围岩分级与围岩压力ppt课件

1、复习与回顾,第4章 围岩分级与围岩压力,4-1主要相关概念,地下结构,支护结构,周边围岩,地层,围岩稳定性,第4章 围岩分级与围岩压力,隧道是一种结构体系,隧道是一种地下结构体系,隧道是地下工程的一种主要形式,地下结构,地层是地下结构承载的主体,用于约束地层,限制变形和坍塌,地层是地下结构荷载的主要来源,地层起主导作用,地质勘探、地形线路勘测、地质预报、施工,重要理念,围岩对支护结构有嵌固作用,第4章 围岩分级与围岩压力,是地层的一部分，是隧道开挖后对其稳定性产生影响那部分岩(土)体。 或隧道开挖影响的那部分岩体。 在隧道开挖和支护过程中，围岩将产生应力重分布，其性质也发生变化。 围岩的边界：

2、开挖引起的应力变化可以忽略不计的地方,围岩,围岩是直接影响隧道稳定性的因素，围岩的好坏直接影响隧道的设计施工及造价,约为610倍隧道直径,说明：围岩既指岩体也指土体,围岩相关内容,第4章 围岩分级与围岩压力,一、围岩的工程性质,断层面、层理面、节理面、裂隙面等,岩体概念,被结构面切割的块体,由结构面和结构体组成的具有结构特征的地质体,岩体力学性质取决于岩体结构特征和结构面特性,地下水对岩体力学性质影响很大,岩体性质,容重、节理产状等,溶水性、透水性和持水性等,抗拉、抗压、抗剪强度等,对围岩稳定性影响最大的是力学性质,围岩抵抗变形和破坏的性质,了解岩体的工程性质,有助于理解隧道围岩稳定性,第4章

3、 围岩分级与围岩压力,岩体与岩石,岩体力学性质获取,二、岩体的变形特性,1.岩体的变形特性,2.受压变形,问题：岩体能受拉吗,受拉、受压、剪切、流变,岩石：线性、弹性,岩体：弹塑性体、四个阶段,软弱结构面：非线性、塑性,岩体既不是简单的弹性体，也不是纯粹的塑性体,完整性好，接近弹性体,而是复杂的弹塑性体,破裂和松散，接近塑性体,第4章 围岩分级与围岩压力,3.剪切变形,沿结构面滑动,结构面起主导作用,沿岩石断裂,岩石起主导作用,在结构面的影响下沿岩石剪断,介于上述二者之间,典型岩体全应力应变曲线,岩体： 压密阶段(OA) 弹性阶段(AB) 塑性阶段(BC) 破裂和破坏阶段(CD,峰值强度高,软

4、弱结构面,第4章 围岩分级与围岩压力,4.流变特性,流变,岩体的变形或应力随时间而变化时间效应,二、岩体的变形特性,蠕变：指应力不变，而应变随时间增长,松弛：应变不变，而应力随时间而衰减,问题：围岩流变特性对隧道的影响,应变,应力,t,t,0,0,应变=常数,应力=常数,蠕变曲线,松弛曲线,第4章 围岩分级与围岩压力,三、岩体的强度,1.岩石强度,通过试件获得,2.岩体强度,低于岩石强度，约为岩石强度的7080,抗剪强度,受结构面的制约,结构面发育的岩体，只有抗压的510,抗压强度,岩石：受微裂隙制约，强度大,岩体：受结构面制约，强度小，具有各向异性,四、岩体结构分类,岩体的结构,不同块度、形

5、状、产状的结构体构成不同类型,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,第4章 围岩分级与围岩压力,答：研究围岩的稳定性，如何促使围岩稳定,一、研究围岩稳定性的意义,围岩的稳定性,隧道开挖后，在不支护条件下围岩的稳定程度,问题：什么是隧道工程的头等大事,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩的稳定性如何,二、影响围岩稳定性的因素,两大类,地质因素客观因素,人为因素主观因素、工程因素,第4章 围岩分级与围岩压力,二、影响围岩稳定性的因素,破碎程度：裂隙率、裂隙间距。 裂隙是广义的：包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。 完整状态：整块状、大块状等,岩体结构特征,

6、指岩体的破碎程度或完整状态,按这2个指标,1.地质因素,第4章 围岩分级与围岩压力,二、影响围岩稳定性的因素,性质 1) 结构面的成因； 2) 结构面的光滑程度； 3) 结构面的物质组成； 4) 结构面的规模； 5) 结构面的密集度。 空间组合 指结构面的相互位置状态,结构面性质和空间组合,问题：软弱结构面有怎样的害处？什么是不利空间组合,第4章 围岩分级与围岩压力,二、影响围岩稳定性的因素,主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度Rb。 岩石强度越高，隧道越稳定,岩石的力学性质,初始应力是隧道围岩变形、破坏的根本作用力。 已初步将初始应力考虑进围岩分级之中。 在高的初始应力场条件下，围岩级别应适当降

7、低,4) 围岩的初应力状态,软化围岩； 减少层间摩阻力促使岩块滑动； 具膨胀性的围岩，遇水后产生膨胀等,地下水的影响,第4章 围岩分级与围岩压力,第4章 围岩分级与围岩压力,二、影响围岩稳定性的因素,2.人为因素,1)坑道尺寸和形状 尺寸：跨度越大，围岩稳定性越差 形状：圆形或椭圆形围岩以压应力为主，利于围岩稳定性 矩形或梯形，顶板处的围岩出现拉应力，不利于围岩稳定性,2)支护结构类型 强支护：在软弱、松散围岩条件下利于围岩稳定性； 在膨胀性（挤压性）围岩条件下支护受力较大； 弱支护：在软弱、松散围岩条件下不利于围岩稳定性； 在膨胀性（挤压性）围岩条件下利于释放变形，减轻支护受力,3)开挖方法

8、 普通爆破法、控制爆破法、盾构及掘进机法、全断面一次开挖、小断面分部开挖等对围岩稳定性有不同的影响,隧道形状和尺寸 支护结构类型 施工方法,三、隧道围岩失稳破坏形态,1)脆性断裂 整体状、块状岩体、岩性坚硬，局部掉块、“岩爆,2)块状运动 块状或层状岩体、块体向临空面运动（趋势,3)弯曲折断破坏 洞顶层状岩体、下沉弯曲断裂； 变墙侧向鼓出弯曲变形折断,4)松动解脱 碎裂结构岩体、在各种作用下松动、溃散脱落,5)塑性变形和剪切破坏 碎裂岩体、在较多软弱结构面下，产生塑性变形和剪切破坏 表现：塌方、边墙挤入、底鼓、洞径缩小等，膨胀性围岩表现,第4章 围岩分级与围岩压力,概述,4-4 隧道围岩分级,

9、隧道围岩分级方法,我国现行的隧道围岩分级,铁路隧道P49,公路隧道P61,岩石坚硬程度 围岩完整状态,地下水 围岩初始地应力,基本分级,修正分级,岩石坚硬程度Rc(即强度) 岩体完整性Kv(即弹性波速,地下水K1 软弱结构面(比铁路多此条)K2 高初始地应力K3,BQ,修正BQ,第4章 围岩分级与围岩压力,隧道围岩分级概述,1.概念,围岩分级：根据岩体的若干指标（一个或几个），按照稳定性将围岩（无限岩体）分成不同的级别（有限），将稳定性相似的围岩划分为一级,2.工程目的,1）结构设计依据 （2）施工方法依据 （3）工程造价依据 （4）判别围岩稳定性,3.发展过程,早期仅岩石强度； 现在综合多种

10、因素，如岩体构造、岩石强度、RQD指标等,开挖后稳定程度： 充分稳定 基本稳定 暂时稳定 不稳定,第4章 围岩分级与围岩压力,4.围岩分级考虑的因素,隧道围岩分级方法,3个基本因素： 岩性：抗压强度、弹性模量、弹性波速等。 地质构造：岩体完整性或结构状态。 地下水：地下水发育时，围岩级别应降低。 1个附加因素： 初始地应力：适当考虑,第4章 围岩分级与围岩压力,一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法,隧道围岩分级方法,1.以岩石强度为基础的分级法 代表：土石分类法坚石、次坚石、松石、土 2.以岩石物性指标为基础的分级法 代表：岩石坚固性系数（f值）分级法普氏法 f 值：一个综合的物性指

11、标值，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度等 但核心还是岩石强度,代表,泰沙基法考虑围岩的完整状态和岩性，共9级,我国交通隧道围岩分级法借鉴泰沙基法，考虑岩体综合物性，共6级,二）以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法,第4章 围岩分级与围岩压力,弹性波速分级法波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标，波速越高，围岩越好,三）与地质勘探手段相联系的分级方法,隧道围岩分级方法,岩石质量指标RQD指标也是反映岩性与岩体结构的一项综合指标。RQD指标的具体含义为岩芯复原率,代表,第4章 围岩分级与围岩压力,组合6个参数,四）组合多种因素的分级方法,隧道围岩分级方法,岩体质量分级法 巴顿等人提出的“岩体质量Q”分

12、级法。表达如下,代表,4）节理蚀变值Ja （5）节理含水折减系数Jw （6）应力折减系数SRF,1）岩石质量指标RQD （2）节理组数目Jh （3）节理粗糙度Jr,第4章 围岩分级与围岩压力,我国现行的隧道围岩分级,一）铁路隧道围岩分级,1）历史沿革,岩体综合分类60年代，成昆线，五类 隧道围岩分类74年版，首部铁路隧道规范，六类。 隧道围岩分类86年版，加入围岩弹性波速指标。 隧道围岩分级99年版，采用国标分级排序，改称“围岩分级”，六级。 隧道围岩分级2001年版，不变。 隧道围岩分级2005年版，不变,第4章 围岩分级与围岩压力,岩石坚硬程度 围岩完整状态,2）分级的理论基础,我国现行的

13、隧道围岩分级,一）铁路隧道围岩分级,以围岩的稳定性判断为基础。 属于“以岩体构造和岩性特征为代表”的分级方法,主要考虑4种因素,地下水 围岩初始地应力,基本分级+围岩弹性纵波速 = 铁路隧道围岩分级表,第4章 围岩分级与围岩压力,3）基本分级,我国现行的隧道围岩分级,一）铁路隧道围岩分级,依据：围岩主要工程地质条件，由两条组成,岩石坚硬程度 软硬岩分界指标（抗压强度）：30MPa Rb30 硬岩 5 Rb30 软岩 Rb 5 极软岩,围岩完整程度 指标1：结构面发育程度 指标2：地质构造影响程度 由此两指标，将岩体完整程度分为5个级别 见下表,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩结构面发育程度划分

14、,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩受地质构造影响程度等级划分,第4章 围岩分级与围岩压力,我国现行的隧道围岩分级,一）铁路隧道围岩分级,6） 修正分级,地下水修正,4）铁路隧道围岩分级表 基本分级+围岩弹性纵波速 = 铁路隧道围岩分级表,给出了单线隧道围岩开挖后的稳定状态。 尚未考虑地下水和地应力,5） 特点,地下水修正 地应力修正,第4章 围岩分级与围岩压力,我国现行的隧道围岩分级,一）铁路隧道围岩分级,6） 修正分级,两点说明： 设计阶段：采用修正后的围岩分级。 施工阶段：根据实际情况，进一步判定围岩分级，依据仍然是： 岩石坚硬程度 围岩完整状态 地下水 初始地应力,第4章 围岩分级与围岩

15、压力,我国现行的隧道围岩分级,二）公路隧道围岩分级,初步分级相当于铁路基本分级,推出围岩基本质量指标 BQ=90+3Rc+250Kv,依据：围岩主要定性特征 该特征由两个基本因素组成： 岩石坚硬程度Rc(即强度) 岩体完整性Kv(即弹性波速,详细分级相当于铁路修正分级,修正BQ值：当有以下3方面影响时，应予修正： 地下水K1 软弱结构面(比铁路多此条)K2 高初始地应力K3 BQ=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3) K1K3各值可查公路隧道规范附录A.0.2-1A.0.2-3,第4章 围岩分级与围岩压力,1.问题 指标定性的多、定量的少。如何做到准确、方便、好用？ 2.研究 发展物探

16、手段，增加定量指标。 发展分析理论 模糊数学围岩分级； 隧道位移围岩分级； 人工智能专家系统围岩分级等,问题及研究方向,围岩分级实例烟台西山隧道,第4章 围岩分级与围岩压力,4-5 围岩的初始应力场及围岩压力,围岩初始应力场,围岩压力,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩初始应力场,1.围岩初始应力场,隧道开挖前未扰动的围岩应力状态,2.分类,自重应力场和构造应力场,埋深较浅的隧道以自重应力场为主（埋深在500m以内,1)自重应力：岩层自重引起的应力 (2)构造应力： 构造残余应力过去地质构造运动形成的地应力； 新构造应力现在地质构造运动形成的地应力,初始地应力=自重应力+构造应力,第4章 围岩分

17、级与围岩压力,围岩初始应力场,3.自重应力场,假定：岩体是均质连续体,又称：原岩应力状态或一次应力状态,研究：地表以下任一深度h处单元体的应力状态,地表以下任一深度h处单元体的垂直应力等与其上覆岩体的重量,垂直应力,水平应力,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩初始应力场,4.围岩构造应力场,构造应力场：构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态,特点： 地质构造形态不仅改变了重力应力场，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,5.围岩应力场影响因素,地形

18、和地貌。 岩体的力学性质。 地温。 人类活动,第一类：重力、温度、岩体的物理力学性质及构造、地形等经常性的 第二类：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,要特别研究下面几点,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压力,1. 概念,洞室开挖后，围岩将形成压力 有支护：将形成对支护结构的压力； 无支护：压力将由围岩本身承受，体现为围岩中的应力急剧升高,广义：包括有、无支护时的压力,狭义：仅指对支护的压力,围岩 压力,围岩初 始应力,开挖,松动压力围岩变形过大，发生松动而形成的压力,形变压力围岩变形在有限范围内而形成的压力,膨胀压力膨胀性岩层,冲击压力明洞,落石；暗洞,坍方,岩爆(高地

19、应力,2.围岩压力分类,最重要的两种压力形态,由于围岩变形受到与之密贴的支护（如锚喷等）抑制，而使围岩与支护结构共同变形的过程中，围岩对支护结构施加的接触压力,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压力,3.影响围岩压力的因素,施工方法 支护设置时间 支护本身刚度 隧道断面形状等,岩体初始应力状态 岩石力学性质 岩体结构面 地下水等,地质因素,工程因素,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压力,4.围岩松动压力,1)围岩松动压力的形成,围岩的变形不能得到有效的控制，当变形超过一定限度后，围岩发生松动、坍落，最终在洞室上方自然形成拱形,自然拱的概念,a)变形阶段 (b)松动阶段 (c)塌落阶段 (d)成拱

20、阶段,自然成拱,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压力,4.围岩松动压力,1)围岩松动压力的形成,隧道埋深,影响自然拱的因素,实践证明，只有当隧道埋深超过某一临界值时，才可能形成自然拱。称这种隧道为深埋隧道，否则为浅埋隧道。由于浅埋隧道不能形成自然拱，所以，其围岩压力大小与埋深直接相关。以形成自然拱为原则,深浅临界： 塌方平均高度hq的(22.5)倍,隧道埋深：地面与隧道顶部之间岩层厚度(埋深h,h(22.5)hq深埋,h(22.5)hq浅埋,成拱的必要条件,施工因素,爆破震动：松动、引起塌方，造成围岩 压力过大； 分部开挖多次扰动：引起围岩失稳，加 大自然拱范围,对围岩的扰动程度,第4章 围岩

21、分级与围岩压力,同一围岩，不同隧道断面,围岩压力,4.围岩松动压力,1)围岩松动压力的形成,影响自然拱的因素,隧道断面形状和大小,隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压力也越大,拱的范围和松散压力,围岩稳定性,同一隧道断面，不同围岩,拱的范围和松散压力,围岩越破碎，稳定性越差，则自然拱越高，围岩松散压力也越大,好,中,差,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压力,4.围岩松动压力,2)围岩松动压力的确定,方法,符合实际，但有局限性,只能符合大致规律，有待改进,比较符合实际，但缺乏理论根据,深埋隧道围岩松动压力,浅埋隧道围岩松动压力,明洞压力,公路隧道围岩压力,土力学挡土墙土压力方法,借

22、鉴铁路隧道围岩压力方法,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压力,4.围岩松动压力,围岩松动压力的现场量测法,直接量测：主要采用压力盒、压力传感器等，压力盒按工作原理分为机械作用式、电测式和液压式等，目前使用较多的是钢弦式压力盒,间接量测：利用量测隧道衬砌的应变、变形来推算作用在其上的围岩压力的方法，即间接量测法。如电阻应变片、钢筋应变计、遥测应变计、混凝土应变砖等,在支护结构背后埋设压力盒. 所测得的围岩压力实际上是围岩与支护结构之间接触应力，可能是围岩的松动压力，也可能既包含松动压力又包括因支护结构变形而引起的围岩抗力。取决于围岩特性和接触条件,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压力,4.围岩松

23、动压力,2)围岩松动压力的确定,1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法,a) 统计法我国铁路隧规所推荐的方法,式中 围岩容重； hq坍落拱高度； s 围岩级别； w 宽度影响系数，由 w=1+i（B-5）计算： B 坑道宽度 当B5m时，取 i=0.2，当B5m时，取i=0.1,垂直松动压力,破损阶段法或容许应力法,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压力,4.围岩松动压力,2)围岩松动压力的确定,1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法,a) 统计法我国铁路隧规所推荐的方法,适用条件,概率极限状态设计法,由于施工控制，围岩变形小，松动压力小,大多为形变压力,水平松动压力,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压

24、力,4.围岩松动压力,2)围岩松动压力的确定,a) 统计法我国铁路隧规所推荐的方法,各种围岩的坍塌高度与围岩分级的关系： 为设计和施工方便，将复杂地层按工程性质，分为六级。 按三车道隧道计，各种围岩的塌方高度和单位荷载重量为： 级：约0.9m； 约25kN 级：约1.8m； 约47kN 级：约3.5m； 约88kN 级：约7.2m； 约173kN 级：约15.0m； 约345kN 级：约31.0m； 约682kN,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压力,4.围岩松动压力,2)围岩松动压力的确定,1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法,b)普氏理论方法,普氏理论：岩体被结构面切割，视为散体。但结构面上

25、存在粘结力。粘结力体现为摩擦力，以似摩擦系数 f 表示，称为“坚固性系数”，又称“普氏系数,坚固性系数：是一个笼统的指标或综合的指标,似摩擦角和内摩擦角,岩体抗剪强度,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压力,4.围岩松动压力,2)围岩松动压力的确定,b)普氏理论方法,普氏提出自然拱：具有粘结力的松散介质中开挖坑道，上方会形成抛物线形的自然拱，自然拱尺寸（高度与跨度）与岩体的 f 值有关,自然拱的两种形态,Hq自然拱高度 Ht隧道净高度,B、b自然拱跨度、半跨 Bt、bt隧道跨度、半跨,坚硬,松散,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压力,4.围岩松动压力,2)围岩松动压力的确定,1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法,b)普氏理论方法,坚硬岩体,自然拱高度,松散破碎岩体,一般来说，普氏理论比较适用于松散、破碎的围岩中,自然拱半跨,第4章 围岩分级与围岩压力,围岩压力,4.围岩松动压力,2)围岩松动压力的确定,1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法,b)普氏理论方法,作用于支护结构上的围岩压力,自然拱内松散岩体的重力，垂直均匀分布,围岩水平均匀分布压力按朗肯公式,第4章 围岩分级与围岩压力,1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法,c)太沙基理论方法,理论：散粒体理论,假定：破裂面为折线 OA-AB,方