第四章隧道工程的地质环境 第一节概述 地面结构体系一般都是由结构和地基所组成,地基在 结构底部起约束作用,除了自重外,荷载都是来自外部, (图4-1a)。地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成 共同并相互作用的结构体系,即地下结构=支护 边围岩;地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本 身一地层,故称为地层压力或围岩压力 在地下结构体系中,地层既是承载结构的基本组成部 分,又是造成荷载的主要来源(图4-1b),这种合二为一的作 用机理与地面结构是完全不同的
第四章 隧道工程的地质环境 第一节 概 述 地面结构体系一般都是由结构和地基所组成，地基在 结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自外部， （图4-1a）。地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成 共同并相互作用的结构体系，即地下结构＝支护结构＋周 边围岩；地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本 身—地层，故称为地层压力或围岩压力。 在地下结构体系中，地层既是承载结构的基本组成部 分，又是造成荷载的主要来源(图4-1b)，这种合二为一的作 用机理与地面结构是完全不同的
a)地面结构 (b)地下结构 图4-1结构物与地层关系 地层被挖成隧道后的稳定程度称为隧道围岩 这是一个反映地质环境的综合指标。所以说,研究隧道工程地 质环境问题,归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题,它包 括隧道围岩破坏或稳定的规律、影响围岩稳定的主要因素、枟 志围岩稳定性的指标和判断准则、分析围岩稳定性的方法以及 为维护围岩稳定而必须采取的工程措施(如施工程序和方法 支护结构的类型、数量和架设时间等)
(a) 地面结构 (b)地下结构 图4-1 结构物与地层关系 地层被挖成隧道后的稳定程度称为隧道围岩的稳定性， 这是一个反映地质环境的综合指标。所以说，研究隧道工程地 质环境问题，归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题，它包 括隧道围岩破坏或稳定的规律、影响围岩稳定的主要因素、标 志围岩稳定性的指标和判断准则、分析围岩稳定性的方法以及 为维护围岩稳定而必须采取的工程措施(如施工程序和方法、 支护结构的类型、数量和架设时间等)
第二节围岩的工程性质 隧道围岩是指地壳中受隧道开挖影响的那一部分岩体, 或是指对隧道稳定性有影响的那一部分岩体。这部分岩体 在隧道开挖和支护过程中,将产生应力重新分布,其性质 也有所变化 岩体的变形特性 岩石 1、压密阶段(OA) 岩体 2、弹性阶段(AB) 3、塑性阶段(BC) 软弱结构面 4、破裂和破坏阶段(CD)0 E 图4-2典型岩体全应力一应变曲线
第二节 围岩的工程性质 隧道围岩是指地壳中受隧道开挖影响的那一部分岩体， 或是指对隧道稳定性有影响的那一部分岩体。这部分岩体 在隧道开挖和支护过程中，将产生应力重新分布，其性质 也有所变化。 一、岩体的变形特性 1、压密阶段(OA) 2、弹性阶段(AB) 3、塑性阶段(BC) 4、破裂和破坏阶段(CD) A B C 岩体 岩石 软弱结构面 0 图4-2 典型岩体全应力—应变曲线
循环荷载作用下岩体的变形特性 对于弹性材料,其加载和卸 载曲线相同 岩体属于非线性材料,如果 卸载点超过了其屈服点,则卸载 曲线和加载曲线不重合,形成塑 性回滞环。如果经过多次反复加 载与卸载,且每次施加的最大荷 载与第一次加载的最大荷载一样, 图4-3岩体加、卸载曲线 则每次加载、卸载曲线都各自形 成一个塑性回滞环,如图4-3所示
二、循环荷载作用下岩体的变形特性 对于弹性材料，其加载和卸 载曲线相同。 岩体属于非线性材料，如果 卸载点超过了其屈服点，则卸载 曲线和加载曲线不重合，形成塑 性回滞环。如果经过多次反复加 载与卸载，且每次施加的最大荷 载与第一次加载的最大荷载一样， 则每次加载、卸载曲线都各自形 成一个塑性回滞环，如图4-3所示。 图4-3 岩体加、卸载曲线
三、岩体的强度 岩体的强度要比岩石的强度低得多,并具有明显的各向 异性。一般情况下,岩体的抗压强度只有岩石抗压强度的 70~80%,结构面发育的岩体,仅有5~10%。和抗压强度 样,岩体的抗剪强度主要也是取决于岩体内结构面的性态, 包括岩体的力学性质、充填状况、产状、分布和规模等;同 时还受剪切破坏方式所制约。 四、岩体的构造一力学特性 岩体是由下述几部分构成的: a)不同尺寸和类型的岩块; b)结构面; c)岩块间的充填物
三、岩体的强度 岩体的强度要比岩石的强度低得多，并具有明显的各向 异性。一般情况下，岩体的抗压强度只有岩石抗压强度的 70～80％，结构面发育的岩体，仅有5～10％。和抗压强度一 样，岩体的抗剪强度主要也是取决于岩体内结构面的性态， 包括岩体的力学性质、充填状况、产状、分布和规模等；同 时还受剪切破坏方式所制约。 四、岩体的构造—力学特性 岩体是由下述几部分构成的： a) 不同尺寸和类型的岩块； b) 结构面； c) 岩块间的充填物
从岩体构造一力学特性上看,大体上可分为无裂隙岩 体和裂隙岩体两大类。地下工程在多数情况下是修筑在裂 隙岩体中的。裂隙岩体的地质构造特征是结构面的存在 岩石只是岩体构成的一部分,它的性质不能代表岩体 的物性,这一点是必须明确的。由上述条件决定的岩体构 造一力学特性是它的非连续性、非均质性、各 变性。 五、岩体的破坏准则 理论和试验研究都表明,多数岩石在初始应力状态下 处于弹性阶段,而在开挖成洞后,洞室周围岩体将产生松弛 或进入塑性状态
从岩体构造—力学特性上看，大体上可分为无裂隙岩 体和裂隙岩体两大类。地下工程在多数情况下是修筑在裂 隙岩体中的。裂隙岩体的地质构造特征是结构面的存在。 岩石只是岩体构成的一部分，它的性质不能代表岩体 的物性，这一点是必须明确的。由上述条件决定的岩体构 造－力学特性是它的非连续性、非均质性、各向异性和突 变性。 五、岩体的破坏准则 理论和试验研究都表明，多数岩石在初始应力状态下 处于弹性阶段，而在开挖成洞后，洞室周围岩体将产生松弛 或进入塑性状态
弹塑性模型的基本概念是认为岩石在屈服极限之前,只 有可恢复的弹性变形,达到屈服极限以后,变形由可恢复的 弹性变形和不可恢复的永久变形(塑性变形)两部分组成,弹 性变形按弹性理论计算,塑性变形按塑性理论计算。 材料随着外力的增加由弹性状态过渡到塑性状态。当应 力的数值等于屈服极限σ时,材料屈服,开始产生塑性变形 而σ=就是单向应力状态下的屈服条件,也称作“ 件”,它是判断是否达到塑性状态的准则 目前,在实际设计中,采用最多的是摩尔一库仑砂准 则。图44表示受到主应力(σ1>a3)作用时,材料屈服的应力圆
弹塑性模型的基本概念是认为岩石在屈服极限之前，只 有可恢复的弹性变形，达到屈服极限以后，变形由可恢复的 弹性变形和不可恢复的永久变形(塑性变形)两部分组成，弹 性变形按弹性理论计算，塑性变形按塑性理论计算。 材料随着外力的增加由弹性状态过渡到塑性状态。当应 力的数值等于屈服极限 时，材料屈服，开始产生塑性变形， 而 就是单向应力状态下的屈服条件，也称作“塑性条 件” ，它是判断是否达到塑性状态的准则。 目前，在实际设计中，采用最多的是摩尔—库仑破坏准 则。图4-4表示受到主应力( > )作用时，材料屈服的应力圆。 c = c 1 3
由图可知 sIn p +2+2 sIn sin y 1+ sin (p 图44材料强度包络线及应力圆 SIn 格里非斯认为,内部有裂隙的材料,在裂隙的尖端部位将引起 应力集中,从而导致材料强度的降低。当拉应力集中值超过材 料的抗拉强度时,裂隙就会扩展,从而导致岩石破坏。为了计 算应力集中值,将这些裂隙假定为很小的扁平椭圆裂纹,按平 面状态破坏理论处理,如图4-5所示
σC σ3 σ1 φ C x σ τ 0 由图可知 2x sin 1 3 1 3 + + − = sin 1 sin 2 − = c x 1 sin 1 sin − + = 0 1 − 3 − c = 图4-4 材料强度包络线及应力圆 格里非斯认为，内部有裂隙的材料，在裂隙的尖端部位将引起 应力集中，从而导致材料强度的降低。当拉应力集中值超过材 料的抗拉强度时，裂隙就会扩展，从而导致岩石破坏。为了计 算应力集中值，将这些裂隙假定为很小的扁平椭圆裂纹，按平 面状态破坏理论处理，如图4-5所示
1111 除了上述准则外,尚有许多其他的 破坏准则,如 Mises准则、 Drucker- Prager准则等。 六、岩体的流变特性 图45格里非斯准则 流变包括两方面:一种是指作用的应力不变,而应变 随时间增长,即所谓蠕变;另一种则是作用的应变不变, 而应力随时间而衰减,即所谓松弛,如图4-6所示
图4-5 格里非斯准则 除了上述准则外，尚有许多其他的 破坏准则，如Mises准则、DruckerPrager准则等。 六、岩体的流变特性 流变包括两方面：一种是指作用的应力不变，而应变 随时间增长，即所谓蠕变；另一种则是作用的应变不变， 而应力随时间而衰减，即所谓松弛，如图4-6所示
=常数 e=常数 a)蠕变曲线 (b)松弛曲线 图4-6岩体的流变 七、岩体结构分类及其破坏特征 工程地质学中把岩体划分为四大种结构类型: Ⅰ整体结构、块状结构 Ⅱ.层状结构、板状结构 Ⅲ碎裂结构、镶嵌结构、层状碎裂结构 Ⅳ散体结构
图4-6 岩体的流变 七、岩体结构分类及其破坏特征 工程地质学中把岩体划分为四大种结构类型： Ⅰ.整体结构、块状结构 Ⅱ.层状结构、板状结构 Ⅲ.碎裂结构、镶嵌结构、层状碎裂结构 Ⅳ.散体结构
