【正文】 巖體工程與巖體力學(xué) ? 工程地質(zhì)與巖體力學(xué)的關(guān)系 工程地質(zhì)：現(xiàn)象、原因、面 巖體力學(xué)：力學(xué)、工程效應(yīng)、點(diǎn) 巖體工程：運(yùn)用巖體力學(xué)，解決巖體工程問題 ? 巖體結(jié)構(gòu) ※ 不同的巖體結(jié)構(gòu)類型與其對應(yīng)的破壞模式 整體狀結(jié)構(gòu) 塊狀結(jié)構(gòu) 層狀結(jié)構(gòu) 碎裂狀結(jié)構(gòu) 散體狀結(jié)構(gòu) ? 巖塊力學(xué)特征 ※ 吸水性 —— 抗凍性 ※ 滲透系數(shù) —— 不等于巖體的滲透性 ※ 巖石熱學(xué)性質(zhì) —— 深埋巖體工程 ※ 變形模量 —— 彈性模量 ※ 單軸飽和抗壓強(qiáng)度 ※ 如何看待抗拉強(qiáng)度 ※ 剪切強(qiáng)度與抗剪斷強(qiáng)度 ? 巖體結(jié)構(gòu)面 ※ 結(jié)構(gòu)面的規(guī)模 ※ 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀（走向、傾向、傾角） ※ 結(jié)構(gòu)面的連通率 ※ 結(jié)構(gòu)面密度 現(xiàn)場量測方法 ※ 結(jié)構(gòu)面的隙寬（張開度） ※ Kn， Ks ※ 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度 JRC JRS 巴頓公式 ? 巖體質(zhì)量的確定 ※ 現(xiàn)場試驗(yàn)獲取巖體變形模量與剪切強(qiáng)度方法 ※ HeokBrown強(qiáng)度準(zhǔn)則 ※ 現(xiàn)場滲透系數(shù)量測 ※ RQD、 Q、 RMR巖體質(zhì)量分類（國外） ※ 工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn) ? 地應(yīng)力 ※ 高地應(yīng)力集中存在的常見地形特征 ※ 地應(yīng)力的量測方法 ※ 地應(yīng)力在數(shù)值分析中表達(dá)與估算 研究圍巖穩(wěn)定性的意義 圍巖的穩(wěn)定性：隧道開挖后 ， 在不支護(hù)條件下圍巖的穩(wěn)定性 。 問題：什么是隧道工程的頭等大事 ？ 研究圍巖的穩(wěn)定性 ， 如何促使圍巖穩(wěn)定 。 圍巖的穩(wěn)定性 圍巖級別的工程作用： ①判斷圍巖穩(wěn)定性。 ②判斷施工難易程度，投資依據(jù)。 ③結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的依據(jù) ⑴地質(zhì)因素～客觀因素 ⑵人為因素～主觀因素、工程因素 影響圍巖穩(wěn)定性的因素 地質(zhì)因素 從 5個方面來分析： ⑴ 巖體結(jié)構(gòu)特征 ⑵ 結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合 ⑶ 巖石的力學(xué)性質(zhì) ⑷ 地下水的影響 ⑸ 圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài) ⑴巖體結(jié)構(gòu)特征 指巖體的破碎程度或完整狀態(tài)。 ●破碎程度：裂隙率、裂隙間距。 裂隙是廣義的：包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等結(jié)構(gòu)面。 ●完整狀態(tài)：整塊狀、大塊狀等。 按這 2個指標(biāo)有下圖： 圍巖巖體整體塊d 大塊體 d= m 塊石狀d= m碎石塊 d 土石塊 松散狀 松軟狀土體歸入土類d為裂 縫間距⑵ 結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間組合 ● 性質(zhì) 1) 結(jié)構(gòu)面的成因； 2) 結(jié)構(gòu)面的光滑程度； 3) 結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成； 4) 結(jié)構(gòu)面的規(guī)模； 5) 結(jié)構(gòu)面的密集度。 ●空間組合 指結(jié)構(gòu)面的相互位置狀態(tài)。 問題： 軟弱結(jié)構(gòu)面有怎樣的害處？ 什么是不利空間組合？ ⑶ 巖石的力學(xué)性質(zhì) 主要指巖石的單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度 Rb。 巖石強(qiáng)度越高，隧道越穩(wěn)定。 (4) 圍巖的初應(yīng)力狀態(tài) ●初始應(yīng)力是隧道圍巖變形、破壞的根本作用力。 ●已初步將初始應(yīng)力考慮進(jìn)圍巖分級之中。 在高的初始應(yīng)力場條件下，圍巖級別應(yīng)適當(dāng)降低。 ⑸ 地下水的影響 ● 軟化圍巖； ● 減少層間摩阻力促使巖塊滑動； ● 具膨脹性的圍巖，遇水后產(chǎn)生膨脹等。 超挖 概 述 圍巖分級：根據(jù)巖體的若干指標(biāo)，按照穩(wěn)定性將圍巖分成不同的級別。 工程目的： （ 1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù) （ 2）施工方法依據(jù) （ 3）工程造價依據(jù) 圍巖分級 圍巖分級的發(fā)展過程： 土石分類法 單一因素分類法 綜合物性分類法 其它分級法： 組合多因素分類法 與 地質(zhì)勘探 手段相聯(lián)系的 分類法 總結(jié)：早期～僅巖石強(qiáng)度； 現(xiàn)在～綜合多種因素，如巖體構(gòu)造、巖石強(qiáng)度、 RQD指標(biāo)等。 3個基本因素： ①巖性：抗壓強(qiáng)度、彈性模量、彈性波速等。 ②地質(zhì)構(gòu)造：巖體完整性或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。 ③地下水：地下水發(fā)育時，圍巖級別應(yīng)降低。 1個附加因素： ④初始地應(yīng)力：適當(dāng)考慮。 （一）以巖石強(qiáng)度或巖石的物性指標(biāo)為代表的分級法 代表：土石分類法～堅(jiān)石、次堅(jiān)石、松石、土。 代表：巖石堅(jiān)固性系數(shù) (f值 )分級法～普氏法 f值：一個綜合的物性指標(biāo)值，如巖石的抗鉆性、抗爆性、強(qiáng)度等。 但核心還是巖石強(qiáng)度。 (二 ) 以巖體構(gòu)造 、 巖性特征為代表的分級方法 代表： ● 泰沙基法～考慮圍巖的完整狀態(tài)和巖性 ， 共 9級 。 ● 我國交通隧道圍巖分級法～借鑒了泰沙基法 ， 考慮巖體綜合物性 ， 共 6級 。 （三）與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級方法 代表： ●彈性波速分級法～波速是反映巖性與巖體結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，波速越高，圍巖越好。 波速 Kv ～ ～ ～ 完整性 完整 較完整 破碎 較破碎 極破碎 ●巖石質(zhì)量指標(biāo)～ RQD指標(biāo)也是反映巖性與巖體結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。 RQD指標(biāo)的具體含義為巖芯復(fù)原率 : R R R R R 優(yōu) 良 好 差 很差 表中 R為 RQD指標(biāo)。 %1 0 010 ?? 鉆孔總長度以上的巖心累計(jì)長度cmR Q D(四 )組合多種因素的分級方法 代表： 巖體質(zhì)量分級法 巴頓等人提出的 “ 巖體質(zhì)量 — Q” 分級法 。 表達(dá)如下： S R FJJJJR Q DQ warh???組合了 6個參數(shù)： 巖石質(zhì)量指標(biāo) 、 節(jié)理組數(shù)目 、 節(jié)理粗糙度 、 節(jié)理蝕變值 、 節(jié)理含水折減系數(shù) 、 應(yīng)力折減系數(shù) 。 (五 )我國鐵路與公路隧道的圍巖分級方法 ⑴沿革 ●巖體綜合分類～ 60年代，成昆線，五類。 ●隧道圍巖分類～ 74年版，首部鐵路隧道規(guī)范，六類。 ●隧道圍巖分類～ 86年版，加入圍巖彈性波速指標(biāo)。 ●隧道圍巖分級～ 99年版，采用國標(biāo)分級排序，改稱 “ 圍巖分級 ” ，六級。 ●隧道圍巖分級～ 2022年版，不變。 ●隧道圍巖分級～ 2022年版，不變。 ⑵ 分級的理論基礎(chǔ) ●以圍巖的穩(wěn)定性判斷為基礎(chǔ)。 屬于 “ 以巖體構(gòu)造和巖性特征為代表 ” 的分級方法。 ●主要考慮 4種因素： ①巖石堅(jiān)硬程度 ②圍巖完整狀態(tài) ③地下水 ④圍巖初始地應(yīng)力 基本分級 修正基本分級 基本分級 修正基本分級 最終分級 ⑶ 基本分級 依據(jù)：圍巖主要工程地質(zhì)條件，由兩條組成： ①巖石堅(jiān)硬程度 軟硬巖分界指標(biāo)： 30Mpa Rb30 硬巖 5 Rb≤30 軟巖 Rb 5 極軟巖 ②圍巖完整程度 指標(biāo) 1：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度 指標(biāo) 2：地質(zhì)構(gòu)造影響程度 由此兩指標(biāo)，將巖體完整程度分為 5個級別，見下表： 完整程度 結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度 地質(zhì)構(gòu)造影響程度 完整 不發(fā)育 輕微 較完整 較發(fā)育、不發(fā)育 較重、輕微 較破碎 發(fā)育、較發(fā)育 嚴(yán)重 破碎 極發(fā)育、發(fā)育 極嚴(yán)重、嚴(yán)重 極破碎 極發(fā)育 極嚴(yán)重 等級 地質(zhì)構(gòu)造作用特征 輕微 圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動小，無斷裂（層）；層狀巖體一般呈單斜構(gòu)造；節(jié)理不發(fā)育 較重 圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動較大；位于斷裂（層）或褶曲軸的鄰近地段；可有小斷層，節(jié)理較發(fā)育 嚴(yán)重 圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動較強(qiáng)烈，位于褶曲軸部或斷裂影響帶內(nèi)；軟巖多見扭曲及拖拉現(xiàn)象；節(jié)理發(fā)育 很嚴(yán)重 位于斷裂（層）破碎帶內(nèi)；節(jié)理很發(fā)育；巖體呈碎石、角礫狀，有的呈粉末泥土狀 等級 地質(zhì)構(gòu)造作用特征 節(jié)理不發(fā)育 節(jié)理（裂隙） 12組，規(guī)則，為原生型或構(gòu)造型，多數(shù)的間距在 ，為密閉型。巖體被切割成塊狀 節(jié)理較發(fā)育 節(jié)理（裂隙） 23組，呈 x型，較規(guī)則，以構(gòu)造型為主，多數(shù)的間距大于 ，多為密閉。部分微張開，少有填充物。巖體被切割成大塊狀 節(jié)理發(fā)育 節(jié)理（裂隙） 3組以上，不規(guī)則，呈 x型或米字型，以構(gòu)造型或風(fēng)化型為主，多數(shù)間距小于 ，大部分微張開，部分張開，大部分為粘性土填充。巖體被切割成塊、碎石狀 節(jié)理很發(fā)育 節(jié)理（裂隙） 3組以上，雜亂，以構(gòu)造型或風(fēng)化型為主，多數(shù)間距小于 ，微張開或張開，部分為粘土充填。巖體被切割成碎石狀 圍巖節(jié)理（裂隙）發(fā)育程度劃分 ⑸ 特點(diǎn) ◆給出了單線隧道圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)。 ◆尚未考慮地下水和地應(yīng)力。 地下水狀態(tài)的分級表 級別 狀態(tài) 滲水量 [L/(min10m)] Ⅰ 干燥或濕潤 10 Ⅱ 偶有滲水 10~25 Ⅲ 經(jīng)常滲水 25~125 圍巖基本分類 地下水狀態(tài)分級 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ — Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅳ Ⅴ Ⅵ — Ⅲ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ — 初始地 應(yīng)力狀態(tài) 主 要 現(xiàn) 象 評估基準(zhǔn) （ Rc/σ max） 極高應(yīng)力 ：開挖過程中時有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差 4 ：巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時間長，不易成洞 高應(yīng)力 1 .硬質(zhì)巖 : 開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂紋較多，成洞性較差 47 ：巖芯時有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體位移極顯著，持續(xù)時間長，成洞性差 圍巖基本分級 修正級別 初始地應(yīng)力狀態(tài) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 極高應(yīng)力 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 或Ⅳ Ⅴ Ⅵ 高應(yīng)力 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 或Ⅴ Ⅵ (六 )問題及研究方向 指標(biāo)定性的多、定量的少。如何做到準(zhǔn)確、方便、好用？ ⑴發(fā)展物探手段，增加定量指標(biāo)。 ⑵發(fā)展分析理論 模糊數(shù)學(xué)～圍巖分級； 隧道位移～圍巖分級； 人工智能專家系統(tǒng)～圍巖分級等。 自重應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力 地下水壓力 溫度應(yīng)力 原巖 毛洞 穩(wěn)定洞室 開挖 支護(hù) 圍巖壓力 一、圍巖壓力及其分類 (一 )圍巖壓力 圍巖壓力 地層對洞室的作用力 廣義：包括有、無支護(hù)時的壓力 狹義：僅指對支護(hù)的壓力 （二）圍巖壓力分類 1．松動壓力～圍巖變形過大，發(fā)生松動而形成的壓力。 2．形變壓力～圍巖變形在有限范圍內(nèi)而形成的壓力。 這是最重要的兩種壓力形態(tài)。 問題： ？ ？ 3．膨脹壓力～膨脹性巖層。 4．沖擊壓力～明洞，落石； 暗洞，坍方、巖爆。 影響圍巖壓力的因素 ㈠地質(zhì)因素 ㈡工程因素 自然拱的概念：圍巖的變形不能得到有效的控制，當(dāng)變形超過一定限度后，圍巖發(fā)生松動、坍落，最終在洞室上方形成拱形。 (a) 變形階段； (b) 松動階段； (c) 塌落階段； (d) 成拱階段。 圍巖松動壓力的形成和確定方法 自然拱 影響自然拱的因素： ●隧道埋深～成拱的必要條件 ●隧道斷面形狀和大小～拱的范圍 ●施工因素～對圍巖的擾動程度 圍巖壓力的確定方法