地下建筑结构(2).ppt

1、,地下建筑结构（2）,2、地下工程结构物的工作环境,2.1 围岩初始应力场,问题的提出：为什么在讨论地下结构问题时，首先提出了地应力问题？ 地应力是影响地下结构稳定的主要因素，是引起地下结构变形和破坏的根本作用力。地应力决定了地下结构几乎所有的边界条件和地下工程实施的初始条件。是一切计算、试验分析的前提和基础。不了解地应力情况的地下结构设计，只能是盲目的设计。,2.1 围岩初始应力场,人类对地应力的认识过程： 1912年，瑞士地质学家A.Heim首次提出地应力的概念，并假定地应力是一种静水压力状态。即地壳中任何一点的应力在各个方向相等，并且等于该点以上覆盖的岩层产生的压强。即：,2.1 围岩初

2、始应力场,1926年，前苏联学者A.H.Gennik修正了A.Heim的静水压力的假定，认为垂直应力可以等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）应该是泊松效应的结果。它的值应该等于H乘以一个修正系数K，称为侧压系数，根据弹性力学理论，他认为 K/(1-)，即：,2.1 围岩初始应力场,李四光曾在上世纪20年代根据许多地质现象提出：“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。”,2.1 围岩初始应力场,50年代，瑞典的N.Hast在Scandinavia半岛进行了大量的地应力测量工作，发现地壳上层最大主应力大部分是水平或接近水平的。 有的区域最大

3、水平应力的值为垂直应力的12倍，甚至更高。在某些地表处测得的水平地应力达到7Mpa。,2.1 围岩初始应力场,进一步研究表明： 重力作用和构造作用是引起地应力的主要原因，尤其水平方向的构造运动对地应力场的形成影响最大。当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所决定，但也与地壳演化历史上的各次构造运动有关。最终的地应力场是历次构造运动应力场的叠加。同时还受到其它因素的影响，造成了地应力场分布的复杂和多变性。,2.1 围岩初始应力场,一、初始地应力的成因十分复杂： 1、地壳板块运动中相邻板块之间的 挤压产生的应力 2、地幔热对流引起的应力场 3、地心引力形成的自重应力场 4、地球旋转形成的惯性力场

4、,2.1 围岩初始应力场,初始地应力的成因十分复杂： 5、地下岩浆入侵和地壳非均匀扩容 6、地壳温度不均引起的应力 7、水压力 8、地表风化剥蚀和其它物理化学变化引起的应力释放等,2.1 围岩初始应力场,二、初始应力场的变化规律 （1）自重应力场,由地心引力引起的应力场称为自重应力场自重应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力 场地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量。重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化,2.1 围岩初始应力场,二

5、、初始应力场的变化规律 （1）自重应力场,2.1 围岩初始应力场,二、初始应力场的变化规律 （1）自重应力场,地应力是随深度呈线性增加的； 水平应力总是小于垂直应力,依据：对全世界实测垂直应力v的统计资料的分析表明，在深度为252700的范围内，z呈线性增长，大致相当于按平均容重等于27KN/m3计算出来的重力H,2.1 围岩初始应力场,二、初始应力场的变化规律 （1）自重应力场,上述各式表达的应力场仅当地面为水平面、且岩体为各向同性的半无限弹性体时才是正确的。实际上、由于地壳运动的结果，岩层会发生各种变形，如顷斜、弯曲等。这些也会影响自重应力场。,2.1 围岩初始应力场,二、初始应力场的变化

6、规律 （1）自重应力场,在具有负地形的峡谷或山区，地形的影响在侵蚀基准面以上及其以下一定范围内表现特别明显一般来说，谷底是应力集中的部位，越靠近谷底应力集中越明显,二、初始应力场的变化规律,（1）自重应力场,二、初始应力场的变化规律,（1）自重应力场,最大主应力在谷底或河床中心近于水平，而在两岸岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面相平行近地表或接近谷坡的岩体，其地应力状态和深部及周围岩体显著不同，并且没有明显的规律性随着深度不断增加或远离谷坡，则地应力分布状态逐渐趋于规律化，并且显示出和区域应力场的一致性这一点在边坡稳定性分析中有其重要的意义。,二、初始应力场的变化规律（2）构造应力场,a、板

7、块运动引起的地应力,中国大陆板块受到印度板块和太平洋板块的挤压，每年挤压变形达数厘米。同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束,因而产生水平受压的应力场。 印度板块和太平洋板块的挤压造成了我国大陆板块边缘的隆起和山脉的形成，同时也是我国地震的主要成因。,二、初始应力场的变化规律（2）构造应力场,b、地幔热对流引起的地应力,由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就分为二股方向相反的平流经一定流程直到与另一对流圈的反向平流相遇，一起转为下降流，回到地球深处，形成一个封闭的循环体系,二、初始应力场的变化规律（2）构造应力场,地幔热对流引起地壳下

8、面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽，它是一个有拉伸特点的带状区我国从西昌、渡口到昆明的裂谷正位于这一地区该裂谷区有一个以西藏中部为中心的上升流的大对流环，在华北山西地堑有一个下降流由于地幔物质的下降，引起很大的水平挤压应力,二、初始应力场的变化规律（2）构造应力场,c、岩浆入侵引起的地应力,岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围地层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂的熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等的均匀压力但是炽热的岩浆侵入后即逐渐冷凝收缩，并从接触介面处逐渐向内部发展不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应

9、力产生复杂的变化过程 与上述两种应力场不同，由岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场,二、初始应力场的变化规律（2）构造应力场,在断层和结构面附近，地应力分布状态将会受到明显的扰动断层端部、拐角处及交汇处将出现应力集中的现象端部的应力集中与断层长度有关，长度越大，应力集中越强烈拐角处的应力集中程度与拐角大小及其与地应力的相互关系有关当最大主应力的方向和拐角的对称轴一致时，其外侧应力大于内侧应力,二、初始应力场的变化规律（2）构造应力场,二、初始应力场的变化规律（2）构造应力场,由于断层带中的岩体一般都比较软弱和破碎，不能承受高的应力和不利于能量积累，所以成为应力降低带，其最大主应力和最小主应力与

10、周围岩体相比均显著减小同时，断层的性质不同对周围岩体应力状态的影响也不同压性断层中的应力状态与周围岩体比较接近，仅是主应力的大小比周围岩体有所下降；而张性断层中的地应力大小和方向与周围岩体相比均发生显著变化,二、初始应力场的变化规律（3）地应力分布规律,a 地应力是时间和空间的函数 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的，因而它是个非稳定的应力场 地应力在空间上的变化，从小范围来看，其变化是很明显的，从一个矿山到另一个矿山，从某一点到相距数十米外的另一点，地应力的大小和方向也是不同的但就某个地区整体而言，地应力的变化是不大的,二、初

11、始应力场的变化规律（2）构造应力场,在某些地震活跃的地区，地应力的大小和方向随时间的变化是很明显的。如1976年唐山地震后，在唐山凤凰山测得的最大主应力方向为北47西，与区域应力场的最大主应力方向有较大偏差78年，在同一地点测量，其最大主应力方向变为近东西向（北89西）与区域应力场最大主应力方向相一致。邢台地震区也有类似情况。前苏联的喀尔巴歼山、高加索等地，发现主应力方向每隔612年就有一次较大变化我国甘肃六盘山主应力方向在三年内有2030的改变而瑞典北部的梅尔格特矿区，发现现今应力场方向与20亿年前应力场方向完全相同,二、初始应力场的变化规律（2）构造应力场,b、垂直地应力与埋深的关系. 对

12、全世界实测垂直应力v的统计资料的分析表明，在深度为252700的范围内，v呈线性增长，大致相当于按平均容重等于27KN/m3计算出来的重力H 但在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差如我国v/=0.81.2的仅占5，v/0.8的占16，而v/1.2的占79。前苏联测量资料表明：v/的占4，v/0.81.2的占23，v/1.2的占73,二、初始应力场的变化规律（2）构造应力场,c、水平地应力普遍大于垂直地应力 实测资料表明，在绝大多数（几乎所有）地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于30最大水平主应力普遍大于垂直应力。水平地应力与v之比值，为0.55.5，在很多情

13、况下比值大于2。在浅埋地层中水平地应力普遍大于垂直地应力，说明板块运动在形成地应力过程中起到主要控制作用。垂直地应力一般为最小主应力或中间主应力，极少情况下为最大主应力。,二、初始应力场的变化规律（2）构造应力场,d、平均水平地应力与垂直地应力之比随深度增加而减小 这是一个普遍规律，但是减小的速度在各个地区有所不同。 根据世界几个国家的实测资料，Hock和Brown回归出以下公式：,二、初始应力场的变化规律（2）构造应力场,e、水平地应力随深度呈线形增加趋势 O. Stephansson 测出瑞典 Fennoscandia 地区古陆地最大水平主应力和最小水平主应力随深度变化的线性关系方程： h

14、,max= 0.0444 H + 6.7 h,min= 0.0329 H + 0.8 可以看出公式中的常数项值比较大，当H等于0时，水平地应力仍有较大的数值，说明构造运动对地应力的影响是显著的。,三、地应力场与地下结构布置设计的关系,a、地下结构是否承受内水压力 不承受内水压力的洞室结构尽量布置在地应力值较小的部位 承受内水压力的洞室结构则应布置在最小主应力大于最大内水压力的部位,三、地应力场与地下结构布置设计的关系,a、地下结构是否承受内水压力 不承受内水压力的洞室结构尽量布置在地应力值较小的部位 承受内水压力的洞室结构则应布置在最小主应力大于最大内水压力的部位,三、地应力场与地下结构布置设

15、计的关系,a、地下结构是否承受内水压力 不承受内水压力的洞室结构尽量布置在地应力值较小的部位 承受内水压力的洞室结构则应布置在最小主应力大于最大内水压力的部位,三、地应力场与地下结构布置设计的关系,b、 地下洞室长轴与地应力的关系 一般情况下，地下洞室结构的长轴方向应该与最大主应力的水平投影方向呈小角度相交。 在较均匀的岩体中，对高跨比接近1.0的洞室结构，洞轴线方位的布置应该使作用在洞室断面上的垂直应力与水平应力尽量接近相等。根据三个主应力分量关系的不同，又可分为三种情况,三、地应力场与地下结构布置设计的关系,三、地应力场与地下结构布置设计的关系,c、地下结构断面与地应力关系,2.2 围岩的

16、工程性质,物理性质 水理性质 力学性质,对围岩稳定性最有影响的是力学性质，即围岩抗变形和破坏的性能。尤其是围岩结构面的力学性质。,2.2 围岩的工程性质,一、岩体的地质特性 岩体：是处于一定天然应力环境中的地质体。 是在长期自然地质条件下形成的。与人为的建筑材料不同。 岩体处于一定的天然（原岩）地应力作用下 地下工程开挖前：岩体处于相对平衡状态。 地下工程开挖后：破坏了平衡，引起应力重新调 整，导 致岩体的变形和破 坏。,2.2 围岩的工程性质,岩体是由构造面分割的多裂隙体 结构面：指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低的 地质界面（或带）。岩体中的结构面按成因类型可分为三类： 1、原生结构面

17、：指岩体形成过程中形成的结构面和构造面。 原生节理面、流动节理面、接触面、片理、片麻理构造面。非开裂式、结构面间有联结力、强度较高。,2.2 围岩的工程性质,2、构造结构面：是岩体形成后，由于地壳构造运动在岩体中产生的各种断裂面。断层面、节理面、层间错动面、劈理面。 结构面强度低，可能有填充物。 3、次生结构面：指在外营力作用下产生的风化裂隙面及卸荷裂隙面等。 张裂隙、结构面不平坦。,2.2 围岩的工程性质,1岩石的力学性质 变形性质 强度性质,2.2 围岩的工程性质,1岩石的力学性质 变形性质 强度性质,2.2 围岩的工程性质,(1)岩石的变形性质 对于线性弹性（各向同性）材料： 弹性模量:

18、E 泊松比： 剪切模量：,2.2 围岩的工程性质 事实上岩体并不满足弹性力学的基本假设线性弹性假设岩体是弹塑性耦合材料；均质性假设有些岩体各个点的力学性质不一样如砾 岩等；各向同性假设有些岩体各个方向的力学性质不一 样；如页岩等；小变形假设影响地下工程稳定性及使用要求的围岩 变形 一般都是大变形的范畴；连续性假设由于结构面的存在，岩体为非连续性材 料。,2.2 围岩的工程性质,三轴压缩试验时岩石的应力应变关系,2.2 围岩的工程性质,刚性试验机的荷载变形曲线,2.2 围岩的工程性质,(2)岩石的强度性质,岩石强度是指岩石抵抗破坏的能力。 岩石强度通常有： 抗压强度 抗拉强度 抗剪强度,2.2

19、围岩的工程性质,描述在复杂应力状态下的强度性质 岩体的强度准则 在材料力学中：第一第四强度理论 在岩石力学中：库仑准则：,2.2 围岩的工程性质,2岩体的力学性质结构面性质 （1）岩体的强度性质,根据日本京都大学足立纪尚等人用模拟级隙岩块试验研究了不连续面对岩体强度的影响。不连续面角度为0、15 、30 、45 和60 的试验研究表明 ：岩体强度与结构面方位有关。因此足立纪尚等建议用岩石的残余强度来近似地表示有不连续面的岩体强度。,不连续面倾角对岩体强度的影响,裂隙组数对岩体强度影响的试验结果,2.2 围岩的工程性质,岩石试件的制备 1、岩石的采样: 蜡封或沥青封裹，以防风化和保 持天然含水量

20、。 2、试件的种类： 规则试件：圆柱体、立方体、棱 柱体。 不规则试件 特殊形状：虎骨型、中空圆柱。 手工制作或机械加工,2.2 围岩的工程性质,二、岩石的单轴压缩试验 岩石的单轴抗压强度 1、单轴抗压强度的概念 试件为圆柱体，直径大于50mm ，高径比为2.02.5。 2、岩石在单轴压缩下的破坏形式 劈裂破坏：在垂直压应力方向产生的拉断破裂。 如坚硬脆性岩石的破坏。 对顶锥破坏：形成X型剪切破坏。如软质塑性岩石的破坏。 剪切型破坏：斜剪,2.2 围岩的工程性质,3、影响岩石单轴抗压强度的因素 外因： 承压板与试件两端面之间的摩擦。 试件的几何形状和高径比：圆柱形h/d=2.02.5。 试件的

21、尺寸：尽可能采用较大的试件。 加载速度：推荐加载速度是：0.51.0MPas 。 环境条件：含水量、温度。 内因： 岩石本身的物质成分、成岩条件和结构特征.,2.2 围岩的工程性质, 单向应力状态下岩石的变形特征 1、单轴压缩时应力-应变曲线 三种状态：线形弹性 应变软化特性 应变硬化特性 2、弹性模量 初始切线模量、平均切线模量、平均割线 模量（取抗压强度的一半处） 3、横向变形和横向变形比 泊松比即是横向应变与轴向应变的比值。,2.2 围岩的工程性质,三、岩石的抗拉强度 测定岩石抗拉强度的方法： 直接拉伸法 棱柱体试件的弯曲 圆柱体的弯曲 圆盘弯曲 液压扩张试验 巴西试验：又称劈裂试验或线

22、荷载试验,2.2 围岩的工程性质,四、岩石的抗剪强度 岩石的抗剪强度指岩石抵抗剪切破坏的最大能力，以剪断时剪切面上的极限剪应力表示。 岩石的抗剪强度用下式表示： 抗剪强度 tg+c 和c是表征岩石抗剪性能的基本指标。 测定岩石抗剪强度的方法 直接剪切法,2.2 围岩的工程性质,剪切盒,2.2 围岩的工程性质, 倾斜板间加压的单向剪切法,2.2 围岩的工程性质,3、岩体强度性质 影响岩体强度的因素很复杂，以致日前还很难用一个公认的函数式加以表达。因此根据岩体的状态用经验的方法加以估计， 例如有人建议用下式估计岩体的强度：,2.2 围岩的工程性质,a、RQD （岩石质量指标）,b、 声波速度 ,2

23、.2 围岩的工程性质,3、 水理性质 （1）、风化性质：地表岩石在大气、温度、水和生物的联合影响下，使岩石的物理性质或化学成分发生改变的地质作用。 风化作用会降低矿物晶粒或颗粒间的联结力，使岩体的完整性遭到破坏，变形增大，强度降低。,2.2 围岩的工程性质,铁路工程设计技术手册中分为： 风化极严重 风化严重 风化颇重 风化轻微 未经风化。,2.2 围岩的工程性质,风化系统分为： 全风化带 强风化带 半风化带 弱风化带 微风化带（新鲜）。,2.2 围岩的工程性质,2、地下水的溶蚀性质,水对岩石力学性质的影响 水对岩石的物理化学作用，主要表现在： a、软化：水侵入岩石的孔隙中，改变了岩石的物理状态

24、和岩石颗粒间的表面能，导致强度降低。,2.2 围岩的工程性质,2、地下水的溶蚀性质,b、溶蚀：溶蚀使岩石致密度降低，并会破坏 颗粒之间的胶结，从而使岩石强度降低 c、膨胀：粘土质矿物成分遇水产生膨胀应变 和膨胀压力。,2.2 围岩的工程性质,2、地下水的溶蚀性质 表现：可溶盐溶解，肢体水解，体积膨胀， 强度降低。 通常用软化系数来表示岩石的软化性，即: 软化系数=,2.3地下工程的围岩分级及其应用,地下工程的建设最关心的是围岩的稳定性问题 而围岩稳定性是非常复杂的问题，受多种因素的影响和制约： 组成岩体的岩石强度； 围岩的风化程度； 结构面的数量及其分布； 结构面的力学性质； 地下水的情况；

25、地下工程的尺寸； 原岩地应力； 地下工程的施工方法 等等,2.3地下工程的围岩分级及其应用,根据长期的工程实践，人们逐步认识到不同地质条件与围岩稳定性之间存在岩一定关系。根据岩体完整性度和岩石强度等主要指标在给予定性和定量评价的基础上，按其稳定性将围岩分为工程性质不同的若干级别，这就是围岩分级(也称围岩分类)。,2.3地下工程的围岩分级及其应用,一个准确而合理的围岩分级，不仅是人们认识洞室围岩特征，正确进行隧道或其他地下洞室设计、施工的基础。而且也是现场进行科学管理发展新的施工工艺以及正确评价经济效益的有力工具：因为工人劳动条件的好坏，工程的难易，以及制订劳动定额、材料消耗标准等稳是以围岩分级

26、为基础的。,2.3地下工程的围岩分级及其应用,围岩分类一般府尽量满足以下条件： 形式简单、含义明确、便于实际应用， 一般以分5级或6级为宜。 分级参数要包括影响围岩稳定性的主要参数，它们的指标应能在现场或室内快速、简便获得。 评价标准应尽量科学化、定量化、并简明实用。,2.3地下工程的围岩分级及其应用, 锚喷支护围岩稳定性分级，应能较好地为锚喷支护的工程类比设计、监控设计及理论设计服务。分级应当适应锚喷支护参数表以及监控测试方法与控制数据，并便于合理选择计算模型和计算参数。 既能适应勘察阶段初步划分围岩级别，又能适应施工阶段详细划分围岩级别。前者是在地面地质工作的基都上进行的，后者则在导洞打通

27、后或洞室开挖后进行的。洞室的围岩分级应当适均于2个阶段，只是在不同阶段所做的地质工作程度可以有所不同。,2.3地下工程的围岩分级及其应用,1影响围岩稳定性的主要因素,1)工程地质条件： （1）岩体的完整性,它反映了岩体受地质构造作用严重的程度。岩体愈破碎，地下工程围岩的稳定性就越差。因此完整性应作为围岩分级的基本指标之一。 块度或破碎度； 裂隙密度或间距；,2.3地下工程的围岩分级及其应用,不同的分级对围岩完整性的定义,2.3地下工程的围岩分级及其应用,（2）结构面性质,a、地质构造的影响程度影响轻微、较重、严重、很严重4级， b、结构面的产状与发育情况。包括裂隙、节理或层面的密度（间距）、组

28、数、贯通程度、闭合程度、填充情况和粗糙程度等。,结构面的成因 结构面的产状 结构面的结合情况,2.3地下工程的围岩分级及其应用,c风化程度 有些国家在对岩体进行分级时、将结构面的产状与发育情况的定性分析以定量的形式表达：如我国国防工程锚喷支护技术暂行规定中有岩层面产状要素影响折减系数及节理裂隙面的折减系数,2.3地下工程的围岩分级及其应用,岩体受地质构造影响的分级,2.3地下工程的围岩分级及其应用,岩层面产状要素影响折减系数 国防工程锚喷支护技术暂行规定,2.3地下工程的围岩分级及其应用,节理裂隙面的折减系数 国防工程锚喷支护技术暂行规定,2.3地下工程的围岩分级及其应用,1)工程地质条件 （

29、3）岩石的力学性质 在许多分级标准中都将岩石强度作为分级中的主要定量指标之一。有些分级是用岩体抗压强度（如普氏分级）表示的。此外岩石强度还影响围岩失效破坏的形态，强度高的硬岩多表现为脆性破坏，在隧道内可能发生岩爆现象。而在强度低的软岩中，则以塑性变形为主，流变现象较为明显。,2.3地下工程的围岩分级及其应用,（4）围岩的初始应力场,2.3地下工程的围岩分级及其应用,（5）地厂水状况,a、使岩质软化、强度降低。 b、在有软弱结构面的岩体中会冲走充填物质或使夹层软化，减少层间摩擦阻力。 c、使有膨胀性的岩体遇水后将产生膨胀，出现膨胀压力。,2.3地下工程的围岩分级及其应用,在目前的分级法中对考虑地

30、下水因素有3种方法： 在分级时不将水的影响直接考虑进去，而是根据围岩受地下水影响的程度低围岩的等级； 分级时按有水情况考虑，如果无水可提高围岩的等级； 直接将地下水的状况作为一个分级的指标。,2.3地下工程的围岩分级及其应用,地下水影响折减系数 国防工程锚喷支护技术暂行规定,2.3地下工程的围岩分级及其应用,2）工程活动中的人为因素 （1）地下工程尺寸与形状 （2）施工方法,2.3地下工程的围岩分级及其应用,2、分级的因素指标及其应用,1）单一的岩性指标 2）单一的岩性综合指标 （1）岩体的弹性波传播速度 岩体的弹性被传播速度与岩体的强度和完整状态有关。,弹性波速度与铁路隧道围岩分级的关系,2.3地下工程的围岩分级及其应用,（2）岩石质量指标（RQD）,RQD100mm岩芯累计长度/钻孔总长度,岩体质量指标RQD与分级的关系,2.3地下工程的围岩分级及其应用,（3）岩体的坚固系数,岩石的单轴抗压强度,岩体坚固系数分级,2.3地下工程的围岩分级及其应用,3）多因素定性和定量的指标相结合 多因素定性和定量指标相结合的方法用于围岩分级、是目前国内外应用最多的。包括早期应用较广的太沙基的分级法；我国国家标准的工程