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第六章岩体边坡稳定性分析 第七章地下洞室围岩稳定性分析 谢文扬 第一节岩体结构第二节岩体边坡稳定性分析 第六章 1995年 巴东县二道沟 三道沟滑坡造成县城部分道路桥梁被毁 湖北秭归县千将坪滑坡 2003年 体积2400万立方米 造成24人死亡或失踪及重大经济损失 岩体 岩体是在漫长的地质历史过程中形成的 具有一定的结构特征 并与工程建筑有关的天然地质体 结构面 岩体由一种或多种岩石组成 甚至可以是不同成因岩石的组合体 并在其形成过程中经受了构造变动 风化等各种内外力地质作用的破坏与改造 因此 岩体被层面 节理 断层 片理等各种地质界面所切割 使其成为具有一定结构的多裂隙体 把切割岩体的这些地质界面称为结构面 岩体裂隙发育 将造成岩体边坡的不稳定性 岩体的多裂隙性特点决定了岩体与岩石 单一岩块 的工程地质性质有明显不同 两者最根本的区别 就是岩体中的岩石被各种结构面所切割 这些结构面的强度与岩石相比要低得多 并且破坏了岩石的连续性和完整性 岩体的工程性质 首先取决于这些结构面的性质 其次才是组成岩体的岩石性质 因此在工程中 研究岩体的特性比研究单一岩块的特性更为重要 第一节岩体结构分析 岩体结构指岩体中结构面和结构体两个要素的组合特征 结构面 结构体 岩体中各种地质界面包括物质分界面 断裂面 软弱夹层和溶蚀面 规模大者如断层带 小者如节理统称为结构面 结构体是由不同产状的结构面组合起来 将岩体切割成各种形状的单元块体 一 岩体结构面 岩体结构面使岩体应力发生改变 影响岩体的强度 力学连续性以及变形特征 使岩体工程地质产生各向异性的特点 因此 对岩体结构面的研究及其重要 一 结构面的类型及特征1 岩体结构面1 原生结构面2 火成结构面3 变质结构面1 张性断层2 构造结构面2 压性断层3 扭性断层1 风化裂隙3 次生结构面2 卸荷裂隙 对结构面特征的研究内容主要包括 结构面的生成年代 规模 形态与粗糙度 密集程度 连通性 张开度与填充胶结情况 产状及组合关系 力学性质等 结构面的生成年代结构面的生成年代是主要针对构造结构面而言的 结构面的规模结构面的类型不同 其规模可以不等 甚至是同一类型的结构面 其规模也可以相差很大 不同类型 不同规模的结构面 对工程的影响是不一样的 对具体工程要具体分析 有时小规模的结构面对岩体稳定也可起控制作用 结构面的形态与粗糙度各种结构面的形态与粗糙度是不同的 因而对岩体强度的影响也是不同的 常见的形态有 平直的 锯齿状或不规则的结构面等 根据粗糙度可将结构面划分为镜面的 滑面的和糙面的等类型 二 结构面的特征 结构面的连通性结构面的连通性是指在某一定空间范围内的岩体中 结构面的走向 倾向方向上的连通程度 结构面的张开度与填充胶结情况结构面的张开度是指结构面的两壁离开的距离 按其大小可分为四级 闭合的 张开度小于0 2mm 微张的 张开度0 2 1 0mm 张开的 张开度1 0 5 0mm 宽张的 张开度大于5 0mm 结构面的填充胶结情况对岩体力学性质的影响很大 结构面的产状及组合关系 结构面的力学性质 结构面的密集程度结构面的密集程度对岩体力学性质影响很大 决定着岩体变形和破坏的力学机制 直接控制岩体的完整性和力学性质 也影响岩体的渗透性 三 软弱夹层的特征软弱夹层 是具有一定厚度的特殊的岩体软弱结构面 它与周围岩体相比 具有显著低的强度和显著高的压缩性 在岩体中只占很少的数量 却是岩体中最关键部位 如沉积岩中常夹有泥灰岩 泥页岩或炭质页岩 称为沉积结构型软弱夹层 其特点是 厚度薄 层数较多 岩相变化显著 常呈尖灭和互层 对水的作用敏感 变质型的软弱夹层多有绢云母等片状矿物 遇水润滑 构造型软弱夹层 多为层间破碎软弱夹层 有构造角砾岩 糜棱岩和断层泥等 风化型软弱夹层 常带有局部性质 其分布规律随地形地质条件 裂隙产状和水的作用等因素而定 其中泥化夹层多为构造裂隙和层间错动带 它是在长期的地下水和风化作用下形成的 夹层中的黏土矿物含水率较大时 在软塑状态下其工程性质最差 在工程建设中 经常遇到的重大的工程地质问题之一就是软弱夹层 四 结构面的调查 统计和表示方法为了反映结构面的分布规律及其对岩体稳定性的影响 需要进行野外调查和室内资料整理工作 并用统计图的形式把岩体结构面的分布情况表示出来 下面以裂隙的调查 统计和表示方法为例进行说明 调查裂隙时 应先在调查区选取有代表性的基岩露头 对一定面积内的裂隙 按表6 3所列内容进行测量 同时应注意研究裂隙的力学性质 测量裂隙产状的方法与测量岩层产状的方法相同 二 岩体结构的类型及特征 结构及其分类 由各种成因的结构面组合将岩体分割成大小 形状不同的单元块体称为岩体结构体 一般就常见的结构体所呈现的各种形状加以简化 可以大致归纳为柱状 块状 楔形 菱形和锥形等六种基本形态 岩体结构类型及特征岩体结构分为六种类型 1 块状结构2 镶嵌结构3 碎裂结构4 层状结构5 层状碎裂结构6 散体结构 1 块状结构 2 层状结构 3 碎裂结构 组成颗粒均匀致密各向同性 如花岗岩 闪长岩 石英岩 大理岩等 是沉积岩的特有结构 由于沉积物质成分的变换或积间断 表现出软硬互层各向异性和橫向渗透性较大的特性 由于构造破坏和风化作用而形成 一般含有多组密集结构面的岩体 岩体常被分割成碎块状 三 岩体工程地质分类及工程地质特性 岩体工程地质分类由于不同结构类型岩体的岩石质量不同 而且在水和风化作用等的参与和影响下 岩体工程性质将变得极为复杂并相差悬殊 岩体的工程地质分类是从工程角度出发 根据岩体的内在特征 将其分为工程地质性质相类似的各种类别 并对各类岩体的质量给予定性和定量的评价 目前 国内外关于岩体的工程地质分类方案有十几种 从分类的目的和考虑的因素来看 可归结为一般性分类 综合性分类 和专门性分类 岩石质量指标 RQD 分类法 按岩体结构类型的分类 巴顿岩体分类 岩体质量指标 RMQ 分类法 岩体的工程地质特性 火成岩的工程地质特性火成岩在我国广泛分布 最为常见的是花岗岩和玄武岩 火成岩具有较高的力学强度 可作为各种建筑物良好的地基及天然建筑材料 但由于各类火成岩在矿物组成 结构和构造等方面存在很大的差异 深成岩 深成岩多为岩基 岩株等大型侵入体 颗粒粗大均匀 致密坚硬 孔隙很少 裂隙较不发育 力学强度高 岩体的工程地质性质一般较好 常被选为大型建筑物地基 浅成岩 浅成岩多为岩床 岩墙 岩脉等小型侵入体 岩石多呈斑状结构和中一细粒均粒结构 喷出岩 喷出岩为火山喷出的熔岩流冷凝而成 岩石颗粒很细 常为致密结构 并且多有气孔构造 杏仁构造 酸性熔岩具流纹构造 沉积岩的工程地质特性沉积岩普遍具有层理构造 其工程地质性质变化较大 具有明显的各向异性 1 火山碎屑岩2 胶结碎屑岩3 黏土岩4 化学 生物岩 变质岩的工程地质特性变质岩一般年代较老 经受多次构造变动 断裂多 易风化 完整性差 常不均一 第二节岩体边坡稳定性分析 一 岩体边坡破坏形式及影响边坡稳定的因素二 岩体边坡稳定性分析方法 一 岩体边坡破坏形式 松动张裂 边坡在侧向应力减弱之后 由于卸荷回弹而出现张开裂隙的现象 上宽下窄 蠕动 边坡岩体在重力作用下 向临空方向发生的一种缓慢变形现象 剥落 层层脱离母体沿斜坡滚落堆积于坡脚的现象 崩塌 陡峭的边坡上部被多组结构面切割的岩块在失稳之后 因重力作用倾倒 翻滚 坠落的现象 滑坡 边坡上的岩体沿一组或多组结构面产生剪切破坏的现象 松弛张裂 蠕动 崩塌 滑坡 二 影响岩体边坡稳定的因素 岩性 地质构造及岩体结构 岩石风化程度 水的作用 地震 地形地貌 地应力 人类活动 水的作用1 增加了边坡岩体的水下容重 加大了下滑力2 产生水的软化 泥化及润滑作用3 产生静水压力或动水压力4 水流的冲刷作用 二 岩体边坡稳定性分析方法 一 工程地质定性分析1 工程地质类比法2 图解法 极射赤平投影图解法 赤平投影是将物体三维空间的产状表现在平面上的一种投影方法 即利用球体作投影工具 通过球心作一赤道平面 把已知的点 线 面 从球体中心投影到球面上去 得到球面投影 然后把球面投影转换成赤平投影 一 工程地质定性分析研究对象 地形地貌 地层岩性 地质构造与结构面 地下水 不良地质现象等因素进行综合调查和研究 由此判断岩质边坡的稳定性1 工程地质类比法内容 对已有边坡的破坏现象进行广泛的调查研究 了解其变形特征 发展规律 影响因素及成因等 然后结合所要研究的边坡进行对比 分析其工程地质条件的相似性和差异性 据此判断岩质边坡的稳定性2 图解法 1 一组结构面的边坡稳定性分析由一组结构面构成的边坡稳定性与结构面的产状 走向 倾向 倾角 和边坡的坡向 坡脚有直接关系 二 岩质边坡的稳定计算计算原理 在定性分析基础上采用静力学的刚体极限平衡原理进行计算的 主要考虑滑动力和抗滑力之间的相互关系 K F TK 稳定系数F 抗滑动力T 滑动力当稳定系数K 1时 边坡稳定 相反 不稳定 滑动面为折线时的稳定计算主要运用 传递系数法及剩余推力法 第七章地下洞室围岩稳定性分析 第一节围岩压力 第二节围岩的变形与破坏 第三节地下洞室围岩稳定分析 第一节围岩压力 一 围岩应力重新分布围岩开挖前 岩石体一般处于天然应力平衡状态 称为第一次应力状态或初始应力状态 洞室开挖后 这种天然应力平衡状态遭到破坏 洞室围岩因失去支撑 而向洞室空间松胀 从而改变围岩的相对平衡关系 形成新的应力状态 这种由于洞室的开挖 围岩中应力 应变调整而引起原有天然应力大小 方向和性质改变的过程和现象 称为围岩应力重分布 它直接影响围岩的稳定性 一 洞室围岩重分布应力计算 对于连续 均匀和各向同性 天然应力比值系数 即水平应力间的比值系数 6x 6y 为1的岩石内开挖的圆形洞室 设洞室直径为a 则可根据弹性理论导出与洞轴线相距为r出的岩石应力计算公式 随着离洞壁距离r增大 r逐渐增大 逐渐减小 并都渐渐趋近于天然应力 0值 在理论上 r 要在r 处才达到 0值 但实际上 r 趋近于 0的速度很快 当r 6R0时 r和 与 0相差仅2 8 因此 一般认为 地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0 在该范围以外 不受开挖影响 这一范围内的岩体就是常说的围岩 是有限元计算模型的边界范围 二 围岩压力的类型 松动压力由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力称为松动压力 松动压力按作用在支护上的力的位置不同 分为竖向压力和侧向压力 形变压力围岩变形受到支护约束而产生的压力 除与围岩应力有关外 还与支护时间及其刚度有关 柔性支护可产生一定位移而使形变压力减小 宜大力推广 但需及时设置衬砌 以免围岩位移过大而形成松动压力 不利于结构受力和正常施工 按围岩的本构特性 主要指岩土材料的应力 应变关系 和受力程度 可以有弹性 塑性和粘性等不同性质的形变压力 松动压力和形变压力经常同时存在 但以地质条件 支护类型和施工方法等不同而以某一种为主 如在松散地层中采用现浇混凝土衬砌而回填不密实时 通常以松动压力为主 则以形变压力为主 形变压力常随时间推移而逐渐加大 最终才趋于稳定 膨胀压力当岩体具有吸水 应力解除等膨胀性特征时 由于围岩膨胀所引起的压力称为膨胀压力 它与变形压力的基本区别在于它是有吸水 应力解除等膨胀引起的 第二节洞室围岩的变形与破坏 当围岩应力已经超过岩体的极限强度时 围岩发生破坏 当围岩应力的量级介于岩体的极限强度和长期强度之间时 围岩需经瞬时的弹性变形及较长时期蠕动变形的发展方能达到最终的破坏 通常可根据围岩变形历时曲线变化的特点而加以预报 当围岩应力的量级介于岩体的长时间强度及蠕变临界应力之间时 围岩除发生瞬时的弹性变形外 还要经过一段时间的蠕动变形才能达到最终的稳定 当围岩应力小于岩体的蠕变临界应力时 围岩将于瞬时的弹性变形后立即稳定下来 围岩变形破坏形式取决于围岩应力状态 岩体结构及洞室断面形状等因素 根据土力学方面的研究表明 土受力大于一定程度时 其受力特征是复杂且无法准确预判的 同样多种作用下的综合效应使隧道与地下工程围岩的稳定性变得难以推断 然而其稳定性影响的因素主要包括了 结构面走位特征 岩体及其岩石的力学性质 含水状况 岩体本身的结构特性 地下应力状态分布等地质因素 围岩在开挖后 会不可避免的破坏当地元有的地应力平衡状态 而力会沿着最短距离抵消阻力的领空面方向移动 重新产生新的平衡 因此该文主要介绍了围岩受力变化规律及其破坏的类型 二 围岩的破坏类型 一 定围悬垂与坍落顶围悬垂与坍落也称冒顶 指地下开采中 上部矿岩层自然塌落的现象是由于开采后 原先平衡的矿山压力遭到破坏而造成的 其根本原因在于开采过程中矿山压力的活动所造成 顶板的矿山压力活动过程中发生不同程度的变形 先是沿着顶板节理出现裂隙 产生离层现象 此时 如果顶板管理不当 支护质量不好 压力继续增大 岩石变形超过弹性变形极限 就会出现断裂 垮落 片帮或局部冒顶 从发生冒顶事故的原因分析 有的属于对客观事物的认识不足 而较多的则是现场管理不善所造成 定围悬垂与坍落的事故发生 二 侧围突出与滑塌 侧围突出与滑塌也称垮帮 在洞室开挖的围岩变形初期 侧围轮廓会发生明显突出而不产生破坏 这在直立层岩体中最为典型 三 底围膨胀与隆破 底围膨胀与隆破也称底鼓 洞室开挖的围岩变形初期 底围岩体总是或大或小 或隐或现地发生鼓胀现象 但仍不失其完整性 因而在一般情况下 这种现象极其不明显 难以观察 四 围岩缩径 围岩缩径也称全面鼓胀 洞室开挖中或开挖后 围岩变形可同时出现在顶围 侧围底围之中 它可因所处地质条件或施工措施不同 而在某一或某些地方上表现得明显些 五 岩爆 岩爆是高地应力地区 由于洞壁围岩中应力高度集中 使围岩产生突发性变形破坏的现象 岩爆 地下开挖 周边岩体中应力高度集中 积聚于较高的弹性应变能 当围岩中应力超过岩体容许极限状态 高天然应力弹脆性岩体 岩爆的形成过程 1 岩爆的产生条件 1 围岩应力条件判断岩爆发生的应力条件有两种方法 一是用洞壁的最大环向应力 与围岩单轴抗压强度 c之比值作为岩爆产生的应力条件 一是用天然应力中的最大主应力 1与岩块单轴抗压强度 c之比进行判断 2 影响岩爆的因素 1 地质构造实践表明 岩爆大都发生在褶皱构造中 岩爆与断层 节理构造也有密切的关系 调查表明 当掌子面与断裂或节理走向平行时 将触发岩爆 岩体中节理密度和张开度对岩爆也有明显的影响 据南非金矿观测表明 节理间距小于40cm 且张开的岩体中 一般不发生岩爆 掌子面岩体中有大量岩脉穿插时 也将发生岩爆 2 洞室埋深随着洞室埋深增加 岩爆次数增多 强度也增大 发生岩爆的临界深度H可按下式估算 3 岩爆形成机理和围岩破坏区分带 岩爆的孕育 发生和发展过程 分为三个阶段 1 劈裂成板阶段 岩爆孕育 垂直洞壁方向受张应力作用而产生平行于最大环向应力的板状劈裂 仅在洞壁表部 部分板裂岩体脱离母岩而剥落 而无岩块弹射出现 2 剪切成块阶段 岩爆的酝酿 劈裂岩板向洞内弯曲 发生张剪复合破坏 处于爆裂弹射的临界状态 3 块 片弹射阶段劈裂 剪断岩板 产生响声和震动 岩块发生弹射 岩爆形成 上述岩爆三个阶段构成的渐进性破坏过程都是很短促的 各阶段在演化的时序和发展的空间部位 都是由洞壁向围岩深部依次重复更迭发生的 因此 岩爆引起的围岩破坏区可以分弹射带 劈裂 剪切带和劈裂带等三带 综上所述 岩爆是地下工程中与地壳岩体内动力作用有关的地质灾害 它不仅与岩体天然应力状态密切相关 而且与岩体的力学属性有关 岩爆的发生还受到地质构造 洞室埋深 形状 施工方法及爆破震动等因素的影响 并可根据岩爆显现的各种物理力学现象对岩爆进行预测预报 采取相应的消除和控制措施 以减少其灾害损失 第三节地下洞室围岩稳定性分析 一 影响围岩稳定的因素影响地下洞室围岩稳定的因素有自然的 也有人为的 自然因素中起控制作用的主要是岩性 岩体结构 地质结构 地下水与岩溶结构 构造应力等 主讲人 蒲磊 一 岩性 岩性是影响围岩稳定的基本因素之一 洞室位置应尽量选在坚硬完整岩石中 岩浆岩 厚层坚硬的沉积岩及变质岩 围岩的稳定性好 适于修建大型的地下工程 凝灰岩 粘土岩 页岩 胶结不好的砂砾岩 千枚岩及某些片岩 稳定性差 不宜建大型地下洞室 松散及破碎岩石稳定性极差 选址时应尽量避开 此外 岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影响 一般软硬互层或含软弱夹层的岩体 稳定性差 层状岩体的层次愈多 单层厚度愈薄 稳定性愈差 均质厚层及块状岩体稳定性好 二 岩体结构 1 方顶块分离体岩体结构2 尖顶块分离体 三 地质构造 地质构造破坏岩体的完整性 影响围岩的稳定性 四 地下水与岩溶 在岩溶含水层的饱水带顶部 具有连续性的较规则的地下水面 即岩溶潜水面 这个面的各部位具有程度不同的