工程地质与水文地质

工程地质与水文地质课件第1页，共37页，2023年，2月20日，星期一第一节地下工程概述定义：人工开挖或天然存在于岩土体内的构筑物，统称为地下工程。地下工程的特征：开挖前处于应力平衡状态，开挖后硐室周围的岩体发生卸荷回弹和应力重分布，可能因此发生变形和破坏。研究意义：正确估计围岩应力和岩体强度，及时合理地对地下工程进行维护，是保证地下工程安全、经济地修建和运营的前提。返回第2页，共37页，2023年，2月20日，星期一第二节

洞室围岩应力的重分布一、原岩应力二、地下洞室围岩重分布应力返回（一）基本概念（二）弹性围岩重分布应力（三）塑性围岩重分布应力

1、圆形洞室

2、非圆形断面洞室1、围岩松动圈与承载圈2、重分布应力第3页，共37页，2023年，2月20日，星期一一、原岩应力

原岩应力即地应力，一般是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，或称为初始应力。地应力是重力和地壳运动等综合作用下形成的应力，主要包括自重应力和构造应力、变异及其他应力等几种形式。在进行地下洞室建筑时，应考虑总地应力的大小和方向。

目前在工程上多采用现场测定方法(应力解除法)来确定地应力的大小。国内外大量实测资料表明：绝大多数地区的地应力，其水平应力常常大于垂直应力。λ一般为1.2~5，个别地区有的可达20以上。返回第4页，共37页，2023年，2月20日，星期一1、自重应力σz=γH式中:γ—岩土的容重;H—岩土的埋深;μ—岩土的泊松比;λ—岩土的侧压力系数。

一般岩石的μ=0.1~0.3，λ=0.11~0.42λσz返回第5页，共37页，2023年，2月20日，星期一由于地壳运动等作用在地壳内造成的应力称为构造应力。构造应力以弹性应变能的形式储存在地壳内，当构造应力逐渐增大并超过岩体强度或岩体中原有断裂的抵抗阻力时，便可能引起地层变形、蠕滑、破坏，甚至有可能由于构造应力的突然释放而导致地震的发生。这种由于构造应力的作用而导致的地层变形和破坏的过程称为构造运动。根据构造运动活动状态，构造应力又可分为活动的构造应力和剩余的构造应力两种。活动的构造应力一般是指目前正在活动的构造运动在地壳内形成的地应力；剩余的构造应力是指构造运动结束后，由构造运动过程中尚未释放完的弹性应变能在地壳内形成的地应力。2、构造应力返回第6页，共37页，2023年，2月20日，星期一3、变异及其他应力变异及其他应力是指岩体受岩浆活动，变质作用以及侵蚀卸荷等而受到的温度、应力、化学应变能以及重力场改变等而形成的地应力。返回第7页，共37页，2023年，2月20日，星期一（一）基本概念硐室开挖之前，岩土体一般处于天然应力平衡状态，称为原岩应力场或初始应力场；硐室开挖后破坏了这种平衡。地下开挖以后，由于围岩质点应力、应变调整而引起的天然应力大小、方向和性质改变的作用称为应力重分布；经应力重分布作用后形成的新的应力状态，称为重分布应力状态。通常将洞室周围发生应力重分布的这一部分岩体叫做地下洞室围岩（简称围岩），狭义上，围岩常指硐室周围受到开挖影响，大体相当于地下硐室宽度或平均直径的3~5倍范围内的岩土体。返回第8页，共37页，2023年，2月20日，星期一1、圆形洞室重分布应力式中：r0---洞室半径r---自洞中心算起的径向距离θ---自水平轴算起的极坐标中的角度Ph、Pv---分别表示垂直与水平正应力，如果岩体的初始应力反由重力形成，则Pv=γHPh=λγH(H为洞室平均埋深)σr、σθ---分别为径向应力和切向应力；τrθ---剪应力r02r04r06r0Ph2Ph应力σθσr距离埋深大于20r0返回第9页，共37页，2023年，2月20日，星期一2、非圆形断面洞室重分布应力利用弹性试验可测定各种非圆形洞室的应力。定义切向应力与垂直应力之比为应力集中系数，王建宁《地下工程喷锚支护原理与设计》列出了不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)（表)自表中查出切向应力集中系数α值后，有下式即可计算切向应力值：

σt=αPv返回第10页，共37页，2023年，2月20日，星期一不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)

第11页，共37页，2023年，2月20日，星期一不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)

第12页，共37页，2023年，2月20日，星期一不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)

第13页，共37页，2023年，2月20日，星期一不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)

第14页，共37页，2023年，2月20日，星期一不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)

第15页，共37页，2023年，2月20日，星期一不同形状的洞室边界切向应力集中系数α(=σt/Pv)

本表摘自王建宁《地下工程喷锚支护原理与设计》返回第16页，共37页，2023年，2月20日，星期一1、围岩松动圈与承载圈洞室开挖后由于应力的重分布，将使洞室周围产生应力集中现象。当周边应力小于岩体的强度极限(脆性岩石)或屈服极限(塑性岩石)时，洞室围岩稳定。否则，周边岩石首先破坏或出现大的变形，并向深部扩展到一定的范围形成松动圈。在松动圈形成的过程中、原来硐室周边集中的高应力逐渐向松动圈外转移，形成新的应力升高区。该区岩体被挤压紧密，宛如天然加固的岩体，故称承载区。应当指出，如果岩体非常软弱或处于朔性状态地，则洞空开挖后，由于塑性松动圈的不断扩展，自然承载圈很难形成。在这种情况下，岩体始终处于不稳定状态，开挖洞室十分困难。如果岩体坚硬完整，则洞室围岩始终处于弹性状态，围岩稳定，不形成松动圈，在生产实践中。确定洞室围岩松动圈的范围是非得重要的。因为松动圈一旦形成，围岩就会坍塌或向洞内产生大量的塑性变形，要维持围岩稳定就要进行支撑或衬砌。塑性松动圈弹性承载圈原岩应力区返回第17页，共37页，2023年，2月20日，星期一2、塑性围岩重分布应力（1）塑性松动圈内（2）塑性松动圈与弹性圈交界面上返回第18页，共37页，2023年，2月20日，星期一第三节围岩的变形与破坏

洞室开挖后，地下形成了自由空间，原来处于挤压状态的围岩，由于解除束缚而向洞室空间发生松胀变形。这种变形超过了围岩本身所能承受的能力、便发生破坏。脆性岩石的变形破坏的方式包括张裂坍落、劈裂、剪切滑动、岩爆弯折内鼓等；塑性岩石的变形破坏包括挤出、膨胀、涌流和坍塌等围岩变形和破坏失稳的形式，除与岩体内的初始应力状态及洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构特征。1、完整结构岩体的变形破坏特征2、层状结构岩体的变形破坏特征3、块断结构岩体的变形破坏特征4、碎裂结构岩体的变形破坏特征5、散体结构岩体的变形破坏特征返回第19页，共37页，2023年，2月20日，星期一1、完整结构岩体的变形破坏特征坚硬完整岩体的强度高、稳定性好,其变形和破坏可根据弹性理论计算。该类岩体在高地应力区，洞室开挖后可能产生岩爆现象。岩爆系指在地下开挖过程中，围岩突然以爆炸形式表现出来的破坏现象。岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体（高强度、结构完整的脆性岩体）的存在，且其应力接近于岩体强度是岩爆产生的内因；某附加荷载的触发则是其产生的外因。附加荷载主要包括两个方面：一是机械开挖、爆破以及围岩局部破裂所造成的弹性振荡；一是开挖的迅速推进或累进性破坏所引起的应力突然向某些部位的集中。返回第20页，共37页，2023年，2月20日，星期一2、层状结构岩体的变形破坏特征这类岩体破坏形式主要有：沿层面张裂、弯曲内鼓、折断塌落等。层状围岩变形破坏特征（a）水平层状岩体；（b）倾斜层状岩体；（c）直立层状岩体

1—设计断面轮廓线；2—破坏区；3—崩塌；4—滑动；5—弯曲、张裂及折断

返回第21页，共37页，2023年，2月20日，星期一3、块断结构岩体的变形破坏特征这类结构围岩的变形破坏，主要表现为沿结构面的滑移掉块。坚硬块状岩体中的块体滑移图1—层面；2—断裂；3—裂隙返回第22页，共37页，2023年，2月20日，星期一4、碎裂结构岩体的变形破坏特征碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。这类围岩的变形破坏形式常表现为塌方和滑动（图）。破坏规模和特征主要取决于岩体的破碎程度和含泥多少。在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，由于变形时岩块互相镶嵌挤压，错动时将产生一定阻力，因而不易大规模塌方。相反，当夹泥量很高时，由于岩块间失去刚性接触，则易产生大规模塌方，如不及时支护，将愈演愈烈，直至冒顶。

返回第23页，共37页，2023年，2月20日，星期一5、散体结构岩体的变形破坏特征松散状岩体是指强烈构造破碎和强烈风化的岩体或新近堆积的土体。这类围岩的力学属性表现为弹塑性、塑性或流变性。其变形破坏形式以拱形冒落为主。当围岩结构均匀时，冒落拱形状较为规则（图（a））。但当围岩结构不均匀或松软岩体仅构成局部围岩时，则常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等形式（图（b）、（c）、（d））。

松散围岩变形破坏形式（a）拱形冒落；（b）局部塌方造成偏压；（c）侧鼓；（d)底鼓

返回第24页，共37页，2023年，2月20日，星期一第四节地下建筑围岩稳定性评价一、影响围岩稳定性的因素1、地质构造：地质构造使岩石破碎，降低岩体的强度。2、岩体的特性及结构：岩性不同，岩石的强度和抗风化能力等不同；岩体结构不同，岩体的完整性不同。3、地下水：地下水对岩石有软化、膨胀、溶蚀等作用，还可加速风化，减小摩阻。4、原岩应力：构造应力的方向及大小是控制地下工程围岩变形破坏的重要因素。二、围岩稳定性定量评价1、解析分析方法：建模求应力和位移，根据破坏准则评价2、赤平极射投影和实体比例投影方法3、物理与数值模拟研究方法返回第25页，共37页，2023年，2月20日，星期一1、根据岩石单轴抗压强度的验算对于整体性良好的坚硬岩体来说，由于其节理裂隙不发育，强度较大，可近似假定岩体是均匀的各向同性的连续弹性介质，验算洞室边界上的切向应力是否超过岩体强度即可，即式中：σθ---洞室边界上的切向应力[Rc]---岩石的许可抗压强度对于无裂隙坚硬围岩[Rc]=0.6Rc对于有裂隙坚硬围岩[Rc]=0.5RcRc为岩块单轴抗压强度第26页，共37页，2023年，2月20日，星期一2、根据岩石抗剪强度的验算假如岩体符合莫尔库仑强度条件的要求，则岩体稳定性验算可利用下式进行：式中：σθ---洞室边界上的切向应力C、φ---岩石的抗剪强度参数，C为凝聚力，φ为内摩擦角返回第27页，共37页，2023年，2月20日，星期一1、圆形洞室重分布应力式中：r0---洞室半径r---自洞中心算起的径向距离θ---自水平轴算起的极坐标中的角度Ph、Pv---分别表示垂直与水平正应力，如果岩体的初始应力反由重力形成，则Pv=γHPh=λγH(H为洞室平均埋深)σr、σθ---分别为径向应力和切向应力；τrθ---剪应力r02r04r06r0Ph2Ph应力σθσr距离埋深大于20r0返回第28页，共37页，2023年，2月20日，星期一赤平极射投影图解分析例如已知边坡面走向310°，倾向SW，层面走向280°，倾向SW，倾角均为50°，求稳定边坡角。先作层面和边坡走向线的赤平极射投影图A1A2和直径D1D2(图)；再过层面的极点P作直立平面B1B2，与A1A2交于M1点，最后以直径D1D2为走向，过m点作大圆弧D1M1D2，为所求的边坡角，其倾角＝54°，即为稳定边坡角。稳定边坡角的求解方法返回第29页，共37页，2023年，2月20日，星期一岩体结构法设一方形巷道围岩被平行巷道方向的两组结构面①--①及②--②切割，其倾向与巷道斜交形成了4块分离体，试求它们的山岩压力。①②①②②②ABCDabcdefghijkledfNTQθBbacH返回第30页，共37页，2023年，2月20日，星期一第五节保障洞室围岩稳定的措施保障围岩稳定性的途径有两个：一是保护围岩原有的稳定性，使之不降低；二是赋予岩体一定的强度，使其稳定性有所增高。前者主要是采用合理的施工和支护衬砌方案，后者主要是加固围岩。一、合理施工二、施工监控、信息反馈和超前预报三、支撑、衬砌与支护四、固结灌浆返回第31页，共37页，2023年，2月20日，星期一一、合理施工隧洞施工所遵循的原则：一是尽可能先挖断面尺寸较小的导洞；二是开挖后及时支撑或衬砌。这样可缩小围岩松动范围，或限制围岩早期松动；或把围岩松动限制在最小范围。隧洞施工方案：1．围岩不稳定时，采用分部开挖，分部衬砌，逐步扩大断面；2．围岩较稳定时，可采用导洞全面开挖，连续衬砌；3．围岩稳定时，全断面开挖。返回第32页，共37页，2023年，2月20日，星期一二、施工监控、信息反馈和超前预报

施工监控和信息反馈就是在施工过程中及时发现地质问题，并根据新测试的地质数据(信息指标)，验证原设计方案是否符合当地的地质条件，如不符合则应修改设计，并采取有效的施工措施解决出现的工程地质问题。在隧洞施工监控工作中应注意以下几点：(1)在开挖过程中观测围岩的变形量、变形速率和加速度，以判别围岩的稳定性，预报险情。(2)确定围岩松动圈范围，找出不稳定的部位，提出支护及补强措施，这需要及时做好地质记录及编绘工作、岩体物理力学性质的试验工作，以及声波量测工作等，为设计及施工提供可靠的地质参数或信息指标。(3)监控量测工作应紧跟施工工作面进行，并注意尽量减少与施工的干扰。(4)超前预报是当代隧洞施工个的重要环节，对保证安全、合理施工，往往作起着决定性的作用。一般应由有经验的地质工程师担任此工作。施工工程师应尊重并听从地质工程师的建议和要求，特别是在地质条件比较复杂的地区，尤为如此。返回第33页