7第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究.

授课题目第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究

教学目的要求掌握围岩压力和弹性抗力的基本概念和确定方法、地下洞室围岩工程地质分类的原则和方法;了解地下洞室开挖前后的应力特征;掌握洞室围岩的变形与破坏、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素;了解改善地下洞室围岩稳定性的措施。

主要内容第一节地下洞室开挖前后的应力特征

一、应力重分布的特征

二、围岩的松动圈和承载圈

第二节洞室围岩的变形与破坏

第三节影响地下洞室围岩稳定性的地质因素

一、地形条件geographic conditions

二、岩性条件rock and soil engineering characters

三、地质构造条件geologecal structure conditions

四、地下水(水文地质hydrogeological conditions

五、地应力(natural stress

第四节围岩压力

第五节水工隧洞围岩的承载力

第六节地下洞室围岩工程地质分类

第七节改善地下洞室围岩稳定性的措施

重点与难点洞室围岩的变形与破坏、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素,岩压力和弹性抗力的基本概念和确定方法。

教学方法

手段(教具

参考资料1戚筱俊.工程地质及水文地质.北京:中国水利水电出版社,1997

2陈德基主编.水利工程勘测分册.北京:中国水利水电出版社,2004

3崔冠英主编,水利工程地质,北京:中国水利水电出版社,1999.

4左建,郭成久等主编.水利工程地质.北京:中国水利水电出版社,2004 5孙文怀.工程地质与岩石力学.北京:中央广播电视大学出版社,2002 6李智毅,杨裕云主编.工程地质学概论.武汉:中国地质出版社,1994 7张倬元,王士天,王兰生编著.工程地质分析原理.北京:地质出版社, 1981

8胡厚田.土木工程地质.北京:高等教育出版社,2001

课后作业与

思考题

第七章课后思考题与练习题1、2、4、6、8题;教学后记

讲稿

教学过程时间

分配

第七章地下洞室围岩稳定问题

第一节地下洞室围岩应力重分布

一、应力重分布的特征

地下洞室(underground cavern 开挖前,岩体内的应力状态称为初始应力状态。开挖后,由于洞室周围岩体失去了原有的支撑,破坏了原来的受力平衡状态,围岩将向洞内产生松胀位移,从而引起洞周围一定范围内岩体的应力重新调整,形成新的应力状态。该应力称重分布应力、二次应力或围岩应力(stress of country rock。

直接影响围岩稳定的是二次应力状态,它与岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性等因素有关。在简单情况下,假定岩体为弹性介质,对于侧压力系数(水平应力与垂直应力的比值λ=1的圆形洞室,围岩中任一点的应力(图7—2可用公式7-4计算。

从式(7—4可知,当A 点处于洞壁,即R =r 时,σr =o ,σθ=2σ。因此,围岩应力重分

布的特征,是径向应力减小至洞壁处为零,切向应力集中,当λ=1时,洞壁处的切向应力约为初始应力的2倍左右。应力重分布的范围,一般为3倍洞径左右(图7—3,在此范围外,岩体仍处于初始应力状态,不受开挖影响。通常所说的围岩,就是指洞周受应力重分布影响范围内的岩体。

二、围岩的松动圈和承载圈

洞室开挖后围岩的稳定性,取决于二次应力与围岩强度之间的关系。如果洞周边应力小于岩体的强度,围岩稳定。否则,周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。围岩一旦松动,如不加支护,则会向深部发展,形成具有一定范围的应力松弛区,称为塑性松动圈。在松动圈形成过程中,原来周边集中的高应力逐渐向深处转移,形成新的应力增高区,该区岩体被挤压紧密,称为承载圈。此圈之外为初始应力区。

第二节地下洞室围岩的变形与破坏

由于岩体在强度和结构方面的差异,洞室围岩变形(deformation与破坏的形式多种多样,主要的形式有脆性破裂、块体滑移、弯曲折断、松动解脱、塑性变形等。上述的变形破坏形式与围岩的结构类型有关。

1.坚硬完整岩体(firm rock的脆性破裂(fragility fragment

在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室,围岩一般是稳定的。但是在高地应力地区,经常产生岩爆现象(rock popping。岩爆形成的机理是很复杂的,它是储存有很大弹性应变能的岩体,在开挖卸荷后,能量突然释放所形成的,它与岩石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状等因素有关。在坚硬岩体中易于发生岩爆。

岩爆的防治措施,一般有松动爆破或超前钻孔法降低围岩的应力、加固围岩或用注水法等提高围岩塑性变形的能力。

2.块体滑移(slippage

块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。这类破坏常以结构面交切组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。分离块体的稳定性取决于块体的形状有无临空条件、结构面的光滑程度及是否夹泥等。

3.层状弯折和拱曲

岩层的弯曲折断,是层状围岩变形失稳的主要形式。

1平缓岩层(mild rock layer,当岩层层次很薄或软硬相间时,顶板容易下沉弯曲折断(图7—7a。平缓岩层顶板的稳定性还与洞顶有无纵向切割有关。如洞顶被高角度断层或节理纵向切割,则造成了组合悬臂梁形式,稳定性大为降低。

2在倾斜层状(dip rock layer围岩中,当层间笙合不良时,顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断,逆倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块(图7—7b。法国某矿山巷道,岩层倾角300~ 400,岩性软弱,结果在巷道侧上方形成了很大的倾斜压力,使间距

0.5m的工字钢支护压垮。

3在陡倾(steep或直立perpendicularity岩层中,因洞周的切向应力与边墙岩层近于平行,所以边墙容易凸邦弯曲(图7—7c。在这种条件下,如洞室轴线与岩层走向有一定的交角,边墙的稳定性将得到改善。