围岩分类与围岩压力

第四章围岩分类及围岩压力第一节隧道围岩的概念与工程性质一、隧道围岩的概念围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体(这里所指的岩体是土体与岩体的总称)。

应该指出，这里所定义的围岩并不具有尺寸大小的限制。

它所包括的范围是相对的，视研究对象而定，从力学分析的角度来看，围岩的边界应划在因开挖隧道而引起的应力变化可以忽略不计的地方，或者说在围岩的边界上因开挖隧道而产生的位移应该为零，这个范围在横断面上约为6～10倍的洞径。

当然，若从区域地质构造的观点来研究围岩，其范围要比上述数字大得多。

二、围岩的工程性质围岩的工程性质，—般包括三个方面：物理性质、水理性质和力学性质。

而对围岩稳定性最有影响的则是力学性质，即围岩抵抗变形和破坏的性能。

围岩既可以是岩体、也可以是土体。

本书仅涉及岩体的力学性质，有关土体的力学性质将在《土力学》中研究。

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。

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为大小不等，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和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。

所以，岩体的力学性质性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特征以及结构面的特性。

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。

在众多的因素中，哪个起主导作用需视具体条件而定。

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什么作用，所以，岩体的特性与结构体岩石的特性并无本质区别。

当然，在完整而连续的岩体中也是如此。

反之，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，此时，岩体的力学性质主要受结构面的性质及其在空间的位置所控制。

由此可见，岩体的力学性质必然是诸因素综合作用的结果，只不过有些岩体是岩石的力学性质起控制作用：而有些岩体则是结构面的力学性质占主导地位。

岩体与岩石相比，两者有着很大的区别，和工程问题的尺度相比，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。

关于岩体的力学性质，包括变形破坏特性和强度，一般都需要在现场进行原位试验才能获得较为真实的结果。

但现场原位试验需要花费大量资金和时间，而且随着测点位置和加载方式不同，试验结果的离散性也很大。

因此。

常常用取样在试验室内进行试验来代替。

但室内试验较难模拟岩体真正的力学作用条件。

更重要的是对于较破碎和软弱不均质的岩体，不易取得供试验用的试样。

究竟采用何种试验方法，应视岩体的结构特征而定。

一般来说，破裂岩体以现场试验为主，较完整的岩体以做室内试验为宜。

(一)岩体的变形特性岩体的抗拉变形能力很低。

或者根本就没有，因此，岩体受拉后立即沿结构面发生断裂。

—般没有必要专门来研究岩体的受拉变形特性。

1．受压变形岩体的受压变形特性，可以用它在受压时的应力—应变曲线，亦称本构关系来说明。

我们知道，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—应变曲线则要复杂得多了，图4—1中分别绘出了典型的岩石、软弱结构面和岩体的单轴受压时的全应力—应变曲线。

从图中可以看出：典型的岩体全应力—应变曲线可以分解为四个阶段：(1) 压密阶段(OA)：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，形成了非线性凹状曲线，变形模量小，总的压缩量取决了结构面的性态。

(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。

(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，此时岩体的变形特性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)：应力达到蜂值后，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。

从岩体的全应力—应变曲线的分析中可以看出，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。

2. 剪切变形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性态，岩体的剪切变形可能有三种方式：(1) 沿结构面滑动，所以，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。

所以，岩石的变形特性即起主导作用。

(3) 在结构面影响下，沿岩石剪断。

此时，岩体的变形特性介乎上述二者之间。

试验和实践还发现，无论岩体是受压或受剪切，它们所产生的变形都不是瞬时完成的，而是随着时间的增长逐渐达到最终值的。

岩体变形的这种时间效应，我们称之为岩体的流变特性。

严格来说，流变包括两方面：一种是指作用的应力不变，而应变随时间而增长，即所谓蠕变；另一种则是作用的应变不变，而应力随时间而衰减，即所谓松弛，如图4－2所示。

对于那些具有较强的流变性的岩体，在隧道工程的设计和施工中必须加以考虑。

例如，成渝复线上的金家岩隧道，埋深120m，围岩为泥岩，开挖后围岩基本上是稳定的，并及时进行了初次支护。

但初次支护250天后拱顶下沉达40.2cm，侵入建筑限界，只好挖掉重做。

属于这类的岩体大概有两类：一类是软弱的层状岩体，如薄层状岩体、含有大量软弱层的互层或间层岩体；另一类是含有大量泥质物的，受软弱结构面切割的破裂岩体。

整体状、块状、坚硬的层状等类岩体，其流变性不明显，但是，在这些岩体中为数不多的软弱结构面，具有相当强的流变性，有时将对岩体的变形和破坏起控制作用。

(二) 岩体的强度从上述可知，岩体和岩石的变形、破坏机理是很不相同的，前者主要受宏观的结构面所控制，而后者则受岩石的微裂隙所制约。

因而岩体的强度要比岩石的强度低得多，并具有明显的各向异性。

例如、志留纪泥岩的单轴抗压试验结果将能很好地说明这个问题。

当层面倾角大于50°时，以层间剪切形式破坏；32°～45°时，为轴向劈裂和层间剪切混合形式破坏；小于32°时，为轴向劈裂形式破坏。

由此可见，岩体的抗压强度不仅因层面倾角增大而减小，同时其破坏形式也发生变化，如图4—3所示。

只有当岩体中结构面的规模较小，结合力很强时，岩体的强度才能与岩石的强度相接近。

一般情况下，岩体的抗压强度只有岩石的70～80％，结构面发育的岩体，仅有5～10％。

和抗压强度一样，岩体的抗剪强度主要也是取决于岩体内结构面的性态。

包括它的力学性质、充填状况、产状、分布和规模等。

同时还受剪切破坏方式所制约。

当岩体沿结构面滑移时，多属于塑性破坏。

峰值剪切强度较低，其强度参数(内摩擦角)一般变化于10°～45°之间；(粘结力)变化于0～0.3MPa之间，残余强度和峰值强度比较接近。

沿岩石剪断属脆性破坏。

剪断的峰值剪切强度较上述的高得多，其值约在30°～60°之间，值有高达几十MPa的，残余强度与峰值强度之比随峰值强度的增大而减小，变化于0.3～0.8之间。

受结构面影响而沿岩石剪断，其强度介于上述两者之间。

在τ—σ平面上画出岩体、岩石和结构面的抗剪强度包络线就能看出这三者之间的关系（图4—4）。

第二节围岩的稳定性一、研究围岩稳定性的意义隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广。

包括地层特征，地下水状况，开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力状态，以及地温梯度等。

但对隧道工程来说，最关心的问题则是地层被挖成隧道后的稳定程度。

这是不言而喻的，因为地层稳定就意味着开挖隧道所引起的地层向隧道内的变形很小，而且在较短的时间内就可基本停止，这对施工过程和支护结构都是非常有利的。

地层被挖成隧道后的稳定程度称为隧道围岩的稳定性，这是一个反映地质环境的综合指标。

因此，研究隧道工程地质环境问题，归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题。

二、影响围岩稳定性的因素影响围岩稳定性的因素很多，就其性质来说，基本上可以归纳分为两大类：第一类是属于地质环境方面的自然因素，是客观存在的,它们决定了隧道围岩的质量；第二类则属于工程活动的人为因素，如隧道的形状、尺寸、施工方法、支护措施等等。

它们虽然不能决定围岩质量的好坏，但却能给围岩的质量和稳定性带来不可忽视的影响。

由于下一节述及的围岩分类即是对围岩稳定程度的划分，在围岩分类中必定会考虑到这两大类因素的影响，所以下面不仅简要地说明各项因素对围岩稳定性的影响，还介绍各因素在围岩分类中的作用和地位。

(一) 地质因素。

围岩在开挖隧道时的稳定程度乃是岩体力学似性质的一种表现形式。

因此，影响岩体力学性质的各种因素在这里同样起作用，只是各自的重要性有所不同。

l.岩体结构特征岩体的结构特征是长时间地质构造运动的产物，是控制岩体破坏形态的关键。

从稳定性分类的角度来看，岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示。

在某种程度上它反映了岩体受地质构造作用严重的程度。

实践证明，围岩的破碎程度对坑道的稳定与否起主导作用，在相同岩性的条件下，岩体愈破碎，坑道就愈容易失稳。

因此，在近代围岩分类法中，都已将岩体的破碎或完整状态作为分类的基本指标之一。

岩体的破碎程度或完整状态是指构成岩体的岩块大小，以及这些岩块的组合排列形态。

关于岩块的大小通常都是用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙间距等指标表示。

所谓裂隙率就是指沿裂隙法线方向单位长度内的裂隙数目，裂隙间距则是指沿裂隙法线方向上裂隙间的距离。

在分类中常将裂隙间距大于1.0～1.5m者视为整体的，而将小于0.2m视为碎块状的。

当然，这些数字都是相对的，仅适用于跨度在5～15m范围内的地下工程。

据此，可以按裂隙间距将岩体分为：围岩岩体整体状大块状块石状碎石块土石状松散状松软状d＞1.0m d=0.4～1.0m d=0.2～0.4 d＜0.2md为裂隙间距。

这里所说的裂隙都是广义的，包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。

硅质、钙质胶结的，具有很高节理强度的裂隙不包括在内。

2.结构面性质和空间的组合在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质，以及它们在空间的组合状态。

对于隧道来说，围岩中存在单一的软弱面，一般并不会影响坑道的稳定性。

只有当结构面与隧道轴线相互关系不利时，或者出现两组或两组以上的结构面时，才能构成容易堕落的分离岩块。