地下工程的工程地质问题课件

1、任务8地下工程的工程地质问题8.1概述8.2岩体、岩体结构及地应力的概念8.3围岩与围岩应力的变化规律8.4 洞室围岩的变形及其破坏的基本类型8.5地下工程特殊地质问题返回第1页，共26页。.概述地下洞室:地下洞室是在岩土体内,为各种目的经人工开凿形成的地下工程构筑物.年月,中国工程院环境委员会成立大会上,钱七虎院士提出:世纪是桥的世纪,世纪是高层建筑的世纪,世纪是地下洞室开发利用的世纪.研究实质:岩土体在开凿洞室后,应力、应变的分布和变形情况.地下洞室的稳定性,必然与地质条件密切相关,因此就是要求有充分可靠的地质资料,作为分析岩体稳定性和进行结构设计、选择施工方法及处理措施的基础.返回第2页

2、，共26页。.岩体、岩体结构及地应力的概念.岩体与岩体结构.岩体的概念岩体是指与工程活动有关的那部分地壳,因此,岩体的范围大小取决于工程的形状、位置、类型与规模.按照岩体对工程所起的作用,可以把岩体分为三大类:地基岩体、边坡岩体和周围岩体.地基岩体是指房屋、桥梁、路基等建筑物基础下面的岩体;边坡岩体是指因路堑边坡等人工开挖而暴露出来的斜坡岩体;周围岩体是指隧道等地下工程周围的岩体.岩石与岩体的相互关系地壳由岩石组成,岩体是地壳的一部分,因此岩体也是由岩石组成的.下一页返回第3页，共26页。.岩体、岩体结构及地应力的概念但岩体和岩石不同:可以把岩石理解为一种材料,岩石的工程性质主要取决于它的矿物

3、成分、结构与构造,因此,其特征完全可以通过手标本进行描述和试验,基本上把岩石看作是连续的、均质的,且多为各向同性的.岩体是由各种岩石块体组合而成的“岩石结构物”,它的主要特点是不连续性、非均质性和各向异性.它的工程性质不仅取决于组成它的岩石,更重要的是取决于它的不连续性,因此,其特征不能只用一块手标本进行描述和试验,而需要进行大量的现场观测和多方面的室内外试验才能确定.岩体结构上一页下一页返回第4页，共26页。.岩体、岩体结构及地应力的概念()结构面.结构面主要是指存在于岩体中的各种地质界面,包括各种破裂面(劈理、节理、断层、风化裂隙面等)、物质分异面(层理、沉积间断面等)以及软弱夹层、软弱带

4、等.结构面是各种地质作用的产物,不同的结构面具有各自的特征.结构面类型.根据结构面的成因,一般将其分为成岩(或原生)结构面、构造结构面和次生结构面三种类型.a. 成岩结构面又可分为火成结构面、沉积结构面和变质结构面.火成结构面多数是物质分界面,如侵入体与围岩的接触面、岩浆岩体之间的接触面等,也有破裂性结构面,如岩浆迅速冷凝收缩而成的原生节理面;沉积结构面主要是指层理面、不整合面等物质分界面;变质结构面主要是指板状、千枚状及片状、片麻状岩石的片理面.上一页下一页返回第5页，共26页。.岩体、岩体结构及地应力的概念b. 构造结构面.构造结构面是指在构造应力作用下形成的,主要包括断层面、节理面、劈理

5、面等.构造结构面各有其力学成因,相互间有一定的成因联系,在空间分布上也有一定的规律.构造结构面按其力学成因可分为压性的、张性的、扭性的、压扭性的和张扭性的五种.c. 次生结构面也多为破裂面.其包括风化裂隙面、卸荷裂隙面、爆破裂隙面、滑坡裂隙面、溶蚀裂隙面等.结构面的特征.a. 产状:结构面在空间的分布状态.b. 间距:同一组相邻结构面之间的垂直距离.上一页下一页返回第6页，共26页。.岩体、岩体结构及地应力的概念c. 持续性:表示在一个暴露面上能见到的结构面迹线的长度.d. 粗糙度:相对于结构面平均平面的平整光滑程度.e. 结构面壁强度:结构面相邻岩壁的等效抗压强度.f. 裂缝开度:张开结构面

6、相邻岩壁间的垂直距离.g. 充填物:充填于结构面相邻岩壁间的物质.h. 渗透:水沿岩石孔隙和导水结构面的流动.()结构体:即岩体中被结构面切割而成的岩石块体.结构体的形状及大小.结构体的形状取决于结构面的组数及其产状.在沉积岩中有可能形成比较规则的结构体形状,但在一般情况下,很难形成规则的几何形状.上一页下一页返回第7页，共26页。.岩体、岩体结构及地应力的概念常见的形状有立方体、四面体、菱面体、板状、柱状及楔状六种.结构体的大小由结构面组数及各组间距决定.巨大岩块组成的岩体不易变形;小的岩块可能引起类似土的潜在破坏形式,由通常伴随着不连续岩体出现的平移或倾倒式破坏,变为圆弧-旋转型破坏,在极

7、个别情况下,极小的“岩块”可能产生流动破坏.结构体与工程的相对位置.如果结构体的形状和大小相同,当其产状不同时,在同一个工程部位有不同的稳定性;当产状相同而处于不同的工程部位时,也有不同的稳定性.()岩体结构的基本类型及其工程性质.岩体的工程性质与岩石的工程性质和结构面的工程性质密切相关.上一页下一页返回第8页，共26页。.岩体、岩体结构及地应力的概念对于岩性较好的坚硬岩石组成的岩体,其工程性质主要取决于结构面的工程性质;对于岩性较差的弱软岩石组成的岩体,其工程性质一般受岩石工程性质的控制.根据结构面及结构体的不同特征,可划分出整体块状结构岩体、层状结构岩体、碎裂结构岩体和散体结构岩四种类型,

8、其工程性质也不相同.整体块状结构岩体的工程性质.整体块状结构岩体因其结构面稀疏、延展性差、结构体块度大且常为硬质岩石,因此整体强度高,变形特性接近于各向同性的均质弹性体,变形模量、承载能力及抗滑能力都较高,抗风化能力也较强,故其具有良好的工程性质.层状结构岩体的工程性质.上一页下一页返回第9页，共26页。.岩体、岩体结构及地应力的概念层状结构岩体中结构以层面及不密集的节理为主,结构面多为闭合至微张状,一般风化微弱,结合力不强,结构体块度较大且保持着母岩岩块性质,因此这类岩体总体变形模量和承载力较高,但当结构面结合力不强或有软弱夹层存在时,则其强度和变形特性都具有各向异性的特点.一般沿层面方向比

9、垂直于层面方向强度低.碎裂结构岩体的工程性质.碎裂结构的岩体中,节理、裂隙发育,常有泥质充填物质,结合力不强,岩体的完整性破坏较大,其工程性质较差.散体结构岩体的工程性质.散体结构岩体的裂隙很发育,岩体十分破碎,工程性质极差,可按碎石土来分析其工程性质.上一页下一页返回第10页，共26页。.岩体、岩体结构及地应力的概念.地应力及其特征()地应力:地应力指地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力,也称为天然应力、原岩应力、初始应力、一次应力.由于工程开挖,一定范围内岩体中的应力受到扰动而重新分布,则称为二次应力或扰动应力,在地下工程中称围岩应力.()地应力的组成:地应力主要包括构造应力

10、和自重应力,另外还包括地温应力、地下水压力及沉积作用、变质作用、岩浆作用等引起的应力等.自重应力是指由上覆地层岩体重量产生的地应力.上一页下一页返回第11页，共26页。.岩体、岩体结构及地应力的概念对于表面为水平的半无限体,岩体具有的重度为,在深度为H 处的垂直自重应力为水平自重应力H 为构造应力是指由构造运动引起的地应力,一般可分为活动应力和残余应力.()地应力的特点:地应力基本上是压应力.垂直应力主要是自重应力.水平压力具各向异性.上一页返回第12页，共26页。.围岩与围岩应力的变化规律.围岩的概念在岩体中,因开挖洞室,岩体产生的应力重新分布,应力重新分布的范围内的岩体称为围岩,其直径一般

11、为洞室直径的倍.围岩应力的变化规律主要与洞室形状和侧压力系数(N)有关.围岩应力的特征()邻近洞壁的岩体受到集中应力的作用,当岩体中的切向应力和径向应力之差达到某一极限值时,就会产生塑性变形.下一页返回第13页，共26页。.围岩与围岩应力的变化规律()当应力足够大时,有可能形成一个塑性松动圈.()在塑性松动圈外侧,径向应力逐步增大,所形成的应力升高区,称为弹性圈.()在应力升高区以外,应力状态仍保持应力状态,应力条件不受洞室开挖的影响.结构面的产状与洞室受力方向对围岩应力的影响()结构面与洞室受力方向的夹角或垂直时,洞壁与结构面垂直相交的部位产生最大切向应力.上一页下一页返回第14页，共26页

12、。.围岩与围岩应力的变化规律()结构面与洞室受力方向的夹角或平行时,洞壁与结构面相切的部位产生最大切向应力;当结构面的走向与洞室受力方向平行时,洞顶(底)的切向应力成为最大主应力,而径向应力变得弯斜.()结构面与洞室受力方向的夹角为时,洞壁与结构面相切且垂直的部位产生相等的最大切向应力.上一页返回第15页，共26页。第16页，共26页。.洞室围岩的变形及其破坏的基本类型.坚硬岩体的变形与破坏()岩爆:在高地应力区完整、坚硬的脆性岩中,产生的大量弹性应变能的突然释放,即突然的脆性破坏,并导致岩石剥落、弹射和爆裂声、气浪的现象,称为岩爆.()张裂、劈裂:当N/时,洞顶产生张裂塌落;洞壁产生劈裂剥落

13、.()弯折(内鼓):对于层状(尤其是薄层脆性)围岩,是由卸荷回弹或切向压应力超过其抗弯强度所造成.()滑移.软弱岩体的变形与破坏下一页返回第17页，共26页。.洞室围岩的变形及其破坏的基本类型()塑性变形:当围岩应力超过软弱岩体的屈服强度时,软弱的塑性岩体就会向洞内挤出、鼓胀,产生变形.塑性变形的延续时间长,变形量大,发生压碎、拉裂或剪破.塑性变形是围岩变形的主要组成部分.()膨胀内鼓:岩石吸入地下水或开挖后从空气中吸收水分易于膨胀的有两类:一是富含黏土矿物(特别是蒙脱石)的泥岩、页岩、膨胀土;二是含硬石膏的地层.松散围岩的变形与破坏上一页下一页返回第18页，共26页。.洞室围岩的变形及其破坏

14、的基本类型()重力坍塌:当洞室开挖遇到规模较大的断层破碎带,节理密集带等破碎岩体以及松散堆积物时,在洞顶会产生的坍塌破坏现象.()溯流涌出:当开挖揭穿了饱水的松散破碎物质时,这些物质就会和水一起在压力下呈夹有大量碎屑物的泥浆状突然涌入洞中,有时甚至可以堵塞坑道,给施工造成很大的困难.上一页返回第19页，共26页。第20页，共26页。.地下工程特殊地质问题.涌水地下洞室穿越含水层时,会使地下水涌入.其作用表现为:()产生静水压力作用于衬砌;()岩质软化,降低强度;()软弱夹层泥化,使岩体滑动;()岩类的溶解和膨胀;()产生动水压力,出现流砂及渗透变形;()若含有有害化合物,则会对衬砌产生侵蚀;(

15、)大量涌水,易产生伤亡事故.下一页返回第21页，共26页。.地下工程特殊地质问题.有害气体天然存在的有害气体能够充满岩石的空隙,当开挖时,气体会进入开挖地下、开挖井巷,给施工带来不便.隧道与地下工程施工中常见的有害气体是瓦斯,其具有如下特征:()爆炸温度:封闭状态下可达;()爆炸体积:扩大四倍或更大;()爆炸后:空气中无O,使人员晕倒甚至死亡;()如果爆炸时遇到煤尘,威力更大.地温上一页下一页返回第22页，共26页。.地下工程特殊地质问题在深埋(m)地下洞室内,高地温会使施工更加困难.一般在地表下一定深度内,地温常年不变,称为常温带,以下地热增温率为 /m.除深度外,地热还与构造、火山活动、地下水温度有关.岩爆在坚硬岩体深部开挖时,岩石突然飞出和剧烈破坏的现象,称为岩爆.岩爆的特点()高应力区的坚硬岩石易发生岩爆;()岩爆发生时常伴有声音;上一页下一页返回第23页，共26页。.地下工程特殊地质问题()岩爆发生时有一个过程,即启裂阶段