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1、,认识围岩的稳定性,一、围岩稳定的影响因素分析,（一） 成洞的三种情形,有时不需要任何支撑 就可以获得稳定的洞室,有时则需要加以支撑 才能获得稳定的洞室,有时由于支撑不及时或不足而导致围岩坍塌,是最希望的,经常要做的,要尽量避免,围岩稳不稳,坑道稳不稳,决定着,认识,研究,分析,掌握,围岩所处的地质环境,围岩的工程性质,影响围岩稳定的因素,这些因素是如何影响的,判断围岩的 稳定能力,（二） 围岩稳定的 影响因素,1、围岩工程 地质条件,2、隧道工程 结构条件,3、隧道工程 施工条件,围岩所处的原始应力状态,围岩的破碎程度和结构特征,围岩的强度特性和变形特性,地下水的作用等条件,隧道所处的位置,
2、坑道形状（尤其是顶部形状）,坑道的断面大小等条件,施工速度（围岩的暴露时间）,支护的施作时间、时机,支护的力学性能,施工方法（扰动程度）,支护与围岩的协调状态,区分,最终获得,必要又充分 经济又合理 的工程措施,不同的地质环境条件 不同工程性质的围岩 不同的影响因素 不同的影响机理 不同的影响程度,隧道的稳定与安全,（三）围岩与岩体的区别及研究内容,二、岩体的工程性质,（一）岩体的变形特性,1、岩体的受拉变形特性,岩体受拉后立即沿结构面发生断裂或脱离，表现为抗拉能力很低或者根本没有抗拉能力。这种特性显然不能为工程所应用，故不必过多研究，但它对工程是有害的，因此应极力避免应用。,2、岩体的受压变
3、形特性,压密阶段（OA） 弹性阶段（AB） 塑性阶段（BC） 破坏阶段（CD）,典型应力应变曲线,3、岩体的受剪变形特性,岩体受剪时的变形特征主要是 受结构面的控制。 首先沿结构面滑动变形。 然后结构体受剪变形，进而被剪断。,流变特性：岩体变形不是瞬间完成的，而是随着时间的增长逐渐达到终值。 蠕变：应力不变，应变随时间增长。 松弛：应变不变，应力随时间降低。,（二）岩体的强度特性,1、岩体的抗压强度,岩体的抗压强度比岩石 的抗压强度低得多。 岩体的抗压强度具有 明显的各向异性。,2、岩体的抗剪强度,岩体抗剪强度主要受岩体内结构面的性质和形态所控制。 即结构面的产状、分布、规模、密集程度、空间组
4、合形式和表面形态、填充物的性质和充填状况、含水情况等，均直接而显著地影响着岩体的抗剪强度。 岩体的岩性、构造、风化程度、含水性等因素对岩体的抗剪强度也有一定的影响。,（三）岩体的结构特征及其分类,1、岩体的结构特征,岩体的结构特征是指结构体、结构面及其填充物的特征总和。 岩体的结构特征对岩体的工程力学性能有着重要影响，继而影响岩体的破坏形态。,2、岩体的结构分类（见课本表3-2-5）,岩体的结构类型,整体块状,散体,碎裂,层状,整体块状结构,碎裂结构,层状结构,散体结构,（四）岩体的破坏失稳形态,1、脆性破坏,整体状和巨块状岩体，其结构完整、岩质坚硬，在一般工程开挖条件下，大多表现出很强的稳定
5、能力，仅偶尔产生局部掉块。当地应力很高时，则可能发生坑道周边岩石成大小不等的碎片状射出，并伴有响声。工程中将这种现象称为“岩爆”。岩爆属于脆性破坏。,2、块状运动,块状或层状岩体，受少数结构面切割，其块间或层间结合力较弱，在应力作用下，向坑道方向运动。可能逐渐形成块体滑动、转动，以及块体挤出、塌落、倾倒等失稳现象。塌落的往往只是局部，其规模一般不会太大。,3、塑性变形,碎裂结构或散体结构的岩体随挖随塌，或不挖自塌，基本不能自稳。即使利用初期支护使其勉强不坍塌，但其塑性变形也长时间不能停止，具有很强的流变性。,塑性变形的表现,（五）岩体工程性质的结论,1、结论,分析,变形特性 强度特性 结构特征
6、,岩体,既不是简单的弹性体 也不是简单的塑性体 而是较复杂的弹塑性体,2、具体特征,岩体的变形特性不同于结构体或结构面，而是呈现为“四个阶段”。 整体性较好的岩体接近弹性体，破碎及松散岩体偏向于塑性体。 岩体的变形不是瞬间完成的，而是随着时间逐渐达到终值，具有流变特征。 岩体的强度具有明显的“各向异性”。 岩体的结构特征对其力学性质有着重要影响，继而影响着岩体的破坏形态。,三、岩体的原始应力状态,工程实践和研究表明，岩体在开挖前总是处在相对平衡和稳定状态之中，称为“原始应力状态”。 在开挖坑道后，围岩出现“松弛”和向着坑道方向的“位移”，甚至坍塌破坏等现象，与岩体的原始应力状态有着密切的关系。
7、,四、围岩的应力历程,洞室形成前：,岩体中任意一点处 的应力是平衡的,洞室形成后：,开挖稳定后：,初始应力状态 （一次应力状态）,形成自由 变形空间,围岩向洞内 松胀 变形,引发围岩应 力重新调整,应力重分布 （二次应力状态）,围岩自己稳定，或 是人工支护结构的 帮助下获得稳定,达到新的应力平衡 和稳定状态 （三次应力状态）,五、围岩稳定性的力学解释,1、围岩二次应力状态与其强度能力的关系。岩体的“强度破坏和有限的变形”，只是围岩坍塌失稳的“必要条件”。 2、围岩二次应力状态与其变形能力的关系。“变形过度”才是围岩坍塌失稳的“充分条件”。 3、围岩局部稳定性与整体稳定性的关系。在一定的工程结构
8、条件下和一定的施工条件下，岩体的“强度破坏和整体变形过度”才是围岩整体坍塌失稳的“充要条件”。,4、隧道结构条件与围岩稳定性的关系。 （1）坑道横断面形状与围岩稳定性的关系 自然界地层中的天然洞室，其顶部形状都趋向于形成拱形。“自然成拱作用”。 （2）坑道横断面大小与围岩稳定性的关系 坑道断面越大，围岩的相对稳定性更低，反之则相对稳定。 5、隧道施工条件与围岩稳定性的关系。 （1）开挖方法的影响 施工应尽可能地采用大断面开挖，以简化围岩应力重分布的过程，减少对围岩稳定性的不利影响。,（2）开挖面的支承作用的影响 开挖中应尽可能地对“开挖面的支承作用”加以充分利用。 （3）掘进方式的影响 应视围
9、岩条件尽可能地选用对围岩扰动小的破岩方式。 （4）施工速度的影响 施工中应及时做初期支护，控制围岩变形。 （5）风化作用的影响 施工中应尽可能早地封闭围岩表面，缩短围岩暴露时间，避免围岩急速风化，保持围岩的稳定能力。,1、分级的目的和原则,（一）分级的目的,为了工程应用的便利，有必要将围岩按其稳定性的好坏（能力的强弱）划分为有限个级别，以便于进行工程类比。,（二）分级的原则,（1）分级目的明确、形式简单、级数适中； （2）分级指标清晰、便于识别、易于区分； （3）分级数据易得、便于定量、易于划分。,五、围岩的稳定性分级,2、隧道围岩稳定性分级,（一）公路、铁路隧道围岩稳定性分级方法及分级表,铁
10、路隧道设计规范推荐的围岩稳定性分级方法是：以围岩的结构特征、完整状态、岩体强度和围岩的弹性波速度（VP）作为基本分级指标，将围岩划分为共六个基本级别；然后适当考虑地下水和地应力对围岩稳定性的影响程度，对基本级别予以适当修正，确定出围岩稳定性的最后级别。,（二）各级围岩的物理力学指标,各级围岩的物理力学指标标准值应按试验资料确定，无试验资料时可按表选用。,（三）围岩分级的主要因素,围岩基本分级应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定；岩石坚硬程度定量指标用岩石单轴饱和抗压强度（Rc）表达；岩体完整程度的定量指标用岩体完整性系数(Kv)表达。Kv一般用弹性波探测值。 岩石坚硬程度和岩体完整程度，
11、应采用定性划分和定量指标两种方法综合确定。,（三）围岩分级的主要因素,（四）隧道围岩分级修正,隧道围岩级别应在围岩基本分级的基础上，结合隧道工程的特点，考虑地下水状态、初始地应力状态等必要的因素进行修正。,（四）隧道围岩分级修正,围岩初始地应力状态，当无实测资料的，可根据隧道工程埋深、地貌、地形、地质、构造运动史、主要构造线与开挖过程中出现的岩爆、岩芯饼化等特殊地质现象，按下表评估。,（四）隧道围岩分级修正,隧道洞身埋藏较浅，应根据围岩受地表的影响情况进行围岩级别修正。 当围岩为风化层时，应按风化层的围岩基本分级考虑；围岩仅受地表影响时，应较相应围岩降低12级。,（五）公路隧道围岩分级的主要因
12、素,公路隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级，并按以下顺序进行： (1)根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体基本质量指标（BQ），综合进行初步分级。 (2)对围岩进行详细定级时，应在岩体基本质量分级基础上，考虑修正因素的影响修正岩体基本质量指标值。 (3)按修正后的岩体基本质量指标BQ，结合岩体的定性特征综合评判，确定围岩的详细分级。,（六）对分级中不便考虑的影响因素的处理,1、坑道横断面大小对围岩稳定性级别的影响； 2、坑道横断面形状对围岩稳定性级别的影响； 3、施工方法对围岩稳定性级别的影响。,3、国家标准GB 50086-2001锚杆喷射混凝土支护技术规范
13、围岩分类法,（1）本分类适用于矿山、铁路、水电、建工和军工等部门的地下工程锚喷支护设计。(国标P1) （2）本分类采用多因素定性与定量指标相结合的分类方法。虽然分类表中没有给出岩体质量系数，但由于分类表中给出了岩石单轴抗压强度和岩体完整性指标，所以实际上也等于给出了岩体质量系数。（国标P5-9）,（3）岩体结构类型的划分，主要考虑了岩体结构体的块度尺寸，见下表。,（4）地质构造影响程度和结构面发育情况参见有关表格。 （5）对、IV级围岩，当地下水较发育时，应根据地下水类型、水量大小、软弱结构面多少及其危害程度，适当降级。 （6）对、IV级围岩，当洞轴线与主要断层或软弱夹层夹角小于30时，应适当
14、降级。 （7）划分围岩类别通常分为两个阶段：勘察阶段初步划分围岩类别与施工阶段详细划分围岩类别。,4、其他分类方法,（1）岩石坚固性系数（f）分类法和岩体坚固性系数（fm）分类法。不能准确反映围岩稳定性，很少再用。 （2）泰沙基岩体荷载高度（hq）分类法： 泰沙基岩体荷载高度（hq）分类法虽然简单、直观、易于理解，但经验性很强，也不够精确和严密。这种分类法奠定了松弛荷载理论的基础。 （3）岩石质量（RQD）分类法和岩体质量（Q）分类法。 （4）围岩自稳时间（Ts）分类法。时间跨度大，不适用。 （5）弹性波速度（Vp）分类法。不直观，专业要求高。,（6）岩体质量应力比（S）分类法（总参工程兵1984年9月坑道工程围岩分类）。 岩体质量应力比（S）分类法是比较完善的分类法，它既考虑到了岩体质量即岩体结构特征和强度特性的影响，又考虑到岩体所在的地层应力的客观存在和影响。,小结,1、影响围岩稳定的因素（围岩地质条件、隧道结构条件、隧道施工条件） 2、岩体的变形特性和强度特性（流变特性和各向异性） 3、岩体的结构特征（整体块状、层状、碎裂状和散体状） 4、围岩的应力历程（从原始到一次再到二次应力状态） 5、围岩的破坏失稳形态（脆性破坏、块状运动、弯曲折断、松动解脱和塑性变形） 6、围岩稳定性的力学解释（总结了围岩的稳定性与围岩的强度和变形、隧道结构条件、隧道施工条件等因素的关系）,