工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

工程地質(zhì)與水文地質(zhì)課件第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)地下工程概述定義：人工開挖或天然存在于巖土體內(nèi)的構(gòu)筑物，統(tǒng)稱為地下工程。地下工程的特征：開挖前處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，開挖后硐室周圍的巖體發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重分布，可能因此發(fā)生變形和破壞。研究意義：正確估計圍巖應(yīng)力和巖體強(qiáng)度，及時合理地對地下工程進(jìn)行維護(hù)，是保證地下工程安全、經(jīng)濟(jì)地修建和運營的前提。返回第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)

洞室圍巖應(yīng)力的重分布一、原巖應(yīng)力二、地下洞室圍巖重分布應(yīng)力返回（一）基本概念（二）彈性圍巖重分布應(yīng)力（三）塑性圍巖重分布應(yīng)力

1、圓形洞室

2、非圓形斷面洞室1、圍巖松動圈與承載圈2、重分布應(yīng)力第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一一、原巖應(yīng)力

原巖應(yīng)力即地應(yīng)力，一般是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，或稱為初始應(yīng)力。地應(yīng)力是重力和地殼運動等綜合作用下形成的應(yīng)力，主要包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力、變異及其他應(yīng)力等幾種形式。在進(jìn)行地下洞室建筑時，應(yīng)考慮總地應(yīng)力的大小和方向。

目前在工程上多采用現(xiàn)場測定方法(應(yīng)力解除法)來確定地應(yīng)力的大小。國內(nèi)外大量實測資料表明：絕大多數(shù)地區(qū)的地應(yīng)力，其水平應(yīng)力常常大于垂直應(yīng)力。λ一般為1.2~5，個別地區(qū)有的可達(dá)20以上。返回第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一1、自重應(yīng)力σz=γH式中:γ—巖土的容重;H—巖土的埋深;μ—巖土的泊松比;λ—巖土的側(cè)壓力系數(shù)。

一般巖石的μ=0.1~0.3，λ=0.11~0.42λσz返回第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一由于地殼運動等作用在地殼內(nèi)造成的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力以彈性應(yīng)變能的形式儲存在地殼內(nèi)，當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力逐漸增大并超過巖體強(qiáng)度或巖體中原有斷裂的抵抗阻力時，便可能引起地層變形、蠕滑、破壞，甚至有可能由于構(gòu)造應(yīng)力的突然釋放而導(dǎo)致地震的發(fā)生。這種由于構(gòu)造應(yīng)力的作用而導(dǎo)致的地層變形和破壞的過程稱為構(gòu)造運動。根據(jù)構(gòu)造運動活動狀態(tài)，構(gòu)造應(yīng)力又可分為活動的構(gòu)造應(yīng)力和剩余的構(gòu)造應(yīng)力兩種。活動的構(gòu)造應(yīng)力一般是指目前正在活動的構(gòu)造運動在地殼內(nèi)形成的地應(yīng)力；剩余的構(gòu)造應(yīng)力是指構(gòu)造運動結(jié)束后，由構(gòu)造運動過程中尚未釋放完的彈性應(yīng)變能在地殼內(nèi)形成的地應(yīng)力。2、構(gòu)造應(yīng)力返回第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一3、變異及其他應(yīng)力變異及其他應(yīng)力是指巖體受巖漿活動，變質(zhì)作用以及侵蝕卸荷等而受到的溫度、應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)變能以及重力場改變等而形成的地應(yīng)力。返回第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一（一）基本概念硐室開挖之前，巖土體一般處于天然應(yīng)力平衡狀態(tài)，稱為原巖應(yīng)力場或初始應(yīng)力場；硐室開挖后破壞了這種平衡。地下開挖以后，由于圍巖質(zhì)點應(yīng)力、應(yīng)變調(diào)整而引起的天然應(yīng)力大小、方向和性質(zhì)改變的作用稱為應(yīng)力重分布；經(jīng)應(yīng)力重分布作用后形成的新的應(yīng)力狀態(tài)，稱為重分布應(yīng)力狀態(tài)。通常將洞室周圍發(fā)生應(yīng)力重分布的這一部分巖體叫做地下洞室圍巖（簡稱圍巖），狹義上，圍巖常指硐室周圍受到開挖影響，大體相當(dāng)于地下硐室寬度或平均直徑的3~5倍范圍內(nèi)的巖土體。返回第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一1、圓形洞室重分布應(yīng)力式中：r0---洞室半徑r---自洞中心算起的徑向距離θ---自水平軸算起的極坐標(biāo)中的角度Ph、Pv---分別表示垂直與水平正應(yīng)力，如果巖體的初始應(yīng)力反由重力形成，則Pv=γHPh=λγH(H為洞室平均埋深)σr、σθ---分別為徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力；τrθ---剪應(yīng)力r02r04r06r0Ph2Ph應(yīng)力σθσr距離埋深大于20r0返回第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2、非圓形斷面洞室重分布應(yīng)力利用彈性試驗可測定各種非圓形洞室的應(yīng)力。定義切向應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比為應(yīng)力集中系數(shù)，王建寧《地下工程噴錨支護(hù)原理與設(shè)計》列出了不同形狀的洞室邊界切向應(yīng)力集中系數(shù)α(=σt/Pv)（表)自表中查出切向應(yīng)力集中系數(shù)α值后，有下式即可計算切向應(yīng)力值：

σt=αPv返回第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一不同形狀的洞室邊界切向應(yīng)力集中系數(shù)α(=σt/Pv)

第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一不同形狀的洞室邊界切向應(yīng)力集中系數(shù)α(=σt/Pv)

第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一不同形狀的洞室邊界切向應(yīng)力集中系數(shù)α(=σt/Pv)

第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一不同形狀的洞室邊界切向應(yīng)力集中系數(shù)α(=σt/Pv)

第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一不同形狀的洞室邊界切向應(yīng)力集中系數(shù)α(=σt/Pv)

第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一不同形狀的洞室邊界切向應(yīng)力集中系數(shù)α(=σt/Pv)

本表摘自王建寧《地下工程噴錨支護(hù)原理與設(shè)計》返回第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一1、圍巖松動圈與承載圈洞室開挖后由于應(yīng)力的重分布，將使洞室周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)周邊應(yīng)力小于巖體的強(qiáng)度極限(脆性巖石)或屈服極限(塑性巖石)時，洞室圍巖穩(wěn)定。否則，周邊巖石首先破壞或出現(xiàn)大的變形，并向深部擴(kuò)展到一定的范圍形成松動圈。在松動圈形成的過程中、原來硐室周邊集中的高應(yīng)力逐漸向松動圈外轉(zhuǎn)移，形成新的應(yīng)力升高區(qū)。該區(qū)巖體被擠壓緊密，宛如天然加固的巖體，故稱承載區(qū)。應(yīng)當(dāng)指出，如果巖體非常軟弱或處于朔性狀態(tài)地，則洞空開挖后，由于塑性松動圈的不斷擴(kuò)展，自然承載圈很難形成。在這種情況下，巖體始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，開挖洞室十分困難。如果巖體堅硬完整，則洞室圍巖始終處于彈性狀態(tài)，圍巖穩(wěn)定，不形成松動圈，在生產(chǎn)實踐中。確定洞室圍巖松動圈的范圍是非得重要的。因為松動圈一旦形成，圍巖就會坍塌或向洞內(nèi)產(chǎn)生大量的塑性變形，要維持圍巖穩(wěn)定就要進(jìn)行支撐或襯砌。塑性松動圈彈性承載圈原巖應(yīng)力區(qū)返回第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2、塑性圍巖重分布應(yīng)力（1）塑性松動圈內(nèi)（2）塑性松動圈與彈性圈交界面上返回第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)圍巖的變形與破壞

洞室開挖后，地下形成了自由空間，原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于解除束縛而向洞室空間發(fā)生松脹變形。這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力、便發(fā)生破壞。脆性巖石的變形破壞的方式包括張裂坍落、劈裂、剪切滑動、巖爆彎折內(nèi)鼓等；塑性巖石的變形破壞包括擠出、膨脹、涌流和坍塌等圍巖變形和破壞失穩(wěn)的形式，除與巖體內(nèi)的初始應(yīng)力狀態(tài)及洞形有關(guān)外，主要取決于圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)特征。1、完整結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征2、層狀結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征3、塊斷結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征4、碎裂結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征5、散體結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征返回第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一1、完整結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征堅硬完整巖體的強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好,其變形和破壞可根據(jù)彈性理論計算。該類巖體在高地應(yīng)力區(qū)，洞室開挖后可能產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象。巖爆系指在地下開挖過程中，圍巖突然以爆炸形式表現(xiàn)出來的破壞現(xiàn)象。巖爆的產(chǎn)生需要具備兩方面的條件：高儲能體（高強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)完整的脆性巖體）的存在，且其應(yīng)力接近于巖體強(qiáng)度是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因；某附加荷載的觸發(fā)則是其產(chǎn)生的外因。附加荷載主要包括兩個方面：一是機(jī)械開挖、爆破以及圍巖局部破裂所造成的彈性振蕩；一是開挖的迅速推進(jìn)或累進(jìn)性破壞所引起的應(yīng)力突然向某些部位的集中。返回第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2、層狀結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征這類巖體破壞形式主要有：沿層面張裂、彎曲內(nèi)鼓、折斷塌落等。層狀圍巖變形破壞特征（a）水平層狀巖體；（b）傾斜層狀巖體；（c）直立層狀巖體

1—設(shè)計斷面輪廓線；2—破壞區(qū)；3—崩塌；4—滑動；5—彎曲、張裂及折斷

返回第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一3、塊斷結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征這類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞，主要表現(xiàn)為沿結(jié)構(gòu)面的滑移掉塊。堅硬塊狀巖體中的塊體滑移圖1—層面；2—斷裂；3—裂隙返回第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一4、碎裂結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生夾泥的巖體。這類圍巖的變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方和滑動（圖）。破壞規(guī)模和特征主要取決于巖體的破碎程度和含泥多少。在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，由于變形時巖塊互相鑲嵌擠壓，錯動時將產(chǎn)生一定阻力，因而不易大規(guī)模塌方。相反，當(dāng)夾泥量很高時，由于巖塊間失去剛性接觸，則易產(chǎn)生大規(guī)模塌方，如不及時支護(hù)，將愈演愈烈，直至冒頂。

返回第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一5、散體結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征松散狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎和強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體或新近堆積的土體。這類圍巖的力學(xué)屬性表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。其變形破壞形式以拱形冒落為主。當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)均勻時，冒落拱形狀較為規(guī)則（圖（a））。但當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松軟巖體僅構(gòu)成局部圍巖時，則常表現(xiàn)為局部塌方、塑性擠入及滑動等形式（圖（b）、（c）、（d））。

松散圍巖變形破壞形式（a）拱形冒落；（b）局部塌方造成偏壓；（c）側(cè)鼓；（d)底鼓

返回第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)地下建筑圍巖穩(wěn)定性評價一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素1、地質(zhì)構(gòu)造：地質(zhì)構(gòu)造使巖石破碎，降低巖體的強(qiáng)度。2、巖體的特性及結(jié)構(gòu)：巖性不同，巖石的強(qiáng)度和抗風(fēng)化能力等不同；巖體結(jié)構(gòu)不同，巖體的完整性不同。3、地下水：地下水對巖石有軟化、膨脹、溶蝕等作用，還可加速風(fēng)化，減小摩阻。4、原巖應(yīng)力：構(gòu)造應(yīng)力的方向及大小是控制地下工程圍巖變形破壞的重要因素。二、圍巖穩(wěn)定性定量評價1、解析分析方法：建模求應(yīng)力和位移，根據(jù)破壞準(zhǔn)則評價2、赤平極射投影和實體比例投影方法3、物理與數(shù)值模擬研究方法返回第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一1、根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度的驗算對于整體性良好的堅硬巖體來說，由于其節(jié)理裂隙不發(fā)育，強(qiáng)度較大，可近似假定巖體是均勻的各向同性的連續(xù)彈性介質(zhì)，驗算洞室邊界上的切向應(yīng)力是否超過巖體強(qiáng)度即可，即式中：σθ---洞室邊界上的切向應(yīng)力[Rc]---巖石的許可抗壓強(qiáng)度對于無裂隙堅硬圍巖[Rc]=0.6Rc對于有裂隙堅硬圍巖[Rc]=0.5RcRc為巖塊單軸抗壓強(qiáng)度第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2、根據(jù)巖石抗剪強(qiáng)度的驗算假如巖體符合莫爾庫侖強(qiáng)度條件的要求，則巖體穩(wěn)定性驗算可利用下式進(jìn)行：式中：σθ---洞室邊界上的切向應(yīng)力C、φ---巖石的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，C為凝聚力，φ為內(nèi)摩擦角返回第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一1、圓形洞室重分布應(yīng)力式中：r0---洞室半徑r---自洞中心算起的徑向距離θ---自水平軸算起的極坐標(biāo)中的角度Ph、Pv---分別表示垂直與水平正應(yīng)力，如果巖體的初始應(yīng)力反由重力形成，則Pv=γHPh=λγH(H為洞室平均埋深)σr、σθ---分別為徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力；τrθ---剪應(yīng)力r02r04r06r0Ph2Ph應(yīng)力σθσr距離埋深大于20r0返回第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一赤平極射投影圖解分析例如已知邊坡面走向310°，傾向SW，層面走向280°，傾向SW，傾角均為50°，求穩(wěn)定邊坡角。先作層面和邊坡走向線的赤平極射投影圖A1A2和直徑D1D2(圖)；再過層面的極點P作直立平面B1B2，與A1A2交于M1點，最后以直徑D1D2為走向，過m點作大圓弧D1M1D2，為所求的邊坡角，其傾角＝54°，即為穩(wěn)定邊坡角。穩(wěn)定邊坡角的求解方法返回第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一巖體結(jié)構(gòu)法設(shè)一方形巷道圍巖被平行巷道方向的兩組結(jié)構(gòu)面①--①及②--②切割，其傾向與巷道斜交形成了4塊分離體，試求它們的山巖壓力。①②①②②②ABCDabcdefghijkledfNTQθBbacH返回第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)保障洞室圍巖穩(wěn)定的措施保障圍巖穩(wěn)定性的途徑有兩個：一是保護(hù)圍巖原有的穩(wěn)定性，使之不降低；二是賦予巖體一定的強(qiáng)度，使其穩(wěn)定性有所增高。前者主要是采用合理的施工和支護(hù)襯砌方案，后者主要是加固圍巖。一、合理施工二、施工監(jiān)控、信息反饋和超前預(yù)報三、支撐、襯砌與支護(hù)四、固結(jié)灌漿返回第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一一、合理施工隧洞施工所遵循的原則：一是盡可能先挖斷面尺寸較小的導(dǎo)洞；二是開挖后及時支撐或襯砌。這樣可縮小圍巖松動范圍，或限制圍巖早期松動；或把圍巖松動限制在最小范圍。隧洞施工方案：1．圍巖不穩(wěn)定時，采用分部開挖，分部襯砌，逐步擴(kuò)大斷面；2．圍巖較穩(wěn)定時，可采用導(dǎo)洞全面開挖，連續(xù)襯砌；3．圍巖穩(wěn)定時，全斷面開挖。返回第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一二、施工監(jiān)控、信息反饋和超前預(yù)報

施工監(jiān)控和信息反饋就是在施工過程中及時發(fā)現(xiàn)地質(zhì)問題，并根據(jù)新測試的地質(zhì)數(shù)據(jù)(信息指標(biāo))，驗證原設(shè)計方案是否符合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，如不符合則應(yīng)修改設(shè)計，并采取有效的施工措施解決出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題。在隧洞施工監(jiān)控工作中應(yīng)注意以下幾點：(1)在開挖過程中觀測圍巖的變形量、變形速率和加速度，以判別圍巖的穩(wěn)定性，預(yù)報險情。(2)確定圍巖松動圈范圍，找出不穩(wěn)定的部位，提出支護(hù)及補強(qiáng)措施，這需要及時做好地質(zhì)記錄及編繪工作、巖體物理力學(xué)性質(zhì)的試驗工作，以及聲波量測工作等，為設(shè)計及施工提供可靠的地質(zhì)參數(shù)或信息指標(biāo)。(3)監(jiān)控量測工作應(yīng)緊跟施工工作面進(jìn)行，并注意盡量減少與施工的干擾。(4)超前預(yù)報是當(dāng)代隧洞施工個的重要環(huán)節(jié)，對保證安全、合理施工，往往作起著決定性的作用。一般應(yīng)由有經(jīng)驗的地質(zhì)工程師擔(dān)任此工作。施工工程師應(yīng)尊重并聽從地質(zhì)工程師的建議和要求，特別是在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的地區(qū)，尤為如此。返回第33頁