学习资料三：认识围岩的稳定性

（4）断层：岩层受构造应力作用发生断裂，沿断裂面两 侧岩层发生了移动或明显错位的断裂构造被称为断层。

2.围岩：隧道周围一定范围内，受隧道工 程施工和车辆荷载影响的那部分岩体。
内边界 围岩范围 外边界
开挖坑道的外周边 施工引起的岩体内应力和 位移小到可以忽略的地方。
围岩和岩体的关系
一、组成： 岩体=被挖除的岩体+围岩+围岩以外的原状岩体 岩体=结构体+结构面+填充物。 二、关系： ①围岩是岩体，但岩体不一定是围岩。 ②围岩是主要承载结构，其稳定性的重要性远大于被挖除岩 体的挖除难易程度。 ③围岩以外的原状岩体与隧道施工关系不大。
第三部分 岩体的原始应力状态

开挖坑道前：围岩处于相对稳定和平衡状 态。“原始应力状态” 开挖坑道后：围岩内边界的约束解除，失 去原有的平衡，围岩表现为“松弛”和向 着坑道方向的“位移”。

一、岩体原始应力组成
1）自重应力—某一点的自重应力是 上覆岩层的自重所引起，与上覆岩 层的质量和藏深度有关 2）构造应力—地质构造运动引起的 地下某点的应力。与岩体的特性（ 节理分布、岩体弹塑性、粘性特性 ）和地质构造现象有关 3）其它作用—地形、地震、水、地 温等均可产生地应力
二、围岩的破坏失稳状态：
脆性破坏 块状运动
整体状和巨块状岩体，在很高地应力作用下，岩体会发生 “岩爆”。稳定性很高。 块状和层状岩体，块间和层间结合力弱，在二次应力和 自重应力作用下，发生滑动、转动、塌落。 层状岩体，层间结合力差，易于错动，抗弯能力差，洞顶 岩体在自重作用下下沉弯曲，进而张裂折断，形成坍塌。 边墙岩体在水平力作用下易变形挤入洞室，甚至滑塌。 破裂结构或散体结构的岩体，结构松散，开挖时随挖随 塌，怕扰动，具有很强的流变性。

以上三种作用中，自重应力与 地质构造应力是主要的、普遍 存在的地应力 。
(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
s z = gH
以压应力为正， 为岩体的容重 当上覆岩体为多层时，则为
g
sz =
å
n
gi Hi
i= 1
式中
gi — 第 i 层岩体的容重
H i — 第 i 层岩体的厚度
塑性阶段（BC）：岩体继 续受力，变形发展到弹性 极限后便进入到塑性阶段， 此时岩体的变形特征受结 构面和结构体的变形特性 共同制约。整体性好的岩 体延性小，塑性变形不明 显，达到强度极限后变迅 速破坏。破裂岩体塑性变 形大，有甚至的从压密阶 段直接发展到塑性阶段， 而不经过弹性阶段。
破裂和破坏阶段 （CD）：应力达到峰 值后，岩体即开始破 裂和破坏。破坏开始 时，应力下降比较缓 慢，说明破裂面上仍 具有一定的摩擦力， 岩体还能承受一定的 荷载。而后，应力急 剧下降，岩体全面崩 溃。
研究围岩的稳定性，如何促使围岩的稳定。
坑道开挖后，围岩会有那些情形？
有时不需要任何支撑就可 获得稳定的洞室
是最希望的
成洞的三种情形
有时则需要加以支撑才能 获得稳定的洞室
经常要做的
由于支撑不及时或不足而 导致围岩坍塌堵塞洞室
要尽量避免
第一部分 概念


1.岩体：在漫长的地质历史中，经过岩石建 造、构造形变和次生蜕变而形成的地质体。 它被许许多多不同方向、不同规模的断层面 、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面 切割成大小不等、形状各异的各种块体。 工程地质学中将这些地质界面称之为结构面 或不连续面，将这些块体称之为结构体，并 将岩体看作是由结构面、结构体以及结构面 之间的填充物组合而成的具有各种结构特征 的地质体。
3、岩体的受剪变形特性 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结构面和结构体同时参与作用，结构体被剪断。 4.岩体的流变特性：岩体在受压或受剪的情况下，岩体的变 形随着时间的增长达到终值，并不是瞬间完成的。
图a）：应力不变，应变随时间增长。“蠕变” 图b）：应变不变，应力随时间降低。“松弛” 具有流变特性的岩体：①极度软弱破碎的岩层②含有 大量泥质软弱填充物的一般破碎岩体。
二、岩体的强度特性


1、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。 ②岩体 的抗压强度具有明显的各向异性。

岩体的抗压强度随层面倾角的增大而减小。大于50°为层 间剪切破坏，小于32°为层内轴向劈裂破坏。


2、岩体的抗剪强度
①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，抗剪强度低。②剪切力使得岩体主要沿结构体 滑移时，岩体表现为脆性破坏，抗剪强度高。③剪切力使 得岩体沿结构体和结构面滑移，其抗剪强度介于上述两者 之间。
岩石和岩体的关系
二、关系： ①岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体， 也就是我们通常所说的石头。而岩体是指一定工程范围内的自然地质 体。它除本身是由岩石构成外，还包含了地应力及各种地质作用于长 期地质历史时期中在岩石中所形成的各种构造痕迹（整合、不整合接 触面，褶皱，断层，层理、节理、劈理、片理以及其它隐微裂隙）。 ②岩体结构的基本要素是构成岩体的结构体（岩石）和将结构体分割开 来的结构面。其中结构体是被各种构造形迹和裂隙分割而成的岩石块 体；结构面就是各种构造形迹或裂隙。结构面的存在是岩体不同于岩 石概念的根本原因，结构面是岩体的重要组成单元。岩体力学性质的 好坏在大多数情况下都取决于结构面的性质，而非岩石本身的性质。
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概念疑点
各向同性：亦称“均质性”。指物体的物理、化学等 方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即某一 物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同。 各向异性：亦称“非均质性”。物体的全部或部分物 理、化学等性质随方向的不同而各自表现出一定的差异的 特性。即在不同的方向所测得的性能数值不同。质地不均 匀，各方面强度不一致。 弹性体：在外力作用下，内部各点的应变和应力一一 对应，当外力除去后能恢复到原来状态的物体。 塑性体：受力能变形，外力消失后不再恢复原来形状 的材料。 弹塑性体：物体在外力施加的同时立即产生全部变形 ，而在外力解除的同时，只有一部分变形立即消失，其余 部分变形在外力解除后却永远不会自行消失的性能。
力将对地下工程产生重大影响。
② 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。
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。
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1.岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、 构造形变和次生蜕变而形成的地质体。 岩体 是由 、结构面以及结构面之间的 组合 而成的具有各种结构特征的地质体。 结构体、填充物。 2. 是弹性体， 是弹塑性体， 是塑性体。 A.软弱结构面 B.岩体 C.岩石 CBA 3.岩体在受压情况下的应力-应变曲线分为那四个 阶段？ 压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段。
因此，在众多的因素中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。
第四部分 岩体的应力历程及稳定性分析


一、围岩的应力历程：
“一次应力场”：开挖坑道前，围岩处于相对应力平衡和 稳定状态，也称“原始应力状态”。 “二次应力场”：开挖坑道后，围岩自稳或支护前，围岩 失去原有的应力平衡和稳定状态，应力状态改变，形成新 的应力状态。“应力重分布” “三次应力场”：围岩自稳或人工支护后，围岩获得新的 应力平衡和稳定状态。 由此我们看出：一次应力场和三次应力场是稳定的应力状 态，二次应力场是从一次应力场到三次应力场的变化状态 。
2、岩体的受压变形特性
压密阶段（OA）：主要是 由岩体中结构面的闭合和 充填物的压缩而产生的， 形成了非线性凹状曲线， 变形模量小，总的压缩量 取决于结构面的性态，且 这部分变形本质上是不能 恢复的，属于不可恢复的 塑性变形。
弹性阶段（AB）：岩 体充分压密后便进入 弹性阶段。所表现出 的弹性变形是岩体的 结构面和结构体共同 产生的，应力-应变关 系呈直线。同时，岩 体的弹性模量也趋近 于整体岩石的数值。
学习资料三 认识围岩的稳定性
上节课回顾

1.看下面的几组洞门图片，请说出洞门的类型。


2.明洞是用明挖法修建的隧道，那么明洞根据地 形地质情况和危害情况的不同，通常采用哪两种 明洞形式？ 拱式明洞和棚式明洞
为什么要研究围岩的稳定性？



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。 二、什么事隧道工程的头等大事？
通过单轴受压图，比较岩石、岩体和软弱结构面的受 压变形特性： ①岩石在大部分时间应力-应变呈线性关系，故以弹性变 形为主。 ②软弱结构面应变增长远大于应力增长，呈非线性关系 ，故以塑性变形为主。
弹性体：在外力作用下，内部各点的应变和应力一一 对应，当外力除去后能恢复到原来状态的物体。 塑性体：受力能变形，外力消失后不再恢复原来形状 的材料。 弹塑性体：物体在外力施加的同时立即产生全部变形 ，而在外力解除的同时，只有一部分变形立即消失，其余 部分变形在外力解除后却永远不会自行消失的性能。
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
(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： 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




地下开挖后由于应力重新分布，引起洞周产生 应力集中现象。①当围岩应力小于岩体强度极 限（脆性岩石）或屈服极限（塑性岩石）时， 洞室围岩稳定；②当围岩应力超过了岩体屈服 极限时，围岩就由弹性状态转化为塑性状态， 形成一个塑性松动圈。在此过程中，原来洞室 周边高应力逐渐向外转移，形成新的应力升高 区。该区岩体挤压得紧密，尤如一圈天然加固 体，故称为承载圈。
弯曲折断
松动解脱 塑性变形
严重风化岩体，强度极低，开挖后，塑性变形不能停止。
脆性破坏—岩爆
岩爆的渐进性破坏过 程很短促.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.


塑性破坏：岩体、土体在外力作用下出现 明显的塑性变形后发生的破坏。事先有明 显的变形和裂缝预兆，可以及时采取措施 予以补救，危险性相对于脆性破坏稍小。 脆性破坏：加载后，无明显变形，因此破 坏前无预兆，断裂时断口平齐，呈有光泽 的晶粒状。脆性破坏危险性大。
三、岩体的结构特性


岩体=结构体+结构面+填充物。
变形主要是结构体的变形，应力传播 具有连续性。 变形主要是结构面的变形，应力传播 不连续。 变形是结构面和结构体的变形，应力 传播从不连续转化为连续。
整体块状结构
层状结构
岩体结构
破碎结构
散体结构
变形是结构面和结构体Biblioteka 变形，应力传 播从不连续转化为连续。
岩体工程性质的特点？
①岩体的变形特性不同于结构体，也不同于结构面 。 ②岩体的变形表现出或强或弱的流变特性。 ③岩体的抗压强度低于岩石的抗压强度，具有明显 的“各向异性”。 ④岩体的抗剪强度主要受岩体结构面的性质和形态 控制。 ⑤岩体的结构特征对其力学性质影响很大，继而影 响岩体的破坏形态。


（1）层理：层理是指岩层中物质的成分、颗粒大小、形 状和颜色在垂直方向发生改变时产生的纹理。岩石层之间 的分割面称为层理面。

（2）片理：又称“片状构造”。指岩石形成薄片状的构 造。

（3）节理：岩层受构造应力作用发生断裂，沿断裂面两 侧的岩层未发生移动或仅发生了微小的错动的断裂构造称 构造裂隙或构造节理，有时简称节理。
第二部分 岩体的工程性质
变形特征 受拉变形、受压变形、受剪 变形。 抗压强度和抗剪强度。 整体和巨块结构、块状和层状 结构、破碎和散体结构。
岩体的工程性 质
强度特征
结构特征
一、岩体的变形特性


1、岩体的受拉变形特性
岩体在拉力作用下，结构面很容易发生断裂或脱离， 其抗拉性能很低或没有抗拉性能。