地下工程的工程地質(zhì)問題課件

1、任務(wù)8地下工程的工程地質(zhì)問題8.1概述8.2巖體、巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力的概念8.3圍巖與圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律8.4 洞室圍巖的變形及其破壞的基本類型8.5地下工程特殊地質(zhì)問題返回第1頁，共26頁。.概述地下洞室:地下洞室是在巖土體內(nèi),為各種目的經(jīng)人工開鑿形成的地下工程構(gòu)筑物.年月,中國工程院環(huán)境委員會成立大會上,錢七虎院士提出:世紀是橋的世紀,世紀是高層建筑的世紀,世紀是地下洞室開發(fā)利用的世紀.研究實質(zhì):巖土體在開鑿洞室后,應(yīng)力、應(yīng)變的分布和變形情況.地下洞室的穩(wěn)定性,必然與地質(zhì)條件密切相關(guān),因此就是要求有充分可靠的地質(zhì)資料,作為分析巖體穩(wěn)定性和進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、選擇施工方法及處理措施的基礎(chǔ).返回第2頁

2、，共26頁。.巖體、巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力的概念.巖體與巖體結(jié)構(gòu).巖體的概念巖體是指與工程活動有關(guān)的那部分地殼,因此,巖體的范圍大小取決于工程的形狀、位置、類型與規(guī)模.按照巖體對工程所起的作用,可以把巖體分為三大類:地基巖體、邊坡巖體和周圍巖體.地基巖體是指房屋、橋梁、路基等建筑物基礎(chǔ)下面的巖體;邊坡巖體是指因路塹邊坡等人工開挖而暴露出來的斜坡巖體;周圍巖體是指隧道等地下工程周圍的巖體.巖石與巖體的相互關(guān)系地殼由巖石組成,巖體是地殼的一部分,因此巖體也是由巖石組成的.下一頁返回第3頁，共26頁。.巖體、巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力的概念但巖體和巖石不同:可以把巖石理解為一種材料,巖石的工程性質(zhì)主要取決于它的礦物

3、成分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,因此,其特征完全可以通過手標本進行描述和試驗,基本上把巖石看作是連續(xù)的、均質(zhì)的,且多為各向同性的.巖體是由各種巖石塊體組合而成的“巖石結(jié)構(gòu)物”,它的主要特點是不連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性.它的工程性質(zhì)不僅取決于組成它的巖石,更重要的是取決于它的不連續(xù)性,因此,其特征不能只用一塊手標本進行描述和試驗,而需要進行大量的現(xiàn)場觀測和多方面的室內(nèi)外試驗才能確定.巖體結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返回第4頁，共26頁。.巖體、巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力的概念()結(jié)構(gòu)面.結(jié)構(gòu)面主要是指存在于巖體中的各種地質(zhì)界面,包括各種破裂面(劈理、節(jié)理、斷層、風(fēng)化裂隙面等)、物質(zhì)分異面(層理、沉積間斷面等)以及軟弱夾層、軟弱帶

4、等.結(jié)構(gòu)面是各種地質(zhì)作用的產(chǎn)物,不同的結(jié)構(gòu)面具有各自的特征.結(jié)構(gòu)面類型.根據(jù)結(jié)構(gòu)面的成因,一般將其分為成巖(或原生)結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面三種類型.a. 成巖結(jié)構(gòu)面又可分為火成結(jié)構(gòu)面、沉積結(jié)構(gòu)面和變質(zhì)結(jié)構(gòu)面.火成結(jié)構(gòu)面多數(shù)是物質(zhì)分界面,如侵入體與圍巖的接觸面、巖漿巖體之間的接觸面等,也有破裂性結(jié)構(gòu)面,如巖漿迅速冷凝收縮而成的原生節(jié)理面;沉積結(jié)構(gòu)面主要是指層理面、不整合面等物質(zhì)分界面;變質(zhì)結(jié)構(gòu)面主要是指板狀、千枚狀及片狀、片麻狀巖石的片理面.上一頁下一頁返回第5頁，共26頁。.巖體、巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力的概念b. 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面.構(gòu)造結(jié)構(gòu)面是指在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的,主要包括斷層面、節(jié)理面、劈理

5、面等.構(gòu)造結(jié)構(gòu)面各有其力學(xué)成因,相互間有一定的成因聯(lián)系,在空間分布上也有一定的規(guī)律.構(gòu)造結(jié)構(gòu)面按其力學(xué)成因可分為壓性的、張性的、扭性的、壓扭性的和張扭性的五種.c. 次生結(jié)構(gòu)面也多為破裂面.其包括風(fēng)化裂隙面、卸荷裂隙面、爆破裂隙面、滑坡裂隙面、溶蝕裂隙面等.結(jié)構(gòu)面的特征.a. 產(chǎn)狀:結(jié)構(gòu)面在空間的分布狀態(tài).b. 間距:同一組相鄰結(jié)構(gòu)面之間的垂直距離.上一頁下一頁返回第6頁，共26頁。.巖體、巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力的概念c. 持續(xù)性:表示在一個暴露面上能見到的結(jié)構(gòu)面跡線的長度.d. 粗糙度:相對于結(jié)構(gòu)面平均平面的平整光滑程度.e. 結(jié)構(gòu)面壁強度:結(jié)構(gòu)面相鄰巖壁的等效抗壓強度.f. 裂縫開度:張開結(jié)構(gòu)面

6、相鄰巖壁間的垂直距離.g. 充填物:充填于結(jié)構(gòu)面相鄰巖壁間的物質(zhì).h. 滲透:水沿巖石孔隙和導(dǎo)水結(jié)構(gòu)面的流動.()結(jié)構(gòu)體:即巖體中被結(jié)構(gòu)面切割而成的巖石塊體.結(jié)構(gòu)體的形狀及大小.結(jié)構(gòu)體的形狀取決于結(jié)構(gòu)面的組數(shù)及其產(chǎn)狀.在沉積巖中有可能形成比較規(guī)則的結(jié)構(gòu)體形狀,但在一般情況下,很難形成規(guī)則的幾何形狀.上一頁下一頁返回第7頁，共26頁。.巖體、巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力的概念常見的形狀有立方體、四面體、菱面體、板狀、柱狀及楔狀六種.結(jié)構(gòu)體的大小由結(jié)構(gòu)面組數(shù)及各組間距決定.巨大巖塊組成的巖體不易變形;小的巖塊可能引起類似土的潛在破壞形式,由通常伴隨著不連續(xù)巖體出現(xiàn)的平移或傾倒式破壞,變?yōu)閳A弧-旋轉(zhuǎn)型破壞,在極

7、個別情況下,極小的“巖塊”可能產(chǎn)生流動破壞.結(jié)構(gòu)體與工程的相對位置.如果結(jié)構(gòu)體的形狀和大小相同,當(dāng)其產(chǎn)狀不同時,在同一個工程部位有不同的穩(wěn)定性;當(dāng)產(chǎn)狀相同而處于不同的工程部位時,也有不同的穩(wěn)定性.()巖體結(jié)構(gòu)的基本類型及其工程性質(zhì).巖體的工程性質(zhì)與巖石的工程性質(zhì)和結(jié)構(gòu)面的工程性質(zhì)密切相關(guān).上一頁下一頁返回第8頁，共26頁。.巖體、巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力的概念對于巖性較好的堅硬巖石組成的巖體,其工程性質(zhì)主要取決于結(jié)構(gòu)面的工程性質(zhì);對于巖性較差的弱軟巖石組成的巖體,其工程性質(zhì)一般受巖石工程性質(zhì)的控制.根據(jù)結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)體的不同特征,可劃分出整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體、層狀結(jié)構(gòu)巖體、碎裂結(jié)構(gòu)巖體和散體結(jié)構(gòu)巖四種類型,

8、其工程性質(zhì)也不相同.整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體的工程性質(zhì).整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體因其結(jié)構(gòu)面稀疏、延展性差、結(jié)構(gòu)體塊度大且常為硬質(zhì)巖石,因此整體強度高,變形特性接近于各向同性的均質(zhì)彈性體,變形模量、承載能力及抗滑能力都較高,抗風(fēng)化能力也較強,故其具有良好的工程性質(zhì).層狀結(jié)構(gòu)巖體的工程性質(zhì).上一頁下一頁返回第9頁，共26頁。.巖體、巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力的概念層狀結(jié)構(gòu)巖體中結(jié)構(gòu)以層面及不密集的節(jié)理為主,結(jié)構(gòu)面多為閉合至微張狀,一般風(fēng)化微弱,結(jié)合力不強,結(jié)構(gòu)體塊度較大且保持著母巖巖塊性質(zhì),因此這類巖體總體變形模量和承載力較高,但當(dāng)結(jié)構(gòu)面結(jié)合力不強或有軟弱夾層存在時,則其強度和變形特性都具有各向異性的特點.一般沿層面方向比

9、垂直于層面方向強度低.碎裂結(jié)構(gòu)巖體的工程性質(zhì).碎裂結(jié)構(gòu)的巖體中,節(jié)理、裂隙發(fā)育,常有泥質(zhì)充填物質(zhì),結(jié)合力不強,巖體的完整性破壞較大,其工程性質(zhì)較差.散體結(jié)構(gòu)巖體的工程性質(zhì).散體結(jié)構(gòu)巖體的裂隙很發(fā)育,巖體十分破碎,工程性質(zhì)極差,可按碎石土來分析其工程性質(zhì).上一頁下一頁返回第10頁，共26頁。.巖體、巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力的概念.地應(yīng)力及其特征()地應(yīng)力:地應(yīng)力指地殼巖體處在未經(jīng)人為擾動的天然狀態(tài)下所具有的內(nèi)應(yīng)力,也稱為天然應(yīng)力、原巖應(yīng)力、初始應(yīng)力、一次應(yīng)力.由于工程開挖,一定范圍內(nèi)巖體中的應(yīng)力受到擾動而重新分布,則稱為二次應(yīng)力或擾動應(yīng)力,在地下工程中稱圍巖應(yīng)力.()地應(yīng)力的組成:地應(yīng)力主要包括構(gòu)造應(yīng)力

10、和自重應(yīng)力,另外還包括地溫應(yīng)力、地下水壓力及沉積作用、變質(zhì)作用、巖漿作用等引起的應(yīng)力等.自重應(yīng)力是指由上覆地層巖體重量產(chǎn)生的地應(yīng)力.上一頁下一頁返回第11頁，共26頁。.巖體、巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力的概念對于表面為水平的半無限體,巖體具有的重度為,在深度為H 處的垂直自重應(yīng)力為水平自重應(yīng)力H 為構(gòu)造應(yīng)力是指由構(gòu)造運動引起的地應(yīng)力,一般可分為活動應(yīng)力和殘余應(yīng)力.()地應(yīng)力的特點:地應(yīng)力基本上是壓應(yīng)力.垂直應(yīng)力主要是自重應(yīng)力.水平壓力具各向異性.上一頁返回第12頁，共26頁。.圍巖與圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律.圍巖的概念在巖體中,因開挖洞室,巖體產(chǎn)生的應(yīng)力重新分布,應(yīng)力重新分布的范圍內(nèi)的巖體稱為圍巖,其直徑一般

11、為洞室直徑的倍.圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律主要與洞室形狀和側(cè)壓力系數(shù)(N)有關(guān).圍巖應(yīng)力的特征()鄰近洞壁的巖體受到集中應(yīng)力的作用,當(dāng)巖體中的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力之差達到某一極限值時,就會產(chǎn)生塑性變形.下一頁返回第13頁，共26頁。.圍巖與圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律()當(dāng)應(yīng)力足夠大時,有可能形成一個塑性松動圈.()在塑性松動圈外側(cè),徑向應(yīng)力逐步增大,所形成的應(yīng)力升高區(qū),稱為彈性圈.()在應(yīng)力升高區(qū)以外,應(yīng)力狀態(tài)仍保持應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力條件不受洞室開挖的影響.結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與洞室受力方向?qū)鷰r應(yīng)力的影響()結(jié)構(gòu)面與洞室受力方向的夾角或垂直時,洞壁與結(jié)構(gòu)面垂直相交的部位產(chǎn)生最大切向應(yīng)力.上一頁下一頁返回第14頁，共26頁

12、。.圍巖與圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律()結(jié)構(gòu)面與洞室受力方向的夾角或平行時,洞壁與結(jié)構(gòu)面相切的部位產(chǎn)生最大切向應(yīng)力;當(dāng)結(jié)構(gòu)面的走向與洞室受力方向平行時,洞頂(底)的切向應(yīng)力成為最大主應(yīng)力,而徑向應(yīng)力變得彎斜.()結(jié)構(gòu)面與洞室受力方向的夾角為時,洞壁與結(jié)構(gòu)面相切且垂直的部位產(chǎn)生相等的最大切向應(yīng)力.上一頁返回第15頁，共26頁。第16頁，共26頁。.洞室圍巖的變形及其破壞的基本類型.堅硬巖體的變形與破壞()巖爆:在高地應(yīng)力區(qū)完整、堅硬的脆性巖中,產(chǎn)生的大量彈性應(yīng)變能的突然釋放,即突然的脆性破壞,并導(dǎo)致巖石剝落、彈射和爆裂聲、氣浪的現(xiàn)象,稱為巖爆.()張裂、劈裂:當(dāng)N/時,洞頂產(chǎn)生張裂塌落;洞壁產(chǎn)生劈裂剝落

13、.()彎折(內(nèi)鼓):對于層狀(尤其是薄層脆性)圍巖,是由卸荷回彈或切向壓應(yīng)力超過其抗彎強度所造成.()滑移.軟弱巖體的變形與破壞下一頁返回第17頁，共26頁。.洞室圍巖的變形及其破壞的基本類型()塑性變形:當(dāng)圍巖應(yīng)力超過軟弱巖體的屈服強度時,軟弱的塑性巖體就會向洞內(nèi)擠出、鼓脹,產(chǎn)生變形.塑性變形的延續(xù)時間長,變形量大,發(fā)生壓碎、拉裂或剪破.塑性變形是圍巖變形的主要組成部分.()膨脹內(nèi)鼓:巖石吸入地下水或開挖后從空氣中吸收水分易于膨脹的有兩類:一是富含黏土礦物(特別是蒙脫石)的泥巖、頁巖、膨脹土;二是含硬石膏的地層.松散圍巖的變形與破壞上一頁下一頁返回第18頁，共26頁。.洞室圍巖的變形及其破壞

14、的基本類型()重力坍塌:當(dāng)洞室開挖遇到規(guī)模較大的斷層破碎帶,節(jié)理密集帶等破碎巖體以及松散堆積物時,在洞頂會產(chǎn)生的坍塌破壞現(xiàn)象.()溯流涌出:當(dāng)開挖揭穿了飽水的松散破碎物質(zhì)時,這些物質(zhì)就會和水一起在壓力下呈夾有大量碎屑物的泥漿狀突然涌入洞中,有時甚至可以堵塞坑道,給施工造成很大的困難.上一頁返回第19頁，共26頁。第20頁，共26頁。.地下工程特殊地質(zhì)問題.涌水地下洞室穿越含水層時,會使地下水涌入.其作用表現(xiàn)為:()產(chǎn)生靜水壓力作用于襯砌;()巖質(zhì)軟化,降低強度;()軟弱夾層泥化,使巖體滑動;()巖類的溶解和膨脹;()產(chǎn)生動水壓力,出現(xiàn)流砂及滲透變形;()若含有有害化合物,則會對襯砌產(chǎn)生侵蝕;(

15、)大量涌水,易產(chǎn)生傷亡事故.下一頁返回第21頁，共26頁。.地下工程特殊地質(zhì)問題.有害氣體天然存在的有害氣體能夠充滿巖石的空隙,當(dāng)開挖時,氣體會進入開挖地下、開挖井巷,給施工帶來不便.隧道與地下工程施工中常見的有害氣體是瓦斯,其具有如下特征:()爆炸溫度:封閉狀態(tài)下可達;()爆炸體積:擴大四倍或更大;()爆炸后:空氣中無O,使人員暈倒甚至死亡;()如果爆炸時遇到煤塵,威力更大.地溫上一頁下一頁返回第22頁，共26頁。.地下工程特殊地質(zhì)問題在深埋(m)地下洞室內(nèi),高地溫會使施工更加困難.一般在地表下一定深度內(nèi),地溫常年不變,稱為常溫帶,以下地?zé)嵩鰷芈蕿?/m.除深度外,地?zé)徇€與構(gòu)造、火山活動、地下水溫度有關(guān).巖爆在堅硬巖體深部開挖時,巖石突然飛出和劇烈破壞的現(xiàn)象,稱為巖爆.巖爆的特點()高應(yīng)力區(qū)的堅硬巖石易發(fā)生巖爆;()巖爆發(fā)生時常伴有聲音;上一頁下一頁返回第23頁，共26頁。.地下工程特殊地質(zhì)問題()巖爆發(fā)生時有一個過程,即啟裂階段