岩土工程勘察-第十章-地下洞室的勘察与评价1教学提纲.ppt
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1、岩土工程勘察-第十章-地下洞室的勘察与评价1地下洞室:埋置于地下岩土体内的各种构筑物。应用:铁路和公路隧道,矿山地下巷道,国防地下仓库、指挥中心,城市地铁、地下商场、地下体育馆、地下游泳池等。锦屏二级水电站超长引水隧洞锦屏二级水电站超长引水隧洞地下洞室的开挖引起的问题:应力状态的变化 会引起不同程度的变形甚至破坏,地下洞室围岩的变形对周围环境的影响。因此在设计前,进行详细的岩土工程勘察提供设计所需的地质资料,掌握地下洞室所在岩体、土体的地质情况和稳定程度以及周围的环境情况,有十分重要的意义。10.1初始应力、围岩应力和山岩应力初始应力、围岩应力和山岩应力初始应力:地下洞室施工前就已经存在于岩体
2、中的应力称。围岩:应力重分布所波及的岩石。围岩应力:围岩中重新分布后的地应力。山岩压力:围岩作用于支护结构上的力。初始应力是山岩压力的基础,是力的来源。围岩应力既取决于初始应力,又取决于洞体的形态、规模以及岩体的结构与特性。山岩压力来自围岩压力,但围岩应力要转化为山岩压力,必须通过岩体结构失稳的变形、破坏来实现。围岩应力与岩体特性的矛盾决定了山岩压力的大小和特征。l初始应力初始应力 岩体中的初始应力状态是相当复杂的,要受到地质构造、岩性、地形地貌等多种因素的影响。初始应力可以划分为自重应力场和构造应力场。自重应力自重应力 大量的实测地应力资料表明,对于未经受构造作用,产状较为平缓的岩层,其应力
3、状态十分接近于由弹性理论所确定的应力状态。岩石泊松比:0.20.3。构造应力构造应力l围岩应力围岩应力1.三种初始应力场距地表较浅的岩体且存在大量地表裂隙的情况。没有经历构造运动作用的较深部岩体。很深的岩体围岩应力计算简图2.圆形洞室采用弹性力学中有孔板在周围外荷载作用下的公式式中没有弹性模量和泊松比,包含 。洞室边界附近切向应力产生集中现象3.其他洞室l山岩压力山岩压力 一般地,由于岩体隧洞内的变形作用于支护或衬砌上的压力称为变形压力,岩体因破坏而松动作用于支护或衬砌上的压力称为松动压力。1.压力拱理论压力拱理论 工程实践和模型试验的结果表明,洞顶坍落并不是没有止境的,当坍落进行到一定程度后
4、,由岩块组成的上部围岩体可以处于新的平衡状态,称为自然平衡拱(压力拱)。而实际地下洞室的施工并不等待自然平衡拱形成后才浇筑衬砌,所以作用于衬砌上的垂直山岩压力就可以认为是压力拱与衬砌之间岩石的重量。这样正确决定压力拱的形状就成为计算山岩压力的关键。通常采用普罗托奇耶可诺夫的压力拱理论,简称为普氏压力拱理论。该理论将洞室周围的岩石看作是没有黏聚力的散粒体,计算出洞室上方任何一点的垂直压力为:侧向山岩压力采用朗肯土压力公式计算,两侧的山岩压力呈梯形分布1o 砂土及松散材料砂土及松散材料2o 整体性岩石整体性岩石岩石坚固性系数岩石坚固性系数 根据普氏理论,根据普氏理论,-比较破碎岩比较破碎岩体(体(
5、f fK K2 2),地下洞室开挖:),地下洞室开挖:侧墙:剪切破裂侧墙:剪切破裂+顶拱顶拱“压力拱压力拱”.”.压力拱稳定条件:假定岩体为散粒压力拱稳定条件:假定岩体为散粒体,其抗拉、抗弯能力很小,洞室顶部体,其抗拉、抗弯能力很小,洞室顶部上的压力拱最稳定的条件是沿着拱的切上的压力拱最稳定的条件是沿着拱的切线方向仅作用压力。线方向仅作用压力。抛物线方抛物线方程程 压力拱理论要求洞室上方的岩石能够形成自然平衡拱,因此要求洞室上方有足够厚度且相当稳定的岩体,对于洞室埋藏浅、围岩为粉砂或饱和软黏土等情况不能应用压力拱理论。2.弹塑性理论弹塑性理论围岩内的弹塑性应力分布 洞室开挖后,随着塑性松动圈的
6、扩展,对支护产生的压力用下式计算:芬那公式(未考虑岩石自重)卡柯公式(考虑岩石自重)3.地质分析法地质分析法10.2围岩的变形和破坏形式围岩的变形和破坏形式岩土工程勘察岩体的破坏形式表脆性破坏 整体状结构及块状结构岩体,在一般开挖条件下表现稳定,仅产生局部掉块,但在高应力地区,洞周应力集中可引起岩爆,属于脆性破坏,岩石成为碎片射出可发出破裂响声。块体运动 当块状或层状岩体受明显的少数软弱结构面切割,形成块体或数量有限的块体时,这种块体和围岩的联系很弱,在自重力和围岩应力的作用下有向临空面运动的趋势,逐渐形成块体运动失稳方式:块体塌落、滑动和转动、倾倒以及块体挤出等弯曲折断破坏 弯曲折断破坏是层
7、状,尤其是夹软弱夹层的互层岩体所特有的,但是在大型地下工程中受一组很发育的结构面所构成的似层状岩体也可产生类似的条块状的折断和倒塌。洞体围岩是泥盆系石英砂岩及板岩互层,产状平缓,洞形为城门洞形。开挖中拱脚以上塌落,形成超挖,成为平板顶,洞体变为梯形断面。巷道 洞顶的岩层受到力作用下沉弯曲,进而开裂、折断,形成塌落体;侧墙可能发生弯曲倾倒破坏或弯曲鼓出破坏。松动解脱 碎裂结构岩体在泥质软弱结构面含量较少的情况下有一定的承载压力的能力,但是在张力、单轴压力及振动力作用下容易松动,解脱成为碎块散开或脱落。工程中洞顶表现为崩塌,而在边墙则为碎块滑塌、坍塌。比如压碎岩带,如果挤压很紧,而且有的胶结良好,
8、无泥质物充填,施工起来很是顺利。相反,如果节理裂隙间有较多泥质充填,裂隙张开,岩石松动,则塌方的可能性就比较大,尤其是在地下水及震动力作用下较易失稳。塑性变形和剪切破坏 松散结构岩体或碎裂结构岩体中含软弱结构面较多的情况下,在开挖临空及围岩应力作用下产生塑性变形及剪切破坏,往往表现为塌方、边墙挤入洞内、底鼓以及洞体收缩等。10.3围岩分类围岩分类围岩分级的目的是:围岩分级的目的是:围岩分级的目的是:围岩分级的目的是:作为选择施工方法的依据;作为选择施工方法的依据;作为选择施工方法的依据;作为选择施工方法的依据;进行科学管理及正确评价经济效益;进行科学管理及正确评价经济效益;进行科学管理及正确评
9、价经济效益;进行科学管理及正确评价经济效益;确定结构上的荷载确定结构上的荷载确定结构上的荷载确定结构上的荷载(松散荷载松散荷载松散荷载松散荷载);给出衬砌结构的类型及其尺寸;给出衬砌结构的类型及其尺寸;给出衬砌结构的类型及其尺寸;给出衬砌结构的类型及其尺寸;制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。l 围岩分级围岩分级围岩分级围岩分级工程岩体分级标准工程岩体分级标准(GB50218-94)采用定性与定量相结合的方法,分两步确定岩体级别,先确定岩体基本质量,再结合具体工程特点确定岩体级别
10、。1.定性分析定性分析 定性分析中岩体的基本质量指标由岩石坚硬程度和岩体完整性两个因素来确定。岩石坚硬程度的定性划分 表3.2.1 名名称称定定性性鉴鉴定定代表性岩石代表性岩石硬硬质质岩岩坚坚硬硬岩岩锤击声清脆,有回弹,震锤击声清脆,有回弹,震手,难击碎;手,难击碎;浸水后,大多无吸水反应浸水后,大多无吸水反应末风化微风化的;末风化微风化的;花岗岩、正长岩、闪长岩、辉绿岩、玄武岩、花岗岩、正长岩、闪长岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、片麻岩、石英片岩、硅质板岩、石安山岩、片麻岩、石英片岩、硅质板岩、石英岩、硅质胶结的砾岩、石英砂岩、硅质石英岩、硅质胶结的砾岩、石英砂岩、硅质石灰岩等灰岩等较较坚坚硬硬
11、岩岩锤击声较清脆,有轻微回锤击声较清脆,有轻微回弹,稍震手,较难击碎;弹,稍震手,较难击碎;浸水后,有轻微吸水反应浸水后,有轻微吸水反应1.弱风化的坚硬岩;弱风化的坚硬岩;2.未风化微风化的:未风化微风化的:熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、石灰熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、石灰岩、钙质胶结的砂岩等岩、钙质胶结的砂岩等软软质质岩岩较较软软岩岩锤击声不清脆,无回弹,锤击声不清脆,无回弹,较易击碎;较易击碎;浸水后,指甲可刻出印痕浸水后,指甲可刻出印痕1.强风化的坚硬岩;强风化的坚硬岩;2.弱风化的较坚硬岩;弱风化的较坚硬岩;3.未风化微风化的:未风化微风化的:凝灰岩、千枚岩、砂质泥岩、泥灰岩
12、、泥质凝灰岩、千枚岩、砂质泥岩、泥灰岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩等砂岩、粉砂岩、页岩等软软岩岩锤击声哑,无回弹,有凹锤击声哑,无回弹,有凹痕,易击碎;痕,易击碎;浸水后,手可掰开浸水后,手可掰开1.强风化的坚硬岩;强风化的坚硬岩;2.弱风化强风化的较坚硬岩;弱风化强风化的较坚硬岩;3.弱风化的较软岩;弱风化的较软岩;4.未风化的泥岩等未风化的泥岩等极极软软岩岩锤击声哑,无回弹,有较锤击声哑,无回弹,有较深凹痕,手可捏碎;深凹痕,手可捏碎;浸水后,可捏成团浸水后,可捏成团1.全风化的各种岩石;全风化的各种岩石;2.各种半成岩各种半成岩岩石风化程度的划分岩石风化程度的划分表表3.2.2名名称称风风化
13、化特特征征未风化未风化结构构造未变,岩质新鲜结构构造未变,岩质新鲜微风化微风化结构构造、矿物色泽基本未变,部分裂隙面结构构造、矿物色泽基本未变,部分裂隙面有铁锰质渲染有铁锰质渲染弱风化弱风化结构构造部分破坏,矿物色泽较明显变化,结构构造部分破坏,矿物色泽较明显变化,裂隙面出现风化矿物或存在风化夹层裂隙面出现风化矿物或存在风化夹层强风化强风化结构构造大部分破坏,矿物色泽明显变化,结构构造大部分破坏,矿物色泽明显变化,长石、云母等多风化成次生矿物长石、云母等多风化成次生矿物全风化全风化结构构造全部破坏,矿物成分除石英外,大结构构造全部破坏,矿物成分除石英外,大部分风化成土状部分风化成土状岩体完整程
14、度的定性划分岩体完整程度的定性划分表表3.3.1名名称称结构面发育程度结构面发育程度主要结构面主要结构面的结合程度的结合程度主要结构面主要结构面类型类型相应结构类型相应结构类型组数组数平均间距平均间距(m)完完整整121.0结合好或结合好或结合一般结合一般节理、裂隙、节理、裂隙、层面层面整体状或巨厚层状整体状或巨厚层状结构结构较完整较完整121.0结结合合差差节理、裂隙、节理、裂隙、层面层面块状或厚层状结构块状或厚层状结构231.00.4结合好或结合好或结合一般结合一般块状结构块状结构较破碎较破碎231.00.4结结合合差差节理、裂隙、节理、裂隙、层面、小断层面、小断层层裂隙块状或中厚层裂隙块
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