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1、第 一 篇 岩 石 试 验,岩土工程类(岩石、土工 、土工合成材料)培训,第一章 绪论 第二章 岩石的种类与组成 第三章 岩石的力学性质 第四章 岩石的物理性质试验 第五章 岩石的力学性质试验 第六章 工程实例,内容提要,第一章 绪 论,一、岩石力学的定义与分支学科 二、研究内容与研究方法 三、岩石力学的形成与发展,一、岩石力学的定义与分支学科 1.定义 岩石力学(Rock Mechanics) 是力学的一个分支学科，是研究岩石在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。 岩石力学(Rock Mechanics) 国际岩石力学学会（ISRM） 中国岩石力学与工
2、程学会（CSRME）,第一章 绪 论,工程岩石力学为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。 构造岩石力学为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。 破碎岩石力学为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。,2.分支学科,第一章 绪 论,二、研究内容与研究方法,1.研究内容 以边坡为例,第一章 绪 论,边坡岩体力学研
3、究框图,边坡岩体地质特征（地层、岩性、结构面特征及分布、地下水等）,岩块、结构面力学性质（室内试验：求变形、强度参数）,应力条件（建筑物作用力、天然应力、水压力、地震力等）,地质模型建立 （平、剖面图）,岩体力学性质，力学参数（现场试验、模拟试验）,开挖后的重分布应力、大小,力学模型建立（介质模型、应力、岩体力学参数、变形破坏机理）,稳定性分析计算（刚体极限平衡理论、有限元）,综合评价,工程设计要求,工程设计,处理方案或修改角,施工,安全系数,稳定、合理,不稳定、不合理,工程地质研究方法,试验法,数学、力学分析法,综合评价法,岩体的地质特征 岩块、结构面的力学性质 岩体的力学性质 岩体中天然应
4、力 岩体中重分布应力 稳定性计算与评价 工程处理与加固,研 究 内 容,第一章 绪 论,2.研究方法 工程地质研究法 研究岩块和岩体的地质与结构特征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料 试验法 为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数 数学力学分析法 通过建立岩体力学模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为设计和施工提供定量依据 综合分析法 采用多种方法考虑各种因素(包括工程的、地质的及施工的等)进行综合分析和综合评价，得出符合实际情况的正确结论,第一章 绪 论,四、岩石力学的形成与发展,1.形成历史 1951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形
5、成了独具一格的奥地利学派。 同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。 1956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。 1957年，第一本岩石力学专著出版。 1959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者的关注和研究。 1962年，成立国际岩石力学学会(ISRM)。 1966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。,第一章 绪 论,2.发展动态 岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学 机理问题 裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题 岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题 软岩的力学特性及其岩体力学问题 水-岩-应力耦合作用及岩体工程稳定性问题 高地应力岩体力学问题 岩体结构整
6、体综合仿真反馈系统与优化技术 岩体动力学、水力学与热力学问题 岩体流变与长期强度问题 岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。,第一章 绪 论,第二章 岩石的种类与组成,一、岩石的种类 二、岩石的组成,岩浆岩（火成岩） 沉积岩 变质岩,一、岩石的种类,地核,上地幔(上地函),下地幔 (下地函),地壳,地球可分为三层。地核、地幔和地壳。,地球的内部结构,岩浆,地球內部結构温度分布图,二、岩石的组成,石英、长石和云母都是自然界的矿物; 所有的岩石都是由一种或几种矿物组成的,花岗岩,长石,水晶,云母,放大了30倍的花岗岩。,石英长石,石英,石英是花岗岩 中常见的矿物， 色淡，硬度大。,长石,花岗岩
7、有两种 长石，它们都 发育成良好的 晶体。,云母,在花岗岩中，云母呈小而发光的晶体，有深色的黑云母和浅色的白云母两种。,大水晶,方解石,黄铁矿,辉铜矿,常见的矿物,赤铁矿,黄铜矿,铁矿石,铜矿石,金刚石,蓝晶石,水 晶,蓝铜矿,铜水晶,莹石,云母,石墨,岩石的力学性质,变形特征 强度特征,第三章 岩石的力学性质,一、应力应变曲线,二、强度(简单应力),主要内容,三、强度(复杂应力),四、弹性,外力性质 动载荷 静载荷 外力方式 拉伸 压缩 剪切 应力状态 单向 双向 三向,岩石强度与外力有关,应力应变曲线,BC段：随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先
8、行阶段。这一段应力-应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。塑性变形阶段。,CD段：曲线下降，是由于裂缝发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。CD段以脆性形态为其特征。,点B：发生弹性到塑性行为过渡点，称为屈服点，S称为屈服应力。,二、简单应力条件下岩石的强度,岩石的强度,抗压强度 抗拉强度 抗压强度 抗弯曲强度,通常情况下： 抗压抗剪抗弯抗拉强度,强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验,岩石的强度,岩石抗压缩强度,指岩石抵抗外力压缩的能力其大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，可通过单轴抗压缩强度试验来获得。,岩石抗拉
9、伸强度,*设计恰当的夹紧机构； *制备一定形状的岩样； *确保加载方向严格平行于岩样轴线。,实验要求,测量方法,间接抗拉伸强度试验,直接抗拉伸强度试验,破裂从圆的中心开始,沿加载直径向上下扩展。 岩石的抗张强度可按下式计算：,巴西劈裂实验,复杂应力条件下的岩石强度,常规三轴试验,(a)液压作用下的压（拉）试验（常规三轴试验）,1,2 = 3,(c)液压作用下的压扭试验,(b)三个液缸的柱塞进行三面压缩试验（真三轴试验）,1,2,3,(d)液压作用下的两面柱塞压缩试验,1,P=2 = 3,3,P=1 = 2,（a）压缩试验,（b）拉伸试验,库仑剪切强度曲线,三轴应力下岩石的强度和变形的特点,O,
10、A,B,库仑-莫尔强度理论,岩石的强度是随作用于破坏面(或剪切滑动面)的垂直(法向)压应力的增加而增大的。,三轴应力作用下岩石机械性质的变化,两方面显著变化,一：随着围压的增大，岩石强度极限增大。 （）不同类型的岩石，增大幅度和倍数是不一样的； （）围压对岩石强度的影响程度，并不是在所有压力范围内都相同。,二：随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。,第四章 岩石物理性质试验,岩石含水率试验 岩石吸水性试验 岩石颗粒密度试验 岩石块体密度试验 岩石膨胀性试验 岩石耐崩解性试验 岩石抗冻性试验 岩石（体）声波测试试验,岩石物理性质试验,岩石含水率是
11、岩石试件在105110度,烘干至恒量时所失去水的质量与试件干质量的比值，以百分数表示。 影响岩石试件天然含水率因素很多。 烘干标准对岩石试件天然含水率测定的影响比较明显。关于试件的烘干标准，一种是时间控制，另一种是称量控制。,一 岩石含水率试验,二 岩石吸水性试验,岩石吸水性采用自然吸水率、饱和吸水率和饱水系数等指标表示。 岩石吸水性对岩石的风化程度比较敏感，在国外常作为风化指标。 岩石吸水性试验每组试件块数不少于3块。自然吸水率采用在大气压力和室温条件下自然吸水法测定，试件全部浸入在水中自由吸水48h。岩石饱和吸水率采用煮沸或真空抽气法测定，煮沸法煮沸时间不少于6h。 岩石吸水性试验的吸水时
12、间对其成果的影响不能忽视，从大量的试验资料分析，采用自由吸水进行吸水性试验时，当浸水时间为24h，岩石试块平均吸水量一般可达到绝对吸水量的85%,三 岩石颗粒密度试验,岩石颗粒密度是岩石固相物质的质量与体积的比值，采用比重瓶法或水中称量法测定 。 比重瓶法测定岩石的颗粒密度，又分为土工试验方法、岩石试验方法和建筑材料试验方法三种。 试验方法 样品 影响因素,四 岩石块体密度试验,岩石的块体密度是指单位体积的岩石质量，是岩石试件的质量与其体积之比。 岩石的块体密度试验量积法适用于能制备成规则试件的岩石；水中称量法适用于除遇水不崩解、不溶解和不干缩湿胀的其他各类岩石；密封法适用于不能用量积法或直接
13、在水中称量进行试验的岩石。,五 岩石膨胀性试验,岩石膨胀特性的指标有岩石自由膨胀率、侧向约束膨胀率和体积不变条件下膨胀压力。 测定岩石膨胀压力的试验方法有平衡-加压法、膨胀-加压恢复法和加压-膨胀法三种试验方法。 岩石试件的含水率对测试成果的影响尤为明显，因为具有膨胀特性的岩石，吸水膨胀。试验前试件的含水率应尽量接近天然含水状态，实行干法加工。 岩石膨胀特性稳定时间： 膨胀试验时间一般在48h以内，膨胀压力试验则往往超过48h。,六 岩石耐崩解性试验,岩石的耐崩解性是指岩石在干湿交替作用下抵抗崩解的能力。 岩石耐崩解性试验适用于黏土类岩石和风化岩石。 胶结较好的岩石，并不是一次干燥浸水循环便能
14、达到浸水崩解的，而往往需要2次以上的循环才能满足，所以规定岩石的耐崩解性由第二次循环的崩解指数来表示。烘干时间规定不少于24h 采用烘干的岩块作为耐崩解性试验的标准试件是合适的。 试验方法 影响因素,七 岩石抗冻性试验,岩石抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，以冻融质量损失率和冻融系数表示，通常采用直接冻融法测定。 冻融循环次数根据工程需要确定，一般为20次，严寒地区不应少于25次。 冻融试验方法 当岩石的吸水率小于0.05%时，不必进行冻融试验。 岩石冻融系数的一个指标为强度损失系数。 岩石冻融系数另一指标为质量损失系数。 影响因素,八 岩石（体）声波测试试验,岩石声波测试 样品 试验方法 岩
15、体声波测试 钻孔声波测试 岩体表面声波测试 注意事项 耦合介质 样品长度 换能器,第五章 岩石的力学性质试验,一、岩石单轴抗压强度 二、岩石单轴抗拉强度 三、岩石抗剪强度 四、岩石三轴抗压强度 五、岩石压缩变形试验,1）定义 岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度，或称为非限制性抗压强度。 2）计算公式： c=P/A,一、岩石的单轴抗压强度,3）岩石的单轴抗压强度试验的4种破坏形式： 1. X状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式 2. 单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏 3. 塑性流动变形，线应变10 4. 拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产生拉
16、应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的,4)实验方法 a.试件标准 立方体505050mm或 707070mm 圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。圆柱体直径D一般不小于50mm。 L/D=2.53.0（国际岩石力学委员会ISRM建议的 尺寸） 要求：两端不平度0.5mm；尺寸误差0.3mm；两端面垂直于轴线误差0.25度。 加载速率：0.50.8MPa/s,b.非标准试件的对试验结果的影响及其修正,c.压缩实验设备示意图(500t压力机),d. 端部效应及其消除方法 端部效应:,消除方法: 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） 加长试件,5) 水对单轴
17、抗压强度的影响软化系数 岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度b与干燥岩石抗压强度c之比 =b/ c1,1）定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度 试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类,二、岩石单轴抗拉强度,2)直接拉伸试验加载和试件示意图,计算公式 破坏时的最大轴向拉伸荷载(Pt)除以试件的横截面积(A)，即： t=Pt/A,2)直接拉伸试验加载和试件示意图（续）,3) 间接拉伸试验加载和试件示意图 巴西试验法（Brazilian test），称劈裂试验法 a.试件:为一岩石圆盘。实际上荷载是沿
18、着一条弧线加上去的，但孤高不能超过圆盘直径的1/20,b.应力分布：圆盘在压应力的作用下，沿圆盘直径yy的应力分布和xx方向均为压应力。而离开边缘后，沿yy方向仍为压应力，但应力值比边缘处显著减少。并趋于均匀化；xx方向变成拉应力。并在沿yy的很长一段距离上呈均匀分布状态 c.破坏原因：从图可以看出，虽然拉应力的值比压应力值低很多，但由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于x方向的拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏。破坏是从直径中心开始，然后向两端发展，反映了岩石的抗拉强度比抗压强度要低得多的事实。,d.计算公式： t=x=-2P/dt y=(1/r1+1/r2-1/d)2P/t 圆盘中心处：
19、t=x=-2P/dt y=6P/dt,1)定义：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度 剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验和限制性剪切强度试验二类 非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力,三、岩石抗剪强度,2）四种典型的非限制性剪切强度试验：a.单面剪切试验， b.冲击剪切试验, c.双面剪切试验，d.扭转剪切试验，分别见图。,3）非限制性剪切强度记为So计算公式： （a）单面剪切试验 So=Fc/A （b）冲击剪切试验 So=Fc/2ra （c）双面剪切试验 So=Fc/2A （d）扭
20、转剪切试验 So=16M c /D3 式中：Mc试件被剪断前达到的最大扭矩 （Nm） D试件直径（m）,4）四种典型的限制性剪切强度试验 a.直剪仪（剪切盒）压剪试验（单面剪） b.立方体试件单面剪试验 c.试件端部受压双面剪试验 d.角模压剪试验（变角剪切试验）,5) Hoek直剪仪试验装置,6）角模压剪试验及受力分析示意图 在压力P的作用下，剪切面上可分解为沿剪切面的剪力Psin/A和垂直剪切面的正应力Pcos/A，如图所示,7）限制性剪切强度试验结果及其分析 试验结果：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能承受的剪应力也越大 原因：剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应力越大，摩擦
21、力也越大 将破坏时的剪应力和正应力标注到-应力平面上就是一个点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连接起来就获得了莫尔强度包络线，如图所示,残余强度：当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，剪切破坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切面滑动。能使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是破坏面的残余强度 正应力越大，残余强度越高，如图所示。所以只要有正应力存在，岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力,1)定义：岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度 与单轴压缩试验相比，试件除受轴向压力外，还受侧向压力。侧向压力限制试件的横向变形，因而三轴试验是限制性
22、抗压强度试验,四、岩石三轴抗压强度,2)实验加载方式： a. 真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示 应力状态：12 3 这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验 b.假三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25150mm，长度与直径之比为2：1或3：1。加载方式如图所示，轴向压力的加载方式与单轴压缩试验时相同 但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加载时要轻微得多 应力状态： 12=3,三轴压缩试验加载示意图 真三轴 12 3 假三轴 12=3,3)假三轴试验装置 由于试件侧表面已被加压油缸
23、的橡皮套包住，液压油不会在试件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件中。 其试验装置示意图如下,4)第一个经典三轴试验 a.试验者和时间：意大利人冯卡门(VonKarman)于1911年完成的 b.试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石具有很细的颗粒并且是非常均质的 c.试验发现： 在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏 随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并伴随工作硬化，试件也变成粗腰桶形的 在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压强度一半时，出现扩容，泊松比迅速增大,5) 三轴试验与莫尔强度包络线 a.三轴压
24、缩试验的最重要的成果：就是对于同一种岩石的不同试件或不同的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这一强度指标值以莫尔强度包络线（Mohrs strength envelop）的形式给出 b.莫尔强度包络线的绘制：须对该岩石的56个试件做三轴压缩试验，每次试验的围压值不等，由小到大，得出每次试件破坏时的应力莫尔圆，通常也将单轴压缩试验和拉伸试验破坏时的应力莫尔圆，用于绘制应力莫尔强度包络线。如图所示 曲线形： 直线形：,6) 三轴试验岩石强度参数的确定 a.直线形：轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力），记为C（MPa），与轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为（度） b.曲线形： 一种方法是将包络线和轴
25、的截距定为C，将包络线与轴相交点的包络线外切线与轴夹角定为内摩擦角 另一种方法建议根据实际应力状态在莫尔包络线上找到相应点，在该点作包络线外切线，外切线与轴夹角为内摩擦角，外切线及其延长线与轴相交之截距即为C 实践中采用第一种方法的人数多,岩石变形试验，是在纵向压力作用下测定试样的纵向（轴向）和横向（径向）变形，据此计算岩石的弹性模量和泊松比。 弹性模量是纵向单轴应力与纵向应变之比，规程规定用单轴抗压强度的50%作为应力和该应力下的纵向应变值进行计算。根据需要也可以确定任何应力下的弹性模量。 泊松比是横向应变与纵向应变之比，规程规定用单轴抗压强度50%时的横向应变值和纵向应变值进行计算。根据需
26、要也可以求任何应力下的泊松比。,五、岩石压缩变形试验,试样制备,试样可用钻孔岩芯或坑、槽探中采取的岩块，试件备制中不允许有人为裂隙出现。按规程要求标准试件为圆柱体，直径为5cm，允许变化范围为4.85.2cm。高度为10cm，允许变化范围为9.510.5cm。对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径比必须保持=2:12.5:1。 试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，一般情况下必须制备3个。 试样制备的精度，在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。两端面的不平行度最大不超过0.05mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25度。,试样描述
27、,岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，胶结物性质等特征。 节理裂隙的发育程度及其分布，并记录受载方向与层理、片理及节理裂隙之间的关系。 测量试样尺寸，并记录试样加工过程中的缺陷。,主要仪器设备示意图,试验程序,（1）选择电阻片，电阻片质量应符合产品要求，电阻丝的长度应大于组成试样的矿物最大粒径或斑晶的10倍以上。同一试样用的工作片和补偿片的电阻值应不超过0.2欧姆。 （2）电阻片应贴在试样高度的中部，每个试样贴纵向（轴向）和圆周向电阻片各2片，沿圆周向对称布置。 （3）贴片用的胶，一般情况下可用502快速粘结剂，914粘结剂等脆性胶；饱和试样还需配置防潮胶液。,试验程序,（4）将贴好片的
28、试样置于压力机上，对准中心，以全桥或半桥的方式联入应变仪（或数据采集器，如图所示），接通电源。以每秒0.50.8MPa的加载速度对试样加载，直至破坏。 （5）在施加载荷的过程中，由数据采集系统同步记录各级应力及其相应的纵向和横向应变值。为了绘制应力应变关系曲线，记录的数据应尽可能多一些，通常不少于10组数据。 （6）描述试样的破坏形式，并记下与试验有关的的情况。,试验成果,岩石压缩应力应变关系曲线,计算弹性模量与泊松比,计算弹性模量与泊松比,计算岩石单轴抗压强度,第六章 工程实例,深埋长大山岭隧道围岩大变形机理 及灾害预测和治理研究,我国是一个多山的国家，开发中西部又是今后我国的国策，发展山区
29、交通，使山区人民脱贫致富是我国的具体目标。高速、准高速铁路、公路的发展和建设又是21 世纪的特色；21世纪必然出现大量隧道工程，必然带来长隧道的增多。多和长是21世纪山岭隧道修建的两大特点。,交通隧道、水工隧道及其它地下工程穿越高地应力区以及遇到软弱围岩体，常导致软岩大变形等相关地质灾害。自20世纪初首例严重的交通隧道软弱围岩大变形发生以来，国内外隧道工程发生的围岩大变形灾害的事例屡见不鲜，它一直是困扰地下工程界的一个重大问题。,宜万铁路野山关隧道事故示意图,天汕高速公路广福隧道救援现场照片,大变形地段环向裂缝,侧壁扭曲变形的钢拱架,表1-1 国内外部分发生大变形隧道的基本情况,续上表,云岭隧
30、道进口位于郧西县上津镇丁家湾村，出口位于陕西省漫川关，为一座上、下行分离的四车道高速公路长大隧道。左线长为2155m; 右线长为2160m。该隧道为分离式双洞长隧道，隧道间距约30m。本隧道洞身最大埋深达344m，一般埋深约200300m。,工程背景,十漫高速公路是国家公路网银川至福州高速公路在湖北境内的最西段，是湖北省第四个世界银行贷款的高速公路建设项目。,区域地质构造,在区域构造上，十漫高速公路位于我国中部秦巴山区，地处两郧地质断裂带，地质条件复杂，存在大量软弱岩层和断层破碎带。其中两郧(郧县、郧西)断裂对区域构造起着控制作用，是区域内的主干断裂。它纵贯全线，西始漫川关，东沿经郧西、郧县及
31、均县，伏于南襄盆地，出露170km，总长达250km，破碎带宽度达1km，影响宽度约1km，呈北西向及北东向沿低山谷延伸，影像特征明显，产状10304075。,两郧断裂展布简图,郧西西北元岭两郧断裂的动变形与构造岩带,地形地貌,隧道进口处地形地貌,隧道出口处沿线路走向地形地貌,围岩岩性(千枚岩),掌子面围岩情况,炭质千枚岩在雨水作用下的状况,塌方 软岩大变形 底鼓 二衬开裂,隧道施工中出现的地质灾害,云岭隧道出口塌方照片,ZK104+865 ZK104+880段塌方,塌方情况,常发生在低强度围岩或者断层破碎带中。 变形大，一般达数十厘米。 径向变形特征明显，一般表现为拱顶下沉、边墙内挤、隧底隆
32、起等。,十漫高速云岭隧道ZK105+611+676大变形,软岩大变形特征,底鼓,仰拱中部发生隆起变形,仰拱中部施工缝发生明显开裂,右侧电缆沟向内侧倾斜,二衬拱腰部位出现掉块,二衬开裂,矮边墙与二衬剥离,电缆沟底部裂缝,人行横洞内混凝土掉块,人行横洞内出现较大裂缝,变形破坏方式多 变形量大 变形速率高 持续时间长 围岩破坏范围大 各位置破坏不一,云岭隧道大变形破坏特征,云岭隧道底鼓大变形机理研究,底鼓的概念最初是出现在矿山开采中，所谓“底鼓”是指巷道由于岩石开挖或开采扰动引起围岩应力的重新分布以及巷道运行过程中围岩性质不断发生变化，造成巷道顶底板及两帮岩体变形使巷道断面内敛，底板向上隆起的变形现
33、象。,隧道底鼓的分类,(1) 挤压流动性底鼓。该类型底鼓主要发生在隧道底板为软弱破碎岩体的岩层内，在水平构造应力作用下，以隧道底板为沿空自由面，底板软弱破碎岩体受水平应力挤压流动到隧道内，形成底鼓。,挤压流动性底鼓,(2) 挠曲褶皱性底鼓。由于水平压力作用，层状岩体产生挠曲变形，沿隧道底板临空方向凸起，造成隧道底鼓。研究表明，岩层分层越薄，隧道跨度越大，岩石越软弱，底鼓也越严重。,挠曲褶皱性底鼓,(3) 剪切错动性底鼓。隧道破碎围岩体作用于隧道底板，使底板岩体受到剪切作用，底板软弱岩体沿剪切弱面形成滑移体，剪切滑移岩块在外压力作用下发生剪切错动，并向隧道内凸出。,图 剪切错动性底鼓,(4) 遇
34、水膨胀性底鼓。岩石是一种多组分材料，在不同环境条件下表现出不同的物理力学性质，岩石浸水后，不仅岩石强度弱化，对于含有蒙脱石、泥质岩等的岩层，会发生岩体膨胀，出现岩体扩容现象。同时岩体膨胀产生膨胀应力，加剧岩体变形，造成隧道底鼓。 (5) 复合型底鼓。对于处在复杂条件下的隧道工程，隧道围岩受多因素的影响和制约，如水平构造应力、剪切应力、膨胀应力等，形成多因素共同作用的复合型隧道底鼓。,变形段仰拱处治现场施工图,施工阶段的大变形灾害预测,隧道超前地质预报是以地质雷达等仪器，并辅以其他地质调查方法，对隧道工作面前方围岩尤其是隧道掌子面前方数十米内围岩的工程地质和水文地质情况的性质、位置和规模进行比较
35、准确、全面、系统的探测和判断，确定不良地质体的空间位置和危害程度，结合监控量测数据，综合考虑围岩和主动支护因素，及时地调整支护参数，提出措施和建议，指导隧道施工，有效控制地质灾害的发生，防止在正常施工下避免工作面开挖出现不测事故(诸如出现断层、破碎带、采空区、溶岩、含水集水区、高应力地带以及其他不良地质现象)。,1. 隧道超前地质预报,TSP（Tunnel Seismic Prediction）超前预报技术是利用高灵敏度的地震波接收器，广泛收集由布置在隧道单侧壁上多个地震激发点产生的地震波及其在围岩传播中遇到不同反射界面时的反射波，通过分析反射界面所在的位置，进而结合具体的地质情况，预测影响施
36、工断层破碎带的位置、宽度、产状等，是一种有效的物探方法。 在隧道中合适位置布置炮点和接受点，通过爆破激发地震波，经结构面和不良地质体反射后，由接受点设备设置的震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪），将数据经微机处理后储存起来。,TSP203超前预报技术,TSP203炮点和接受点布置示意图,地质分析预测是根据围岩岩性、岩体结构、地应力场、地下水等围岩和地质环境特征，通过其他工程的资料和以开挖变形段围岩地质特征进行横向和纵向的工程地质类比分析预测，是一种定性的预测方法。,2. 地质分析预测,揭示隧道围岩变形、破坏及稳定规律，分析围岩特性，为施工和治理提供依据； 监测资料的及时分析反馈，使动态设
37、计、动态施工更加可行和可靠，便于掌控，同时，也为大变形治理的数值模拟研究提供资料； 监控施工过程中的安全程度，及时预测和警示大变形的发生，保证施工的正常进行； 检验施工方法、支护参数及大变形治理措施的合理性，为设计和施工优化以及隧道的安全使用提供依据。,3. 监控量测预测,岩石室内试验 地表下沉量测 水平收敛和拱顶下沉量测 应力应变监测,隧道洞口及浅埋段地表变形测点布置示意图,室内外试验设计,水平收敛及拱顶下沉量测布置示意图,围岩位移时间曲线,压力盒埋设布置图,试验现场,对数值分析而言，可采用的分析平台即数值分析方法主要有：有限单元法、离散单元法、块体理论、DDA和流形元法等，特别是有限元法和
38、边界元法应用尤为广泛。 这些方法都是以连续介质为出发点，而且都基于经典小变形的假设。在解决富含节理和大变形的岩土力学问题时往往所得的结果与实际的情况相差甚远。 拉格朗日法就可以解决类似的岩土工程问题，基于此原理开发的FLAC3D软件在模拟岩土工程中大变形问题具有独到的优点。,围岩大变形开挖方法和支护体系数值模拟研究,开挖方法的数值模拟研究,隧道FLAC3D模型,全断面开挖无支护时Z方向 位移分布等值线云图,全断面开挖无支护时X方向 位移分布等值线云图,分步开挖Z方向位移等值线图,分步开挖X方向位移等值线图,全断面开挖与分步开挖变形量对比表,不同支护参数的数值模拟研究,不同支护方案对应参数表,支
39、护方案一Z向位移等值线图,支护方案一X向位移等值线图,支护方案二Z向位移等值线图,支护方案二X向位移等值线图,支护方案三Z向位移等值线图,支护方案三X向位移等值线图,三种支护参数模拟结果对比表,结 论,大变形问题是软弱围岩隧道施工中常见的难题，在大断裂控制区域的高速公路大跨隧道更是如此。 本课题紧密结合十漫高速公路隧道施工中的大变形问题展开研究，从两郧断裂对隧道围岩的影响、软弱围岩体的物理力学及水理特性、大变形的形成机理等角度出发，采用应力及变形监控量测分析研究、大变形预测预报、三维数值模拟并结合理论分析等手段研究大变形的发生原因和治理措施，并及时将成果应用于施工实际，取得了较好的整治效果。,监控量测是预防和指导大变形治理措施制定的重要手段，在监控量测中采取了“变形监测为主，应力监测为辅”的思路，实施中考虑围岩质量、埋深等因素来确定监测的标准值和警戒值，用变形量、变形速率指标进行监测控制，同时采用三级管理模式进行监测管理，在现场取到了良好的应用效果。 隧道开挖前，调查地质情况，进行地质超前预报，采用工程类比方式，判别围岩，并进行数值模拟，判断是否发生大变形，提供合适的开挖方法与相应的支护措施，施工过程进行监控量测，并对数据对可能发生大变形的地段进行预测预报，及时调整开挖及支护方案指导施工，从而有效控制围岩大变形灾害。,结 论,