第四章隧道工程.pptx
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1、(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)。第二节第二节 围岩的工程性质围岩的工程性质 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
2、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)图4-2 典型岩体全应力应变曲线二、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7080,
3、结构面发育的岩体,仅有510。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
4、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 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。由图
5、可知图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。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、Drucker-Prager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。图4-6 岩体的流变七、岩体结
6、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:.整体结构、块状结构 .层状结构、板状结构 .碎裂结构、镶嵌结构、层状碎裂结构 .散体结构整体结构岩体的变形主要是结构体的变形,块状和层状结构岩体的变形主要是结构面的变形,碎裂和散体结构岩体的变形,开始是将裂隙或孔隙压密,随后是结构体变形,并伴随有结构面张开。破坏形式主要为剪切破裂和塑性变形。八、隧道围岩失稳破坏性态隧道围岩变形、破坏和岩体结构的关系十分密切,根据工程实践观察,大致有以下五种情况:1、脆性破裂 2、块状运动 3、弯曲折断破坏 4、松动解脱 5、塑性变形和剪切破坏第三节第三节 围岩的初始应力场围岩的初始应力场一、围岩初始应
7、力场的组成 (一)自重应力场 在自重应力场中,地表以下任一深度H处的垂直应力等与其上覆岩体的重量(如图4-7,a所示)以压应力为正,为岩体的容重当上覆岩体为多层时,则为(图4-7,b)式中 第 i 层岩体的容重 第 i 层岩体的厚度图4-7 地表水平时的自重应力场围岩自重应力场的变化规律 应力是随深度成线性增加 水平应力总是小于垂直应力,最多也只能与其相等(二)构造应力场 地质力学认为:地壳各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果。因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称为构造应力场。我国大陆初始应力场(包括自重应力场和构造应力场)的变化规律大致可以归纳为如下几点:地
8、质构造形态不仅改变了重力应力场,而且除以各种构造形态获得释放外,还以各种形式积蓄在岩体内,这种残余构造应力将对地下工程产生重大影响。垂直应力的量值随深度增加而增大,而且水平应力普遍大于垂直应力。水平主应力具有明显的各向异性。二、围岩初始应力场的影响因素 围岩的初始应力状态,一般受到两类因素的影响:第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质及构造、地形等经常性的因素。第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素;此外,在众多的因素中还要特别研究下面几点:1、地形和地貌。2、岩体的力学性质。3、地温。4、人类活动。第四节第四节 隧道围岩分级及其应用隧道围岩分级及其应用
9、根据坑道开挖实践,坑道开挖后的稳定性可分为以下几类:1)充分稳定的 坑道在长时间内有足够的自稳能力,无需任何人为支护而能维持稳定,无坍塌、偶尔有掉块。2)基本稳定的 坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块,但不会引起坑道的坍塌,坑道是稳定的。3)暂时稳定的 大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同程度的坍塌现象,坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。4)不稳定的 一、以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法 在这种分级方法中,具有代表性的是前苏联普落托奇雅柯诺夫(M.Jipoctonbn Monos)教授提出的“岩石坚固系数”分级法(或称“”值分级法,或普氏分级法)。这种分级方法
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