第六章-地下工程地質(zhì)問題

上一章回顧概念：崩塌、落石、滑坡、泥石流、巖溶水、地震、震源、震中、震中距、地震震級、地震烈度崩塌落石的影響因素滑坡的形成條件和影響因素泥石流形成的三個基本條件巖溶的形成的四個基本條件地震按成因分類第六章地下工程地質(zhì)問題6.1巖體及地應(yīng)力的概念6.1.1巖體的概念一、巖體廣義巖體：巖石塊體自然組成的“巖石結(jié)構(gòu)物”。具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性的特點。工程巖體：與工程建筑物應(yīng)力影響范圍內(nèi)的那部分巖體。巖石的工程性質(zhì)影響因素：礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造巖體的工程性質(zhì)影響因素：巖石，結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)地基巖體邊坡巖體洞室?guī)r體巖體按工程性質(zhì)分為

二、結(jié)構(gòu)面巖體中的不連續(xù)界面，通常沒有或只有較低的抗拉強度。主要指巖體中的各種破裂面、夾層、充填礦脈等。按成因分為原生結(jié)構(gòu)面：構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：次生結(jié)構(gòu)面：巖石形成過程中產(chǎn)生的地殼運動引起巖石變形破壞形成的破裂面地表淺層因風(fēng)化、卸荷、爆破、剝蝕等作用形成的不連續(xù)界面原生結(jié)構(gòu)面：構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：次生結(jié)構(gòu)面：沉積結(jié)構(gòu)面：火成結(jié)構(gòu)面：變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：層理、層面、軟弱夾層冷縮節(jié)理、侵入接觸面片理面構(gòu)造節(jié)理、斷層風(fēng)化節(jié)理、卸荷節(jié)理、爆破節(jié)理、不整合接觸面等

三、結(jié)構(gòu)體巖體中被結(jié)構(gòu)面切割而產(chǎn)生的單個巖石塊體。影響因素：結(jié)構(gòu)面組數(shù)、密度、產(chǎn)狀、長度6.1.2巖體結(jié)構(gòu)的概念巖體結(jié)構(gòu)：巖體中結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的組合關(guān)系。巖體結(jié)構(gòu)類型：巖體中結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的組合形式。巖體破壞情況硬巖：脆性破壞，主要是沿結(jié)構(gòu)面變形破壞。軟巖：塑性破壞，主要是整體強度不足而破壞。巖體變形的顯著特點：各向異性。6.1.3地應(yīng)力的概念地應(yīng)力：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，也稱為初始應(yīng)力或天然應(yīng)力。類型：主要：自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力次要：地下水壓力、低溫應(yīng)力、結(jié)晶應(yīng)力等圍巖：工程開挖后，應(yīng)力變化范圍內(nèi)的巖體。二次應(yīng)力：工程開挖后，使一定范圍內(nèi)巖體中的應(yīng)力受到擾動而重新分布。又叫二次重分布應(yīng)力或圍巖應(yīng)力。地應(yīng)力分布規(guī)律（1）地殼淺層：水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力（2）地殼深層：水平應(yīng)力約等于垂直應(yīng)力（3）水平應(yīng)力主要是構(gòu)造應(yīng)力，垂直應(yīng)力主要是自重應(yīng)力（4）垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力的關(guān)系：在巖土工程，地應(yīng)力有十分重要的意義。6.2洞室圍巖變形及破壞的主要類型圍巖穩(wěn)定性影響因素：地質(zhì)因素工程因素巖石及巖體的物理力學(xué)性質(zhì)巖體結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)面性狀含水狀況地應(yīng)力狀態(tài)工程類型工程尺寸施工方法6.2.1圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律卸荷回彈：地下洞室開挖后，原有地應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，巖體內(nèi)各質(zhì)點沿最短距離達到新平衡時的位移現(xiàn)象。應(yīng)力集中現(xiàn)象一般發(fā)生在洞室橫剖面最大尺寸的5~6倍范圍內(nèi)。塑性圈：洞壁巖體向臨空方向位移，在洞壁因擠壓形成切向應(yīng)力集中，在靠近洞壁的巖體中形成塑性松動圈。應(yīng)力降低區(qū)應(yīng)力升高區(qū)天然應(yīng)力區(qū)洞室開挖形成的三個應(yīng)力區(qū)域影響塑性圈范圍的因素：巖石強度、巖體結(jié)構(gòu)類型、天然應(yīng)力高低，支護的反力大小。洞室圍巖應(yīng)力變化規(guī)律隨洞室形狀和側(cè)壓力系數(shù)變化。oa2a3a4a5a6a7a8a6.2.2洞室圍巖變形和破壞的主要類型1.錯動松弛：在多組結(jié)構(gòu)面發(fā)育的硬巖巖體，當(dāng)洞室開挖后，如果圍巖應(yīng)力超過圍巖的屈服強度，圍巖就會沿已有的多組節(jié)理發(fā)生剪切錯動而松動，在洞室周邊的圍巖中形成一個松動圈。一、巖質(zhì)圍巖變形和破壞的主要類型2.剪切滑移：指圍巖當(dāng)結(jié)構(gòu)面上剪應(yīng)力超過抗剪強度而產(chǎn)生的沿結(jié)構(gòu)面剪切滑移。3.張裂塌落：拱頂張應(yīng)力超過巖石抗拉強度，引起巖石破裂，導(dǎo)至洞頂塌落的現(xiàn)象。4.劈裂剝落：切向應(yīng)力導(dǎo)至洞室周邊巖石形成平行洞壁的密集破裂，并產(chǎn)生剝落的現(xiàn)象。5.彎折內(nèi)鼓：徑向應(yīng)力擠壓薄層圍巖，使之向洞內(nèi)彎折內(nèi)鼓，甚至坍倒的現(xiàn)象。6.巖爆：在高應(yīng)力地區(qū)，洞室開挖后，圍巖因彈性應(yīng)變能突然釋放而發(fā)生的巖石彈射或拋出的現(xiàn)象。7.塑性擠出：軟弱巖體在洞室開挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過其屈服強度時，向洞內(nèi)產(chǎn)生的塑性擠出的現(xiàn)象。8.膨脹內(nèi)鼓：在膨脹巖地區(qū)，洞室開挖后水分向松動圈集中，導(dǎo)致巖石吸水膨脹，并向洞內(nèi)鼓出的現(xiàn)象。

二、松散圍巖變形和破壞的主要類型1.

重力坍塌：固結(jié)程度差的散體結(jié)構(gòu)圍巖，開挖后在重力作用下自由坍落。

2.塑流涌出：當(dāng)開挖飽水?dāng)鄬悠扑閹r，松散物質(zhì)常形成碎屑流涌出。6.3地下洞室特殊地質(zhì)問題6.3.1突水突泥——隧道開挖過程中，突然產(chǎn)生大量的水或泥涌入隧道的現(xiàn)象。開挖洞室：遇相互貫通又富含水的節(jié)理、斷層破碎帶，蓄水洞穴或地下暗河等，可能產(chǎn)生突水。已開挖洞室：與地面有貫通裂縫，暴雨時可能產(chǎn)生突水。地下洞室大量突水的條件：洞室通過溶洞發(fā)育的石灰?guī)r地段，尤其是遇到暗河系統(tǒng)時洞室通過厚層的含水砂礫石層遇到富水的斷層破碎帶，且與地表水連通時6.3.2腐蝕結(jié)晶類腐蝕分解類腐蝕結(jié)晶分解復(fù)合類腐蝕1.腐蝕類型芒硝型腐蝕石膏型腐蝕鈣礬型腐蝕酸型腐蝕碳酸型腐蝕2.混凝土腐蝕嚴(yán)重程度外觀完整，有堅硬感局部砂漿剝落局部骨料外露，內(nèi)部堅硬表面膨脹隆起，局部呈豆腐渣狀3.腐蝕易發(fā)生地區(qū)無腐蝕：弱腐蝕：中等腐蝕：強腐蝕：R、K、J紅層及T灰?guī)r等中的含膏地層泥炭、淤泥、沼澤等地我國東南沿海有紅樹殘體的沖積層我國長江以南的酸性紅土含硫礦床的地下水層冶煉廠、化工廠、廢渣場、堆煤場等地的地下水層6.3.3地溫地?zé)崽荻龋荷疃让吭黾?00m地溫的增加值。熱傳導(dǎo)系數(shù)地溫的影響因素：深度，地質(zhì)構(gòu)造，火山活動，地下水溫度等。洞室埋深處地溫計算：6.3.4有害氣體——以甲烷為主的有害氣體的總稱（包括CH4，CO2，CO，H2S，SO2，N2等），主要發(fā)生在含煤地層。危害條件施工要求瓦斯?jié)舛?lt;5~6%，能在高溫下燃燒瓦斯?jié)舛葹?~6%-14~16%，易爆炸，特別是含量為8%時瓦斯?jié)舛葹?2~57%時，易使人窒息。瓦斯?jié)舛?gt;1%，不準(zhǔn)裝藥放炮瓦斯?jié)舛?gt;2%，工作人員撤離現(xiàn)場6.4圍巖工程分級及其應(yīng)用圍巖質(zhì)量分級：國際《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218-94）N.Barton巖體分類：鐵路隧道圍巖分級6.5圍巖穩(wěn)定性評價方法土體洞室：土層類型、固結(jié)程度、地下水狀態(tài)、洞室斷面尺寸和形態(tài)、洞室埋深等。巖體洞室：巖體質(zhì)量、地下水狀態(tài)、地應(yīng)力狀態(tài)、洞室斷面尺寸和性狀、洞室埋深等。影響地下洞室穩(wěn)定性的因素：圍巖穩(wěn)定性評價：根據(jù)不同的巖體結(jié)構(gòu)、不同的受力性質(zhì)，簡化成不同的力學(xué)模型，應(yīng)用相應(yīng)的分析評價方法，研究圍巖的變形破壞過程。幾個概念圍巖壓力：圍巖作用在支護上的壓力，是確定襯砌設(shè)計荷載大小的依據(jù)。松動壓力：由于開挖造成圍巖松動而可能塌落的巖體，以重力形式直接作用在支護上的壓力。變形壓力：圍巖變形受到支護限制后，圍巖對支護形成的壓力。膨脹壓力：圍巖吸水后，巖體發(fā)生膨脹崩解而引起圍巖體積膨脹變形對支護形成的壓力。