巖體力學(xué)論文

1、精品文檔水工隧洞圍巖穩(wěn)定性淺析摘 要：水工隧洞周圍的圍巖受到開挖影響 ,引起洞室周圍一定范圍內(nèi)的巖體應(yīng)力重新分布 ,從而使巖體產(chǎn)生變形、位移 ,甚至破壞。因此 ,對水工洞室圍巖的穩(wěn)定性進行分析是十分必要的。關(guān)鍵字：巖體結(jié)構(gòu)；引水隧洞；圍巖應(yīng)力；圍巖變形、圍巖穩(wěn)定 在水利、水電建設(shè)中經(jīng)常遇到一些洞室工程問題 ,其中最常遇到的作為引水建筑物之一的是水工隧洞。 水工隧洞是指水利工程中穿越山巖建成的封閉式過水通道 ,按過水時洞身流態(tài)區(qū)別 ,水工隧洞可分為無壓隧洞及有壓隧洞兩大類。無壓隧洞初砌所承受的荷載主要是山巖壓力、外水壓力。有壓隧洞除了承受這些壓力之外 ,特別重要的是承受內(nèi)水壓力。當(dāng)圍巖受到這種壓

2、力之后必然要引起一些力學(xué)現(xiàn)象和變形 ,以及一些穩(wěn)定性的問題。 洞室周圍的巖土體通稱圍巖。狹義上 ,圍巖常指洞室周圍受到開挖影響 ,大體相當(dāng)?shù)叵露词覍挾然蚱骄睆?倍左右范圍內(nèi)的巖土體。由于初始地應(yīng)力的存在 ,洞室開挖勢必打破原來巖(土)體的自然平衡狀態(tài) ,引起洞室周圍一定范圍內(nèi)的巖體應(yīng)力重新分布 ,有的圍巖的強度能夠適應(yīng)變化后的應(yīng)力狀態(tài) ,可不采取任何人力措施 ,便能保持洞室穩(wěn)定；但有時因圍巖強度低 ,或其中應(yīng)力狀態(tài)的變化大 ,以致圍巖不能適應(yīng)變化后的應(yīng)使巖體產(chǎn)生變形、位移 ,甚至破壞 ,若不加固或加固而未保證質(zhì)量 ,都會引起破壞事故 ,對施工、運營造成危害。工程中將洞室開挖后周圍發(fā)生應(yīng)力重新

3、分布的巖體稱為圍巖。因此 ,圍巖的變形和穩(wěn)定性是地下洞室能否在服務(wù)年限內(nèi)正常使用的關(guān)鍵。一、圍巖的應(yīng)力 未開挖的天然地下巖體在自重及地質(zhì)構(gòu)造運動后形成的初始應(yīng)力場狀態(tài)下維持相對穩(wěn)定。當(dāng)在巖體內(nèi)開挖洞室后 ,洞室四周一定范圍的圍巖相對穩(wěn)定性的應(yīng)力場受到破壞 ,發(fā)生應(yīng)力重分布。隨具體圍巖部位、產(chǎn)狀等狀況的不同 ,應(yīng)力重分布的結(jié)果既可能仍歸于穩(wěn)定 ,也可能出現(xiàn)洞頂崩塌等失穩(wěn)現(xiàn)象。對此 ,水工地下洞室設(shè)計時必須作出分析 ,并相應(yīng)對工程措施作出抉擇。 導(dǎo)致圍巖變形的根本原因是地應(yīng)力的存在。洞室開挖前 ,巖體處于自然平衡狀態(tài) ,內(nèi)部儲存著大量的彈性能 ,洞室開挖后 ,這種自然平衡狀態(tài)被打破 ,彈性能釋放。

4、洞室在開挖前 ,巖體一般處于天然應(yīng)力平衡狀態(tài) ,稱一次應(yīng)力狀態(tài)或初始應(yīng)力狀態(tài)(包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力) ,是一個三向應(yīng)力不等的空間應(yīng)力場。由于影響天然應(yīng)力的因素十分復(fù)雜 ,豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力間的比例系數(shù)即使在同一地質(zhì)環(huán)境里也有較大變化。實測結(jié)果 ,有些地區(qū)鉛直應(yīng)力大于水平應(yīng)力；有的則水平應(yīng)力大于鉛直應(yīng)力；也有的兩者相近 ,特別是在地殼的相當(dāng)深處 ,天然應(yīng)力比值系數(shù)接近于1。洞室開挖后 ,便破壞了這種天然應(yīng)力的平衡狀態(tài)。洞室周邊圍巖失去原有支撐 ,就要向洞室空間松脹 ,結(jié)果又改變了圍巖的相對平衡關(guān)系 ,形成新的應(yīng)力狀態(tài)。作用于洞室圍巖上的外荷 ,一般不是建筑物的重量 ,而是巖土體所具有的天然應(yīng)力

5、。這種由于洞室的開挖 ,圍巖中應(yīng)力、應(yīng)變調(diào)整而引起原有天然應(yīng)力大小、方向和性質(zhì)改變的過程和現(xiàn)象 ,稱為圍巖應(yīng)力重分布。它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。洞室內(nèi)若有高壓水流作用 ,對圍巖便產(chǎn)生一種附加應(yīng)力。它疊加到開挖、襯砌后圍巖中的應(yīng)力上 ,也是影響圍巖穩(wěn)定性的一種因素。二、圍巖的變形重新分布的圍巖應(yīng)力在未達到或超過其強度以前 ,圍巖以彈性變形為主。由于圍巖應(yīng)力重新分布 ,各點的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化 ,導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生新的彈性變形。這種彈性變形是不均勻的 ,從而導(dǎo)致洞室周邊位移的不均勻性。一般認為 ,彈性變形速度快、量值小 ,是隨著開挖過程幾乎同時完成的。當(dāng)應(yīng)力超過圍巖強度時 ,圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)域 ,甚至發(fā)生破壞

6、 ,此時圍巖變形將以塑性變形為主。塑性變形延續(xù)時間長、變形量大 ,是圍巖變形的主要組成部分。如果圍巖節(jié)理、裂隙十分明顯或者圍巖破壞嚴重時 ,節(jié)理、裂晾間的相互錯位、滑動及裂隙張開或壓縮變形將會占據(jù)主導(dǎo)地位 ,而巖塊本身的變形成分退居次要地位。按照巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理 ,由于巖體中大小結(jié)構(gòu)面的存在 ,圍巖的變形都會或多或少地存在結(jié)構(gòu)面的變形。由于巖石的流變效應(yīng)十分明顯 ,圍巖長期處于一種動態(tài)變化的高應(yīng)力作用之中 ,流變也是圍巖變形不可忽略的組成部分。固體介質(zhì)在長期靜載荷作用下 ,應(yīng)力、應(yīng)變隨時間延長而變化的性質(zhì) ,稱為流變性。蠕變和松弛則是流變性的兩種宏觀表現(xiàn)。蠕變是在一定溫度和應(yīng)力作用下的固體介

7、質(zhì)隨時間而產(chǎn)生的緩慢、連續(xù)的變形；松弛是在一定溫度和變形條件下的固體介質(zhì)隨時間而產(chǎn)生緩慢、連續(xù)的應(yīng)力減小。工程實踐證明 ,巖石具有流變性 ,某些巖石或受高溫高壓的巖石 ,蠕變現(xiàn)象更是多見。巖體同樣也會發(fā)生蠕變。花崗巖一類巖石在低溫、低應(yīng)力下 ,蠕變量微小 ,可忽略不計；而粘土巖、泥質(zhì)頁巖和具有充填粘土和泥化結(jié)構(gòu)面的巖體 ,蠕變量通常很大 ,必須重視 ,以便對巖體變形和穩(wěn)定性作出正確論證。試驗表明 ,巖體蠕變可以劃為三個階段。第一階段稱為減速(初始)蠕變階段。第二階段為圍巖應(yīng)力調(diào)整期的變形階段 ,稱為等速蠕變階段 ,其變形緩慢平穩(wěn) ,變形速度保持常量。第三階段稱為加速蠕變階段 ,它出現(xiàn)在應(yīng)力值等

8、于或超過巖體的蠕變極限應(yīng)力條件下 ,其變形速度逐漸加快 ,最終導(dǎo)致巖體破壞。巖體的三個蠕變階段 ,并不是在任何應(yīng)力值下都可全部出現(xiàn)。應(yīng)力值較小 ,巖體僅出現(xiàn)第一階段或第一與第二階段；應(yīng)力值等于或超過巖體蠕變極限應(yīng)力 ,巖體才可能蠕變至破壞。通常把蠕變破壞的最低應(yīng)力值 ,稱為長期強度。研究軟弱巖體和巖體沿某些結(jié)構(gòu)面滑動的穩(wěn)定性問題 ,應(yīng)特別注意其長期強度和蠕變特性。根據(jù)原位剪切流變試驗資料 ,軟弱巖體和泥化夾層的長期抗剪強度與短期抗剪強度的比值約為0.8左右 ,大體相當(dāng)于快剪試驗的屈服極限與強度極限的比值。根據(jù)變形與時間和變形與荷載的關(guān)系曲線 ,可以區(qū)分巖體的穩(wěn)定變形和非穩(wěn)定變形 ,把將會導(dǎo)致巖

9、體全面破壞的變形與那種雖然延續(xù)但不會引起巖體全面破壞的變形區(qū)別開來。恒定荷載作用下 ,若變形與時間的變化率減小 ,或者為一很小的常數(shù) ,則變形穩(wěn)定。若變形與時間的變化率增大 ,則變形不穩(wěn)定 ,并將導(dǎo)致巖體發(fā)生全面破壞。荷載不斷增加的條件下 ,若變形與載荷的比率減小 ,或者為某一個常數(shù) ,則變形穩(wěn)定。若變形與荷載的變化率增加 ,則變形不穩(wěn)定 ,并將導(dǎo)致巖體發(fā)生全面破壞。三、地層與巖性的影響 地層與巖性條件的好壞對洞室的穩(wěn)定性也有直接影響。對于堅硬巖石 ,如火成巖中的花崗巖、閃長巖、輝長巖、輝綠巖、灰?guī)r、安山巖、玄武巖、流紋巖；變質(zhì)巖中的片麻巖、石英巖、硅質(zhì)大理巖等 ,這些巖石一般都是比較好的。但

10、對某些軟弱的火成巖及變質(zhì)巖 ,如凝灰?guī)r、片巖、千枚巖、泥質(zhì)板巖等 ,洞室施工容易造成塌方、變形。沉積巖總的來說不如火成巖和變質(zhì)巖 ,但其中堅硬的石灰?guī)r、膠結(jié)良好的砂巖、礫巖等 ,一般也是比較好的。值得注意的是軟弱沉積巖 ,如泥質(zhì)、炭質(zhì)頁巖 ,泥灰?guī)r ,粘土巖 ,斑脫巖 ,石膏 ,鹽巖 ,煤層以及膠結(jié)不良的砂礫巖等 ,這些巖石強度低 ,易風(fēng)化或膨脹變形 ,對洞室穩(wěn)定性極為不利。四、圍巖應(yīng)力的彈塑性理論分析 試驗研究表明 ,巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有明顯的非線性 ,宜用彈塑性理論進行分析。此理論假設(shè)巖體為均勻、連續(xù)、各向同性的彈塑性體 ,當(dāng)大小主應(yīng)力差值小于極限值時巖體為彈性體 ,當(dāng)大于極限值時巖體按塑

11、性體考慮。極限值由圍巖開始發(fā)生塑性破壞的應(yīng)力圓包絡(luò)線所確定 ,他滿足巖石的塑性判別準(zhǔn)則公式。（一）圍巖應(yīng)力分布 當(dāng)巖體被開挖出圓形洞室后 ,洞周產(chǎn)生應(yīng)力集中 ,如果圍巖仍處于彈性狀態(tài) ,則由前文可知 ,周界切向應(yīng)力為極限值。如果超過彈性極限 ,洞室附近將出現(xiàn)塑性變形 ,形成塑性區(qū)而出現(xiàn)應(yīng)力重分布。這時洞的周界上切應(yīng)力的具體大小由巖體應(yīng)力圓包絡(luò)線圖決定。此后 ,塑性區(qū)不斷向圍巖深部發(fā)展 ,直到應(yīng)力等于所允許的最大極限值時塑性區(qū)停止發(fā)展 ,塑性區(qū)外仍保持彈性狀態(tài)。塑性區(qū)外緣應(yīng)力與彈性區(qū)邊緣應(yīng)力相容。根據(jù)上述分析 ,可列出塑性區(qū)平衡微分方程 ,按照塑性判別準(zhǔn)則以及彈性區(qū)與塑性區(qū)相交邊界上應(yīng)力相等條件

12、 ,解得塑性區(qū)范圍的半徑（二）圍巖穩(wěn)定性判別出現(xiàn)塑性變形區(qū)并不意味著圍巖一定失穩(wěn) ,因為變形過程中 ,巖塊有可能重新組合稱支承拱 ,以承擔(dān)荷載。故在得知塑性區(qū)范圍及其中應(yīng)力分布情況后 ,還應(yīng)對圍巖穩(wěn)定性進行判斷。假設(shè)圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)后沿半徑為 的塑性區(qū)弧線與彈性區(qū)分離 ,并在洞頂形成承載拱環(huán)。根據(jù)承載拱環(huán)中微元體在自重及 、 作用下平衡的微分方程 ,可求得環(huán)內(nèi)徑向正應(yīng)力公式：由式可見 ,因為原本假定塑性區(qū)與彈性區(qū)是分離的。為判別洞頂穩(wěn)定性 ,則可以切應(yīng)力代入考查 ,則洞頂處于極限平衡狀態(tài)。這里所論述圍巖穩(wěn)定性判別法得先按彈性理論分析圍巖應(yīng)力 ,再把所求得得應(yīng)力超過彈性極限部分當(dāng)作塑性區(qū)考慮。五、

13、判別圍巖穩(wěn)定性的經(jīng)驗法關(guān)于地下洞室圍巖穩(wěn)定性的判別雖然有前述各種理論方法 ,但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性 ,實際上各方法的準(zhǔn)確應(yīng)用仍很困難 ,工程上為此還經(jīng)常依賴經(jīng)驗判別。下面介紹國內(nèi)外兩種經(jīng)驗判別法。（一）圍巖分類法根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗 ,按照圍巖工程地質(zhì)特征和地下水狀態(tài)所決定的圍巖穩(wěn)定程度 ,我國將水工地下洞室的圍巖分為以下五類。（1）類為穩(wěn)定圍巖 ,包括呈整體結(jié)構(gòu)或大塊狀結(jié)構(gòu)的堅硬巖體以及層間結(jié)合良好 ,且層面與洞軸線正交的厚層層狀巖體 ,巖性新鮮或微風(fēng)化；地質(zhì)構(gòu)造影響輕微 ,節(jié)理裂隙不發(fā)育 ,其間距大于1m；沒有或僅遇有軟弱結(jié)構(gòu)面 ,寬度小于0.1m；洞壁干燥或潮濕或僅有微弱滲水。這種洞室圍巖無塌

14、落塊 ,能長期穩(wěn)定 ,但埋深特大時可能有巖爆。（2）類為基本穩(wěn)定圍巖 ,又分為兩小類。1類為塊狀結(jié)構(gòu)的新鮮或微風(fēng)化的堅硬巖體；受地質(zhì)構(gòu)造影響一般 ,節(jié)理裂隙較發(fā)育 ,其間距為0.51m；有少量寬度小于0.5m的小型斷層軟弱帶；地下水活動微弱 ,沿裂隙滲水、滴水。2類為層面與洞軸夾角大于70的中厚層狀的硬巖層；受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微 ,裂隙不發(fā)育 ,間距大于1m；地下水狀態(tài)同1類。這類洞室圍巖有超挖掉塊現(xiàn)象或個別小型塌落 ,仍可在較長時間維持穩(wěn)定。（3）類為穩(wěn)定性差的圍巖 ,又再分為三小類。1類為具有碎裂結(jié)構(gòu)或鑲嵌結(jié)構(gòu)的微風(fēng)化或弱風(fēng)化的堅硬巖體；受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴重 ,節(jié)理裂隙發(fā)育 ,間距0.20.5

15、m ,多張開并夾泥；結(jié)構(gòu)面平直光滑并有泥充填 ,還有方形、梯形、尖拱形等不穩(wěn)定組合；地下水活動顯著 ,有大量滴水、線狀流水或噴水 ,對軟弱巖體穩(wěn)定性影響嚴重。2類為塊狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的微風(fēng)化或弱風(fēng)化的中硬巖；結(jié)構(gòu)面及其組合狀態(tài)同1類 ,層面及結(jié)構(gòu)面與洞軸夾角一般大于70；受地質(zhì)構(gòu)造影響一般 ,裂隙較發(fā)育間距0.51m ,多微張或局部張開并有夾泥；地下水狀態(tài)與1類同。3類為微風(fēng)化的層狀結(jié)構(gòu)軟巖；受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微 ,裂隙不發(fā)育；地下水狀態(tài)與1類同。1、2類圍巖穩(wěn)定受軟弱結(jié)構(gòu)面組合控制 ,表現(xiàn)為洞頂局部塌落 ,但一般仍具有自穩(wěn)能力 ,短時間內(nèi)可維持穩(wěn)定；但3類軟巖具有流變特征 ,對裂隙稍發(fā)育段自穩(wěn)

16、能力差。（4）類為不穩(wěn)定圍巖 ,又分為兩小類。1類為具有碎裂結(jié)構(gòu)或?qū)訝钏榱呀Y(jié)構(gòu)的弱風(fēng)化或強風(fēng)化的破碎硬巖或中硬巖體；受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴重 ,節(jié)理裂隙發(fā)育 ,間距0.20.5m ,多張開夾泥 ,并有斷層和軟弱結(jié)構(gòu)面 ,軟弱帶寬24m；結(jié)構(gòu)面多平直光滑 ,或起伏平滑 ,夾泥較厚 ,并常帶有尖拱形、槽型、圓拱形不穩(wěn)定組合 ,層面或結(jié)構(gòu)面與洞軸夾角小于30或甚至二者平行；地下水活動強烈 ,并有一定滲透壓力和少量涌水 ,嚴重影響巖體強度和抗沖刷能力。2類為具有薄層狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝钏榱呀Y(jié)構(gòu)的弱風(fēng)化的軟巖；受地質(zhì)構(gòu)造影響一般 ,裂隙較發(fā)育 ,間距0.51m ,多張開有泥；常伴有軟弱夾層 ,層面結(jié)合差；結(jié)構(gòu)面及其組

17、合狀態(tài)、地下水狀態(tài)與1類同。這類圍巖穩(wěn)定性受軟弱結(jié)構(gòu)面控制 ,常發(fā)生頂拱塌落 ,有偏壓 ,且時間效應(yīng)明顯 ,自穩(wěn)能力差 ,自穩(wěn)時間短。（5）類為極不穩(wěn)定圍巖 ,呈散體結(jié)構(gòu)：強風(fēng)化或全風(fēng)化的石質(zhì)圍巖 ,受地質(zhì)構(gòu)造影響很嚴重 ,節(jié)理裂隙密集 ,有較厚泥質(zhì)充填 ,多為含泥碎裂結(jié)構(gòu)；擠壓強烈的大斷層 ,寬度大于24m ,裂隙雜亂密集；非黏性的松散土層、砂卵石、碎石等。結(jié)構(gòu)面及其組合雜亂 ,并多有黏土充填；地下水活動劇烈 ,滲透壓力較大 ,巖體無抗沖刷能力。這類圍巖穩(wěn)定性受強度控制 ,開挖過程中經(jīng)常邊挖邊塌。（二）巖體質(zhì)量指標(biāo)評估法巖體質(zhì)量指標(biāo)(RMQ)分類法簡稱M法 ,這種方法目前雖不太成熟 ,但它在分類的原則和依據(jù)上都很合理。該分類法是在大量地質(zhì)工作的基礎(chǔ)上 ,