岩石力学分析.ppt

第八章岩石地基工程,一、概述二、岩基内应力分布及岩石地基沉降三、岩石地基的承载力四、岩石地基的稳定性及加固,岩石地基建筑物以岩体作为持力层的地基岩石地基工程的两大特征：相对与土质地基，可承担大很多的外荷载岩石中各种缺陷的存在可能导致岩体的强度远远小于完整岩块的强度,一概述,岩石地基设计需要考虑的内容：基岩体需要有足够的承载能力，以保证在上部建筑物荷载作用下不碎裂和蠕变破坏。在外荷作用下，由岩石的弹性应变和软弱夹层的非弹性压缩产生的岩石地基沉降应满足建筑物安全与正常使用要求。确保由交错结构面形成的岩石块体在外荷作用下不会发生滑动破坏。,一概述,岩石地基的基础形式墙下无大放脚基础。预制柱直接插入岩体。锚杆基础。嵌岩桩基础,一概述,二岩基内应力分布及岩石地基沉降,1均质各向同性地基集中荷载作用线荷载作用均布荷载作用2双层岩石地基3横观各向同性岩石地基4三角形垂直分布荷载5三角形水平分布荷载,二岩基内应力分布及岩石地基沉降,沉降分为三种类型：由岩石本身变形、结构面的闭合与变形以及少数黏土夹层的压缩三个部分组合形成的沉降。岩石块体沿结构面剪切滑动产生的地基沉降。与时间有关的沉降沉降的计算方法：弹性岩石地基（均质各向同性、成层岩石）横观各向同性岩石地基,三岩石地基的承载力,地基承载力是指地基单位面积上承受荷载的能力（包括极限承载力和允许承载力）承载力的确定方法规范方法（GB500072002）1岩基载荷试验方法确定2对于完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值，可根据室内饱和单轴抗压强度确定fa=r.frk（0.5-0.2-0.1）3对破碎、极破碎的岩石可根据地区经验取值，无经验时，可根据平板载荷试验确定。,四、岩石地基的稳定性及加固,当基岩受到有水平方向荷载作用后，由于岩体中存在节理以及软弱夹层，因而增加了基岩的滑动的可能。许多实践证明，对于大多数岩体并承受倾斜荷载的地基来说，地基的破坏往往由于岩基中存在软弱夹层，使地基中一部分的岩体沿着软弱夹层产生水平剪切滑动。目前评价岩体抗滑稳定，一般仍采用稳定系数分析法。,一、基坝接触面或浅层的抗滑稳定（以稳定系数为评价指标）（一）不考虑基坝与岩面间的粘结力稳定系数为式中：-垂直作用力之和，包括坝基水压；-水平力之和；-摩擦系数。（二）考虑基坝与岩面间的粘结力稳定系数为,四、岩石地基的稳定性及加固,式中：U坝底扬压力；C粘结力。当U、C为零时，（二）单斜滑移面倾向上游（图915（b）稳定系数为：（三）双滑移面（图915（c）稳定系数为：,四、岩石地基的稳定性及加固,式中：R抗力。根据受力图9-15（d）（e）按力的平衡原理求得：为AB及BC滑移面上的摩擦系数。岩石的内摩擦角,四、岩石地基的稳定性及加固,例：图9-14所示大坝的基础下存在软弱夹层及一条大断层。当水库充水后，坝基承受倾斜荷载，产生了坝基沿AC滑移，或三角形ABC部分的岩体向下游滑移的可能。,四、岩石地基的稳定性及加固,加固措施三条要求：1、地基岩体有一定的弹性模量和足够的的抗压强度。尽是减少建筑物建造后的绝对沉降量2、建筑物的基础与地基之间要保证结合紧密，有足够的抗剪强度。3、对坝基则要求有足够的抗渗能力。四条措施：换土、注浆、锚固、防渗、防漏,四、岩石地基的稳定性及加固,第九章岩石边坡工程,1概述2岩石边坡的破坏3岩石边坡稳定分析4岩石边坡加固,1概述,岩坡中滑动面明确，无需像土坡那样通过大量试算才能确定。岩坡中结构面的规模、性质及其组合方式在很大程度上决定着岩坡失稳时的破坏形式。结构面的产状或性质稍有改变，岩坡的稳定性将会受到显著影响。搞清结构面的性质、作用、组合情况以及结构面的发育情况等，在此基础上对破坏形式做出判断，分析破坏机制，是保证岩坡稳定性分析结果正确性的关键。,2岩石边坡的破坏,2.1岩石边坡的破坏类型滑坡：岩体在重力作用下沿坡内软弱结构面产生整体滑动。滑坡的形式分：平面滑动、楔形滑动和旋转滑动岩崩：块状岩体与岩坡分离，向前翻滚而下。,2岩石边坡的破坏,2.2边坡稳定的影响因素1结构面的影响2边坡外形的改变3岩石力学性质的改变4各种外力的直接作用,3岩石边坡稳定分析,3.1圆弧法岩坡稳定性分析3.2平面滑动岩坡稳定性分析3.3双平面滑动岩坡稳定性分析3.4力多边形法岩坡稳定性分析3.5力的代数叠加法岩坡稳定分析3.6楔形滑动岩坡稳定性分析3.7倾倒破坏岩坡稳定性分析,4岩石边坡加固,4.1注浆加固4.2锚杆或预应力锚索加固4.3混凝土挡墙或支墩加固4.4挡墙与锚杆相结合的加固,本课程结束,工程实例,深埋长大山岭隧道围岩大变形机理及灾害预测和治理研究,我国是一个多山的国家，开发中西部又是今后我国的国策，发展山区交通，使山区人民脱贫致富是我国的具体目标。高速、准高速铁路、公路的发展和建设又是21世纪的特色；21世纪必然出现大量隧道工程，必然带来长隧道的增多。多和长是21世纪山岭隧道修建的两大特点。,交通隧道、水工隧道及其它地下工程穿越高地应力区以及遇到软弱围岩体，常导致软岩大变形等相关地质灾害。自20世纪初首例严重的交通隧道软弱围岩大变形发生以来，国内外隧道工程发生的围岩大变形灾害的事例屡见不鲜，它一直是困扰地下工程界的一个重大问题。,宜万铁路野山关隧道事故示意图,天汕高速公路广福隧道救援现场照片,大变形地段环向裂缝,侧壁扭曲变形的钢拱架,表1-1国内外部分发生大变形隧道的基本情况,续上表,云岭隧道进口位于郧西县上津镇丁家湾村，出口位于陕西省漫川关，为一座上、下行分离的四车道高速公路长大隧道。左线长为2155m;右线长为2160m。该隧道为分离式双洞长隧道，隧道间距约30m。本隧道洞身最大埋深达344m，一般埋深约200300m。,工程背景,十漫高速公路是国家公路网银川至福州高速公路在湖北境内的最西段，是湖北省第四个世界银行贷款的高速公路建设项目。,区域地质构造,在区域构造上，十漫高速公路位于我国中部秦巴山区，地处两郧地质断裂带，地质条件复杂，存在大量软弱岩层和断层破碎带。其中两郧(郧县、郧西)断裂对区域构造起着控制作用，是区域内的主干断裂。它纵贯全线，西始漫川关，东沿经郧西、郧县及均县，伏于南襄盆地，出露170km，总长达250km，破碎带宽度达1km，影响宽度约1km，呈北西向及北东向沿低山谷延伸，影像特征明显，产状10304075。,两郧断裂展布简图,郧西西北元岭两郧断裂的动变形与构造岩带,地形地貌,隧道进口处地形地貌,隧道出口处沿线路走向地形地貌,围岩岩性(千枚岩),掌子面围岩情况,炭质千枚岩在雨水作用下的状况,塌方软岩大变形底鼓二衬开裂,隧道施工中出现的地质灾害,云岭隧道出口塌方照片,ZK104+865ZK104+880段塌方,塌方情况,底鼓,仰拱中部发生隆起变形,仰拱中部施工缝发生明显开裂,右侧电缆沟向内侧倾斜,二衬拱腰部位出现掉块,二衬开裂,矮边墙与二衬剥离,电缆沟底部裂缝,人行横洞内混凝土掉块,人行横洞内出现较大裂缝,常发生在低强度围岩或者断层破碎带中。变形大，一般达数十厘米。径向变形特征明显，一般表现为拱顶下沉、边墙内挤、隧底隆起等。,十漫高速云岭隧道ZK105+611+676大变形,软岩大变形特征,变形破坏方式多变形量大变形速率高持续时间长围岩破坏范围大各位置破坏不一,云岭隧道大变形破坏特征,云岭隧道底鼓大变形机理研究,底鼓的概念最初是出现在矿山开采中，所谓“底鼓”是指巷道由于岩石开挖或开采扰动引起围岩应力的重新分布以及巷道运行过程中围岩性质不断发生变化，造成巷道顶底板及两帮岩体变形使巷道断面内敛，底板向上隆起的变形现象。,隧道底鼓的分类,(1)挤压流动性底鼓。该类型底鼓主要发生在隧道底板为软弱破碎岩体的岩层内，在水平构造应力作用下，以隧道底板为沿空自由面，底板软弱破碎岩体受水平应力挤压流动到隧道内，形成底鼓。,挤压流动性底鼓,(2)挠曲褶皱性底鼓。由于水平压力作用，层状岩体产生挠曲变形，沿隧道底板临空方向凸起，造成隧道底鼓。研究表明，岩层分层越薄，隧道跨度越大，岩石越软弱，底鼓也越严重。,挠曲褶皱性底鼓,(3)剪切错动性底鼓。隧道破碎围岩体作用于隧道底板，使底板岩体受到剪切作用，底板软弱岩体沿剪切弱面形成滑移体，剪切滑移岩块在外压力作用下发生剪切错动，并向隧道内凸出。,图剪切错动性底鼓,(4)遇水膨胀性底鼓。岩石是一种多组分材料，在不同环境条件下表现出不同的物理力学性质，岩石浸水后，不仅岩石强度弱化，对于含有蒙脱石、泥质岩等的岩层，会发生岩体膨胀，出现岩体扩容现象。同时岩体膨胀产生膨胀应力，加剧岩体变形，造成隧道底鼓。(5)复合型底鼓。对于处在复杂条件下的隧道工程，隧道围岩受多因素的影响和制约，如水平构造应力、剪切应力、膨胀应力等，形成多因素共同作用的复合型隧道底鼓。,变形段仰拱处治现场施工图,施工阶段的大变形灾害预测,隧道超前地质预报是以地质雷达等仪器，并辅以其他地质调查方法，对隧道工作面前方围岩尤其是隧道掌子面前方数十米内围岩的工程地质和水文地质情况的性质、位置和规模进行比较准确、全面、系统的探测和判断，确定不良地质体的空间位置和危害程度，结合监控量测数据，综合考虑围岩和主动支护因素，及时地调整支护参数，提出措施和建议，指导隧道施工，有效控制地质灾害的发生，防止在正常施工下避免工作面开挖出现不测事故(诸如出现断层、破碎带、采空区、溶岩、含水集水区、高应力地带以及其他不良地质现象)。,1.隧道超前地质预报,TSP（TunnelSeismicPrediction）超前预报技术是利用高灵敏度的地震波接收器，广泛收集由布置在隧道单侧壁上多个地震激发点产生的地震波及其在围岩传播中遇到不同反射界面时的反射波，通过分析反射界面所在的位置，进而结合具体的地质情况，预测影响施工断层破碎带的位置、宽度、产状等，是一种有效的物探方法。在隧道中合适位置布置炮点和接受点，通过爆破激发地震波，经结构面和不良地质体反射后，由接受点设备设置的震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪），将数据经微机处理后储存起来。,TSP203超前预报技术,TSP203炮点和接受点布置示意图,地质分析预测是根据围岩岩性、岩体结构、地应力场、地下水等围岩和地质环境特征，通过其他工程的资料和以开挖变形段围岩地质特征进行横向和纵向的工程地质类比分析预测，是一种定性的预测方法。,2.地质分析预测,揭示隧道围岩变形、破坏及稳定规律，分析围岩特性，为施工和治理提供依据；监测资料的及时分析反馈，使动态设计、动态施工更加可行和可靠，便于掌控，同时，也为大变形治理的数值模拟研究提供资料；监控施工过程中的安全程度，及时预测和警示大变形的发生，保证施工的正常进行；检验施工方法、支护参数及大变形治理措施的合理性，为设计和施工优化以及隧道的安全使用提供依据。,3.监控量测预测,岩石室内试验地表下沉量测水平收敛和拱顶下沉量测应力应变监测,隧道洞口及浅埋段地表变形测点布置示意图,室内外试验设计,水平收敛及拱顶下沉量测布置示意图,围岩位移时间曲线,压力盒埋设布置图,试验现场,对数值分析而言，可采用的分析平台即数值分析方法主要有：有限单元法、离散单元法、块体理论、DDA和流形元法等，特别是有限元法和边界元法应用尤为广泛。这些方法都是以连续介质为出发点，而且都基于经典小变形的假设。在解决富含节理和大变形的岩土力学问题时往往所得的结果与实际的情况相差甚远。拉格朗日法就可以解决类似的岩土工程问题，基于此原理开发的FLAC3D软件在模拟岩土工程中大变形问题具有独到的优点。,围岩大变形开挖方法和支护体系数值模拟研究,开挖方法的数值模拟研究,隧道FLAC3D模型,全断面开挖无支护时Z方向位移分布等值线云图,全断面开挖无支护时X方向位移分布等值线云图,分步开挖Z方向位移等值线图,分步开挖X方向位移等值线图,全断面开挖与分步开挖变形量对比表,不同支护参数的数值模拟研究,不同支护方案对应参数表,支护方案一Z向位移等值线图,支护方案一X向位移等值线图,支护方案二Z向位移等值线图,支护方案二X向位移等值线图,支护方案三Z向位移等值线图,支护方案三X向位移等值线图,三种支护参数模拟结果对比表,结论,大变形问题是软弱围岩隧道施工中常见的难题，在大断裂控制区域的高速公路大跨隧道更是如此。本课题紧密结合十漫高速公路隧道施工中的大变形问题展开研究，从两郧断裂对隧道围岩的影响、软弱围岩体的物理力学及水理特性、大变形的形成机理等角度出发，采用应力及变形监控量测分析研究、大变形预测预报、三维数值模拟并结合理论分析等手段研究大变形的发生原因和治理措施，并及时将成果应用于施工实际，取得了较好的整治效