中南大学隧道工程隧道围岩分级与围岩压力.pptx
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1、第4章 隧道围岩分级与围岩压力学习本章的学习本章的目的目的:(1 1)要求掌握有关隧道的勘查、设计、构造原理和有关计算方法;)要求掌握有关隧道的勘查、设计、构造原理和有关计算方法;(2 2)理解隧道围岩稳定性的影响因素及其与施工方法的关系;)理解隧道围岩稳定性的影响因素及其与施工方法的关系;(3 3)了解隧道围岩分级时考虑的因素。)了解隧道围岩分级时考虑的因素。第1页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.1 4.1 隧道围岩的概念与工程性质隧道围岩的概念与工程性质 4.2 4.2 围岩的稳定性围岩的稳定性 4.3 4.3 围岩分级围岩分级 4.4 4.4 围岩压力的确定围岩压力的确定第2
2、页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.1 隧道围岩的概念与工程性质隧道围岩的概念与工程性质4.1.14.1.1围岩的概念围岩的概念 围岩围岩:隧道开挖后对其隧道开挖后对其稳定性稳定性产生影响的那部分岩产生影响的那部分岩(土土)体。体。说明:说明:围岩既指岩体也指土体。围岩既指岩体也指土体。4.1.24.1.2围岩的工程性质围岩的工程性质 物理物理 工程性质工程性质 水理水理 力学力学第3页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力岩石与岩体的区别:岩石与岩体的区别:岩石:均质、连续、各向同性岩石:均质、连续、各向同性 岩体:非均质、不连续、各向异性岩体:非均质、不连续、各向异性 岩体力学
3、性质获取的方式:岩体力学性质获取的方式:现场试验:真实、费时、费钱现场试验:真实、费时、费钱 室内试验:不易取样、代表性差室内试验:不易取样、代表性差 问题:问题:1.1.结构计算与力学性质的关系?结构计算与力学性质的关系?2.2.隧道结构计算的难点?隧道结构计算的难点?第4页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力1、岩体的变形特性 受拉、受压、剪切、流变受拉、受压、剪切、流变 问题:岩体能受拉吗?问题:岩体能受拉吗?1)受压变形 岩石:线性、弹性岩石:线性、弹性 软弱结构面:非线性、塑性软弱结构面:非线性、塑性 岩体:弹塑性体,见下图。岩体:弹塑性体,见下图。第5页/共75页第4章 隧道围
4、岩分级与围岩压力第6页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力2)剪切剪切变形形 (1)(1)沿结构面滑动沿结构面滑动 (2)(2)岩石的断裂岩石的断裂 (3)(3)在结构面的影响下沿岩石剪断在结构面的影响下沿岩石剪断第7页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力3)流变特性 蠕变:蠕变:指应力不变,而应变随时间增长。指应力不变,而应变随时间增长。松弛松弛:应变不变,而应力随时间而衰减:应变不变,而应力随时间而衰减问题:围岩流变特性对隧道的影响?问题:围岩流变特性对隧道的影响?第8页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力2 2、岩体强度、岩体强度 岩石强度:通过试件获得。岩石强度:通过试件获
5、得。岩体强度:低于岩石强度,岩体强度:低于岩石强度,约为岩石强度的约为岩石强度的70708080。第9页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.2 围岩的稳定性围岩的稳定性4.2.1 4.2.1 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。第10页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力围岩级别的工程作用:围岩级别的工程作用:判断围岩稳定性。判断围岩稳定性。判断施工难易程度,投资依据。判断施工难易程度,投资依据。结构分析计算的依据结构分析计算的依据第11页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩
6、压力4.2.2 4.2.2 影响围岩稳定性的因素影响围岩稳定性的因素 地质因素客观因素地质因素客观因素 人为因素主观因素、工程因素人为因素主观因素、工程因素第12页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力1 1、地质因素、地质因素 从从5 5个方面来分析:个方面来分析:岩体结构特征岩体结构特征 结构面性质和空间的组合结构面性质和空间的组合 岩石的力学性质岩石的力学性质 地下水的影响地下水的影响 围岩的初始应力状态围岩的初始应力状态第13页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力岩体结构特征岩体结构特征指岩体的破碎程度或完整状态。指岩体的破碎程度或完整状态。破碎程度:破碎程度:裂隙率、裂隙间距。
7、裂隙率、裂隙间距。裂隙是广义的:包括层理、节理、断裂及夹层等结构裂隙是广义的:包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。面。完整状态:完整状态:整块状、大块状等。整块状、大块状等。按这按这2 2个指标有下图:个指标有下图:第14页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力 结构面性质和空间组合结构面性质和空间组合 性质性质 1)1)结构面的成因;结构面的成因;2)2)结构面的光滑程度;结构面的光滑程度;3)3)结构面的物质组成;结构面的物质组成;4)4)结构面的规模;结构面的规模;5)5)结构面的密集度。结构面的密集度。空间组合空间组合 指结构面的相互位置状态。指结构面的相互位置状态。问题:问题:软弱
8、结构面有怎样的害处?软弱结构面有怎样的害处?什么是不利空间组合?什么是不利空间组合?第15页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力第16页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力 岩石的力学性质岩石的力学性质 主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度R Rb b。岩石强度越高,隧道越稳定。岩石强度越高,隧道越稳定。(4)(4)围岩的初应力状态围岩的初应力状态 初始应力是隧道围岩变形、破坏的根本作用力。初始应力是隧道围岩变形、破坏的根本作用力。已初步将初始应力考虑进围岩分级之中。已初步将初始应力考虑进围岩分级之中。在高的初始应力场条件下,围岩级别应适当降低。在高的初始应
9、力场条件下,围岩级别应适当降低。第17页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力 地下水的影响地下水的影响 软化围岩;软化围岩;减少层间摩阻力促使岩块滑动;减少层间摩阻力促使岩块滑动;具膨胀性的围岩,遇水后产生膨胀等。具膨胀性的围岩,遇水后产生膨胀等。第18页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力2 2、人为因素、人为因素 隧道形状和尺寸隧道形状和尺寸 支护结构类型支护结构类型 施工方法施工方法 第19页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力第20页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.3 围岩分级围岩分级4.3.1 4.3.1 概概 述述 围岩分级:围岩分级:根据岩体的若干指标,按
10、照稳定性将围岩分成不同的根据岩体的若干指标,按照稳定性将围岩分成不同的级别。级别。工程目的工程目的:(1 1)结构设计依据)结构设计依据 (2 2)施工方法依据)施工方法依据 (3 3)工程造价依据)工程造价依据第21页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力围岩分级的发展过程:围岩分级的发展过程:第22页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力其它分级法:其它分级法:总结:总结:早期仅岩石强度;早期仅岩石强度;现在综合多种因素,如岩体构造、岩石强现在综合多种因素,如岩体构造、岩石强度、度、RQD指标等。指标等。第23页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.3.24.3.2围岩分级方法围
11、岩分级方法 3 3个基本因素:个基本因素:岩性:岩性:抗压强度、弹性模量、弹性波速等。抗压强度、弹性模量、弹性波速等。地质构造:地质构造:岩体完整性或结构状态。岩体完整性或结构状态。地下水:地下水:地下水发育时,围岩级别应降低。地下水发育时,围岩级别应降低。1 1个附加因素:个附加因素:初始地应力:初始地应力:适当考虑。适当考虑。第24页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力(一)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法(一)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法 1 1.以岩石强度为基础的分级法以岩石强度为基础的分级法 代表:代表:土石分类法坚石、次坚石、松石、土。土石分类法坚石、次坚石
12、、松石、土。2.2.以岩石物性指标为基础的分级法以岩石物性指标为基础的分级法 代表:代表:岩石坚固性系数岩石坚固性系数(f(f值值)分级法普氏法分级法普氏法 f f值:一个综合的物性指标值,如岩石的抗钻性、值:一个综合的物性指标值,如岩石的抗钻性、抗爆性、强度等。抗爆性、强度等。但核心还是岩石强度。但核心还是岩石强度。第25页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力(二二)以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法 代表:代表:泰沙基法泰沙基法考虑围岩的完整状态和岩性,共考虑围岩的完整状态和岩性,共9 9级。级。我国交通隧道围岩分级法我国交通隧道围岩分级法借鉴了泰
13、沙基法,考虑岩体综合物性,共借鉴了泰沙基法,考虑岩体综合物性,共6 6级。级。第26页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力(三)与地质勘探手段相联系的分级方法(三)与地质勘探手段相联系的分级方法 代表:代表:弹性波速分级法弹性波速分级法波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标,波速越高,围岩波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标,波速越高,围岩越好。越好。第27页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力岩石质量指标岩石质量指标RQDRQD指标也是反映岩性与岩体结构的一项综合指标。指标也是反映岩性与岩体结构的一项综合指标。RQDRQD指标的具体含义为岩芯复原率指标的具体含义为岩芯复原率:第28
14、页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力(四四)组合多种因素的分级方法组合多种因素的分级方法 代表:代表:岩体质量分级法岩体质量分级法 巴顿等人提出的巴顿等人提出的“岩体质量岩体质量Q Q”分级法。表达如下:分级法。表达如下:组合了组合了6 6个参数:个参数:岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数。节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数。第29页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力(五五)我国铁路与公路隧道的围岩分级方法我国铁路与公路隧道的围岩分级方法 1.1.铁路隧道铁路隧道 沿革沿革 岩体综合分类岩体
15、综合分类6060年代,成昆线,五类。年代,成昆线,五类。隧道围岩分类隧道围岩分类7474年版,首部铁路隧道规范,六类。年版,首部铁路隧道规范,六类。隧道围岩分类隧道围岩分类8686年版,加入围岩弹性波速指标。年版,加入围岩弹性波速指标。隧道围岩分级隧道围岩分级9999年版,采用国标分级排序,改称年版,采用国标分级排序,改称“围岩分级围岩分级”,六级。,六级。隧道围岩分级隧道围岩分级20012001年版,不变。年版,不变。隧道围岩分级隧道围岩分级20052005年版,不变。年版,不变。第30页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力 分级的理论基础分级的理论基础 以围岩的稳定性判断为基础以围岩的
16、稳定性判断为基础。属于属于“以岩体构造和岩性特征为代表以岩体构造和岩性特征为代表”的分级的分级方法。方法。主要考虑主要考虑4 4种因素:种因素:岩石坚硬程度岩石坚硬程度 围岩完整状态围岩完整状态 地下水地下水 围岩初始地应力围岩初始地应力 基本分级基本分级 修正基本分级修正基本分级 最终分级最终分级 基本分级修正基本分级第31页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力 基本分级基本分级 依据:围岩主要工程地质条件,由两条组成:依据:围岩主要工程地质条件,由两条组成:岩石坚硬程度岩石坚硬程度 软硬岩分界指标:软硬岩分界指标:30Mpa 30Mpa R Rb b30 30 硬岩硬岩 5 R5 Rb
17、 b30 30 软岩软岩 R Rb b 5 5 极软岩极软岩 围岩完整程度围岩完整程度 指标指标1 1:结构面发育程度:结构面发育程度 指标指标2 2:地质构造影响程度:地质构造影响程度 由此两指标,将岩体完整程度分为由此两指标,将岩体完整程度分为5 5个级别,见下表:个级别,见下表:第32页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力岩体完整程度的划分岩体完整程度的划分 第33页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力围岩受地质构造影响程度等级划分围岩受地质构造影响程度等级划分第34页/共75页第4章 隧道围岩分级与围岩压力围岩节理(裂隙)发育程度划分围岩节理(裂隙)发育程度划分第35页/共75
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