隧道工程中主要围岩分级及围岩压力

❖ 岩体受剪时的剪切变形特性主要受结构面控制。 根据结构体和结构面的具体形态，岩体的剪切变 形可能有三种方式：
❖ 1、沿结构面滑动 结构面的变形特性即为岩体 的变形特性。
❖ 2、结构面不参与作用，沿结构体岩石断裂。岩石 的变形特性起主导作用。
❖ 3、在结构面影响下，沿岩石剪断。岩体的变形特 性介于上述二者之间。
❖ 根据它们对岩体力学性质和围岩稳定性的影响(称 为岩体的结构效应)，工程地质学中岩体划分为四 大种结构类型：
❖ Ⅰ、整体块状结构 ❖ Ⅱ、块状结构 ❖ Ⅲ、层状结构 ❖ Ⅳ、散体结构
四力场。由于岩体的 自重和地质构造作用，在地下工程开挖前岩体中就 已经存在着一定的地应力场，称之为围岩的初始应 力场。
❖ 地面结构体系一般都是由结构和地基组成，地基在 结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自 外部。
❖ 而地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成的， 即 地下结构＝支护结构＋周边围岩 。
❖ 其中以地层为主，各种围岩都是具有一定自承能力 的介质，即周边围岩在很大程度上是地下结构承载 主体，支护仅用来约束地层，使它不产生过大的变 形而破坏、坍塌。在地层稳固的情况下，体系中可 以不设支护结构而只留下地层，如我国陕北的黄土 窑洞。
❖ 地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本 身——地层，故称为地层压力或围岩压力。
❖ 在地下结构体系中，地层既是承载结构的基本组成 部分，又是造成荷载的主要来源，这种合二为一的 作用机理与地面结构是完全不同的。
一、围岩的力学性质
1.岩体
❖ 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。
❖ 结论：岩体既不是简单的弹性体，也不是简单的塑 性体，而是较为复杂的弹塑性体。整体性好的岩体 接近弹性体，破裂岩体和松散岩体则偏向于塑性体。
❖ 注意：岩体的全应力—应变曲线只有在刚性试验 机上才能测出，普通万能试验机因刚度小，实验 时，试验机的变形量和储存的弹性应变能都比岩 体大。所以，当岩体达到强度极限后，抗力下降， 试验机内存储的弹性变形能就突然释放，并对岩 体产生冲击作用，使其迅速崩溃，无法再继续试 验，测不出岩样破坏后的变形特性。
隧道工程中主要围岩分级及围岩压力
教学基本要求： 1、了解隧道工程中主要的围岩分级方法； 2、掌握影响隧道围岩稳定性的因素； 3、掌握围岩分类中应主要考虑的指标； 4、掌握我国隧道设计中对采用矿山法施工的隧道其围
岩压力的计算方法； 5、了解围岩压力计算方法中的普氏理论和泰沙基法。
第一节 概 述
❖ 隧道和地面结构物如房屋、桥梁、水坝等一样， 也是一种结构体系。但两者之间在赋存环境、力 学作用机理等方面存在着明显的差异。正确地认 识和掌握地质环境对隧道结构的作用和影响是进 行隧道结构体系设计和施工的前提和基础。
3、塑性阶段(BC)
❖ 岩体继续受力，变形发展到弹性极限后便进入塑 性阶段，此时岩体的变形受结构面和结构体变形 的共同制约。延性小的岩体，塑性变形不明显， 达到强度极限后迅速破坏。破裂岩体塑性变形大， 甚至有的从压密阶段直接发展到塑性阶段，而不 经过弹性阶段。
4、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。最后当破坏终止时，出 现弯曲点，应变无约束地增大，但保留一定的强度， 即所谓的残余强度。
三、岩体结构分类及其破坏特征
❖ 地下工程围岩是指地层中受开挖作用影响的那一部 分岩体。在围岩的边界上因开挖而产生的位移应该 为0，这个范围在横断面上约为6-10倍的洞径。
❖ 围岩的工程性质主要是强度与变形两个方面，与岩 体结构、岩石的物理力学特性、原始地应力和地下 水条件有关。围岩主要是各种岩体，也包括土体。
❖ （1）在软弱围岩中，节理和裂隙比较发育，岩体被 切割得很破碎，结构面对岩体的变形和破坏都不起 作用，岩体与结构体岩石特性无本质区别。
❖ （2）在坚硬的块状岩体中，由于受软弱结构面切割， 使块体之间的联系减弱，岩体的力学性质主要由结 构面的性质及其在空间的位置决定。
5.岩体与岩石性质的区别
❖ 岩石几乎可以被认为是均质、连续和各向同性 的介质，而岩体则具有明显的非均质性、不连 续性和各向异性。
2.性质
❖ 围岩的初始应力场经历了漫长的应力历史而逐渐构 成的，并处于相对稳定和平衡状态之中。洞室开挖 后，使得围岩在开挖边界处解除了约束，失去平衡， 此时洞室周边的应力都变为0。其结果引起了洞室变 形，产生应力重分布，形成新的应力场，称为围岩 二次应力场。
1、压密阶段(OA) ❖ 这一阶段的变形主要是由于岩体中结构面的闭合和
充填物的压缩而产生的。随着应力的增加，变形增 长率减小，应力应变关系呈非线性凹状曲线。变形 模量小，总的压缩量取决于结构面的形态。
2、弹性阶段(AB) ❖ 岩体充分压密后便进入弹性阶段。所出现的弹性
变形是岩体的结构面和结构体共同产生的，应力 应变关系呈直线型。
2.地质界面
❖ 地质界面：断层面、层理面、节理面和裂隙面
3.结构体
❖ 工程地质学中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 构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。
4.岩体的力学性质影响因素
❖ 主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特性以 及结构面的特性。环境因素尤其是地下水和地温对 岩体的力学性质影响也很大。
二、岩体的变形特性
❖ 岩体的抗拉变形能力很弱，或者根本就没有，因此， 岩体受拉后立即沿结构面发生断裂。
❖ 岩体的受压变形特性，可以用它在受压时的应力— —应变曲线图8-1(亦称本构关系)来说明。
岩石
C
岩体 B
A 软弱结构面
0
图8-1
❖ 从图中可以看出，岩石的应力—应变曲线线性关系 比较明显，说明它是以弹性变形为主。软弱结构面 的应力—应变曲线呈现出非线性特征，说明了它是 以塑性变形为主。而岩体的应力应变曲线则要复杂 的多了，典型的岩体全应力—应变曲线可以分解为 四个阶段。