第六章-地下工程地质问题课件.ppt

1、河北科技大学 上一章回顾?概念：崩塌、落石、滑坡、泥石流、岩溶水、地震、震源、震中、震中距、地震震级、地震烈度?崩塌落石的影响因素?滑坡的形成条件和影响因素?泥石流形成的三个基本条件?岩溶的形成的四个基本条件?地震按成因分类 河北科技大学 第六章第六章 地下工程地质问题地下工程地质问题 河北科技大学 6.1 岩体及地应力的概念?6.1.1 岩体的概念 一、岩体 广义岩体：岩石块体自然组成的“岩石结构物”。具有不连续性、非均质性和各向异性的特点。工程岩体：与工程建筑物应力影响范围内的那部分岩体。河北科技大学 岩石的工程性质影响因素：矿物成分、结构和构造：矿物成分、结构和构造 岩体的工程性质影响因

2、素：岩石，结构面的性质：岩石，结构面的性质 地基岩体地基岩体 边坡岩体边坡岩体 洞室岩体洞室岩体 岩体按工程性质分为岩体按工程性质分为 河北科技大学 二、结构面 岩体中的不连续界面，通常没有或只有较低的抗拉强度。主要指岩体中的各种破裂面、夹层、充填矿脉等。按成因分为 原生结构面：构造结构面：次生结构面：岩石形成过程中产生的 地壳运动引起岩石变形破坏形成的破裂面 地表浅层因风化、卸荷、爆破、剥蚀等作用形成的不连续界面 河北科技大学 原生结构面：构造结构面：次生结构面：沉积结构面：火成结构面：变质结构面：层理、层面、软弱夹层 冷缩节理、侵入接触面 片理面 构造节理、断层 风化节理、卸荷节理、爆破节

3、理、不整合接触面等 河北科技大学 三、结构体 岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体。影响因素：结构面组数、密度、产状、长度 河北科技大学?6.1.2 岩体结构的概念岩体结构的概念?岩体结构：岩体中结构面和结构体的组合关系。岩体结构类型：岩体中结构面和结构体的组合形式。?岩体破坏情况 硬岩：脆性破坏，主要是沿结构面变形破坏。软岩：塑性破坏，主要是整体强度不足而破坏。岩体变形的显著特点：各向异性。EE?河北科技大学?6.1.3 地应力的概念地应力的概念 地 应 力：地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，也称为初始应力或天然应力。类 型：主要：自重应力、构造应力 次要：地下水压力、低

4、温应力、结晶应力等 围 岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。二次应力：工程开挖后，使一定范围内岩体中的应力受到扰动而重新分布。又叫二次重分布应力或围岩应力。河北科技大学?地应力分布规律地应力分布规律（1）地壳浅层：水平应力大于垂直应力（2）地壳深层：水平应力约等于垂直应力（3）水平应力主要是构造应力，垂直应力主要是自重应力 v1HvvH?H?v?（4）垂直应力 与水平应力 的关系：在岩土工程，地应力有十分重要的意义。河北科技大学 6.2 洞室围岩变形及破坏的主要类型 围岩稳定性影响因素：地质因素 工程因素 岩石及岩体的物理力学性质 岩体结构特征 结构面性状 含水状况 地应力状态 工程类型 工

5、程尺寸 施工方法 河北科技大学?6.2.1 围岩应力的变化规律围岩应力的变化规律 卸荷回弹：地下洞室开挖后，原有地应力平衡状态被破坏，岩体内各质点沿最短距离达到新平衡时的位移现象。应力集中现象一般发生在洞室横剖面最大尺寸的56倍范围内。塑 性 圈：洞壁岩体向临空方向位移，在洞壁因挤压形成切向应力集中，在靠近洞壁的岩体中形成塑性松动圈。河北科技大学 应力降低区应力降低区 应力升高区 天然应力区 洞室开挖形成的三个应力区域 影响塑性圈范围的因素：岩石强度、岩体结构类型、天然应力高低，支护的反力大小。河北科技大学 洞室围岩应力变化规律随洞室形状和侧压力系数变化。洞室围岩应力变化规律随洞室形状和侧压力

6、系数变化。o?2?r?a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a 河北科技大学?6.2.2 洞室围岩变形和破坏的主要类型洞室围岩变形和破坏的主要类型 1.错动松弛：在多组结构面发育的硬岩岩体，当洞室开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服强度，围岩就会沿已有的多组节理发生剪切错动而松动，在洞室周边的围岩中形成一个松动圈。一、岩质围岩变形和破坏的主要类型 2.剪切滑移：指围岩当结构面上剪应力超过抗剪强度 而产生的沿结构面剪切滑移。河北科技大学 3.张裂塌落：拱顶张应力超过岩石抗拉强度，引起岩石破裂，导至洞顶塌落的现象。4.劈裂剥落：切向应力导至洞室周边岩石形成平行 洞壁的密集破裂，并产生剥落的现象。

7、5.弯折内鼓：径向应力挤压薄层围岩，使之向洞内弯折内鼓，甚至坍倒的现象。河北科技大学 6.岩岩 爆爆：在高应力地区，洞室开挖后，围岩因弹性应变能突然释放而发生的岩石弹射或抛出的现象。7.塑性挤出：软弱岩体在洞室开挖后，当围岩应力超过其屈服强度时，向洞内产生的塑性挤出的现象。8.膨胀内鼓：在膨胀岩地区，洞室开挖后水分向松动圈集中，导致岩石吸水膨胀，并向洞内鼓出的现象。河北科技大学 二、松散围岩变形和破坏的主要类型二、松散围岩变形和破坏的主要类型 1.重力坍塌：固结程度差的散体结构围岩，开挖后在重力作用下自由坍落。2.塑流涌出：当开挖饱水断层破碎带时，松散物质常形成碎屑流涌出。河北科技大学 6.3

8、 地下洞室特殊地质问题?6.3.1 突水突泥 隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥涌入隧道的现象。开 挖 洞 室：遇相互贯通又富含水的节理、断层破碎带，蓄水洞穴或地下暗河等，可能产生突水。已开挖洞室：与地面有贯通裂缝，暴雨时可能产生突水。河北科技大学?地下洞室大量突水的条件：地下洞室大量突水的条件：洞室通过溶洞发育的石灰岩地段，尤其是遇到暗河系统时 洞室通过厚层的含水砂砾石层 遇到富水的断层破碎带，且与地表水连通时 河北科技大学?6.3.2 腐蚀腐蚀 结晶类腐蚀 分解类腐蚀 结晶分解复合类腐蚀 1.腐蚀类型 芒硝型腐蚀 石膏型腐蚀 钙矾型腐蚀 酸 型 腐 蚀 碳酸型腐蚀 河北科技大学 2.混凝

9、土腐蚀严重程度 外观完整，有坚硬感 局部砂浆剥落 局部骨料外露，内部坚硬 表面膨胀隆起，局部呈豆腐渣状 3.腐蚀易发生地区 无 腐 蚀：弱 腐 蚀：中等腐蚀：强 腐 蚀：R、K、J红层及T灰岩等中的含膏地层 泥炭、淤泥、沼泽等地 我国东南沿海有红树残体的冲积层 我国长江以南的酸性红土 含硫矿床的地下水层 冶炼厂、化工厂、废渣场、堆煤场等地的地下水层 河北科技大学?6.3.3 地温地温 GhHTT)(0?0.05/oGC mk?地热梯度：深度每增加100m地温的增加值。热传导系数 地温的影响因素：深度，地质构造，火山活动，地下水温度等。洞室埋深处地温计算：河北科技大学?6.3.4 有害气体有害气

10、体 以甲烷为主的有害气体的总称（包括CH4，CO2，CO，H2S，SO2，N2等），主要发生在含煤地层。危害条件 施工要求 瓦斯浓度1%，不准装药放炮 瓦斯浓度2%，工作人员撤离现场 河北科技大学 6.4 围岩工程分级及其应用 wrnaJJRQDQJJSRF?围岩质量分级：国际工程岩体分级标准（GB50218-94）N.Barton 岩体分类：铁路隧道围岩分级 河北科技大学 6.5 围岩稳定性评价方法 土体洞室：土层类型、固结程度、地下水状态、洞室断面尺寸和形态、洞室埋深等。岩体洞室：岩体质量、地下水状态、地应力状态、洞室断面尺寸和性状、洞室埋深等。影响地下洞室稳定性的因素：围岩稳定性评价：根

11、据不同的岩体结构、不同的受力性质，简化成不同的力学模型，应用相应的分析评价方法，研究围岩的变形破坏过程。河北科技大学?几个概念几个概念 围岩压力：围岩作用在支护上的压力，是确定衬砌设计荷载大小的依据。松动压力：由于开挖造成围岩松动而可能塌落的岩体，以重力形式直接作用在支护上的压力。变形压力：围岩变形受到支护限制后，围岩对支护形成的压力。膨胀压力：围岩吸水后，岩体发生膨胀崩解而引起围岩体积膨胀变形对支护形成的压力。河北科技大学 围岩工程分级法 理论计算法 图解法 模型试验法 连续介质力学计算法 极限平衡分析法 散体围岩温度计算法 赤平极射投影 数值模型模拟法 物理模型试验法 不受结构面控制时 受结构面控制时 光测弹性模型试验法 相似材料模型试验法 离心模型试验法 河北科技大学 本章小结?概念：岩体，结构面，结构体，地应力，围岩?地应力变化规律?造成地下洞室突水的条件