)最關(guān)心的是圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題 而圍巖穩(wěn)定性是非常復(fù)雜的問(wèn)題，受多種因素的影響和制約： 組成巖體的巖石強(qiáng)度； 圍巖的風(fēng)化程度； 結(jié)構(gòu)面的數(shù)量及其分布； 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)； 地下水的情況；

25、地下工程的尺寸； 原巖地應(yīng)力； 地下工程的施工方法 等等,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，人們逐步認(rèn)識(shí)到不同地質(zhì)條件與圍巖穩(wěn)定性之間存在巖一定關(guān)系。根據(jù)巖體完整性度和巖石強(qiáng)度等主要指標(biāo)在給予定性和定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，按其穩(wěn)定性將圍巖分為工程性質(zhì)不同的若干級(jí)別，這就是圍巖分級(jí)(也稱(chēng)圍巖分類(lèi))。,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,一個(gè)準(zhǔn)確而合理的圍巖分級(jí)，不僅是人們認(rèn)識(shí)洞室圍巖特征，正確進(jìn)行隧道或其他地下洞室設(shè)計(jì)、施工的基礎(chǔ)。而且也是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行科學(xué)管理發(fā)展新的施工工藝以及正確評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益的有力工具：因?yàn)楣と藙趧?dòng)條件的好壞，工程的難易，以及制訂勞動(dòng)定額、材料消耗標(biāo)準(zhǔn)等穩(wěn)是以圍巖分級(jí)

26、為基礎(chǔ)的。,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,圍巖分類(lèi)一般府盡量滿足以下條件： 形式簡(jiǎn)單、含義明確、便于實(shí)際應(yīng)用， 一般以分5級(jí)或6級(jí)為宜。 分級(jí)參數(shù)要包括影響圍巖穩(wěn)定性的主要參數(shù)，它們的指標(biāo)應(yīng)能在現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)快速、簡(jiǎn)便獲得。 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)盡量科學(xué)化、定量化、并簡(jiǎn)明實(shí)用。,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用, 錨噴支護(hù)圍巖穩(wěn)定性分級(jí)，應(yīng)能較好地為錨噴支護(hù)的工程類(lèi)比設(shè)計(jì)、監(jiān)控設(shè)計(jì)及理論設(shè)計(jì)服務(wù)。分級(jí)應(yīng)當(dāng)適應(yīng)錨噴支護(hù)參數(shù)表以及監(jiān)控測(cè)試方法與控制數(shù)據(jù)，并便于合理選擇計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)。 既能適應(yīng)勘察階段初步劃分圍巖級(jí)別，又能適應(yīng)施工階段詳細(xì)劃分圍巖級(jí)別。前者是在地面地質(zhì)工作的基都上進(jìn)行的，后者則在導(dǎo)洞打通

27、后或洞室開(kāi)挖后進(jìn)行的。洞室的圍巖分級(jí)應(yīng)當(dāng)適均于2個(gè)階段，只是在不同階段所做的地質(zhì)工作程度可以有所不同。,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,1影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素,1)工程地質(zhì)條件： （1）巖體的完整性,它反映了巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用嚴(yán)重的程度。巖體愈破碎，地下工程圍巖的穩(wěn)定性就越差。因此完整性應(yīng)作為圍巖分級(jí)的基本指標(biāo)之一。 塊度或破碎度； 裂隙密度或間距；,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,不同的分級(jí)對(duì)圍巖完整性的定義,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,（2）結(jié)構(gòu)面性質(zhì),a、地質(zhì)構(gòu)造的影響程度影響輕微、較重、嚴(yán)重、很?chē)?yán)重4級(jí)， b、結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與發(fā)育情況。包括裂隙、節(jié)理或?qū)用娴拿芏龋ㄩg距）、組

28、數(shù)、貫通程度、閉合程度、填充情況和粗糙程度等。,結(jié)構(gòu)面的成因 結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀 結(jié)構(gòu)面的結(jié)合情況,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,c風(fēng)化程度 有些國(guó)家在對(duì)巖體進(jìn)行分級(jí)時(shí)、將結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與發(fā)育情況的定性分析以定量的形式表達(dá)：如我國(guó)國(guó)防工程錨噴支護(hù)技術(shù)暫行規(guī)定中有巖層面產(chǎn)狀要素影響折減系數(shù)及節(jié)理裂隙面的折減系數(shù),2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,巖體受地質(zhì)構(gòu)造影響的分級(jí),2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,巖層面產(chǎn)狀要素影響折減系數(shù) 國(guó)防工程錨噴支護(hù)技術(shù)暫行規(guī)定,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,節(jié)理裂隙面的折減系數(shù) 國(guó)防工程錨噴支護(hù)技術(shù)暫行規(guī)定,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,1)工程地質(zhì)條件 （

29、3）巖石的力學(xué)性質(zhì) 在許多分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中都將巖石強(qiáng)度作為分級(jí)中的主要定量指標(biāo)之一。有些分級(jí)是用巖體抗壓強(qiáng)度（如普氏分級(jí)）表示的。此外巖石強(qiáng)度還影響圍巖失效破壞的形態(tài)，強(qiáng)度高的硬巖多表現(xiàn)為脆性破壞，在隧道內(nèi)可能發(fā)生巖爆現(xiàn)象。而在強(qiáng)度低的軟巖中，則以塑性變形為主，流變現(xiàn)象較為明顯。,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,（4）圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng),2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,（5）地廠水狀況,a、使巖質(zhì)軟化、強(qiáng)度降低。 b、在有軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體中會(huì)沖走充填物質(zhì)或使夾層軟化，減少層間摩擦阻力。 c、使有膨脹性的巖體遇水后將產(chǎn)生膨脹，出現(xiàn)膨脹壓力。,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,在目前的分級(jí)法中對(duì)考慮地

30、下水因素有3種方法： 在分級(jí)時(shí)不將水的影響直接考慮進(jìn)去，而是根據(jù)圍巖受地下水影響的程度低圍巖的等級(jí)； 分級(jí)時(shí)按有水情況考慮，如果無(wú)水可提高圍巖的等級(jí)； 直接將地下水的狀況作為一個(gè)分級(jí)的指標(biāo)。,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,地下水影響折減系數(shù) 國(guó)防工程錨噴支護(hù)技術(shù)暫行規(guī)定,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,2）工程活動(dòng)中的人為因素 （1）地下工程尺寸與形狀 （2）施工方法,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,2、分級(jí)的因素指標(biāo)及其應(yīng)用,1）單一的巖性指標(biāo) 2）單一的巖性綜合指標(biāo) （1）巖體的彈性波傳播速度 巖體的彈性被傳播速度與巖體的強(qiáng)度和完整狀態(tài)有關(guān)。,彈性波速度與鐵路隧道圍巖分級(jí)的關(guān)系,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,（2）巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）,RQD100mm巖芯累計(jì)長(zhǎng)度/鉆孔總長(zhǎng)度,巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD與分級(jí)的關(guān)系,2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,（3）巖體的堅(jiān)固系數(shù),巖石的單軸抗壓強(qiáng)度,巖體堅(jiān)固系數(shù)分級(jí),2.3地下工程的圍巖分級(jí)及其應(yīng)用,3）多因素定性和定量的指標(biāo)相結(jié)合 多因素定性和定量指標(biāo)相結(jié)合的方法用于圍巖分級(jí)、是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多的。包括早期應(yīng)用較廣的太沙基的分級(jí)法；我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的工程