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