2013秋第2章围岩分级1.0

2020/3/3隧道工程主讲教师:曹志军2020/3/3第二章隧道工程地质环境及围岩分级§1隧道工程地质调查与勘测§3岩体的基本工程性质**§4围岩分级§2施工地质超前预报2020/3/3§1隧道工程地质调查与勘测一、工程地质调查测绘二、勘探、测试工作要求2020/3/3§2施工地质超前预报一、地质超前预报的内容二、地质超前预报的方法三、地质超前预报方法的应用原则2020/3/3§3岩体的基本工程性质一、岩体的地质特性二、岩石的力学性质三、岩体的工程性质2020/3/3一、岩体的地质特性（一）岩体处于一定的天然应力作用之下（二）岩体物理力学性质的不均匀性（三）岩体是由结构面分割的多裂隙体（四）岩体具有各向异性（五）岩体具有可变性2020/3/3（一）岩体处于一定的天然应力作用之下所谓天然应力，是指在工程施工前岩体中就存在着的应力。岩体在天然状态下所具有的内在应力，可称之为岩体的初始应力，也有人称它为地应力。岩体的初始应力，主要是由于岩体的自重和地质构造作用和地质地温作用引起的。而地温一般在深部岩体中作用才明显。初始应力场(又称原始地应力场)泛指由于岩体的自重和地质构造作用，在坑道开挖前岩体中就已经存在的初始静应力场。1、自重应力场2、构造应力场2020/3/31、自重应力场设岩体为均一连续半无限体，地面为水平。距离地表深度为z处取出一单元体，其上作用的应力HzniiizH1i——第i层岩体的容重；iiH——第i层岩体的厚度；2020/3/3z1zyx——计算应力处岩体的泊松系数。1，称为侧压力系数。☆大多数岩石的泊松比μ在0.15～0.35范围内变化。因此，在自重应力场中，水平应力总是小于垂直应力。深度对初始应力状态有着显著的影响，随着深度的增加，地应力是线性增大的。当地应力增大到一定数值后，围岩将处于隐塑性状态。随着深度的增加，μ值趋近于0.5，即与静水压力相似，此时围岩接近流动状态，初始应力场各应力分量趋于相等，即Hzyx2020/3/3通常情况下，在隧道所涉及的范围内，都可视初始应力场为弹性的。围岩自重应力场的变化规律为：①应力是随深度成线性增加；②水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等2020/3/32、构造应力场由于构造运动的作用，使得岩体内积存了一定的应力，称它为构造应力。当岩体再次受到新的破坏性扰动时，构造应力可能一部分或全部地释放出来，或者由于岩体的流变性质，在相当长的时间内，也会部分的把积存的能量释放出来。这时，构造应力就指残余应力而言。地质力学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，它是动态的。岩体的构造应力往往与埋深密切相关，它随着深度的增加而增加。构造应力一般来讲，其水平应力大于垂直应力。2020/3/3我国大陆初始应力场的变化规律大致可以归纳如下几点：①地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。②水平应力有明显的区域性。大部分地区的地层属一般构造应力区，有少数地区属低构造应力区。对深度H在100—200m范围内岩体的初始应力，可分为三个等级:③水平主应力具有明显的各向异性。在我国大部分地区，最大水平主应力约为最小水平主应力的1.4—3.3倍。高构造应力区，水平应力大于15MPa；一般构造应力区，水平应力在5—15MPa；低构造应力区，水平应力小于5MPa。④水平应力大多数为压应力，且随深度增加而增大。而且水平应力普遍大于垂直应力。2020/3/3（三）岩体是由结构面分割的多裂隙体岩体与一般材料的差别在于它是由结构面纵横切割的多裂隙体。所谓结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低的地质界面（或带）。岩体中的结构面按成因类型可分为三类：(1)原生结构面(2)构造结构面(3)次生结构面2020/3/3（五）岩体具有可变性地壳总是处在不停的运动和变化之中，岩体必然也是在各种地质作用下不断变化的。1、风化作用影响2、地下水的影响2020/3/31、风化作用影响风化作用会降低矿物晶粒或颗粒间的联结力，使岩体的完整性遭到破坏，变形增大，强度降低。风化岩石风化程度风化极严重风化严重风化颇重风化轻微未经风化风化系统全风化带强风化带半风化带弱风化带微风化带（新鲜带）2020/3/3地下水在岩体中的存在使岩体中的可溶性盐溶解，胶体水解，使矿物颗粒间的联结力减弱。2、地下水的影响一般岩石的强度随着含水量增大的不同其降低的程度也不同。通常用软化系数来表示岩石的软化性：岩体中水对岩石的软化作用不仅表现在强度上，也表现在使岩石变形增大。此外，当岩体中存在着承压水时，由于孔隙压力作用，抵消外界的正压力而使岩石抗剪强度降低。软化系数=饱水岩石抗压强度/干燥岩石抗压强度一般规定软化系数小于0.75的岩石为软化岩石。2020/3/3二、岩石的力学性质（一）岩石的强度性质（二）单向应力状态下岩石的变形特征（三）三轴压缩下岩石的强度和变形性质2020/3/3（一）岩石的强度性质岩石的强度是指它抵抗各种力的作用而不破坏的能力。ctan抗压强度抗拉强度抗剪强度脆性度=抗压强度/抗拉强度影响岩石强度的因素第一类：岩石构造—力学性质因素——岩石的组成、构造、组织、非均质性、各向异性、含水量等；第二类：试验工艺方面的因素试件端部的接触条件试件尺寸及其形状加载速度2020/3/3（二）单向应力状态下岩石的变形特征1．单轴压缩时应力一应变曲线2．弹性模量3、横向变形和横向变形比4、应力一应变全过程曲线5、循环荷载条件下岩块的变形特征2020/3/31．单轴压缩时应力一应变曲线C表示凸向应变轴的形状应变软化应变硬化A表示线弹性特征B表示凸向应力轴的形状2020/3/32．弹性模量初始切线模量E0平均切线模量Ee平均割线模量Es2020/3/33、横向变形和横向变形比yxzyzxz1z2x1x2式中εx1、εx2——垂直于轴向应力σ1、σ2方向的横向应变；εz1、εz2——平行于轴向应力σ1、σ2方向的轴向应变。岩石的横向变形常见4种情况：①zyxyx,且岩石是均质而连续的；②zyxyx,且岩石是非均质且是连续的；③zyxyx,且岩石不但有压缩变形，还有剪切错动；④zyxyx,且岩石同时有压缩变形、侧向变形，甚至剪切变形。2020/3/34、应力一应变全过程曲线OA—裂隙压密阶段AB—直线变形阶段BC—新生微裂隙及扩容发展阶段CD—新生微裂隙的不稳定发展阶段压密强度屈服强度峰值强度残余强度2020/3/35、循环荷载条件下岩块的变形特征线弹性或可逆性岩石非线弹性岩石2020/3/3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多次反复加载与卸载，每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载大2020/3/3（三）三轴压缩下岩石的强度和变形性质1、岩石的三轴压缩强度2、影响三轴压缩试验结果的主要因素3、三轴压缩下试件的破坏形式2020/3/31、岩石的三轴压缩强度三轴压缩试验，根据在试件中产生的三个主应力σ1、σ2和σ3间的关系不同，可分为两种试验方式：σ1＞σ2＝σ3的情况，常规三轴试验；σ1＞σ2＞σ3真三轴试验。破坏时岩石三轴压缩强度：σ1=Pm/Aσ2=σ3=σmPm为试件在围压σm作用下的极限轴向压力;A为试件初始横截面积2020/3/3当用不同的σ3，可得到不同的σ1，而用多组σ1和σ3，则可绘制出莫尔圆和莫尔包络线，如图4-1-3所示。根据岩石的莫尔包络线可以确定岩石的c、φ值。2020/3/32、影响三轴压缩试验结果的主要因素（1）侧限压力（即围压）对岩石强度和变形的影响（2）加载速率对岩石强度和变形的影响（3）其它因素对岩石强度和变形的影响2020/3/33、三轴压缩下试件的破坏形式单轴或低围压下的张破裂中等围压下的剪破裂高围压下的延性变形破坏2020/3/3三、岩体的工程性质（一）裂隙岩体的变形性质（二）裂隙岩体的强度性质（三）裂隙岩体的结构特征与破坏特征（四）岩体工程性质的影响因素和结论*（五）岩体的破坏准则2020/3/3（一）裂隙岩体的变形性质1.岩体的受拉变形特性2.岩体的受压变形特性3.岩体的受剪变形特性4.岩体的流变特性2020/3/32.岩体的受压变形特性典型岩体全应力—应变曲线：岩体是较为复杂的弹塑性体。整体性好的岩体接近弹性体，破裂岩体和松散岩体则偏向于塑性体。(1)压密阶段（OA)(2)弹性阶段（AB)(3)塑性阶段(BC）(4)破坏阶段（CD）常用岩体的变形模量（E）表示岩体应力—应变特性。2020/3/33.岩体的受剪变形特性岩体的受剪变形3种方式：（1）结构体不参与作用，沿结构面滑动。（2）结构面不参与作用，沿结构体断裂。（3）在结构面的影响下，沿结构体剪断。2020/3/34、岩体的流变特性图4-6岩体的流变2020/3/3（二）裂隙岩体的强度性质l．岩体的抗压强度2.岩体的抗剪强度2020/3/3l．岩体的抗压强度（1）岩体的抗压强度比岩石的抗压强度低得多。2020/3/3试验研究结果表明，裂隙岩体的强度随着裂隙组数的增加明显减少，但当裂隙组数增加到一定程度之后，强度不再继续降低，而接近岩石的参与强度，如下表所示。（2）岩体的抗压强度具有明显的各向异性。2020/3/32.岩体的抗剪强度(1)当剪切力使得岩体主要沿结构面滑移时，岩体表现为塑性破坏，其抗剪强度较低。其强度参数内摩擦角φ一般变化于10°——45°之间；c（粘聚力）变化于0-0.3MPa之间，残余强度和峰值强度比较接近。(2)当剪切力使得岩体主要沿结构体剪断时，岩体表现为脆性破坏，其抗剪强度较高。剪断时的峰值强度较上述高得多时，其φ值一般变化于30°—60°之间，c值有高达几十兆帕的，残余强度和峰值强度之比随峰值强度的增大而减小，变化在0.3—0.8之间。(3)当剪切力使得岩体既有沿结构面滑移，又有沿结构体剪断时，其抗剪强度介于上述两者之间。在τ——σ平面上画出岩体、岩石和结构面的抗剪强度包络线就能看出这三者之间的关系，如图4-3-14。2020/3/31.岩体的结构特征及分类2.岩体的破坏形态（三）裂隙岩体的结构特征与破坏特征2020/3/31.岩体的结构特征及分类岩体的结构特征是指结构体、结构面及填充物的特征总和。具体包括结构体的形状、大小，结构面的产状、分布、规模、密集程度、空间组合形式和表面形态，填充物的性质和充填状况、含水情况等。2020/3/3Ⅰ.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2020/3/32020/3/32.岩体的破坏形态（1）整体和巨块结构的岩体，其变形主要是结构体的变形，其重要特征是横向应变与纵向应变之比小于0.5.破坏前的变形是连续的，在低围压作用下多为脆性破坏，高围压时多为塑性剪切破坏。应力传播遵循连续介质中的应力传播规律，具有较好的连续性。2020/3/3(2)块状和层状结构的岩体，其变形主要是结构面的变形。故其变形特性一般不用变形模量E而用刚度系数G来表示。岩体的破坏则是沿软弱结构面滑动，应力传播具有明显的不连续性。(3)碎裂和散体结构的岩体，其变形，开始是将裂隙或孔隙压密，随后是结构体变形，并伴随有结构面错动、张开。破坏形式主要为剪切破裂和塑性变形。应力传播与岩体结构特征关系十分密切，并具有不连续性。但这种不连续性是有限的，随着应力的提高很快就消失，随之转化为连续的。2020/3/3（四）岩体工程性质的影响因素和结论1、岩体工程性质的影响因素2.岩体力学性质的结论变形特性强度特性结构特征2020/3/32.岩体力学性质的结论岩体既不是简单的弹性体，也不是简单的塑性体，而是较为复杂的弹塑性体。整体性较好的岩体，其力学性质较接近弹性体，破碎及松散岩体，其力学性质则偏向于塑性体。（1）岩体的变形特性既不同于岩石（结构体），也不同于结