隧道工程第5章-围岩分级与围岩压力

5-20
35-50
35-50
8-50
10-50
石灰岩 50-200
片麻岩
50-200
5-20
30-50
3-5
白云岩 80-250 100250
15-25
35-50
20-50
板 岩
60-200
7-15
45-60
2-20
大理岩
7-20
35-50
15-30
围压不大时，强度包络线常可视为一直线，即库伦准则， 可得：
现场试验：真实、费时、费钱 室内试验：不易取样、代表性差
1.隧道结构计算的难点？
5.1 隧道围岩的概念与工程性质
工程性质
1、岩体的变形特性
受拉、受压、剪切、流变
受压变形
岩石：线性、弹性 软弱结构面：非线性、塑性 岩体：弹塑性体，见下图。
5.1 隧道围岩的概念与工程性质

工程性质
岩体： ①压密阶段(OA) ②弹性阶段(AB) ③塑性阶段(BC) ④破裂和破坏阶段(CD)
0.65~0.94 0.75~0.97
0.44~0.84 0.39~0.52
石英岩
24.0~28.0
0.1~8.7
0.1~1.5
0.94~0.96
知识点回顾
岩石与岩体的区别： 岩石：通常是由不同矿物，经由各种地质作用而构 成的。 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。它由许许多多 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。
土体
整体块
大块体
块石状
d>1.0cm
碎石块
土石块
松散状
松软状
d=0.4-1.0cm
d=0.2-0.4cm
d<0.2cm
归入土类
d为裂缝间距
5.2 隧道围岩稳定性
影响因素
结构面性质和空间组合
● 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
意义
5.2.1 研究围岩稳定性意义
围岩的稳定性：隧道开挖后，在不支护条件下围岩的稳定性。
问题：什么是隧道工程的头等大事？
研究围岩的稳定性，如何促使围岩稳定。
5.2 隧道围岩稳定性
影响因素
5.2.2 影响围岩稳定性因素
⑴地质因素～客观因素
岩体结构特征 岩石的力学性质
结构面性质和空间的组合
地下水的影响 围岩的初始应力状态
d L
常见岩石的变形模量和泊松比
变形模量/104MPa 岩石名称 初始 弹性 泊松比 岩石名称 初始 弹性 变形模量/104MPa 泊松比
花岗岩
流纹岩 玄武岩
2~6
2~8 6~10
5~10
5~10 6~12
0.2~0.3
0.1~0.25 0.1~0.35
页 岩
砂 岩 砾 岩
1~3.5
0.5~8 0.5~8
1m 3 tan2 (45 / 2) 2C tan(45 / 2)
思考：1.单轴抗压强度和三轴抗压强度，谁个强度大？
τ
岩石莫尔强度包络线
υ υ1
2
σc σc
σ1 σ3 σ1 σ3 σ
O
σc
知识点回顾
岩石的变形性质
弹性变形
岩石变形 塑性变形 流变变形
知识点回顾
5.3 围岩分级——重点/掌握
5.4 围岩压力计算——重点/难点/掌握
5.1 隧道围岩的概念与工程性质
基本概念
什么是围岩？——隧道开挖后对其稳定性产 生影响的那部分岩(土)体，叫围岩。围岩既 指岩体也指土体。 隧道围岩分级作用——
①判断围岩稳定性
②判断施工难易程度，投资依据
③结构分析计算的依据
5.1 隧道围岩的概念与工程性质
0.1-0.24
0.06-0.19 0.15
0.09
常见岩石的强度指标值
抗压强 度Rc /MPa
100-250 180-300
岩石 名称
抗拉强 度Rt /MPa
7-25 15-30
摩擦角 内聚力 Ф C /MPa (°)
45-60 45-60 14-50 10-50
岩石 名称
抗压强 度Rc /MPa
岩石的饱和吸水率是表示岩石物理性质的一个重要指标。 它反映了岩石总开空隙的发育程度，可间接地用它来判定岩 石的抗风化能力和抗冻性。 饱水系数是指岩石的吸水率与饱和吸水率的比值。
知识点回顾
4．岩石的软化性 指岩石浸水饱和后强度降低的性质，用软化系数ηc表示。 即岩石试件的饱和抗压强度（Rc）与干抗压强度（σc）的比 值，即:
0.5~27.0
1.0~10.0
0.1~4.5
0.5~3.0
0.70~0.94
0.44~0.54
白云岩 片麻岩
石英片岩 泥质板岩
21.0~27.0 23.0~30.0
21.0~27.0 23.0~28.0
0.3~25.0 0.7~2.2
0.7~3.0 0.1~0.5
0.1~3.0 0.1~0.7
0.1~0.3 0.1~0.3
i E i
式中
σi为应力-应变曲线上任一点 i 的轴向应力
ei为应力-应变曲线上任一点 i 的轴向应变。
当应力-应变为非直线关系时，岩石的变形模量为一变 量即不同应力段上的变形量不同。常用的有如下几种：初始 模量、割线模量、切线模量
1)初始模量(Ei)指曲线原点处的切线斜率，即:
i Ei i
23.0~28.0 25.2~29.6 25.0~31.0 24.0~26.6 22.0~27.1 23.0~26.2
0.4~0.5 0.2~0.5 0.5~7.2 0.8~10.0 1.6~28.0 0.4~10.0
0.1~0.4 0.3~5.0 0.3~2.8 0.3~2.4 0.2~9.0 0.5~3.2
知识点回顾
岩石的强度性质
岩石抵抗外力破坏的能力称为岩石的强度。 岩石的破坏 拉破坏
剪切破坏
流动破坏 岩石的强度
单轴抗压强度
单轴抗拉强度 剪切强度
抗拉<抗剪<抗压
三轴压缩强度
岩石的几种强度与抗压强度比值
岩石名称
页 岩
与抗压强度的比值
抗拉强度(可取1/10)
0.06-0.325
总空隙率
n
Vv 100% (1 d ) 100% V sat
一般岩石空隙率系指总空隙率。 空隙率愈大,岩石的强度愈小、塑性变形和渗透性恶化.
知识点回顾
3．岩石的吸水性—对比土的含水率 指在一定的试验条件下岩石吸收水分的能力，常用吸水率与 饱水系数指标表示。 岩石的吸水率（wa）指岩石试件在一个大气压和室温条件 下自由吸入水的重量（Ww1）与岩样干重量（Ws）之比的百分 率，即
2~8
1~10 2~8
0.2~0.4
0.2~0.3 0.2~0.3
石英岩
6~20
6~20
0.1~0.25
石灰岩
1~8
5~10
0.2~0.35
片麻岩
Βιβλιοθήκη Baidu1~8
1~10
0.22~0.35
白云岩
4~8
4~8
0.2~0.35
板 岩
2~5
2~8
0.2~0.3
大理岩
1~9
1~9
0.2~0.35
还有一些从不同角度反映岩石变形性质的参数。如剪切 模量G、弹性抗力系数K、体积模量KV、拉梅常数λ等。这些 参数与变形模量（E）及泊松比（μ）之间有如下关系:
抗剪强度
0.25-0.48
抗弯强度
0.22-0.51
砂质页岩
砂 岩 石灰岩 大理岩 花岗岩 石英岩
0.09-0.18
0.02-0.17 0.01-0.067 0.08-0.226 0.02-0.08 0.06-0.11
0.33-0.545
0.06-0.44 0.08-0.10 0.272 0.08 0.176
⑵人为因素～主观因素、工程因素
隧道形状和尺寸 支护结构类型 施工方法
5.2 隧道围岩稳定性
影响因素
岩体结构特征
指岩体的破碎程度或完整状态。
●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。
按这2个指标有下图（适用跨度5-15m）：
围岩
岩体
《隧 道 工 程》
第五章 围岩分级与围岩压力
第5章 隧道围岩分级与围岩压力
学习本章的目的： （1）了解隧道围岩的概念和工程性质 （2）理解隧道围岩稳定性的影响因素 （3）掌握隧道围岩分级的方法 （4）掌握隧道围岩压力的计算方法
第5章 隧道围岩分级与围岩压力
5.1 隧道围岩的概念与工程性质 5.2 围岩的稳定性
问题：围岩流变特性对隧道的影响？
岩体的流变
5.1 隧道围岩的概念与工程性质
工程性质
2、岩体强度
岩石强度：通过试件获得。
岩体强度：低于岩石强度，约为岩石强度的70～80％。
第5章 隧道围岩分级与围岩压力
5.1 隧道围岩的概念与工程性质 5.2 围岩的稳定性 5.3 围岩分级 5.4 围岩压力计算
5.2 隧道围岩稳定性
W V
式中 γ——岩石重度（kN/m3）；
W——岩石试件的重量（kN）； V——试件的体积（m3）。
分干重度γd、天然重度γ和饱和重度γsat. 在未指明含水状态时,一般是指岩石的天然重度.
知识点回顾
2．岩石的空隙性 岩石中的孔隙及裂隙统称为岩石的空隙。有开型空隙和闭 型空隙之分。把岩石的空隙率分为总空隙率（n）、开空隙率 （no）及闭空隙率（nc）：
岩石的变形参数：变形模量和泊松比等。 变形模量是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变 之比，其确定方法如图。
σ
P σ =A Et
P
ΔL
σ σi
i
σ2 σ 50
Es
σi
O
E= ε
ε =
L
ΔL
L
ε
i
ε a)
L
P
A
σ1 σi
O
Ei
ε 1 ε 50ε 2 ε b)
i
ε
L
岩石变形模量确定方法示意图
当岩石应力-应变为直线关系时，岩石的变形模量E为：
10-100 20-200
抗拉强 度Rt /MPa
2-10 4-25
摩擦角 Ф (°)
15-30 35-50
内聚力 C /MPa
3-20 8-40
花岗岩 流纹岩
页 岩 砂 岩
玄武岩
石英岩
150-300
150-350
10-30
10-30
48-55
50-60
20-60
20-60
砾 岩
10-150
2-15
岩石
C 岩体 B A 软弱结构面
0
典型岩体全应力应变曲线

5.1 隧道围岩的概念与工程性质
工程性质
剪切变形
(1) 沿结构面滑动 (2) 岩石的断裂 (3) 在结构面的影响下沿岩石剪断
5.1 隧道围岩的概念与工程性质
工程性质
流变特性
●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
Ww1 wa 100% Ws
岩石的吸水率大小主要取决于岩石中空隙和裂隙的数量、大 小及其开启程度，同时还受到岩石成因、时代及岩性的影响。
知识点回顾
岩石的饱和吸水率（wsa）是指岩石试件在高压（一般压
力15MPa）或真空条件下吸入水的重量（Ww2）与岩样干重
量（Ws）之比的百分率，即
Ww2 wsa 100% Ws
E G 2(1 )
E K 3(1 ) RO
E (1 )(1 2 )
E Kv 3(1 2 )
式中
R0——为地下洞室半径。
5.1 隧道围岩的概念与工程性质
工程性质
岩石与岩体的区别：
岩石：均质、连续、各向同性 岩体：非均质、不连续、各向异性
岩体力学性质获取的方式：
基本概念
围岩的概念
围岩:隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩(土)体。 说明：围岩既指岩体也指土体。
围岩包含的范围？
5.1 隧道围岩的概念与工程性质
工程性质
围岩的工程性质
物理 工程性质 水理
力学
知识点回顾
岩石的物理性质
1．岩石的重度
与密度的关系？
指单位体积内岩石的重量，单位为kN/m3。
c
Rc
c
岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性，岩石均 具有不同程度的软化性。 一般认为，软化系数ηc<0.75的岩石是软化性较强和工程 地质性质较差的岩石。
常见岩石的物理性质指标表
岩石类型
花岗岩 闪长岩 玄武岩 砾 岩 砂 岩 页 岩 岩石重度 γ/（kN/m3） 空隙率 n （% ） 吸水率 wa (%) 软化系数 ηc
指结构面的相互位置状态。 问题： 软弱结构面有怎样的害处？ 什么是不利空间组合？
5.2 隧道围岩稳定性
0.72~0.97 0.60~0.80 0.3~0.95 0.50~0.96 0.65~0.97 0.24~0.74
表4-3 常见岩石的物理性质指标表 岩石类型
岩石重度 γ/（kN/m3） 空隙率 n （% ） 吸水率 wa (%)
(续)
软化系数 ηc
石灰岩
泥灰岩
23.0~27.7
21.0~27.0
2)切线模量(Et)指曲线上任一点处切线的斜率，一般 特指中部直线段的斜率，即
2 1 Et 2 1
3)割线模量(Es)指曲线某特定点与原点连线的斜率，通 常取σc / 2处的点与原点连线的斜率，即
50 Es 50
泊松比是指在单轴压缩条件下，横向应变与轴向 应变之比，即